Tubo de onda viajera

Un tubo de onda viajera ( TWT , pronunciado "twit" ^{[ 1 ]} ) o amplificador de tubo de onda viajera ( TWTA , pronunciado "tweeta") es un tubo de vacío especializado que se utiliza en electrónica para amplificar señales de radiofrecuencia (RF) en el rango de microondas . ^{[ 2 ]} Fue inventado por Andrei Haeff alrededor de 1933 como estudiante de posgrado en Caltech , y su forma actual fue inventada por Rudolf Kompfner en 1942-43. El TWT pertenece a una categoría de tubos de "haz lineal", como el klistrón , en el que la onda de radio se amplifica absorbiendo potencia de un haz de electrones a medida que pasa por el tubo. ^{[ 2 ]} Aunque hay varios tipos de TWT, dos categorías principales son: ^{[ 2 ]}

• TWT de hélice : en el que las ondas de radio interactúan con el haz de electrones mientras viajan a lo largo de una hélice de alambre que rodea el haz. Estos tienen un ancho de banda amplio, pero la potencia de salida está limitada a unos pocos cientos de vatios. ^{[ 3 ]}
• Tubos de onda viajera de cavidad acoplada : en estos, la onda de radio interactúa con el haz en una serie de resonadores de cavidad a través de los cuales pasa el haz. Estos funcionan como amplificadores de potencia de banda estrecha.

Una ventaja importante del TWT sobre otros tubos de microondas es su capacidad para amplificar un amplio rango de frecuencias , es decir, un gran ancho de banda . El ancho de banda del TWT helicoidal puede alcanzar hasta dos octavas , mientras que las versiones de cavidad tienen anchos de banda del 10 al 20 %. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Las frecuencias de operación van desde 300  MHz hasta 50  GHz. ^{[ 2 ] [ 3 ]} La ganancia de potencia del tubo es del orden de 40 a 70 decibelios , ^{[ 3 ]} y la potencia de salida varía desde unos pocos vatios hasta megavatios . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Los TWT se utilizan ampliamente como amplificadores de potencia y osciladores en sistemas de radar , transmisores de satélites de comunicaciones y naves espaciales , y sistemas de guerra electrónica . ^{[ 2 ]}

Un TWT integrado con una fuente de alimentación regulada y circuitos de protección se denomina amplificador de tubo de onda progresiva ^{[ 8 ]} (abreviado TWTA y pronunciado a menudo "TWEET-uh"). Se utiliza para producir señales de radiofrecuencia de alta potencia . El ancho de banda de un TWTA de banda ancha puede alcanzar una octava , aunque existen versiones sintonizadas (de banda estrecha); las frecuencias de funcionamiento oscilan entre 300 MHz y 50 GHz.  

Un amplificador de onda viajera (TWTA) consta de un tubo de onda viajera acoplado a sus circuitos de protección (como en un klistrón ) y una fuente de alimentación regulada , que puede ser suministrada e integrada por un fabricante diferente. La principal diferencia entre la mayoría de las fuentes de alimentación y las de los tubos de vacío radica en que estos últimos, al ser eficientes, poseen colectores deprimidos para reciclar la energía cinética de los electrones. Por ello, el devanado secundario de la fuente de alimentación requiere hasta 6 tomas, cuya tensión de hélice necesita una regulación precisa. La posterior adición de un linealizador (como en el caso de los tubos de salida inductivos ) puede, mediante compensación complementaria, mejorar la compresión de ganancia y otras características del TWTA; esta combinación se denomina TWTA linealizado (LTWTA).

Los amplificadores de onda progresiva de banda ancha suelen utilizar un tubo de onda progresiva helicoidal y alcanzan  una potencia de salida inferior a 2,5 kW. Los amplificadores de onda progresiva que utilizan un tubo de onda progresiva de cavidad acoplada pueden alcanzar  una potencia de salida de 15 kW, pero a costa de un ancho de banda más reducido.

El diseño original y el prototipo del TWT fueron realizados por Andrei "Andy" Haeff alrededor de 1931, mientras trabajaba como estudiante de doctorado en el Laboratorio de Radiación Kellogg del Caltech. Su patente original, "Dispositivo y método para controlar corrientes de alta frecuencia", fue presentada en 1933 y concedida en 1936. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

La invención del TWT se atribuye a menudo a Rudolf Kompfner en 1942-1943. Además, Nils Lindenblad, que trabajaba en RCA (Radio Corporation of America) en los EE. UU., también presentó una patente para un dispositivo en mayo de 1940 ^{[ 11 ]} que era notablemente similar al TWT de Kompfner. ^{[ 12 ] : 2} Ambos dispositivos fueron mejoras con respecto al diseño original de Haeff, ya que ambos usaban el cañón de electrones de precisión, entonces recién inventado , como fuente del haz de electrones y ambos dirigían el haz por el centro de la hélice en lugar de hacia fuera de ella. Estos cambios de configuración dieron como resultado una amplificación de onda mucho mayor que el diseño de Haeff, ya que se basaban en los principios físicos de modulación de velocidad y agrupamiento de electrones. ^{[ 10 ]} Kompfner desarrolló su TWT en un laboratorio de radar del Almirantazgo británico durante la Segunda Guerra Mundial . ^{[ 13 ]} Su primer boceto de su TWT está fechado el 12 de noviembre de 1942, y construyó su primer TWT a principios de 1943. ^{[ 12 ] : 3 [ 14 ]} El TWT fue posteriormente perfeccionado por Kompfner, ^{[ 14 ]} John R. Pierce , ^{[ 15 ]} y Lester M. Winslow en Bell Labs . Cabe señalar que la patente estadounidense de Kompfner, concedida en 1953, cita el trabajo previo de Haeff. ^{[ 10 ]}

En la década de 1950, tras un mayor desarrollo en el Laboratorio de Tubos Electrónicos de Hughes Aircraft Company en Culver City, California, los TWT comenzaron a producirse allí, y en la década de 1960 también fueron producidos por compañías como English Electric Valve Company , seguidas por Ferranti en la década de 1970. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

El 10 de julio de 1962, se lanzó el primer satélite de comunicaciones, Telstar 1 , equipado con un transpondedor TWT de 2  W y 4 GHz diseñado por RCA, utilizado para transmitir señales de radiofrecuencia a estaciones terrestres. El Syncom 2 se lanzó con éxito a la órbita geoestacionaria el 26 de julio de 1963, con dos transpondedores TWT de 2 W y 1850 MHz diseñados por Hughes : uno activo y otro de reserva. ^{[ 19 ] [ 20 ]}   

Los TWTA se utilizan comúnmente como amplificadores en transpondedores satelitales , donde la señal de entrada es muy débil y la salida necesita ser de alta potencia. ^{[ 21 ]} Los TWTA utilizados en comunicaciones satelitales se consideran opciones confiables y tienden a durar más allá de su vida útil esperada de 15 a 20 años. ^{[ 22 ]}

Un TWTA cuya salida controla una antena es un tipo de transmisor . Los transmisores TWTA se utilizan ampliamente en radares , particularmente en sistemas de radar de control de tiro aerotransportados, y en sistemas de guerra electrónica y autoprotección. ^{[ 23 ]} En tales aplicaciones, se introduce típicamente una rejilla de control entre el cañón de electrones del TWT y la estructura de onda lenta para permitir el funcionamiento pulsado. El circuito que controla la rejilla de control se suele denominar modulador de rejilla .

Los TWTA se han aplicado en varias naves espaciales, incluidas las cinco sondas espaciales que han alcanzado la velocidad de escape para abandonar el Sistema Solar. ^{[ 24 ] [ 25 ]} Por ejemplo, dos TWTA redundantes de 12 vatios en banda X están montados en el cuerpo bajo la antena de la nave espacial New Horizons , ^{[ 26 ]} que visitó Plutón en 2015 y luego el objeto del cinturón de Kuiper 486958 Arrokoth en 2019 para enviar datos a una distancia de 43,4 UA del Sol. El Telescopio Espacial James Webb , lanzado en 2021, utiliza TWT en banda K _a . ^{[ 25 ]}

A veces se ha hecho referencia a un TWT como un "tubo amplificador de onda viajera" (TWAT), ^{[ 27 ]} aunque este término nunca se adoptó ampliamente. Los ingenieros han pronunciado "TWT" como "twit", ^{[ 28 ]} y "TWTA" como "tweeta". ^{[ 29 ]}

• Amplificador distribuido
• Magnetrón
• Tubo klistrón
• Amplificador de campo cruzado
• oscilador de onda inversa
• Tubo de salida inductivo
• oscilador de interacción extendida

• Copeland, Jack; Haeff, Andre A. (septiembre de 2015). "La verdadera historia del tubo de onda progresiva".
• Armstrong, Carter M; (noviembre de 2015). "La búsqueda del tubo de vacío definitivo". IEEE Spectrum;

• Página conmemorativa , con una foto de John Pierce sosteniendo un TWT.
• Página de Nyquist , con una foto de Pierce, Kompfner y Nyquist frente a los cálculos de TWT en la pizarra.
• Tubos de onda viajera TMD , información y hojas de datos en PDF.
• Animación Flash que muestra el funcionamiento de un tubo de onda progresiva (TWT) y su construcción interna.