آشنایی با لامپ‌های مایکروویو کلایسترون

[Electro_officer 13,797]

[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10248/Besmellah_01.png[/img][/center]


[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/bigklystron.jpg[/img][/center]

پیش از این در تاپیک اصول رادار برخی مبانی سامانه‌های راداری را شرح دادیم و بیان کردیم: لامپ مایکروویو که یک نوع آن مگنترون است و گاهاً به اشتباه با مگنترون یکسان انگاشته می‌شود المانی است که با توجه به نوع آن وظیفه‌ی تقویت، گاها مدولاسیون و حتی تولید (به عنوان نوسانگر) امواج ارسالی را برعهده دارد. در واقع لامپ مایکروویو بخشی از بلوک ارسال‌کننده رادار محسوب می‌شود. در این مقاله به بررسی اجمالی لامپ‌های قدرتمند کلایسترون خواهیم پرداخت.
کلایسترون یک تقویت کننده پر طرفدار است که در بلوک فرستنده‌ی بسیاری از سامانه‌های راداری و مخابراتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ویژگی‌هایی که سبب استفاده فراوان از این لامپ شده‌اند عبارت‌اند از:
■ ضریب تقویت‌کنندگی (گین) بالا
■ راندمان بالا
■ توان متوسط خروجی بالا در مقایسه با سایر لامپ‌ها
■ پهنای باند وسیع
■ عمر طولانی (ده‌ها هزار ساعت)
■ نویز پایین
■ پایداری فرکانسی بالا که آنرا جهت استفاده در رادارهای پردازش داپلری مناسب می‌سازد. [b](چرا؟)[/b]
شایان ذکر است این لامپ در توان‌های بالا تولید پرتو خطرناک ایکس می‌کند لذا بکارگیری پوشش حفاظتی در این لامپ‌ها الزامی است.

پیش از بررسی ساختار یک لامپ کلایسترون لازم است با نحوه‌ی کارکرد یک تفنگ الکترونی آشنا شویم. تفنگ الکترونی در واقع وسیله‌ای است که جهت تولید باریکه‌ی الکترونی مورد نیاز بسیاری از ابزارهای الکترونیکی مانند اسکوپ‌ها، مانیتورها، لامپ‌ها و ... کاربرد دارد. یک تفنگ الکترونی از چهار بخش اصلی فیلامان گرم‌کننده، عنصر آزاد کننده‌ی الکترون، آند شتاب‌دهنده و سیلندر متمرکز کننده تشکیل شده است. نحوه‌ی ایجاد باریکه‌ی الکترونی بدین نحو است که ابتدا یک فیلامان گرم کننده عنصر آزاد کننده الکترون را گرم می‌کند، بدین ترتیب تعداد زیادی از الکترون‌های عنصر آزاد‌کننده (کاتد) دارای قابلیت آزاد شدن خواهند شد. در این حال با اعمال ولتاژ به آند شتاب‌دهنده الکترون‌ها با سرعت زیادی از کاتد جدا خواهند شد، وظیفه‌ی متمرکز کردن این الکترون‌های سرگردان به عهده‌ی سیلندر متمرکز کننده خواهد بود، این امر با اعمال یک میدان الکتریکی حول الکترون‌ها امکان پذیر است. به شکل زیر دقت کنید:
[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/Picture1~2.jpg[/img][/center]
1- کاتد آزاد کننده‌ی الکترون
2- سیلندر متمرکز کننده
3- آند شتاب‌دهنده
4- فیلامان گرم کننده
5- محفظه‌ی خلأ
6- باریکه‌ی الکترونی
[center]انیمیشن یک لامپ سی‌آرتی مجهز به تفنگ الکترونی (از این بهتر یافت همی نشد!)[/center]

[center][img]http://physics-animations.com/Physics/Oscil.gif[/img][/center]

حال به بررسی ساختار یک لامپ کلایسترون معمولی می‌پردازیم. در شکل زیر ساختار ساده‌ی این نوع لامپ را مشاهده می‌کنید:
[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/Untitled-1~7.jpg[/img][/center]
در لامپ کلایسترون ابتدا یک باریکه‌ی الکترونی توسط یک تفنگ الکتورنی ایجاد می‌شود. این باریکه وارد یک محفظه‌ی استوانه‌ای متمرکز کننده می‌شود. توزیع الکترون‌های این باریکه ابتدا کاملاً یکنواخت است اما پس از عبور از روبروی محفظه‌ی همنواگر یا Buncher Cavity این توزیع از حالت یکنواخت خارج خواهد شد. این محفظه، محفظه‌ای است که موج ضعیف وارد آن می‌شود، هرچند این موج جهت اعمال به آنتن و انتشار بسیار ضعیف است اما به اندازه‌ای قدرت دارد که بتواند الکترون‌های سبک را متمرکز کند، این فرآیند بر اثر اعمال نیروی حاصل از میدان تولید شده توسط امواج ورودی به محفظه صورت می‌گیرد بدین ترتیب الکترون‌ها که به صورت یکنواخت حرکت می‌کردند حال به صورت دسته‌های الکترون در خواهند آمد. به شکل زیر دقت کنید:
[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/204-004-96CE24EF.jpg[/img][/center]
الکترون‌ها پس از متمرکز و دسته‌بندی شدن از روبروی محفظه‌ی گیرنده عبور می‌کنند، نرخ عبور دسته‌های الکترونی از روبروی محفظه‌ی گیرنده با فرکانس امواج ورودی به محفظه‌ی همنواگر یکسان است فلذا دسته‌های الکترونی با همان فرکانس امواج ورودی از روبروی محفظه‌ی گیرنده عبور خواهند کرد. این دسته‌های الکترونی به دلیلی یکنوخات نبودن یک میدان الکتریکی متناوب با فرکانسی برابر فرکانس اعمال شده به کلایسترون را در محفظه‌ی گیرنده ایجاد می‌کنند، این امر به تشدید و رزونانس این محفظه می‌انجامد و سبب تولید امواجی به مراتب پرقدرت‌تر از امواج اعمالی به محفظه‌ی همنواگر می‌شود. حال این امواج پرقدرت که دارای فرکانسی برابر با فرکانس امواج ورودی هستند آماده انتشار توسط آنتن خواهند بود.
[center][url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/Picture3.png"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/normal_Picture3.png[/img][/url] [url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/Aust_-Synchrotron2C-Klystron-for-Storage-Ring2C-14_06_2007.jpg"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/normal_Aust_-Synchrotron2C-Klystron-for-Storage-Ring2C-14_06_2007.jpg[/img][/url][/center]
[b]نکات تکمیلی[/b]
1- به اشکال زیر دقت کنید. محفظه‌ها در واقع همانند یک سلف و خازن موازی عمل می‌کنند.
[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/Picture4.png[/img][/center]
می‌توان با قرار دادن تعداد بیشتری از این محفظه‌ها الکترون‌ها را بیشتر فشرده کرد و دسته‌های متمرکز‌تر ایجاد کرد. در واقع بین محفظه‌ها و باریکه‌ی الکترونی کنش و واکنش الکترومغناطیسی صورت می‌گیرد و این امر موجب فشرده‌تر شدن دسته‌های الکترونی می‌شود. فشرده‌تر شدن دسته‌ها در واقع به معنای افزایش قدرت تقویت‌کنندگی کلایسترون خواهد بود.
[center][url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/C2.JPG"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/normal_C2.JPG[/img][/url][/center]
2- متمرکز کردن باریکه‌ی الکترونی در طول تیوب به کمک میدان مغناطیسی تولیدی توسط آهنرباهای قرار داده شده در طول مسیر انجام می‌گیرد.

[center][url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/Picture6.jpg"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/normal_Picture6.jpg[/img][/url][/center]
[center][url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/Picture7.jpg"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/normal_Picture7.jpg[/img][/url][/center]

3- در توان‌های بالا برخورد الکترون‌های پرسرعت به صفحه‌ی کلکتور سبب تولید پرتو‌های سرطان‌زای ایکس می‌شود. این امر در واقع اساس عملکرد ابزارآلات تصویری برداری اشعه ایکس محسوب می‌شود.
[center][img]http://www.colorado.edu/physics/2000/xray/images/xray_anim.gif[/img][/center]
برای حفاظت از پرسنل لازم است محل قرار گیری کاتد توسط پوشش‌های محافظتی مانند سرب حفاظت شود.

4- رقم معمول تقویت در لامپ‌های کلایسترون 15 تا 20 دی‌بی است. این رقم با قرار دادن محفظه‌ها اضافی در طول مسیر تا 50 دی‌بی افزایش می‌یابد. [b]سوال: 50 دی‌بی یعنی چندبرابر تقویت؟[/b] [url="http://www.military.ir/forums/topic/27034-%D9%86%D8%AD%D9%88%D9%87%E2%80%8C%DB%8C-%D8%A8%DB%8C%D8%A7%D9%86-%D8%A7%D8%B9%D8%AF%D8%A7%D8%AF-%D8%A8%D9%87-%D8%B5%D9%88%D8%B1%D8%AA-%D8%AF%D8%B3%DB%8C%E2%80%8C%D8%A8%D9%84/"](راهنمایی)[/url]

در تصویر زیر سایت راداری دانشگاه MIT واقع در دره‌ی میلستون را مشاهده می‌کنید. این رادار دارای فرکانس کاری 1295 مگاهزتر است. کلایسترون این رادار وظیفه‌ی تولید امواجی با میانگین توان 120 کیلووات و پیک توان 3 مگاوات را بر عهده دارد.

[center][url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/Millstone_010.jpg"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/normal_Millstone_010.jpg[/img][/url][/center]

قطر آنتن این رادار حدودا 25 متر است.
[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/Millstone~0.jpg[/img][/center]
تجهیزات زیربنایی و کلایسترون این رادار را در شکل زیر مشاهده می‌کنید:
[center][url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/uhf_transmiter.jpg"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/normal_uhf_transmiter.jpg[/img][/url][/center]

[center][url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/Picture5.jpg"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/normal_Picture5.jpg[/img][/url][/center]

یک کلایسترون 325 مگاهرتزی. [b](حدث می‌زنید کاتد و کلکتور این لامپ در کدام سمت قرار داشته باشد؟)[/b]
[center][url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/Picture2~1.jpg"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/normal_Picture2~1.jpg[/img][/url][/center]

[center][b]سایر تصاویر[/b][/center]
[center][url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/Klystron-pic.jpg"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/thumb_Klystron-pic.jpg[/img][/url] [url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/SN106_May_2004.JPG"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/thumb_SN106_May_2004.JPG[/img][/url] [url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/Klystron.jpg"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/thumb_Klystron.jpg[/img][/url] [url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/Aust_-Synchrotron2C-Klystron-for-Storage-Ring2C-14_06_2007.jpg"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/thumb_Aust_-Synchrotron2C-Klystron-for-Storage-Ring2C-14_06_2007.jpg[/img][/url] [url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/dummy_load_1.jpg"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/thumb_dummy_load_1.jpg[/img][/url] [url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/PIC00041.jpg"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/thumb_PIC00041.jpg[/img][/url][/center]

در مقاله‌ی زیر از دانشگاه استنفورد، تاریخچه و اساس کارکرد لامپ کلایسترون به تفصیل و به زبان اصلی بیان شده.
[url="http://www.slac.stanford.edu/cgi-wrap/getdoc/slac-pub-10620.pdf"]http://www.slac.stan...c-pub-10620.pdf[/url]

[center][url="http://books.google.com/books/about/Introduction_to_Radar_Systems.html?id=zlZom9QkjCkC"][color=#b22222][b]برپایه‌ی کتاب مقدمه‌ای بر سیستم‌های راداری نوشته‌ی مریل اسکولنیک[/b][/color][/url][/center]

[center][b][color=#ff0000]استفاده از این مطلب بدون درج لینک این صفحه به عنوان منبع خلاف شرع، قانون و اخلاق پژوهشی است.[/color][/b][/center]
[center][b][color=#0000cd]تالیف و ترجمه از: محمدمهدی محمدی[/color][/b][/center]
[center][b][color=#008000]شادی روح جمیع شهدای اسلام به ویژه شهدای سوریه صلوات.[/color][/b][/center]

[glassybox 310]

اگه در فرکانس تولیدی توسط منبع نویز فرکانسی داشته باشیم در روشی مثل داپلر به مشکل می خوریم چون نمی تونیم اختلاف فرکانس واقعی ناشی از هدف رو تشخیص بدیم

[Electro_officer 13,797]

[quote name='glassybox' timestamp='1399574028' post='376566']
اگه در فرکانس تولیدی توسط منبع نویز فرکانسی داشته باشیم در روشی مثل داپلر به مشکل می خوریم چون نمی تونیم اختلاف فرکانس واقعی ناشی از هدف رو تشخیص بدیم
[/quote]
احسنت اساسا در رادارهایی که از مگنترون استفاده می‌کنند امکان استفاده از تکنیکی چون MTI فراهم نیست... چون نویز فاز بالایی داره و پایداری فرکانسیش داغونه...

[ALFARD 3,743]

تشکر
زیبا بود [size=4] [/size]

[EMP 6,863]

شنیده بودم که در ایران هم روی ساخت چنین لامپهایی کارهای خوبی شده اما نمی دانم به کجا رسیده است. بد نیست که اگر منع اطلاعاتی ندارد دوستان به پیشرفتهای کشور در این زمینه هم بپردازند. ایستگاههای رادیو نیز نیازمند چنین لامپایی هستند و می دانید که تشعشع ایستگاه VOA یک مورد سقوط F-16 در آمریکا و یک مورد سقوط تورنادو در آلمان را باعث شده است. چندین مورد سقوط هلی کوپتر هم گزارش شده. بنابراین از این لامپها به صورت مستقیم هم می شود در پدافند استفاده کرد! تصور کنید که پخش ناگهانی صدای ایران از یکی از جزایر و از آنتنهایی که همیشه خاموش بوده اند در زمان یک حمله هوایی سراسری به کشور باعث سقوط پرنده های دشمن در خاک حامیان منطقه ای و ناو های هواپیما بر او بشود : ) خیلی با مزه است که پخش یک سخنرانی بتواند کار پدافند هوایی را هم بکند.
البته من همیشه دیودهای میکروویو را به لامپها ترجیح داده ام زیرا که پرش فرکانسی را روی بازه وسیع تری می شود روی آنها اعمال کرد و جای خیلی کمتری را هم می گیرند و برای رادار های هوا پایه خیلی مناسب ترند. به ویژه دیود های گالیوم نیترید. نگهداری آنها و عیب یابی آنها هم خیلی ساده تر است اشعه ایکس هم تولید نمی کنند.

[Electro_officer 13,797]

[quote name='EMP' timestamp='1399659933' post='376821']
البته من همیشه دیودهای میکروویو را به لامپها ترجیح داده ام زیرا که پرش فرکانسی را روی بازه وسیع تری می شود روی آنها اعمال کرد و جای خیلی کمتری را هم می گیرند و برای رادار های هوا پایه خیلی مناسب ترند. به ویژه دیود های گالیوم نیترید. نگهداری آنها و عیب یابی آنها هم خیلی ساده تر است اشعه ایکس هم تولید نمی کنند.
[/quote]
به نکته‌ی خوبی اشاره کردید این گالیوم نیترید به امید خدا قراره همه چی رو بهم بریزه اینجور که شنیدم. در حال حاضر بزرگترین عیب ادوات حالت جامد توان خروجی کمشون هست و از این لحاظ از پیرلامپ‌ها عقب هستند هنوز... کماکان این مسابقه ادامه داره تا ببینیم بالاخره حالت جامد موفق به عقب روندن پادشاهی لامپ‌ها می‌شود یا خیر...
این دو جدول وضعیت تقریبی فعلی این عرصه مبارزه رو نشون میده. محور عمودی بیانگر فرکانس و محور افقی بیانگر قابلیت توان‌دهی است.

[center][IMG]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/AR_5370_Figure02_L.jpg[/IMG][/center]

[center][IMG]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10093/12345.JPG[/IMG][/center]

کلیدواژه: Microwave power tube type as a function of frequency and output power

[EMP 6,863]

البته یک مشکلی که همه لامپها دارند این است که روی یک بازه خاص فرکانسی می توانند کار بکنند درست است که لامپها در فرکانسهای بالاتر و پایین تر هم وجود دارند ولی اگر شما بخواهید که روی یک لامپ خاص در بازه وسیع پرش بکنید دچار مشکل می شوید و باید لامپهای مختلف موازی داشته باشید که این زیاد برای طراح جالب نیست. تولید اشعه ایکس هم که یک مسئله ناجوری است. آمار نشان می دهد که 60% خلبانهای F-15 دارای فرزندان دختر هستند و در بین افسران رادار نیز چنین شایعه ای وجود دارد که شاید یک دلیلش همین میزان تشعشع ایکس نا خواسته باشد.
ولی به هر روی حال که دیود های با کیفیت در داخل ساخته نمی شود، می توانیم روی لامپها کار بکنیم تا کیفیت آنها از این هم که هست خیلی بهتر بشود. شاید لامپی ساخته شد که بازه وسیع فرکانسی را هم پشتیبانی می کرد.

[Electro_officer 13,797]

یه انیمیشن که به خوبی نحوه عملکرد کلایسترون رو نشون میده:
1- تفنگ الکترونی
2- محفظه‌های رزونانسی ورودی
3- محفظه‌های رزونانسی خروجی
4- امواج تقویت شده خروجی به سمت آنتن فرستنده
5 - کلکتور الکترون‌ها
[center][img]http://mainland.cctt.org/istf2008/images/klystron_animated.gif[/img][/center]