Tubo Sutton

El tubo de Sutton fue el nombre que se le dio al primer klistrón de reflexión , desarrollado en 1940 por Robert W. Sutton del grupo Signal School de la Universidad de Bristol . El tubo de Sutton se desarrolló como oscilador local para el receptor de los radares de microondas de 10 cm. Debido a su geometría y su amplio espacio de deriva, sufría de saltos de modo en todo el rango de sintonización. Por esta razón, a partir de finales de 1941, fue reemplazado en muchos equipos por el Western Electric 707A (también conocido como tubo McNally, nombre que le dio su desarrollador).

El klistrón de reflexión es un tipo de tubo de vacío que se utiliza para generar microondas . Es un dispositivo de baja potencia que se emplea principalmente para dos fines: proporcionar una fuente de frecuencia de baja potencia sintonizable para los osciladores locales en los circuitos receptores, y, con pequeñas modificaciones, funcionar como un interruptor que permite encender y apagar otra fuente de microondas. Este segundo uso, a veces conocido como tubo de Sutton suave o interruptor de rhumbatrón , fue un componente clave en el desarrollo del radar de microondas por parte de Gran Bretaña durante la Segunda Guerra Mundial . Los interruptores de microondas de todos los diseños, incluidos estos, se conocen generalmente como tubos T/R o celdas T/R .

El tubo Sutton recibe su nombre de uno de sus inventores, Robert Sutton, experto en el diseño de tubos de vacío. Los diseños originales de klistrones se desarrollaron a finales de la década de 1930 en Estados Unidos, y se le pidió a Sutton que desarrollara una versión sintonizable. Desarrolló los primeros modelos a finales de 1940 mientras trabajaba en el Centro de Señales y Radar del Almirantazgo . Los tubos Sutton se utilizaron ampliamente en diversas formas durante la Segunda Guerra Mundial y hasta la década de 1960. Su función ha sido asumida desde entonces por dispositivos de estado sólido como el diodo Gunn , que comenzó a estar disponible en la década de 1970. El término "rhumbatrón" hace referencia al diseño de cavidad resonante que formaba parte de muchos klistrones, en alusión a la rumba debido al movimiento ondulante de los electrones.

Los klistrones comparten el concepto básico de que la emisión de microondas se genera acelerando y luego desacelerando progresivamente los electrones en un espacio abierto rodeado por una cavidad resonante. Los diseños de klistrones más fáciles de entender tienen dos cavidades.

La primera cavidad está conectada a una señal de fuente y está diseñada para resonar a la frecuencia deseada, llenando su interior con un campo eléctrico oscilante. Las dimensiones de la cavidad dependen de la longitud de onda; la mayoría son cilindros planos con forma de disco de hockey de diferentes tamaños. Se perfora un orificio en el centro del cilindro. ^{[ 1 ]}

Un flujo de electrones disparado desde un cañón de electrones atraviesa el orificio, y el campo variable provoca que se aceleren o desaceleren según el valor de dicho campo en el momento de su paso. Más allá de la cavidad, los electrones acelerados alcanzan a los desacelerados, lo que provoca que se agrupen en el flujo. Esto hace que el flujo recree el patrón de la señal original en la densidad de los electrones. Esta zona del tubo debe ser bastante larga para que este proceso tenga tiempo de completarse. ^{[ 2 ]}

Los electrones pasan entonces a través de una segunda cavidad, similar a la primera. Al pasar, los haces inducen un campo eléctrico variable en la cavidad, recreando la señal original pero con una corriente mucho mayor. Un punto de conexión en esta cavidad proporciona la salida de microondas amplificada. ^{[ 2 ]}

La introducción del magnetrón de cavidad revolucionó el diseño de radares, ya que permitía generar grandes cantidades de energía a partir de un dispositivo compacto y fácil de construir. Sin embargo, también requirió varios desarrollos adicionales antes de poder utilizarse.

Entre estos se encontraba un oscilador local adecuado, con una diferencia de aproximadamente 45  MHz respecto a la señal del transmisor, que alimentaba la sección de frecuencia intermedia de los circuitos del receptor. ^{[ 3 ]} El problema radicaba en que la frecuencia del magnetrón variaba al calentarse y enfriarse, lo suficiente como para requerir una fuente de microondas sintonizable cuya frecuencia pudiera ajustarse para que coincidiera. Un segundo magnetrón no funcionaría, ya que no variarían de forma sincronizada. ^{[ 4 ]}

Como el circuito receptor requiere muy poca potencia de salida, el klistrón, introducido por primera vez solo dos años antes, fue una elección natural. Se le pidió a Sutton, un conocido experto en diseño de tubos, que proporcionara una versión que pudiera sintonizarse en el mismo rango que la deriva del magnetrón. ^{[ 5 ]} Un modelo inicial disponible en 1940 permitía la sintonización con cierto esfuerzo. Si bien funcionaba, no era adecuado para un sistema operativo. Sutton y Thompson continuaron trabajando en el problema y entregaron una solución en octubre de 1940. ^{[ 3 ]} Thompson lo nombró en honor a Sutton, mientras que Sutton se refería a él como el Tubo Thompson. ^{[ 6 ]} El primer nombre se mantuvo.

Su avance consistió en utilizar un único resonador y una ingeniosa disposición física para lograr el mismo efecto que dos cavidades. Lo consiguió colocando un segundo electrodo en el extremo opuesto del tubo, el "reflector" o "repelente", que provocaba que los electrones cambiaran de dirección y comenzaran a fluir de vuelta hacia el cañón, de forma similar al tubo de Barkhausen-Kurz . Al variar el voltaje del reflector con respecto al cañón, se podía ajustar, dentro de ciertos límites, la velocidad de los electrones al alcanzar la cavidad por segunda vez. La frecuencia era función de la velocidad de los electrones, proporcionando así la función de sintonización. ^{[ 5 ]}

Esta modificación dividió el klistrón por la mitad, concentrando la mayor parte de la "acción" en el centro del tubo, donde se ubicaban la entrada y la salida de la cavidad única. Además, solo el interior de la cavidad se encontraba dentro del tubo; la superficie exterior era una carcasa metálica que lo envolvía. Se podían realizar cambios significativos en la frecuencia reemplazando la carcasa exterior, lo que también facilitaba su montaje. ^{[ 5 ]}

Lamentablemente, el sistema requería dos fuentes de alimentación de alto voltaje: una para la aceleración inicial en el cañón y otra entre el cañón y el reflector. Además, debido a su funcionamiento, el sistema generalmente estaba limitado a milivatios de potencia.

Una de las ventajas de usar microondas para el radar es que el tamaño de la antena depende de la longitud de onda de la señal, por lo que las longitudes de onda más cortas requieren antenas mucho más pequeñas. Esto fue de vital importancia para los sistemas de radar aerotransportados. Los aviones alemanes, que utilizaban longitudes de onda más largas, requerían antenas enormes que reducían su velocidad entre 25 y 50  km/h debido a la resistencia aerodinámica. ^{[ 7 ]} Las microondas requerían antenas de tan solo unos centímetros de longitud y podían caber fácilmente en la nariz del avión.

Esta ventaja se vio contrarrestada por la falta de un sistema de conmutación que permitiera que una sola antena actuara como transmisor y receptor. Esto no siempre representa un problema grave; el sistema Chain Home funcionaba con dos conjuntos de antenas, al igual que los primeros radares aerotransportados como el Mk. IV . En 1940, Bernard Lovell desarrolló una solución para el radar de microondas colocando dos conjuntos de dipolos frente a una antena parabólica común y un disco de lámina metálica entre ellos. Sin embargo, esto no tuvo mucho éxito, y los diodos de cristal utilizados como detectores se quemaban con frecuencia debido a que la señal se filtraba a través o alrededor del disco. ^{[ 8 ]} También se utilizó una solución con dos tubos de chispa , pero no fue la ideal. ^{[ 9 ]}

Arthur H. Cooke, del Laboratorio Clarendon, sugirió una mejor solución , y HWB Skinner, junto con AG Ward y AT Starr, del Centro de Investigación de Telecomunicaciones , se encargaron del desarrollo de la producción . ^{[ 9 ]} Tomaron un tubo Sutton y desconectaron el cañón de electrones y el reflector, dejando solo la cavidad. Esta se llenó con un gas diluido, inicialmente helio o hidrógeno , ^{[ 10 ]} pero finalmente se optó por una pequeña cantidad de vapor de agua y argón. ^{[ 11 ]}

Cuando se detectaba la señal de transmisión en la entrada, el gas se ionizaba rápidamente (con la ayuda de una bobina calefactora o radio). ^{[ 12 ]} Los electrones libres en el plasma presentaban una fuente de impedancia casi perfecta, bloqueando el flujo de la señal hacia la salida. Tan pronto como cesaba la transmisión, el gas se desionizaba y la impedancia desaparecía muy rápidamente. ^{[ 10 ]} Los pequeños ecos causados ​​por las reflexiones del objetivo, que llegaban microsegundos después, eran demasiado pequeños para causar la ionización y permitían que la señal llegara a la salida. ^{[ 3 ]}

El tubo Sutton blando utilizable llegó en marzo de 1941 y se puso en producción como el CV43. ^{[ 3 ]} Se utilizó por primera vez como parte del radar AI Mk. VII , el primer radar de microondas de producción para aeronaves. ^{[ 10 ]} El sistema se utilizó ampliamente a partir de entonces, apareciendo en casi todos los radares de microondas aerotransportados, incluidos el radar H2S y el radar ASV Mark III . ^{[ 10 ]}

La inteligencia posterior a la guerra reveló que los alemanes estaban desconcertados por la función del tubo Sutton flexible. Varios ejemplares cayeron en sus manos, en particular en el Rotterdam Gerät , un H2S que fue capturado prácticamente intacto en febrero de 1943. Las entrevistas con ingenieros de radar alemanes después de la guerra demostraron que no podían comprender la función del tubo sin alimentación. ^{[ 9 ]}

El tubo Sutton blando se utilizó en un circuito conocido como "conmutador T/R" (o muchas variaciones de este concepto). Otros tubos de chispa se habían utilizado para este propósito, en un diseño conocido como " dúplex de rama ". Este consistía en dos tramos cortos de guía de onda de aproximadamente 1/4 de longitud de onda, que se activaban al llegar la señal. Debido a la geometría del diseño, los dos caminos producían una reflexión de la señal. ^{[ 13 ]} Los tubos Sutton se utilizaron en un diseño más simple conocido como "circuito de ramificación en derivación", que tenía forma de T con el transmisor y la antena ubicados en cada extremo de la parte horizontal de la T, y el receptor en el extremo de la parte vertical. Al ubicar el tubo Sutton en el lugar correcto a lo largo de la guía de onda hacia el receptor, se podía lograr el mismo efecto que el dúplex de rama. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

• Tubo Sutton NR89-10E/501
• Tubo Sutton NR89 , un oscilador local
• CV43 , un interruptor Sutton