Travelling Wave Tubes: precisione senza tempo che fa molta strada

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Sapete cos'è un tubo a onde viaggianti, cosa fa e come è fatto? Un nuovo video evidenzia l'innovazione, la maestria e la precisione richieste in questa meraviglia tecnologica, perfezionata dal leader mondiale Thales nel corso di molti decenni.

In un’epoca sostenuta da quintilioni di dispositivi a stato solido – i semiconduttori e i chip dei microprocessori in tutta la nostra elettronica di consumo – dovresti preoccuparti anche dei tubi a vuoto? Sì, la risposta è breve, perché senza questi intricati oggetti che amplificano i segnali provenienti da satelliti e radar, molti degli strumenti a cui facciamo affidamento oggi per viaggiare, lavorare e per il tempo libero non sarebbero possibili.

In parole povere, la valvola è parte integrante di questi trasmettitori, dove il segnale in ingresso è spesso molto debole e l'uscita deve essere ad alta potenza. I dispositivi a stato solido, che necessitano di grandi quantità di energia per funzionare e mantenersi al fresco, non possono svolgere questo ruolo, soprattutto date le immense distanze che i segnali devono percorrere, il periodo di tempo necessario ai trasmettitori per funzionare e la quantità di energia disponibile. .

La storia di questi tubi, noti come tubi a onde viaggianti (TWT), risale a quasi 80 anni fa, alla ricerca condotta da Rudolf Kompfner in un laboratorio radar dell'Ammiragliato britannico durante la seconda guerra mondiale. La sua invenzione era incentrata su un tubo elettronico a vuoto in grado di amplificare i segnali a microonde a banda larga per aumentare enormemente la portata delle comunicazioni wireless.

Poco dopo la fine della guerra, Thales – allora nota come CSF – aveva creato i propri centri specializzati di ricerca e sviluppo e produzione TWT, producendo radar e sistemi di comunicazione che avrebbero contribuito a lanciare l’industria spaziale negli anni ’70. Oggi Thales è il fornitore leader a livello mondiale di tubi a onde viaggianti per i mercati dello spazio, della difesa e delle comunicazioni satellitari.

La maggior parte dei dati inviati dai satelliti oggi utilizza un amplificatore Thales. Molte migliaia di TWT Thales sono stati lanciati in orbita dal 1974, garantendo oltre 900 milioni di ore di funzionamento. Stanno anche aiutando a trasmettere i dati della missione Exo Mars e a comprendere i mondi ai margini del nostro sistema solare attraverso la missione New Horizons. Puoi vedere i dettagli di tutte le missioni in cui sono coinvolti i nostri TWT qui.

Da oltre 70 anni, le donne e gli uomini di Thales spingono i confini della fisica per connettere le persone attraverso prodotti eccezionali progettati per durare anche negli ambienti più difficili. Nelle nostre sedi di Vélizy, Thonon e Ulm, ingegneri, tecnici e operatori condividono competenze senza rivali suddivise in oltre 60 competenze individuali. Ogni componente è costruito e testato con estrema precisione perché il successo di ogni missione spaziale – e delle comunicazioni su cui tutti facciamo affidamento – dipende dai nostri tubi.

Guarda come sono messi insieme tutti gli elementi e come funziona il tubo nel video qui sotto.

Un Traveling Wave Tube amplifica un'onda elettromagnetica modulata per trasmettere dati. All'interno dell'involucro del vuoto, l'onda elettromagnetica interagisce con un fascio di elettroni. Poiché entrambi viaggiano quasi alla stessa velocità, gli elettroni trasmettono la loro energia cinetica all'onda, un effetto noto come effetto Cherenkov. L’analogia più semplice che possiamo fornire è quella di un aereo che viaggia leggermente al di sopra della barriera del suono e irradia la sua energia cinetica sotto forma di onda sonora.

L’amplificazione delle onde elettromagnetiche è ciò che rende possibili un gran numero di applicazioni, dai forni a microonde ai radar e ai satelliti.

Thales è ampiamente riconosciuta come pioniera e innovatrice nel campo dei TWT. Abbiamo sviluppato costantemente questa tecnologia per ottenere miglioramenti decisivi nell’efficienza elettrica e nelle prestazioni termiche. Nelle frequenze delle microonde, TWT fornisce un’efficienza elettrica che sarà irraggiungibile dalle tecnologie competitive a stato solido nel prossimo futuro. Ciò li rende molto interessanti per le applicazioni spaziali in cui il raffreddamento dei dispositivi elettrici potrebbe risultare impegnativo.

Come funziona?

Un fascio di elettroni viene estratto da un catodo riscaldato e accelerato da un campo elettrico statico all'interno del cannone TWT. Il fascio di elettroni interagisce quindi con un'onda elettromagnetica iniettata in una struttura ad onda lenta, solitamente un'elica, dove il fascio rilascia circa il 30% della sua energia. Al termine della linea, gli elettroni terminano il loro viaggio in un collettore depresso dove gran parte della loro energia cinetica rimanente viene recuperata e reimmessa nel sistema. Il fatto che l’elettrone viaggi nel vuoto senza subire perdite di resistenza ohmica spiega perché l’efficienza totale è così elevata, superiore al 70% anche a oltre 10 GHz.