O tubo de ondas progressivas (TOP), (Inglês: Traveling-Wave Tube, TWT) é um tubo de vácuo usado em microondas para fazer amplificadores de baixa, média ou alta potência . Possibilita a produção de amplificadores potentes (comumente de algumas centenas de watts), em alta frequência (comercialmente até a banda W , 94 GHz, em 2014, experimentalmente até 860 GHz) em banda larga (até duas oitavas). Devido à sua eficiência elétrica muito boa (até 70%), sua robustez (operação a mais de 200 ° C), sua confiabilidade (aproximadamente 100 FIT) e sua longevidade (mais de 15 anos de vida útil contínua), é particularmente adequado como amplificador de bordo em satélites de telecomunicações . O TOP é um dispositivo que permite uma amplificação com baixíssimo ruído de fundo (até 1 dB de fator de ruído em banda S), e historicamente é utilizado para esta função que hoje é muito mais facilmente realizada por transistores de baixo ruído.
O tubo de ondas viajantes foi inventado por Andrei Haeff em 1932 na Califórnia e reinventado por Rudolf Kompfner em 1942 na Inglaterra. O primeiro usado no final da Segunda Guerra Mundial fornecia alguns miliwatts de potência e operava na frequência de 2 GHz . Eles são o desenvolvimento lógico dos tubos de microondas surgidos na década de 1930, que permitiram superar as limitações dos tubos de grade convencionais. Eles fazem parte da família dos tubos de feixe linear .
O tubo de ondas progressivas é composto por quatro partes principais:
O cátodo é a fonte dos elétrons que compõem o feixe de elétrons em todos os tubos de microondas. É feito de uma mistura complexa de metais ( tungstênio poroso, bário ) e levado a uma temperatura de aproximadamente 1050 ° C por um filamento de tungstênio revestido com uma moldura de alumina que promove a troca de calor entre o filamento e o cátodo.
Quando o cátodo atinge sua temperatura operacional, um campo elétrico pode ser aplicado entre o ânodo e o cátodo. O cátodo então emite um feixe de elétrons muito denso que é acelerado pelo potencial positivo do ânodo.
A forma particular do cátodo e do wehnelt tem um efeito convergente sobre o feixe, que é assim focalizado em um cilindro de alguns milímetros de diâmetro na região do ânodo.
A hélice é uma espiral de cobre ou tungstênio, inserida no invólucro metálico do tubo, do qual é isolada por meio de barras de cerâmica, escolhidas por sua boa condutividade térmica .
A focalização do feixe de elétrons é garantida por ímãs permanentes alternados.
A hélice é conectada ao gabinete em um ponto designado “ponto da hélice” das fontes de alimentação.
O sinal de entrada de microondas é aplicado à hélice em sua extremidade cilíndrica.
Para obter uma boa interação entre o feixe e a onda de microondas que se move ao longo da hélice, eles devem ter uma velocidade axial próxima. Como a propagação de uma onda ao longo de um fio no vácuo ocorre a uma velocidade próxima à da luz , é necessário aumentar o comprimento de seu caminho para sincronizá-la com o feixe, o que explica a forma da hélice. Durante sua jornada ao longo do eixo da hélice, os elétrons são freados pela onda e, portanto, transmitem a ela parte de sua energia cinética. A amplitude da onda será, portanto, maior no final da hélice do que no início: o sinal foi amplificado.
O ajuste fino da velocidade do feixe é obtido ajustando a tensão hélice-cátodo.
Hélice de frequência variávelA demanda por melhoria da eficiência de conversão dos PTs para telecomunicações levou à introdução de hélices de passo variável (a periodicidade da espiral), entre a atenuação e a saída, uma redução do passo localmente reduzindo a velocidade. Propagação da onda, portanto da elétrica campo aplicado aos elétrons, e permitindo que a onda já amplificada permaneça mais tempo em fase com os elétrons desacelerados porque eles desistiram de parte de sua energia.
Os tubos mais eficientes empregam até uma variação dupla da periodicidade: primeiro um aumento no pitch (portanto da velocidade da onda vista pelos elétrons) para melhorar a formação dos pacotes de elétrons, seguido por uma etapa de redução para uma frenagem mais eficiente .
Seu papel é coletar os elétrons depois de terem passado pela hélice. Eles recebem toda a energia que o feixe não forneceu à onda de microondas.
A tensão do coletor 1 - cátodo deve ser alta o suficiente para que os elétrons mais desacelerados, quando o tubo estiver operando em saturação , não corram o risco de voltar a cair nas últimas voltas da hélice.
Sua missão é coletar todos os elétrons que mantiveram velocidade suficiente para passar pelo primeiro coletor. A voltagem do coletor 2 - cátodo é aproximadamente metade da voltagem do coletor 1 - cátodo.
Nota: os tubos usados hoje normalmente possuem 4 coletores, o que permite atingir eficiências de 60%. Versões com cinco coletores estão em desenvolvimento, sempre para aumentar sua eficiência.
Um vácuo muito alto deve ser mantido permanentemente durante a vida útil do PT.
O invólucro deve, portanto, ser capaz de manter este vácuo (10 -8 torr ) sem o qual existe o risco de formação de arco e / ou poluição do cátodo.
Os pontos mais frágeis do recinto são os acessos de microondas à entrada e à saída onde as “janelas” são inevitáveis. Dependendo da frequência do sinal, os conectores são do tipo coaxial ou de guia de onda .
Um TP com circuito helicoidal é limitado em potência de pico (2 a 3 kW) pelo aparecimento de oscilações parasitas de ondas reversas e em potência média pela dissipação de calor da hélice; uma hélice soldada em suportes de óxido de berílio pode, no entanto, atingir e até mesmo exceder uma potência de 1 kW CW (Onda Contínua) na banda X.
Um PT totalmente metálico, cujo circuito consiste numa sucessão de cavidades acopladas, por exemplo por ranhuras alternadas como na imagem ao lado, permite ultrapassar estes limites, em detrimento da banda de frequência de funcionamento reduzida em relação à de um linha helicoidal.
A resistência do filamento de tungstênio depende da temperatura e tem um coeficiente positivo. Portanto, é necessário limitar o consumo de corrente fria (geralmente para cerca de duas vezes o valor nominal).
Esta é a parte mais frágil do PT e pode ser derretida instantaneamente em caso de erro de implementação ou má polarização.
O feixe de elétrons deve permanecer perfeitamente retilíneo, de seção constante, desde a saída do canhão até o coletor. Se os elétrons caírem na hélice (o que resulta em um aumento na corrente da hélice), a hélice e o anodo devem ser desligados. A energia máxima interceptada pela hélice deve permanecer inferior ao valor especificado pelo fabricante do tubo (5 a 20 joules dependendo do tubo).
As principais causas da desfocagem são: