A principios de este año, el telescopio espacial James Webb envió a la Tierra algunas de las imágenes más detalladas de otras galaxias. Esto se debió a un dispositivo electrónico de vacío (VED) llamado amplificador de tubo de onda viajera (TWTA), parte del sistema de amplificación de microondas utilizado en telescopios y estaciones terrestres. TWT tiene una historia de más de 80 años antes de la Segunda Guerra Mundial. A grandes pioneros de la ingeniería de RF como Haeff, Lindenblad y Kompfner se les atribuye la invención y mejora de este dispositivo en las décadas de 1930 y 1940. Sin embargo, fue en tiempos de paz después de la Segunda Guerra Mundial cuando el uso de TWT aumentó drásticamente. Se utilizaron en la creación de repetidores terrestres de microondas y satélites de comunicaciones como Telstar, Intelsat e Inmarsat, y ayudaron a crear las redes de comunicaciones globales con las que estamos familiarizados hoy.
TWT también se utiliza en todas las misiones de espacio profundo como Voyager y Cassini. Hoy en día hay miles de TWT en órbita, así como estaciones terrestres de satélites. Los TWT también se utilizan ampliamente en la guerra electrónica, como sistemas de guía y radar. Los principales proveedores incluyen Thales, Stellent, NEC y Teledyne e2V. Las estimaciones actuales sitúan el valor de mercado de TWTA en alrededor de $ 1 mil millones, con un crecimiento anual de un solo dígito bajo.
Principio de funcionamiento de TWT
La belleza de TWT son las ondas electrónicas y Señal de RF a amplificarEn la Figura 1 se muestra un diagrama simplificado de una versión popular de este dispositivo, llamado Helix TWT.
Figura 1: Estructura TWTA Helix simplificada
Las ondas de electrones se generan en una fuente de electrones que consta de un cátodo calentado a temperaturas que alcanzan aproximadamente los 1000 °C. Se mantiene un vacío ultraalto (<10-8 Torr) dentro del tubo. Se aplica un HV, normalmente de 4 a 120 kV, entre el ánodo y el cátodo para generar el haz, y una cuadrícula de control o foco ayuda a guiar el haz a la siguiente parte del dispositivo. Un acondicionador de potencia electrónico (EPC) convierte el voltaje del bus satelital para proporcionar el HV regulado requerido por la fuente de electrones. Una estructura de onda lenta (SWS) utiliza una hélice como línea de retardo para ralentizar una onda de entrada de RF. El objetivo es hacer coincidir las velocidades de onda del haz de electrones y la onda de RF. Un imán permanente periódico en el SWS enfoca el haz de electrones hacia el eje del dispositivo.
Debido a que la modulación de la velocidad del haz de electrones interactúa con la hélice, el impulso perdido por el haz de electrones se transfiere a la onda de RF por el principio de conservación del impulso, creando así un mecanismo de retroalimentación positiva que implica la acumulación de electrones y la amplificación de la onda de RF. será La hélice proporciona un camino de baja impedancia para las ondas de RF y puede estar compuesta de O 2 Cu bajo, por ejemplo. Los atenuadores, que evitan vibraciones y reflejos, pueden separar diferentes secciones de hélice y mantener la estabilidad de la onda.
La simulación electromagnética 3D se puede utilizar para optimizar cavidades y hélices. Por ejemplo, el paso de la hélice puede variar a lo largo del tubo a medida que cambia la velocidad de onda del electrón. Por ejemplo, una varilla de cerámica hecha de BeO puede soportar la hélice y proporcionar transferencia de calor. La etapa final es el colector, que absorbe la energía electrónica restante y la convierte en calor. Al crear un colector de agotamiento de varias etapas, se puede recuperar más energía de electrones y mejorar la eficiencia general. En la Figura 2a se muestra un ejemplo de curva de salida de RF frente a entrada.
Figura 2a: Característica de PoutPin para el ejemplo de TWTA
Figura 2b: Ejemplo de curva de ganancia, eficiencia vs. frecuencia de TWTA
El dispositivo tiene un rango lineal que permite la amplificación de señales más pequeñas con baja distorsión. El retroceso de salida (OBO) se usa para operar el dispositivo por debajo del nivel de potencia de saturación, y C/3IM muestra la S/N al 3er armónico. La Figura 2b muestra un gráfico de ejemplo de eficiencia y potencia versus frecuencia para un TWTA de banda Ku. Se puede usar un linealizador con un TWT como se muestra en la Figura 1, que muestra un amplificador de canal linealizador (LCAMP). El LCAMP incluye un predistorsionador digital o de hardware que ajusta la entrada de RF para compensar la falta de linealidad del tubo y proporcionar una ganancia o nivel de salida constante. La Tabla 1 muestra algunas especificaciones básicas de TWTA proporcionadas por uno de los fabricantes en las bandas de frecuencia Ku y Q.
Tabla 1: Especificaciones TWTA
La fabricación de un TWTA de grado espacial es un proceso artesanal de precisión que puede llevar meses y requiere temperatura ambiente y ciclos de acondicionamiento de frío y calor. Los costos oscilan entre miles y cientos de miles de dólares por TWTA.
Ventajas de TWTA y comparación con el amplificador de potencia de estado sólido (SSPA)
Una de las características más útiles de TWTA es su amplio ancho de banda (BW) y su baja figura de ruido. A diferencia de los VED resonantes como los klystrons, que tienen un ancho de banda limitado y son sensibles al espacio estructural, los TWTA tienen anchos de banda más altos (generalmente más de dos octavas) en frecuencias que van desde 300 MHz hasta varios cientos de GHz. , proporciona una alta ganancia (hasta 70 dB) y picos Potencias que van desde decenas de W hasta miles de kW. En comparación con el Helix TWTA, el TWTA de cavidad acoplada es la versión que puede proporcionar un mayor rendimiento con un BW más bajo. En los últimos años, los SSPA, especialmente los SSPA basados en GaN, han reemplazado a los TWTA en algunas áreas de aplicación tradicionales de TWTA. Los repetidores de microondas, los satélites de órbita terrestre baja como OneWebTM, actualmente dependen principalmente de SSPA. La Tabla 2 muestra una comparación de TWTA y SSPA.
este artículo Publicado por primera vez en la revista hermana Power Electronics News