पश्चगामी तरंग दोलक (बैकवर्ड वेव ऑसिलेटर)



एक पश्चगामी तरंग दोलक (BWO), जिसे पश्चगामी तरंग नलिका भी कहा जाता है, एक निर्वात नलिका है जिसका उपयोग टेरेहर्ट्ज़ रेंज तक सूक्ष्म तरंग उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। प्रगामी तरंग नलिका परिवार से संबंधित, यह विस्तृत इलेक्ट्रॉनिक समस्वरण परिसर वाला एक दोलक है।

इलेक्ट्रॉन बंदूक एक इलेक्ट्रॉन किरणपुंज उत्पन्न करती है जो मंद-तरंग संरचना के साथ संपर्क करती है। यह किरणपुंज के खिलाफ एक प्रगामी तरंग को पीछे की ओर प्रचारित करके दोलनों को बनाए रखता है। उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय तरंग शक्ति का समूह वेग इलेक्ट्रॉनों की गति की दिशा के विपरीत होता है। निर्गत शक्ति को इलेक्ट्रॉन गन के पास युग्मित किया जाता है।

इसके दो मुख्य उपप्रकार हैं, M-type (M-BWO), सबसे शक्तिशाली और O-type (O-BWO)। ओ-टाइप(O-type) की निर्गत शक्ति आमतौर पर 1 मेगावाट की सीमा में 1000 गीगाहर्ट्ज से 50 मेगावाट 200 गीगाहर्ट्ज पर होती है। कार्सिनोट्रॉन का उपयोग शक्तिशाली और स्थिर माइक्रोवेव स्रोतों के रूप में किया जाता है। वे अच्छी गुणवत्ता वाले तरंगाग्र का उत्पादन करते हैं। वे टेराहर्ट्ज प्रतिबिंबन में प्रदीपक के रूप में उपयोग करते हैं।

पश्चगामी तरंग दोलक को 1951 में, बर्नार्ड एप्सज़्टिन द्वारा एम-टाइप(M-type) और रुडोल्फ कोम्पफनर द्वारा ओ-टाइप(O-type) में प्रदर्शित किया गया था एम-टाइप बीडब्ल्यूओ मैग्नेट्रोन कि परस्पर क्रिया का वोल्टेज-नियंत्रित गैर-गुंजयमान बहिर्वेशन है। दोनों प्रकार के त्वरित वोल्टेज को अलग करके आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला पर ट्यून करने योग्य हैं। उन्हें बैंड के माध्यम से इतनी तेजी से घुमाया जा सकता है कि वे एक ही बार में सभी बैंड पर विकिरण करते दिखाई दें, जो उन्हें प्रभावी रडार जैमिंग के लिए उपयुक्त बनाता है, जल्दी से रडार आवृत्ति में ट्यूनिंग करता है। कार्सिनोट्रोन्स ने वायुवाहित रडार जैमर को अत्यधिक प्रभावी होने की अनुमति दी। हालांकि, आवृत्ति चपलता रडार आवृत्तियों को तेजी से उछाल सकते हैं ताकि जैमर को बैराज जैमिंग का उपयोग करने के लिए मजबूर किया जा सके, एक विस्तृत बैंड पर इसकी निर्गम शक्ति को कम किया जा सके और इसकी दक्षता को काफी कम किया जा सके।

कार्सिनोट्रॉन का उपयोग अनुसंधान, नागरिक और सैन्य अनुप्रयोगों में किया जाता है। उदाहरण के लिए, चेकोस्लोवाक कोपैक पैसिव सेंसर और रमोना पैसिव सेंसर वायु रक्षा पहचान प्रणाली ने अपने रिसीवर सिस्टम में कार्सिनोट्रोन को नियोजित किया।

मूल अवधारणा
सभी प्रगामी तरंग नलिका एक सामान्य आचरण में काम करते हैं, और मुख्य रूप से उनके निर्माण के विवरण में भिन्न होते हैं।यह अवधारणा एक इलेक्ट्रॉन बंदूक से इलेक्ट्रॉनों की एक स्थिर धारा पर निर्भर है जो ट्यूब के केंद्र से नीचे यात्रा करती है (आसन्न अवधारणा आरेख देखें)। इलेक्ट्रॉन किरणपुंज के चारों ओर कुछ प्रकार के रेडियो फ्रीक्वेंसी स्रोत है, पारंपरिक क्लिस्ट्रॉन के मामले में यह एक अनुनादक गुहा है जो एक बाहरी संकेत के साथ सिंचित किया जाता है, जबकि अधिक आधुनिक उपकरणों में इन गुहाओं की एक श्रृंखला है या एक ही संकेत के साथ एक पेचदार धातु तार सिंचित किया जाता है।

जैसे ही इलेक्ट्रॉन ट्यूब से नीचे जाते हैं, वे आरएफ सिग्नल के साथ एक दूसरे को प्रभावित करते हैं। इलेक्ट्रॉन अधिकतम सकारात्मक पूर्वाग्रह वाले क्षेत्रों की ओर आकर्षित होते हैं और नकारात्मक क्षेत्रों से विकर्षित होते हैं। यह इलेक्ट्रॉनों को गुच्छा बनाने का कारण बनता है क्योंकि वे ट्यूब की लंबाई के साथ निरस्त या आकर्षित होते हैं, एक प्रक्रिया जिसे वेग मॉड्यूलेशन के रूप में जाना जाता है। यह प्रक्रिया इलेक्ट्रॉन किरणपुंज को मूल संकेत के समान सामान्य संरचना पर ले जाती है, किरणपुंज में इलेक्ट्रॉनों का घनत्व प्रेरण प्रणाली में आरएफ सिग्नल के सापेक्ष आयाम से मेल खाता है। इलेक्ट्रॉन धारा बंदूक के विवरण का एक कार्य है, और आम तौर पर इनपुट आरएफ सिग्नल की तुलना में अधिक शक्तिशाली परिमाण के आदेश हैं। परिणाम इलेक्ट्रॉन  किरणपुंज में एक संकेत है जो मूल आरएफ सिग्नल का एक प्रवर्धित संस्करण है।

जैसे -जैसे इलेक्ट्रॉन गतिमान होते हैं, वे पास के किसी भी चालक में चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करते हैं। यह अब-प्रवर्धित सिग्नल को निकालने की अनुमति देता है। मैग्नेट्रॉन या क्लेस्ट्रॉन जैसी प्रणालियों में, यह एक और गुंजयमान गुहा के साथ पूरा किया जाता है। पेचदार डिजाइनों में, यह प्रक्रिया ट्यूब की पूरी लंबाई के साथ होती है, पेचदार चालक में मूल संकेत को मजबूत करती है। पारंपरिक डिजाइनों के साथ समस्या यह है कि उनके पास अपेक्षाकृत संकीर्ण बैंडविड्थ हैं, अनुनादक पर आधारित डिज़ाइन उनके डिज़ाइन के 10% या 20% के भीतर सिग्नल के साथ काम करेंगे, क्योंकि यह भौतिक रूप से अनुनादक डिज़ाइन में बनाया गया है, जबकि हेलिक्स डिजाइन में बहुत व्यापक बैंडविड्थ है, शायद डिजाइन शिखर के दोनों ओर 100% है।

बीडब्ल्यूओ(BWO)
पश्चगामी तरंग दोलक को पेचदार TWT के समान आचरण में बनाया गया है। हालांकि, इलेक्ट्रॉन किरणपुंज के समान (या समान) दिशा में फैलने वाले RF सिग्नल के बजाय, मूल सिग्नल किरणपुंज के समकोण पर यात्रा करता है। यह आमतौर पर एक आयताकार तरंगपथनिर्धारित्र के माध्यम से एक छिद्र को ड्रिल करके और छिद्र के माध्यम से किरणपुंज को शूट करके पूरा किया जाता है। तरंगपथनिर्धारित्र फिर दो समकोण से गुजरता है, एक सी-आकार का निर्माण करता है और किरणपुंज को फिर से पार करता है। यह मूल तरीका ट्यूब की लंबाई के साथ दोहराया जाता है, इसलिए तरंगपथनिर्धारित्र कई बार किरणपुंज के पार से गुजरता है, जिससे एस-आकार की एक श्रृंखला बनती है।

मूल आरएफ सिग्नल टीडब्ल्यूटी(TWT) के दूर के छोर से प्रवेश करता है, जहां ऊर्जा निकाली जाएगी। अस्थायी किरणपुंज पर सिग्नल का प्रभाव समान वेग मॉड्यूलेशन प्रभाव का कारण बनता है, लेकिन आरएफ सिग्नल की दिशा और तरंगपथनिर्धारित्र की बारीकियों के कारण, यह मॉड्यूलेशन आगे की बजाय किरणपुंज के साथ पीछे की ओर जाता है। यह प्रसार, मंद तरंग, मुड़े हुए तरंगपथनिर्धारित्र में अगले छिद्र तक पहुंचता है, जैसे कि आरएफ सिग्नल के एक ही चरण में यह पारंपरिक TWT की तरह ही प्रवर्धन का कारण बनता है।

एक पारंपरिक TWT में, इंडक्शन सिस्टम में सिग्नल के प्रसार की गति किरणपुंज में इलेक्ट्रॉनों के समान होनी चाहिए। यह आवश्यक है ताकि संकेत का चरण गुच्छिद्रार इलेक्ट्रॉनों के साथ जुड़ जाए क्योंकि वे प्रेरकों को पास करते हैं। तारों या अनुनादक कक्षों के भौतिक निर्माण के आधार पर यह उपकरण तरंग दैर्ध्य के चयन पर सीमाएं प्रवर्धित कर सकता है ।

बीडब्ल्यूओ में ऐसा नहीं है, जहां इलेक्ट्रॉन समकोण पर सिग्नल पास करते हैं और उनकी प्रसार की गति इनपुट सिग्नल से स्वतंत्र होती है। जटिल सर्पेंटाइन वेवगाइड आगत सिग्नल के बैंडविड्थ पर सख्त सीमाएं रखता है, जैसे कि गाइड के भीतर एक स्थायी तरंग बनती है। लेकिन इलेक्ट्रॉनों का वेग केवल इलेक्ट्रॉन बंदूक पर लागू स्वीकार्य वोल्टेज द्वारा सीमित है, जिसे आसानी से और तेजी से बदला जा सकता है। इस प्रकार पश्चगामी तरंग दोलक (BWO) एकल आगत आवृत्ति लेता है और निर्गत आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला का उत्पादन करता है।

कार्सिनोट्रॉन
डिवाइस को मूल रूप से कार्सिनोट्रॉन नाम दिया गया था क्योंकि यह मौजूदा रडार सिस्टम के लिए कैंसर जैसा था। केवल आपूर्ति वोल्टेज को बदलने से, उपकरण एक बैंड में किसी भी आवश्यक आवृत्ति का उत्पादन कर सकता है जो किसी भी मौजूदा सूक्ष्म तरंग प्रवर्धक की तुलना में बहुत बड़ा था-गुहा मैग्नेट्रोन उनके अनुनादक के भौतिक आयामों द्वारा परिभाषित एक आवृत्ति पर काम करता है, और जबकि कार्सिनोट्रॉन एक बाहरी संकेत को प्रवर्धित किया, यह केवल आवृत्तियों की एक छोटी सी सीमा के भीतर ही इतनी कुशलता से किया।

पहले, रडार को जाम करना एक जटिल और समय लेने वाला क्रिया कलाप था। संचालको को उपयोग की जा रही संभावित आवृत्तियों को सुनना था, उस आवृत्ति पर प्रवर्धकों के एक बैंक की स्थापना की, और फिर प्रसारण करना शुरू कर दिया। जब रडार स्टेशन को एहसास हुआ कि क्या हो रहा है, तो वे अपनी आवृत्तियों को बदल देंगे और प्रक्रिया फिर से शुरू हो जाएगी। इसके विपरीत, कार्सिनोट्रॉन सभी संभावित आवृत्तियों के माध्यम से इतनी तेजी से पार कर सकता है कि यह एक ही बार में सभी आवृत्तियों पर एक निरंतर संकेत प्रतीत होता है। विशिष्ट डिजाइन सैकड़ों या कम हजारों वाट उत्पन्न कर सकते हैं इसलिए किसी भी एक आवृत्ति पर कुछ वाट बिजली हो सकती है जो रडार स्टेशन द्वारा प्राप्त की जाती है।हालांकि लंबी दूरी पर विमान तक पहुंचने वाले मूल रडार प्रसारण से ऊर्जा की मात्रा केवल कुछ वाट होती है, इसलिए कार्सिनोट्रॉन का उन पर नियन्त्रण हो सकता है।

यह प्रणाली इतनी शक्तिशाली थी कि यह पाया गया कि एक विमान पर काम करने वाला एक कार्सिनोट्रॉन रडार क्षितिज से ऊपर उठने से पहले ही प्रभावी होना शुरू हो जाएगा। जैसा कि यह आवृत्तियों के माध्यम से बहता है, यह रडार की ऑपरेटिंग आवृत्ति पर प्रभावी ढंग से यादृच्छिक समय पर प्रसारित होता है, किसी भी समय एंटीना को इसके पास इंगित किया जाता है, शायद लक्ष्य के दोनों तरफ 3 डिग्री यादृच्छिक बिंदुओं के साथ प्रदर्शन को भरता है। इतने सारे बिंदु थे कि उस क्षेत्र में प्रदर्शन केवल तीव्र उत्तेजना वाले शोर से भर गया। जैसे ही यह स्टेशन के पास पहुंचा, सिग्नल एंटीना के साइडलोब में भी दिखना शुरू हो जाएगा,जिससे आगे के क्षेत्रों का निर्माण होगा जो शोर से खाली हो गए थे। करीब सीमा पर, 100 मील (160 किमी) के क्रम में, संपूर्ण रडार डिस्प्ले पूरी तरह से शोर से भर जाएगा, जिससे यह बेकार हो जाएगा।

यह अवधारणा एक जैमर के रूप में इतनी शक्तिशाली थी कि गंभीर चिंताएं थीं कि जमीन आधारित रडार अप्रचलित थे। वायुवाहित रडार को यह फायदा था कि वे जैमर को ले जाने वाले विमान से संपर्क कर सकते थे, और अंततः उनके ट्रांसमीटर से भारी निर्गत जैमिंग के माध्यम से जल जाएगा। हालांकि, उस समय के इंटरसेप्टर ग्राउंड-आधारित राडार का उपयोग करते हुए, रेंज में आने के लिए जमीनी दिशा पर निर्भर थे। यह वायु रक्षा अभियानों के लिए एक बड़े खतरे का प्रतिनिधित्व करता था।

जमीनी राडार के लिए, खतरे को अंततः दो तरह से हल किया गया था। पहला यह था कि रडार को कई अलग -अलग आवृत्तियों पर काम करने और पल्स से पल्स तक बेहतरीन ढंग से स्विच करने के लिए अपग्रेड किया गया था, एक अवधारणा जिसे अब आवृत्ति चपलता के रूप में जाना जाता है। इन आवृत्तियों में से कुछ का उपयोग कभी भी शान्तिकाल में, और अत्यधिक गुप्त काल में नहीं किया गया था, इस आशा के साथ कि वे जैमर को युद्ध के समय में नहीं जानेंगे। कार्सिनोट्रॉन अभी भी पूरे बैंड के माध्यम से स्वीप कर सकता है, लेकिन फिर यह उसी आवृत्ति पर रडार के रूप में केवल यादृच्छिक समय पर प्रसारित होगा, जिससे इसकी प्रभावशीलता कम हो जाएगी।अन्य समाधान निष्क्रिय रिसीवर को जोड़ना था जो कार्सिनोट्रॉन प्रसारण पर त्रिकोणित किया गया था,जिससे ग्राउंड स्टेशनों को जैमर के स्थान पर सटीक ट्रैकिंग जानकारी का उत्पादन करने और उन पर हमला करने की अनुमति मिलती थी।

मंद तरंग संरचना
आवश्यक मंद-तरंग संरचनाओं को एक अनुदैर्ध्य घटक के साथ एक रेडियो आवृत्ति (आरएफ) विद्युत क्षेत्र का समर्थन करना चाहिए, संरचनाएं बीम की दिशा में आवधिक होती हैं और पासबैंड और स्टॉपबैंड के साथ सूक्ष्म तरंग फिल्टर की तरह व्यवहार करती हैं। ज्यामिति की आवधिकता के कारण, निरंतर चरण शिफ्ट Φ को छोड़कर, क्षेत्र सेल से सेल में समान होते हैं। यह चरण बदलाव, एक दोषरहित संरचना के पासबैंड में विशुद्ध रूप से वास्तविक संख्या, आवृत्ति के साथ बदलता रहता है।

फ़्लक्वेट के प्रमेय के अनुसार (फ्लिकेट थ्योरी देखें), आरएफ इलेक्ट्रिक फील्ड E(z,t) को एक कोणीय आवृत्ति ω पर वर्णित किया जा सकता है, जो स्थानिक या अंतरिक्ष हार्मोनिक्स En के अनंतता के योग द्वारा किया जा सकता है।
 * $$E(z,t) =\sum_{n=-\infty}^{+\infty} {E_n}e^{j({\omega}t-{k_n}z)}$$

जहां तरंग संख्या या प्रसार स्थिरांक kn प्रत्येक हार्मोनिक के रूप में व्यक्त किया जाता है


 * kn = (Φ + 2nπ) / p (--<φ < + π)

z प्रसार की दिशा है, p सर्किट की पिच और n एक पूर्णांक है।

मंद तरंग सर्किट विशेषताओं के दो उदाहरण दिखाए गए हैं, ω-k या ब्रिलॉइन आरेख में दिखाए गए हैं::
 * आकृति (ए) पर, मौलिक n = 0 एक आगे की जगह हार्मोनिक है (चरण वेग vn= ω/kn समूह वेग v के समान ही संकेत है vg=dω/dkn), बैकवर्ड इंटरैक्शन के लिए सिंक्रोनिज़्म की स्थिति बिंदु B पर है, ढलान की रेखा का प्रतिच्छिद्रन ve - किरणपुंज वेग - पहले पिछड़े (n = -1) अंतरिक्ष हार्मोनिक के साथ,
 * आकृति (बी) पर मौलिक (n = 0) पिछड़ा है

एक आवधिक संरचना आगे और पिछड़े अंतरिक्ष हार्मोनिक्स दोनों का समर्थन कर सकती है, जो क्षेत्र के तरीके नहीं हैं, और स्वतंत्र रूप से मौजूद नहीं हो सकते हैं, भले ही किरण को उनमें से केवल एक के साथ जोड़ा जा सके।

चूंकि अंतरिक्ष हार्मोनिक्स का परिमाण तेजी से घटता है जब n का मान बड़ा होता है, तो पारस्परिक व्यवहार केवल मौलिक या पहले अंतरिक्ष हार्मोनिक के साथ महत्वपूर्ण हो सकती है।

एम-प्रकार(M-type) BWO
एम-टाइप कार्सिनोट्रॉन, या एम-टाइप पश्चगामी तरंग दोलक, एक मंद-तरंग सर्किट के साथ, ई और बी के लिए लंबवत बहती इलेक्ट्रॉन शीट किरणपुंज पर ध्यान केंद्रित करने के लिए मैग्नेट्रोन के समान पार किए गए स्थिर विद्युत क्षेत्र E और चुंबकीय क्षेत्र B का उपयोग करता है, वेग ई/बी के साथ। मजबूत अंतःक्रिया तब होती है जब तरंग के एक अंतरिक्ष हार्मोनिक का चरण वेग इलेक्ट्रॉन वेग के बराबर होता है। RF क्षेत्र के Ez और Ey दोनों घटक परस्पर क्रिया में शामिल होते हैं (Ey स्थिर E क्षेत्र के समानांतर)। इलेक्ट्रॉन जो धीमी-तरंग के Ez विद्युत क्षेत्र में होते हैं, मंद-तरंग का विद्युत क्षेत्र, स्थिर विद्युत क्षेत्र E में संभावित ऊर्जा खो देता है और सर्किट तक पहुंचता है। स्लो-वेव स्पेस हार्मोनिक के साथ पारस्परिक व्यवहार करते हुए उन इलेक्ट्रॉनों को इकट्ठा करने से बचने के लिए, एकमात्र इलेक्ट्रोड कैथोड की तुलना में अधिक नकारात्मक है।

O- प्रकार(O-type) BWO
ओ-टाइप कार्सिनोट्रॉन, या ओ-टाइप पश्चगामी तरंग दोलक, एक चुंबकीय क्षेत्र द्वारा केंद्रित कर एक इलेक्ट्रॉन किरणपुंज अनुदैर्ध्य रूप से उपयोग करता है, और किरणपुंज के साथ एक मंद-तरंग सर्किट पर पारस्परिक व्यवहार करता है। एक संग्राहक नालिका के अंत में बीम एकत्र करता है।

O-पश्चगामी तरंग दोलक वर्णक्रमीय शुद्धता और शोर
BWO एक वोल्टेज ट्यून करने योग्य दोलक है, जिसकी वोल्टेज ट्यूनिंग दर सीधे सर्किट के प्रसार विशेषताओं से संबंधित है। दोलन एक आवृत्ति पर शुरू होता है जहां सर्किट पर फैलने वाली तरंग किरणपुंज की मंद अंतरिक्ष आवेश तरंग के साथ समकालिक होती है। स्वाभाविक रूप से पश्चगामी तरंग दोलक(BWO) बाहरी उतार-चढ़ाव के प्रति अन्य दोलक की तुलना में अधिक संवेदनशील है। फिर भी चरण- या आवृत्ति-लॉक होने की इसकी क्षमता का प्रदर्शन किया गया है, जिससे हेटेरोडाइन स्थानीय दोलक के रूप में सफल संचालन होता है।

आवृत्ति स्थिरता
आवृत्ति -वोल्टेज संवेदनशीलता संबंध द्वारा दी गई है,


 * $$\Delta$$f/f = 1/2 [1/(1 + | vΦ/vg|)] ($$\Delta$$V0/V0)

दोलन आवृत्ति किरणपुंज करंट (आवृत्ति पुशिंग कहा जाता है) के प्रति भी संवेदनशील है।कम आवृत्तियों पर वर्तमान उतार -चढ़ाव मुख्य रूप से एनोड वोल्टेज की आपूर्ति के कारण होते हैं, और एनोड वोल्टेज के प्रति संवेदनशीलता दी जाती है


 * $$\Delta$$f/f = 3/4 [ωq/ω/(1 + | vΦ/vg|)] ($$\Delta$$Va/Va)

कैथोड वोल्टेज संवेदनशीलता की तुलना में यह संवेदनशीलता q/ω के अनुपात से कम हो जाती है, जहां q कोणीय प्लाज्मा आवृत्ति है; यह अनुपात कुछ गुना 10−2 के क्रम का है।

शोर
अवमिलिमीटर(सबमिलिमीटर)-तरंग बीडब्ल्यूओ(BWO) माप से पता चला है कि इस तरंग दैर्ध्य रेंज में 120 प्रति मेगाहर्ट्ज का सिग्नल-टू-शोर अनुपात एक स्थानीय दोलक के रूप में एक पश्चगामी तरंग दोलक का उपयोग करके हेटेरोडाइन का पता लगाने में, यह आंकड़ा केवल 1000-3000 k के दोलक द्वारा जोड़े गए शोर तापमान से मेल खाता है।

संदर्भ

 * Johnson, H. R. (1955). Backward-wave oscillators. Proceedings of the IRE, 43(6), 684–697.
 * Ramo S., Whinnery J. R., Van Duzer T. - Fields and Waves in Communication Electronics (3rd ed.1994) John Wiley & Sons
 * Kantorowicz G., Palluel P. - Backward Wave Oscillators, in Infrared and Millimeter Waves, Vol 1, Chap. 4, K. Button ed., Academic Press 1979
 * de Graauw Th., Anderegg M., Fitton B., Bonnefoy R., Gustincic J. J. - 3rd Int. Conf. Submm. Waves, Guilford University of Surrey (1978)
 * Convert G., Yeou T., in Millimeter and Submillimeter Waves, Chap. 4, (1964) Illife Books, London

बाहरी संबंध

 * Virtual Valve Museum Thomson CSF CV6124 (Wayback Machine)

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