الأنبوب الموجي المتنقل Travelling Wave Tube

يُعد أنابيب الموجة المتنقلة عبارة عن هياكل غير رنانة توفر تفاعلاً مستمراً لمجال “RF” المطبق مع شعاع الإلكترون على طول الأنبوب بالكامل، ولهذا السبب فإنّه يوفر نطاقاً ترددياً أوسع للتشغيل.

ما هو أنبوب موجة النقل Travelling Wave Tube؟

الأنبوب الموجي المتنقل “TWT”: هو مضخم عالي الطاقة يستخدم لتضخيم إشارات الميكروويف إلى نطاق واسع، كما إنّه نوع خاص من الأنبوب المفرغ الذي يوفر تردد تشغيل يتراوح بين “300 ميجاهرتز” إلى “50 جيجاهرتز”.

يستخدم بشكل رئيسي في تضخيم إشارات التردد اللاسلكي، حيث في الأساس لا يُعد أنبوب الموجة المتنقلة سوى أنبوب مفرغ ممدود يسمح بحركة شعاع الإلكترون بداخله بفعل إدخال “RF” المطبق، كما تسمح حركة الإلكترون داخل الأنبوب بتضخيم مدخلات التردد الراديوي المطبقة، ونظراً لأنّه يوفر تضخيماً لنطاق واسع من التردد، فإنّه يعتبر أكثر فائدة لتطبيقات الميكروويف من الأنابيب الأخرى.

يوفر متوسط ​​كسب طاقة يبلغ حوالي “60 ديسيبل”، كما تكمن طاقة النواتج في نطاق بضع واط إلى عدة ميجاواط، حيث يتكون أنبوب الموجة المتنقل أساساً من نوعين أحدهما من النوع الحلزوني والآخر هو تجويف مقترن.

• “TWT” هي اختصار لـ “Travelling Wave Tube”.

• “RF” هي اختصار لـ “Radio Frequency”.

بناء أنبوب الموجة المتنقلة:

إنّ أنبوب موجة التنقل حلزوني يتكون من بندقية الإلكترون وهيكل الموجة البطيئة، حيث ينتج مدفع الإلكترون شعاعاً ضيقاً من الإلكترون، كما يتم استخدام لوحة التركيز التي تركز شعاع الإلكترون داخل الأنبوب، حيث يتم توفير إمكانات إيجابية للملف “الحلزون”، فيما يتعلق بمحطة الكاثود، بينما المجمع أكثر إيجابية من الملف أي اللولب.

من أجل الحد من انتشار الشعاع داخل الأنبوب، يتم تطبيق مجال مغناطيسي تيار مستمر بين مسار التنقل بمساعدة المغناطيس، حيث يتم توفير الإشارة اللازمة لتضخيمها في أحد طرفي اللولب، والموجود بجوار مدفع الإلكترون، بينما يتم تحقيق الإشارة المضخمة في الطرف المقابل من اللولب.

كما أنّ المخفف موجود على جانبي أنبوب الموجة المتحركة، ويرجع ذلك إلى أنّ مضخمات الموجة المتنقلة هي أجهزة عالية الكسب، لذلك في حالة ظروف مطابقة الحمل السيئة تتراكم التذبذبات داخل الأنبوب بسبب الانعكاس، وبالتالي من أجل تقييد توليد التذبذبات داخل الأنبوب يتم استخدام مخففات الأنبوب.

يتم تشكيل المخففات بشكل أساسي من خلال توفير طلاء معدني على سطح الأنبوب الزجاجي، كما تستخدم “Aquadag” أو “Kanthal” بشكل رئيسي لهذا الغرض، كما أنّ بنية الموجة البطيئة تعتبر هنا والسبب هو الحفاظ على التفاعل المستمر بين الموجة المتنقلة وحزمة الإلكترون.

الحاجة إلى بنية الموجة البطيئة في TWT:

إنّ سرعة الموجة الكهرومغناطيسية أعلى بكثير عند مقارنتها بسرعة طور شعاع الإلكترون المنبعث من مدفع الإلكترون، حيث تنتشر الموجة “RF” المطبقة عند إدخال “TWT” بسرعة الضوء أي “3 *10 ⁸ m / s” بينما تكون سرعة انتشار شعاع الإلكترون داخل الأنبوب أصغر نسبياً من سرعة موجة “RF”، وإذا حاولنا بطريقة ما تسريع سرعة شعاع الإلكترون، فيمكن تسريعها فقط إلى جزء من سرعة الضوء.

لذلك من الأفضل تقليل سرعة إدخال التردد الراديوي المطبق لمطابقة سرعة شعاع الإلكترون، ولذلك يتم استخدام بنية الموجة البطيئة التي تسبب انخفاضاً في سرعة الطور لموجة التردد اللاسلكي داخل “TWT”، كما يمكن أن تكون هياكل الموجة البطيئة من أنواع مختلفة، مثل اللولب الفردي أو الحلزون المزدوج أو الخط المتعرج أو المموج أو التجويف المزدوج أو نوع الشريط الدائري وما إلى ذلك.

يتكون هيكل الموجة البطيئة الحلزوني المفرد عن طريق جرح سلك من عنصر، مثل “التنجستن” و”الموليبدينوم” في شكل ملف، حيث يعمل الشكل الحلزوني للهيكل على إبطاء سرعة الموجة التي تنتقل على طول محورها إلى جزء من عشرة، وهذا بسبب الشكل الحلزوني للهيكل، كما تنتقل الموجة مسافة أكبر بكثير من المسافة التي يقطعها الشعاع داخل الأنبوب، لذلك بهذه الطريقة تعتمد سرعة انتشار الموجة على عدد المنعطفات أو قطر المنعطفات.

وبشكل أكثر تحديداً يمكن أن تتغيير درجة الصوت، كما يمكن أن يغير سرعة انتشار الموجة داخل الأنبوب كما أنّه لا توجد بنية رنانة موجودة في مساحة التفاعل، وبالتالي يوفر تضخيماً يصل إلى نطاق تشغيل واسع النطاق، وتوضح المعادلة التالية علاقة سرعة الطور للموجة بخطوة اللولب:

Vp = c P /( √(P)² + (πd)² )

حيث أنّ “c” هي سرعة الضوء أي “3 * 10 ⁸م / ث”، وVP هي سرعة المرحلة “م / ث” و”P” هي درجة اللولب، و”d” هي قطر اللولب بالمتر، لذلك يتسبب هذا في تفاعل مستمر بين موجة إدخال التردد اللاسلكي وشعاع الإلكترون؛ لأن سرعة انتشار الاثنين لا تختلف اختلافاً كبيراً، ونظراً لأنّ هذا التفاعل هو أساس عمل “TWT”، يتم استخدام هياكل الموجة البطيئة.

عمل أنبوب الموجة المتنقلة:

تنتج إشارة التردد اللاسلكي المطبقة مجالاً كهربائياً داخل الأنبوب، وبسبب النصف الموجب المطبق تتعرض شعاع الإلكترون المتحرك لقوة تسريع، ومع ذلك فإنّ النصف السالب من المدخلات يطبق قوة لخفض التسارع على الإلكترونات المتحركة، كما يُعد بأنّه تعديل السرعة؛ لأن إلكترونات الحزمة تختبر سرعات مختلفة داخل الأنبوب.

ومع ذلك، فإن الموجة التي تتحرك ببطء داخل الأنبوب تُظهر تفاعلاً مستمراً مع شعاع الإلكترون، وبسبب التفاعل المستمر، تنقل الإلكترونات التي تتحرك بسرعة عالية طاقتها إلى الموجة داخل الأنبوب وبالتالي تبطئ، لذلك مع ارتفاع سعة الموجة تقل سرعة الإلكترونات وهذا يتسبب في تجميع الإلكترونات داخل الأنبوب.

ينتج عن السعة المتزايدة للموجة المزيد من تجمعات الإلكترونات أثناء الوصول إلى النهاية من البداية، مّما يتسبب في مزيد من التضخيم لموجة “RF” داخل الأنبوب، كما أنّ التقدم الأمامي للمجال على طول محور الأنبوب يؤدي إلى تضخيم موجة التردد اللاسلكي، وهكذا في نهاية الأنبوب يتم تحقيق إشارة مكبرة، ومع ذلك، يجب النظر بعناية في ترتيبات اقتران المدخلات والمخرجات لأنّها تحد من نطاق التشغيل.

كما تؤدي الإمكانات الإيجابية المتوفرة في الطرف الآخر إلى تجميع مجموعة الإلكترون في المجمع، كما يُقيد المجال المغناطيسي داخل الأنبوب انتشار الحزمة؛ لأن الإلكترونات تمتلك طبيعة غير جيدة، ومع ذلك نظراً لأنّ “TWT” هو جهاز ثنائي الاتجاه، لذلك تسبب الإشارة المنعكسة تذبذبات داخل الأنبوب، ولكنّ وجود المخففات يقلل من توليد التذبذبات بسبب الموجة العكسية المنعكسة، حيث في بعض الأحيان على الرغم من استخدام المخففات، يتم استخدام أطراف المعاوقة الداخلية التي تضع تأثيرات ضياع أقل على الإشارة الأمامية.

تطبيقات TWT:

• تُستخدم أنابيب الموجة المتنقلة بشكل كبير في أنظمة الرادار ذات الموجة المستمرة.

• تجد أنابيب التضخيم هذه أيضاً تطبيقاً في مستقبلات النطاق العريض لتضخيم الترددات الراديوية.

• تُستخدم “TWT” أيضاً للحصول على ناتج طاقة عالي في أجهزة الإرسال والاستقبال عبر الأقمار الصناعية.