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Apr 08, 2023

Traveling Wave Tubes: precisão atemporal que percorre um longo caminho

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Você sabe o que é um tubo de ondas progressivas, o que ele faz e como é feito? Um novo vídeo destaca a inovação, habilidade e precisão exigidas nesta maravilha tecnológica, refinada pelo líder mundial Thales ao longo de muitas décadas.

Em uma era sustentada por quintilhões de dispositivos de estado sólido - os semicondutores e chips microprocessadores em todos os nossos eletrônicos de consumo - você deveria se importar com tubos de vácuo? Sim é a resposta curta, porque sem esses intrincados objetos que amplificam os sinais vindos de satélites e radares, muitas das ferramentas de que hoje dependemos para viajar, para trabalhar e para nosso lazer não seriam possíveis.

Simplificando, o tubo é parte integrante desses transmissores, onde o sinal de entrada costuma ser muito fraco e a saída precisa ser de alta potência. Dispositivos de estado sólido – que precisam de grandes quantidades de energia para funcionar e para mantê-los resfriados – não podem desempenhar essa função, especialmente devido às imensas distâncias que os sinais precisam percorrer, o tempo que os transmissores precisam para funcionar e a quantidade de energia disponível .

A história desses tubos – conhecidos como tubos de ondas viajantes (TWTs) – remonta a quase 80 anos, a pesquisas realizadas por Rudolf Kompfner em um laboratório de radar do Almirantado britânico durante a Segunda Guerra Mundial. Sua invenção centrou-se em um tubo de elétrons a vácuo que poderia amplificar sinais de microondas de banda larga para aumentar enormemente o alcance das comunicações sem fio.

Logo após o fim da guerra, a Thales – então conhecida como CSF ​​– montou seus próprios centros especializados de P&D e produção de TWT, produzindo radares e sistemas de comunicação que ajudariam a lançar a indústria espacial na década de 1970. Hoje, a Thales é a fornecedora líder mundial de tubos de ondas viajantes para os mercados espacial, de defesa e satcom.

A maioria dos dados enviados por satélites hoje usa um amplificador Thales. Muitos milhares de TWTs da Thales foram lançados em órbita desde 1974, fornecendo mais de 900 milhões de horas de operação. Eles estão até ajudando a transmitir dados da missão Exo Mars e a entender mundos nos limites do nosso sistema solar por meio da missão New Horizons. Você pode ver detalhes sobre todas as missões em que nossos TWTs estão envolvidos aqui.

Por mais de 70 anos, as mulheres e os homens da Thales têm ultrapassado os limites da física para conectar pessoas por meio de produtos excepcionais projetados para durar até mesmo nos ambientes mais severos. Nas nossas instalações em Vélizy, Thonon e Ulm, engenheiros, técnicos e operadores partilham conhecimentos incomparáveis ​​divididos em mais de 60 competências individuais. Cada componente é construído e testado com extrema precisão porque o sucesso de cada missão espacial – e as comunicações de que todos dependemos – dependem de nossos tubos.

Veja como todos os elementos são montados e como o tubo funciona no vídeo abaixo.

Um Tubo de Ondas Viajantes amplifica uma onda eletromagnética modulada para transmitir dados. Dentro do envelope de vácuo, a onda eletromagnética interage com um feixe de elétrons. Como ambos viajam quase na mesma velocidade, os elétrons transmitem sua energia cinética para a onda, um efeito conhecido como efeito Cherenkov. A analogia mais simples que podemos fornecer é uma aeronave viajando ligeiramente acima da barreira do som e irradiando sua energia cinética na forma de uma onda sonora.

A amplificação de ondas eletromagnéticas é o que possibilita um grande número de aplicações, desde fornos de micro-ondas até radares e satélites.

A Thales é amplamente reconhecida como pioneira e inovadora em TWTs. Desenvolvemos consistentemente esta tecnologia para alcançar melhorias decisivas na eficiência elétrica e no desempenho térmico. Em frequências de micro-ondas, o TWT fornece eficiência elétrica que será inalcançável por tecnologias de estado sólido competitivas no futuro previsível. Isso os torna muito atraentes para aplicações espaciais onde o resfriamento de dispositivos elétricos pode ser um desafio.

Como funciona?

Um feixe de elétrons é extraído de um cátodo aquecido e acelerado por um campo elétrico estático dentro da pistola TWT. O feixe de elétrons então interage com uma onda eletromagnética injetada em uma estrutura de ondas lentas, geralmente uma hélice, onde o feixe libera aproximadamente 30% de sua energia. No final da linha, os elétrons terminam sua jornada em um coletor deprimido onde grande parte de sua energia cinética restante é recuperada e reinjetada no sistema. O fato de o elétron viajar no vácuo sem enfrentar perdas de resistência ôhmica explica por que a eficiência total é tão alta, acima de 70%, mesmo acima de 10 GHz.