6. Nội dung luận văn tập trung giải quyết
2.4.2. Ma trận linh kiện viba biến đổi năng lượng điện một chiều thành
chùm tia viba công suất cao
Rất nhiều loại máy tạo sóng viba đã được đề xuất như: các ống chân không viba (klystrons, magnetrons, travelling wave tube), các máy phát bán dẫn, và cả sự kết hợp của 2 công nghệ trên. Các loại máy phát này đã được so sánh dựa trên các khía cạnh hiệu suất, công suất lối ra, trọng lượng và hoạ âm phát (emitted harmonics). Hiệu suất chuyển đổi từ dòng điện một chiều sang sóng vô tuyến (DC-RF) đối với các ống chân không viba có thể cao hơn 65-75%, công suất của mỗi ống đơn lẻ có thể hơn 100kw. Đối với các máy phát bán dẫn, hiệu suất đạt được khoảng 40%, công suất từ mỗi máy phát đơn lẻ là 100W [38].
Hình 22: Mô tả tương quan công suất trung bình và tần số của các thiết bị phát viba dạng ống chân không và bán dẫn
(Nguồn Viện công nghệ Georgia, Atlanta, USA) So sánh với các công nghệ bán dẫn thì công nghệ ống sóng viba có hiệu suất cao hơn, giá thấp hơn, và tỷ lệ trọng lượng trên một đơn vị công suất cũng nhỏ hơn (kW/kg). Đối với các máy phát năng lượng hiệu suất cao thì một thiết kế tạo ra lượng hoạ âm thấp, các bộ dịch mất pha thấp (low-loss phase shifters) là cực kỳ quan trọng và cần được phát triển theo hướng này.
Trong bất kỳ trường hợp nào, hàng nghìn ống sóng viba, hàng triệu bộ khuếch đại trạng thái mềm và máy tạo dao động phải được phân đoạn và điều khiển, đây là những thử thách công nghệ rất lớn.
Các loại ống Klystron TWT Magnetron
Tần số (GHz) 4 2.5 2
Hiệu suất (%) 76 60-67 60-75
Công suất lối ra (W) 100- 7
10 100 100-1000
Trọng lượng (g/W) 40-100 20 45(2.45 GHz)
20-30 (5.8 GHz) Hoạ âm (dBc) <-70 <-70 -55, -80, -70, -75
Bảng 3: Các đặc tính của một số ống điện tử điển hình
a). Thiết bị Magnetron công suất cao
Hình 23: Hệ thống truyền dẫn vô tuyến năng lượng 2.45GHz dùng Magnetron
Hình 24: Hệ thống truyền dẫn vô tuyến năng lượng 5.8 GHz dùng Magnetron
(Nguồn Research Institute for Sustainable Humanosphere, Kyoto University, Japan)
- Nguyên tắc hoạt động của Magnetron
Magnetron là một bộ dao động viba công suất cao, năng lượng của đám mây điện tử được chuyển thành năng lượng cao tần trong chuỗi các hốc cộng hưởng. Mỗi hốc cộng hưởng tương đương như một mạch cộng hưởng LC, tần số cộng hưởng của hốc cộng hưởng được xác định bởi kích thước của hốc cộng hưởng cùng với các ảnh hưởng vô hướng của bất kì sự nhiễu loạn nào làm thay đổi cảm ứng và điện dung của mạch cộng hưởng LC tương đương.
Chùm điện tử chạy trong ống với một vận tốc, sóng cao tần làm suy giảm vận tốc của chùm điện tử có nghĩa là làm giảm năng lượng của điện tử đồng thời làm tăng năng lượng của sóng điện từ.
Trong magnetron, chùm điện tử dời cathode và tăng tốc về phía anode, dẫn tới tạo ra một trường DC bởi nguồn thế E. Sự có mặt của từ trường B giữa cathode và anode tạo ra một lực trên mỗi điện tử vuông góc với trường DC và vec tơ vận tốc của điện tử
b). Linh kiện ống sóng chạy viba công suất cao
Hình 25: Cấu tạo ống sóng chạy TWT hoạt động tại dải tần 300MHz- 50GHz
Ống sóng chạy (Traveling wave tube- TWT) là một thiết bị điện tử được sử dụng để khuếch đại tín hiệu cao tần thành tín hiệu cao tần công suất cao, chúng được biết như là Bộ khuếch đại ống sóng chạy (Traveling wave tube amplifier- TWTA) khi được tích hợp với nguồn nuôi và mạch bảo vệ. Tần số hoạt động trong dải tần số 300MHz-50GHz, độ tăng ích của ống có thể đạt 70dB. TWT được cấu tạo bởi súng điện tử, đường trì hoàn và collector.
- Nguyên tắc hoạt động của ống sóng chạy
Ống sóng chạy về cơ bản là một bộ khuếch đại hiệu điện thế. Một ống chân không đặc biệt có thể tạo ra hoặc khuếch đại tín hiệu viba. Ống sóng chạy có một súng điện tử (electron gun) tại một đầu của ống, và nó đốt cháy chùm điện tử năng lượng cao. Chùm điện tử này sẽ chạy xuyên qua trục của ống sóng chạy tới đầu kia. Tín hiệu RF chạy dọc theo trục của ống theo đường xoắn ốc và được khuếch đại bởi chùm điện tử.
- Súng điện tử
Súng điện tử chuyển năng lượng điện từ nguồn điện thành năng lượng động năng cho chùm điện tử. Súng cấu tạo bởi 1 dây tóc, 1 cathode, 2 điện cực anode. Dây tóc làm nóng cathode ở nhiệt độ từ 930-1000°C, làm cathode phát ra điện tử, sau đó điện cực đầu tiên sẽ chuyển các điện tử vào một chùm hẹp và điện cực thứ 2 sẽ đẩy chúng vào đường trì hoãn (delay line) trong trục của ống sóng chạy.
- Đường trì hoãn
Cấu tạo bởi hệ thống tập trung chùm điện tử và cuận hình xoắn ốc, nó cũng đựoc gọi là mạch sóng chậm. Hệ thống tập trung bao gồm các nam châm để giữ cho các điện tử đi thẳng thông qua trục của ống sóng chạy để tới collector.
Tín hiệu RF được đẩy vào trong đường xoắn ốc và chùm điện tử sẽ khuếch đại bằng động năng của nó. Sau đó tín hiệu RF sẽ được đưa tới ăng ten thông qua ống dẫn sóng.
- Collector
Collector bao gồm một vài điện cực, nhằm mục đích làm chậm các điện tử sau khi nó đã khuếch đại các tín hiệu RF.
c). Klystron
(a) (b)
Hình 26: Linh kiện Magnetron (a) và sơ đồ cấu tạo (b)
Klystron được cấu tạo bởi dây tóc (heater/ filament), cathode, anode, hốc cộng hưởng (cavity resonator), cuận nam châm, collector. Klystron có thể có kiểu hốc cộng hưởng ngoài hoặc trong, trên hình là dạng klystron có 4 hốc lượng tử ngoài. Chúng có thể chứa không khí, hoặc nước, hoặc hơi nước đã làm lạnh, hoặc là sự kết hợp của các thành phần trên. Hốc cộng hưởng được cấu tạo như một mạch cộng hưởng song song gồm cuận cảm L và tụ điện C đấu song song.
- Nguyên tắc hoạt động của Klystron
Dây tóc làm nóng Cathode ở nhiệt độ rất cao tạo ra các chùm điện tử, anode làm tăng tốc chùm điện tử chạy dọc bên trong mà không va chạm với anode, 3 cuận nam châm tạo điện từ trường nằm xen kẽ giữa các hốc cộng hưởng sẽ làm cho chùm điện tử được tập trung không phân tán bên trong anode. Tại hốc cộng hưởng đầu tiên, chùm điện tử sẽ bị kích thích bởi tín hiệu viba mà dự kiến sẽ được khuếch đại. Các điện tử chạy trong chùm sẽ được điều chỉnh vận tốc (velocity modulation) bởi tín hiệu cao tần lối vào. Việc điều chỉnh vận tốc tương đương như dao động plasma. Tại mỗi hốc tiếp theo tín hiệu viba sẽ liên tiếp được công hưởng nhằm mục đích khuếch đại. Tín hiệu cũng sẽ bị chùm điện tử chạy với tốc độ cao khuếch đại. Tại hốc cộng hưởng cuối cùng tín hiệu viba sẽ được nối với đường truyền dẫn tới ăng ten.
Sau khi chùm điện tử đi qua hốc cộng hưởng cuối cùng nó vẫn có năng lượng lớn, đủ để nấu chảy kim loại. Để điều này không xảy ra, collector được thiết kế nhằm tiêu hao năng lượng của chùm điện tử bằng cách thuôn nhỏ dần collector, các điện tử sẽ chạy chậm dần và bị hút vào bề mặt của collector và nếu năng lượng của chùm điện tử quá lớn thì nó cũng sẽ phá huỷ ống.
Các nghiên cứu gần đây đã phát triển ra kiểu klystron sử dụng nam châm cố định gọi là PPM Focused Klystron mà có thể hoạt động ở mức công suất 50 MW. Các nam châm sẽ đẩy chùm điện tử chạy với tốc độ rất lớn trong trung tâm của ống, làm sao cho chùm điện tử chạy với tốc độ rất lớn này không va chạm với thành ống, nếu như một nam châm bị hỏng thì đó sẽ là thảm hoạ đối với hệ thống.