مذبذب الموجة الخلفية Backward Wave Oscillator

يتطلب توليد الطاقة العالية في مذبذبات الموجة الخلفية “BWO” للمقطع الكبير أن تتفاعل إلكترونات الحزمة التي تتدفق بالقرب من الجدار المموج، وبكفاءة مع موجات السطح المدعومة ببنية دورية، كما يتم وصف هذه الموجات من خلال تراكب التوافقيات الفضائية ذات الموجة البطيئة في وضع التشغيل.

ما هو مذبذب الموجة الخلفية Backward Wave Oscillator؟

مذبذب الموجة الخلفية “Backward Wave Oscillator”: هو نوع خاص من الأنبوب المفرغ يستخدم لإنتاج إشارات الميكروويف في نطاق تيراهيرتز “THz”، حيث ينتمي مذبذب الموجة إلى مجموعة أنابيب الموجة المتنقلة التي تولد اهتزازات عند ترددات الميكروويف، كما تُعرف أيضاً مذبذبات الموجة باسم “Carcinotrons”.

وبما أنّ كلاً من “BWO” و”TWT” ينتميان إلى نفس المجموعة، لذا فإنّ مبدأ التشغيل هو نفسه تقريباً لكل من الأنابيب، ومع ذلك يظهر الاثنان بعض الاختلاف فيما يتعلق بهيكلهما الإنشائي وخصائص التشغيل.

• “BWO” هي اختصار لـ “Backward Wave Oscillator”.

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

مبدأ تشغيل مذبذب الموجة الخلفية BWO:

مبدأ تشغيل “BWO” هو أنّه من أجل الحفاظ على التذبذبات داخل الأنبوب، يتم استخدام موجة عاكسة للخلف من جامع منتهي بشكل غير كامل يكون له اتجاه معاكس لاتجاه ظهور شعاع الإلكترون، كما يستخدم مبدأ تعديل السرعة من أجل بناء التذبذبات داخل الأنبوب المفرغ، وفي هذا الأنبوب تنتقل الموجة في الاتجاه المعاكس لاتجاه حركة شعاع الإلكترون، وبالتالي يُعرف باسم مذبذب أو أنبوب الموجة الخلفية.

يمكن قفل “BWO” على التردد المطلوب عن طريق حقن إشارة صغيرة عند نقطة على هيكل الموجة “alow”، كما يعتمد حجم إشارة القفل المطلوبة على نقطة الحقن، حيث تم وصف “BWO” التجريبي بهيكل الموجة البطيئة الخارجي جزئياً، والذي يتيح حقن الإشارات في نقاط مختلفة على طول طولها، كما تم العثور على القيم التجريبية لسعة إشارة النظر المطلوبة في مختلف نقاط الحقن الممكنة؛ لتكون متوافقة بشكل جيد مع التوقعات النظرية.

بناء مذبذب الموجة الخلفية BWO:

إنّ الهيكل مختلف تماماً عن هيكل “TWT”؛ لتوليد شعاع الإلكترون، كما يتم استخدام مسدس إلكتروني يتكون من عنصر تسخين وكاثود، حيث يولد الكاثود شعاع الإلكترون داخل الأنبوب، وهيكل الموجة البطيئة موجود داخل الأنبوب المسؤول عن تعديل السرعة، كما يتكون الطرف الآخر من مسدس الإلكترون من منطقة تجميع، حيث تنعكس الموجة الأمامية مرة أخرى باتجاه جانب الكاثود ويتم استقبالها عند النواتج.

المكون الرئيسي الموجود في “TWT” هو المخفف الذي لا يوجد في حالة “BWO”، والسبب وراء ذلك هو أنّها أجهزة عالية الكسب، وكما يتم الحاجة إلى بناء ذبذبات داخل الأنبوب، لذلك من أجل الحصول على انعكاس الموجة من المجمع، لا يتم وضع المخففات داخل الأنبوب، أمّا في بعض الأحيان يتم استخدام الدليل الموجي المطوي لبناء “BWO”؛ لأنّه يعمل بمثابة بنية موجية بطيئة للمذبذب الذي يسمح بتعديل السرعة.

المكونات الرئيسية التي تساهم في تشغيل “BWO” هي شعاع الإلكترون وهيكل الموجة البطيئة، حيث يتحكم التفصيل الإنشائي لـ “BWO” في عوامل مختلفة، مثل التباعد الثابت بين المسارات الحلزونية المختلفة للهيكل الذي يؤدي إلى حد في عرض النطاق الترددي، وأيضاً يتم التحكم في وتيرة التذبذبات من خلال وقت عبور حزمة الإلكترون، كما يتم التحكم في وقت العبور من خلال الإمكانات في محطة التجميع.

تم إعطاء إجراء منهجي للتوليف بشكل متسق مع تردد التشغيل المطلوب وطاقة حزمة الحقن، ودليل موجي مموج جيبياً مفرطاً مع تطبيقه، وكهيكل موجي بطيء على مذبذبات الموجة الخلفية، كما يتم تحديد معلمات التمويج بحيث يعمل الدليل الموجي عند تشغيله، وبواسطة حزمة إلكترونية تبلغ “500 كيلو فولت” بالقرب من تردد القطع العلوي على التوافقي الفضائي الأول لوضع “TM01” من الرتبة الأدنى.

وتناسقاً مع التشغيل أحادي النمط، يدعم الهيكل الدوري المصمم موجة سطحية متزامنة مع حزمة إلكترونية بقوة “500 كيلو فولت”، ويظهر في نفس الوقت مقاومة اقتران كبيرة، وهو مقياس لشدة مجال التردد الراديوي في موضع الحزمة، كما تُعتبر الموجة السطحية حاسمة؛ لتجنب منافسة النمط، في حين أنّ مقاومة الاقتران الكبيرة مهمة للتفاعل عالي الكفاءة.

كيفية تصميم مذبذب موجي خلفي نسبي عالي الكفاءة مع مجال مغناطيسي توجيهي منخفض:

تم تصميم ومحاكاة مذبذب الموجة الخلفية النسبي عالي الكفاءة الذي يعمل في مجال مغناطيسي منخفض التوجيه، كما يتم استخدام عاكس رنين شبه منحرف لتقليل مجال التعديل في عاكس الرنين لتجنب التعديل المفرط لحزمة الإلكترون، ممّا يؤدي إلى انتشار زخم كبير ومن ثم كفاءة تحويل منخفضة كما يزداد غلاف نصف القطر الداخلي لهيكل الموجة البطيئة “SWS” تدريجياً؛ للحفاظ على التوافق مع مسار شعاع الإلكترون الذي سيخفف من قصف الإلكترون على سطح “SWS”.

يتم تقليل طول فترة “SWS” تدريجياً لتحقيق تطابق أفضل بين سرعة الطور وحزمة الإلكترون، والتي تتباطأ باستمرار وتحسن توزيع تيار التردد اللاسلكي، وفي الوقت نفسه يتم تقليل مجال التعديل عن طريق إدخال “SWS” غير المنتظم أيضاً.

• “SWS” هي اختصار لـ “slow wave structures”.

عمل مذبذب الموجة الخلفية BWO:

عندما يتم تسخين الكاثود، ينبعث شعاع إلكتروني عالي السرعة من مجموعة مدفع الإلكترون، كما أنّ الأنبوب هنا يتكون من هيكل بطيء الموجة يطبق تأخيراً على شعاع الإلكترون المتحرك، وأيضاً يتم توفير مجال كهربائيللتيار المستمر بين بنية الموجة البطيئة المؤرضة والقطب السالب، حيث يسمح المجال المغناطيسي المطبق خارجياً بانحناء شعاع الإلكترون المتحرك بمقدار 90 درجة”.

يقوم المجمع غير المطابق تماماً في الطرف المقابل من الدائرة بتوليد انعكاسات داخل الأنبوب، كما يتعرض شعاع الإلكترون الذي ينتقل بسرعة معينة إلى تأخر، وعندما يكون الحقل داخل الأنبوب هو الحد الأقصى، بينما عندما يكون المجال داخل الأنبوب عند أدنى مستوى، تنتقل الإلكترونات بسرعتها المعتادة.

يمكن فهم ذلك بسهولة أكبر بطريقة أنّه داخل بنية الموجة البطيئة، تفقد الإلكترونات المتحركة عالية السرعة طاقتها الكامنة وتنقلها إلى الموجة المتنقلة للخلف، وهكذا داخل الأنبوب تتحرك جميع الإلكترونات بسرعة مختلفة، حيث تسمح بنية الموجة البطيئة بتعديل السرعة، وهذا يسبب تراكم الإلكترونات بداخله، كما يتم استقبال الموجة الخلفية عند طرف ناتتج التردد الراديوي الموجود في الهيكل.

لذلك تكون سرعة المرحلة وسرعة المجموعة في اتجاهين متعاكسين، حيث يؤدي هذا إلى توليد موجة تغذية مرتدة مستمرة على طول الدائرة، وكذلك توليد اهتزازات دون أي متطلبات تغذية مرتدة خارجية أخرى، كما أنّ تيار الحزمة مسؤول عن التحكم في اتساع التذبذبات، وتعتمد قيمة تيار الحزمة على الجهد المقدم لمدفع الإلكترون، لذلك بمجرد ضبط الجهد المقدم للحزمة، يمكن ضبط “BWO” على نطاق تردد كبير، ولذلك يُعد بإنّ “BWO” هو الشكل المعدل من “TWT”.

مزايا مذبذب الموجة الخلفية BWO:

• يوفر “BWO” نطاقاً واسعاً من الانضباط من خلال التباين في جهد المجمع.

• إنّه يولد التذبذبات التي تظهر ثباتاً عالي التردد.

• لديه القدرة على إنتاج إشارة حادة مطلوبة عند النواتج.

عيوب مذبذب الموجة الخلفية BWO:

• إنّه أقل كفاءة بالمقارنة مع “TWTs” و”klystrons”.

• يؤدي التباعد الثابت بين الحلقة الحلزونية لهيكل الموجة البطيئة إلى التسبب في عامل مقيد لعرض النطاق الترددي.