لامپ موج

لامپ موج ( به انگلیسی: traveling - wave tube ) یا تقویت کننده لامپ موجی ( به انگلیسی: traveling - wave tube amplifier ) نوعی لامپ خلأ مخصوص می باشد که در الکترونیک، برای تقویت سیگنال های امواج رادیویی ( RF ) در محدوده میکروویو استفاده می شود. [ ۱] لامپ موج که به طور خلاصه TWT نوشته می شود ( بخوانید «توییت»[ ۲] ) ، به دسته ای از لوله های «پرتوی خطی» مانند کلایسترون تعلق دارد که در آن موج رادیویی هنگام عبور از پایین لوله با جذب نیرو از پرتوی الکترون تقویت ( amplify ) می شود.
اولین منبع عملی واقعی میکروویو لامپ مگنترون بود که در دهه ۱۹۳۰ در انگلیس ساخته شد و سپس از آن در ساخت و توسعه سیستم رادار در خلال جنگ جهانی دوم استفاده شد. در سال های اخیر قطعات نیمه هادی به طور فزاینده ای جایگاه میکروویو را پر نموده و مزایای متعدد هم دارند. اما هنوز هم لامپ ها برای تولید توان های بسیار بالا ( ۱۰ کیلووات تا ۱۰ مگاوات ) و فرکانسهای بالاتر امواج میلی متری ( ۱۰۰ گیگاهرتز و بالاتر ) لازم و ضروری می باشند. انواع بسیار متعددی از شکل لامپ ها در کنار مفاهیم مختلفی که بر اساس آن عملکرد لامپ بنا گذاشته شده است وجود دارند. اما تمامی لامپ ها جنبه های مشترک متعددی دارند. اول آنکه در تمامی لامپ ها برهم کنش یک اشعه با یک میدان مغناطیسی در داخل روکش خلأ شیشه ای یا فلزی را داریم؛ بنابراین باید به طریقی انرژی RF در خارج این روکش به آن تزویج کنیم این کار را معمولاً با پنجره های سطحی یا حلقه ها و پروب های تزویجی هم محور انجام می دهیم. انعکاسی یک لامپ کلایسترون تک حفره است که به عنوان یک تشدیدکننده با استفاده از یک الکترود انعکاس دهنده پس از حفره جهت ایجاد بازخورد مثبت از طریق اشعه الکترونی عمل می نماید، این کلایسترون را می توان به صورت مکانیکی و با تنظیم اندازه حفره به صورت دلخواه تنظیم نمود. عیب بزرگ کلایسترون ها پهنای باند نازک آن هاست که نتیجه حفره ها با Q بالا مورد نیاز جهت خوشه بندی الکترون می باشد. کلایسترون ها برای سطوح نویز AMو FM بسیار پایین است. پهنای باند کم تقویت کننده کلایسترون در لامپ با موج حرکتی ( TWT ) بر طرف گردیده است. یک تقویت کننده با اشعه خطی است که از یک تفنگ الکترونی و یک آهنربای متمرکزکننده جهت شتاب بخشیدن به اشعه الکترون ها در خلال یک ناحیه برهم کنش استفاده می کند. معمولاً ناحیه برهم کنش از یک ساختار هیلیکس با موج آهسته با یک ورودی RF در انتهای تفنگ الکترونی و یک خروجی RF در انتهای کلکتور تشکیل می شود. ساختار هیلیکس سرعت انتشار موج RF را کاهش داده بنابر این، این موج با همان سرعتی حرکت می کند که موج و اشعه در ناحیه برهم کنش حرکت می کنند و اثر تقویت کنندگی بدست می آید. سپس سیگنال تقویت شده از انتهای هیلیکس تزویج می گردد. TWT بالاترین پهنای باند را در میان لامپ های تقویت کننده دارد که مقدار آن ار ۳۰٪ تا ۱۲۰٪ متغیر است. در نتیجه این لامپ جهت استفاده در سیستم های جنگ الکترونیک بسیار مفید است چرا که در این سیستم ها نیاز به تئانی بالا در پهنای باندهای وسیع داریم. این لامپ ها دارای توان نامی چند صد وات ( به طور اسمی ) است اما می توان این مقدار را تا چند کیلووات نیز افزایش داد که این کار توسط ایجاد یک ناحیه برهم کنش با استفاده از مجموعه ای از حفره های تزویج شده انجام می شود البته در عوض پهنای باند کاهش خواهد یافت. راندمان TWT تقریباً پایین است و به طور اسمی بین ۲۰٪ و ۴۰٪ می باشد. نوع دیگری از لامپ نوسان ساز اشعه خطی، نوسان ساز با برهم کنش توسعه یافته ( EIO ) است. EIO خیلی مشابه یک کلایسترون است و از ناحیه برهم کنش شامل تعدادی حفره تزویج شده با یکدیگر با بازخورد مثبت جهت انجام نویان استفاده می نماید. این لامپ دارای یک پهنای باند تنظیم شده نازک و یک راندمان متوسط است اما می توان توان های بالا نزدیک چند صد گیگا هرتز را تأمین نماید. فقط ژیراتون است که می تواند توان بیشتری را تحویل نماید. لامپ هایی با میدان متقاطع شامل مگنترون، تقویت کننده با میدان متقاطع وژیراتون است. همان طور که از قبل فهمیدیم مگنترون اولین منبع میکروویو توان بالا است. مگنترون از یک کاتد استوانه ای تشکیل شده است که توسط یک آند استوانه ای با چندین حفره تشدیدکننده در طول قطر داخلی آن احاطه گردیده است. یک میدان مغناطیسی بایاس به صورت موازی با محور کاتد - آند اعمال می گردد. در عمل ابری از الکترون ها تشکیل گردیده که حول کاتد در ناحیه برهم کنش می چرخد. مشابه با قطعات اشعه خطی، خوشه بندی الکترون رخ داده و انرژی از اشعهٔ الکترونی به موج RF منتقل می شود. توان RF می تواند خارج از لامپ با یک پروب، حلقه یا پنجره روزنه دار تزویج گردد. مگنترون ها می توانند توان های خروجی بسیار بالا - در حد چند صد کیلو وات را فراهم نمایند. همچنین مگنترون دارای راندمانی در حدود ۸۰٪ یا بیشتر می باشد. اما یک عیب بزرگ آن این است که مگنترون نویز زیادی را تولید می کند و نمی تواند فرکانس یا ارتباط فاز را تثبیت نماید در حالی که در حالت پالسی عمل می نماید. این فاکتورها جهت عملکرد بالای رادارها ی پالسی بسیار مهم هستند که درآن ها تکنیک های پردازش بر روی مجموعه ای از پالس های بازگشتی عمل می نمایند. ( رادارهای مدرن از این نوع امروزه عموماً از منابع نیمه هادی با نویز کم به همراه یک TWT جهت تقویت کنندگی توان استفاده می نمایند ) حال کاربرد مگنترونها عموماً جهت پخت وپز با میکروویو می باشد. یکی از نرم افزارهای مناسب برای تحلیل لامپ های میکروویو، نرم افزار CST می باشد. محیط استودیوی ذرات در این نرم افزار امکاناتی برای شبیه سازی بیم الکترونی و تأثیر متقابل آن بر روی ساختارهای میکروویو دارد. امّا با این حال یکی از مشکلات کار با نرم افزارهای تمام موج مانند CST نیاز به منابع محاسباتی بزرگ مانند شبکه ای از ابررایانه ها است. حتی علی رغم استفاده از ابررایانه ها باز هم زمان شبیه سازی یک ساختار بسیار طولانی است و به همین دلیل اکثر طراحان به سمت استفاده از کدهای خاص بعدی می روند. تعداد محدودی از کشورها سازنده لامپ های میکروویو هستند و صنعت لامپ های میکروویو در ایران نیز قبل از انقلاب پایه ریزی شده بود امّا علی رغم افزایش روزافزون مقالات و اختراعات در زمینه لامپ های میکروویو و اهمیت یافتن آن ها در سال های اخیر، در ایران پیشرفت قابل ملاحظه ای در این خصوص دیده نمی شود که از دلایل آن می تواند ارتباط محدود صنعت و دانشگاه و عدم معرفی این موضوع به جامعهٔ دانشگاهی باشد.