Backward-wave_oscillator
後進波発振器（BWOとも呼ばれる）、carcinotron（製チューブの商品名CSF今、タレス）または後進波管は、ある真空管を生成するために使用されるマイクロ波を最大テラヘルツ範囲。進行波管ファミリーに属し、広い電子チューニング範囲を備えた発振器です。
1956年にVarianによって製造されたミニチュアO型後方波発振器管。8.2〜12.4 GHzの範囲で電圧調整が可能で、600Vの供給電圧が必要でした。
テラヘルツ範囲で動作するストックホルム大学の後方波発振器
電子銃は生成電子ビーム低速波構造と相互作用することを。進行波をビームに対して後方に伝搬することにより、振動を維持します。生成された電磁波の電力は、その有する群速度電子の運動の方向を逆向きに。出力電力は、電子銃の近くで結合されます。
最も強力なMタイプ（M-BWO）とOタイプ（O-BWO）の2つの主要なサブタイプが出力パワーO型は、典型的には1の範囲であるミリワット200で50 mWの1000 GHzでギガヘルツ。カルシノトロンは、強力で安定したマイクロ波源として使用されます。それらが生成する高品質の波面（以下を参照）により、テラヘルツイメージングの照明としての用途が
後進波発振器は、1951年に実証されたM型によってベルナールEpsztein とO型によってルドルフ・コンフナー。MタイプBWOは、マグネトロン相互作用の電圧制御された非共鳴外挿です。どちらのタイプも、加速電圧を変化させることにより、広範囲の周波数にわたって調整可能です。それらは、一度にすべての帯域にわたって放射しているように見えるのに十分な速さで帯域を掃引できるため、効果的なレーダー妨害に適しており、レーダー周波数にすばやく調整できます。カルシノトロンは、空中レーダー妨害装置が非常に効果的であることを可能にしました。ただし、周波数アジリティ レーダーは、妨害機に弾幕妨害を使用させるのに十分な速度で周波数をホップし、出力電力を広帯域で希釈し、効率を大幅に低下させる可能性が
カルシノトロンは、研究、民間および軍事用途で使用されています。たとえば、チェコスロバキアのKopacパッシブセンサーとRamonaパッシブセンサーの防空検出システムは、受信機システムにカルシノトロンを採用していました。
コンテンツ
1 基本コンセプト 2 BWO 3 カルシノトロン
4 徐波構造
5 M型BWO
6 O型BWO
6.1 O-BWOスペクトルの純度とノイズ
6.1.1 周波数安定性
6.1.2 ノイズ
7 ノート
8 参考文献
9 外部リンク
基本コンセプト
コンセプト図。信号は、画像内のテキストで説明されているように、入力から出力に移動します。
すべての進行波管は同じ一般的な方法で動作し、主に構造の詳細が異なります。概念は、安定した流れに依存している電子からの電子銃その管の中心ダウン走行（隣接参照概念図）。電子ビームを取り巻くのは、ある種の無線周波数源信号です。従来のクライストロンの場合、これは外部信号が供給される共振空洞ですが、最近のデバイスでは、一連のこれらの空洞または同じ信号が供給されるらせん状の金属線が
電子がチューブを伝わると、RF信号と相互作用します。電子は、正のバイアスが最大の領域に引き付けられ、負の領域からはじかれます。これにより、電子はチューブの長さに沿って反発または引き付けられるときに束になります。これは、速度変調として知られるプロセスです。このプロセスにより、電子ビームは元の信号と同じ一般的な構造になります。ビーム内の電子の密度は、誘導システム内のRF信号の相対的な振幅と一致します。電子電流はガンの詳細の関数であり、一般に入力RF信号よりも桁違いに強力です。その結果、元のRF信号の増幅バージョンである電子ビーム内の信号が生成されます。
電子が移動すると、近くの導体に磁場が発生します。これにより、増幅された信号を抽出できます。マグネトロンやクライストロンのようなシステムでは、これは別の共振空洞で実現されます。らせん設計では、このプロセスはチューブの全長に沿って発生し、らせん導体の元の信号を補強します。従来の設計の「問題」は、帯域幅が比較的狭いことです。共振器に基づく設計は、これが共振器設計に物理的に組み込まれているため、設計の10％または20％以内の信号で機能しますが、らせん設計の帯域幅ははるかに広く、おそらく設計ピークの両側で100％です。
BWO
BWOは、ヘリカルTWTと同様の方法で構築されます。ただし、RF信号が電子ビームと同じ（または同様の）方向に伝搬する代わりに、元の信号はビームに対して直角に移動します。これは通常、長方形の導波管に穴を開け、その穴にビームを照射することによって実現されます。次に、導波路は2回直角に曲がり、C字型を形成し、ビームを再び交差させます。この基本的なパターンがチューブの長さに沿って繰り返されるため、導波管はビームを数回通過し、一連のS字型を形成します。
元のRF信号は、エネルギーが抽出されるTWTの遠端から入ります。通過するビームに対する信号の影響は同じ速度変調効果を引き起こしますが、RF信号の方向と導波管の特性により、この変調はビームに沿って前方ではなく後方に移動します。この伝搬である徐波は、RF信号の同じ位相と同じように、折りたたまれた導波管の次の穴に到達します。これにより、従来のTWTと同じように増幅が発生します。
従来のTWTでは、誘導システムでの信号の伝播速度は、ビーム内の電子の速度と同じである必要がこれは、信号の位相がインダクタを通過するときに束ねられた電子と一致するようにするために必要です。これにより、ワイヤまたは共振チャンバーの物理的構造に基づいて、デバイスが増幅できる波長の選択が制限されます。
これは、電子が信号を直角に通過し、その伝播速度が入力信号の速度とは無関係であるBWOには当てはまりません。複雑な曲がりくねった導波管は、ガイド内に定在波が形成されるように、入力信号の帯域幅に厳しい制限を課します。しかし、電子の速度は、電子銃に印加される許容電圧によってのみ制限されます。許容電圧は、簡単かつ迅速に変更できます。したがって、BWOは単一の入力周波数を取り、広範囲の出力周波数を生成します。
カルシノトロン
この画像は、典型的な1950年代のパルスレーダーに対する4機のカルシノトロン搭載航空機の影響を示しています。機体はおおよそ4時と5時30分に位置しています。アンテナのメインローブまたはサイドローブが妨害装置を通過するたびに、ディスプレイはノイズで満たされ、航空機が見えなくなります。
この装置は、既存のレーダーシステムにとって癌のようだったため、元々は「カルシノトロン」という名前が付けられていました。供給電圧を変更するだけで、デバイスは、既存のマイクロ波増幅器が一致するよりもはるかに大きい帯域全体で必要な周波数を生成できます-キャビティマグネトロンは、共振器の物理的寸法によって定義される単一の周波数で動作し、クライストロンは外部信号を増幅しましたが、それは狭い周波数範囲内でのみ効率的に行われました。
以前は、レーダーの妨害は複雑で時間のかかる操作でした。オペレーターは、使用されている可能性のある周波数をリッスンし、その周波数でアンプのバンクの1つをセットアップしてから、ブロードキャストを開始する必要がありました。レーダーステーションが何が起こっているのかを理解すると、レーダーステーションは周波数を変更し、プロセスが再開されます。対照的に、カルシノトロンはすべての可能な周波数を非常に迅速に掃引できるため、すべての周波数で一度に一定の信号であるように見えました。一般的な設計では、数百ワットまたは数千ワットを生成する可能性があるため、任意の1つの周波数で、レーダーステーションが受信する電力が数ワットになる可能性がただし、長距離では、航空機に到達する元のレーダーブロードキャストからのエネルギー量は、せいぜい数ワットしかないため、カーシノトロンはそれらを圧倒する可能性が
このシステムは非常に強力だったため、航空機で動作するカルシノトロンは、レーダーの地平線を超える前でも効果を発揮し始めることがわかりました。レーダーの動作周波数で実質的にランダムな時間にブロードキャストする周波数をスイープすると、アンテナがターゲットの両側、おそらく3度の近くに向けられると、ディスプレイがランダムなドットで埋められます。ドットが多すぎたため、その領域のディスプレイは単にホワイトノイズで埋め尽くされていました。ステーションに近づくと、信号はアンテナのサイドローブにも現れ始め、ノイズによって空白にされた領域がさらに作成されます。100マイル（160 km）のオーダーの近距離では、レーダーディスプレイ全体が完全にノイズで満たされ、役に立たなくなります。
コンセプトは妨害機として非常に強力だったので、地上レーダーが時代遅れになるという深刻な懸念がありました。空中レーダーには、妨害機を搭載した航空機に接近できるという利点があり、最終的には、送信機からの巨大な出力が妨害を「焼き尽くす」ことになります。しかし、当時の迎撃機は、地上レーダーを使用して、地上方向に依存して射程に入りました。これは、防空作戦に対する大きな脅威でした。
地中レーダーの場合、脅威は最終的に2つの方法で解決されました。1つ目は、レーダーがアップグレードされて多くの異なる周波数で動作し、パルスごとにランダムに切り替わるというものでした。これは現在、周波数アジリティとして知られている概念です。これらの周波数のいくつかは、平時には使用されておらず、非常に秘密であり、戦時中に妨害者に知られないことを期待しています。カルシノトロンは依然として帯域全体を掃引できますが、レーダーと同じ周波数でランダムな時間にのみブロードキャストするため、その効果が低下します。もう1つの解決策は、カルシノトロン放送で三角測量するパッシブレシーバーを追加することでした。これにより、地上局は妨害機の位置に関する正確な追跡情報を生成し、攻撃を受けることができます。
徐波構造
（a）順方向基本波空間高調波（n = 0）、（b）逆方向基本波
必要な徐波構造は、縦波成分を持つ無線周波数（RF）電界をサポートする必要が構造はビームの方向に周期的であり、通過帯域と阻止帯域を備えたマイクロ波フィルターのように動作します。形状の周期性により、一定の位相シフトΦを除いて、フィールドはセル間で同一です。この位相シフトは、無損失構造の通過帯域内の純粋な実数であり、周波数によって異なります。フロケの定理によれば、（参照フロケ理論で説明することができ、RF電場E（Z、T））を角周波数「空間または空間高調波」Eのの無限の和で、ω nは E （（ z
、 ）。 = ∑ =− ∞+ ∞ E e （（ω − k z ）。
{E（z、t）= sum _ {n =- infty} ^ {+ infty} {E_ {n}} e ^ {j（{ omega} t- {k_ {n}} z ）}}
ここで、波数または伝搬定数K nは各高調波のは、次のように表現されています k n =（Φ+2nπ）/ p（-π<Φ<+π）
zは伝搬方向、pは回路のピッチ、nは整数です。
徐波回路特性の2つの例が、ω-kまたはブリルアン図に示されています。
図（）に、= 0の基本nは高調波前方の空間である（位相速度V N =ω/ K Nと同じ符号有する群速度VをG =dω/ dkのN）、後方の相互作用のための同期条件であります点Bで、傾斜線v e（ビーム速度）と最初の後方（n = -1）空間高調波との交点、
図（b）では、基本（n = 0）は後方にあります
周期構造は、フィールドのモードではない順方向と逆方向の両方の空間高調波をサポートでき、ビームをそれらの1つにのみ結合できる場合でも、独立して存在することはできません。
nの値が大きい場合、空間高調波の大きさは急速に減少するため、相互作用は基本波または最初の空間高調波でのみ重要になります。
M型BWO
M-BWOの概略図
M型carcinotron、又はM型後進波発振器は、用途は静電場Eと交差する磁場と同様B、マグネトロンを、遅波回路に沿って、EとBに垂直漂流電子シートビームを集束するために、速度E / Bで。強い相互作用は、波の1つの空間高調波の位相速度が電子速度に等しいときに発生します。両方EのZ及びE Y RF場の成分が相互作用（Eのに関与しているYの静的Eフィールドに平行）。徐波の減速Ez電場にある電子は、静電場Eにある位置エネルギーを失い、回路に到達します。徐波空間高調波と相互作用しながらエネルギーを得た電子の収集を回避するために、唯一の電極はカソードよりも負です。
O型BWO
O型carcinotron、またはO型の後進波発振器は、長手方向磁場によって集束され、遅波回路はビームと相互作用する電子ビームを使用します。コレクターは、チューブの端でビームを収集します。
O-BWOスペクトルの純度とノイズ
BWOは電圧調整可能な発振器であり、その電圧調整率は回路の伝搬特性に直接関係しています。発振は、回路上を伝播する波がビームの遅い空間電荷波と同期する周波数で始まります。本質的に、BWOは他のオシレーターよりも外部変動に敏感です。それにもかかわらず、位相ロックまたは周波数ロックされる能力が実証されており、ヘテロダイン局部発振器としての動作が成功しています。
周波数安定性
周波数-電圧感度は、次の関係で与えられます。 Δ { Delta}
f / f = 1/2 [1 /（1 + |
vΦ / v
g |）]（ Δ
{ Delta}
V 0 / V 0） 発振周波数はビーム電流にも敏感です（「周波数プッシュ」と呼ばれます）。低周波数での電流変動は主にアノード電圧供給によるものであり、アノード電圧に対する感度は次の式で与えられます。 Δ { Delta}
F / F = 3/4 [ω
Q /ω/（1 + | Vの
Φ / V
G |）]（ Δ
{ Delta}
V a / V a） カソード電圧感度と比較して、この感度、比ωだけ減少するQ ω/ω、qは角プラズマ周波数です。この比率は、10-2の数倍のオーダーです。
ノイズ
サブミリ波BWOの測定（de Graauw et al。、1978）は、この波長範囲で120 dB / MHzの信号対雑音比が期待できることを示しています。局部発振器としてBWOを使用するヘテロダイン検出では、この数値は、わずか1000〜3000Kの発振器によって追加される雑音温度に対応します。
ノート
^ FR特許1035379、Bernard Epsztein、「逆流進行波デバイス」、1959-03-31公開 ^のE 、F 、G 、H 、I 、J
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参考文献
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外部リンク
バーチャルバルブミュージアムトムソンCSFCV6124″