หลอดคลื่นเดินทาง ( TWTออกเสียงว่า "ทวิต" ^{[ 1 ]} ) หรือเครื่องขยายสัญญาณหลอดคลื่นเดินทาง ( TWTA ออกเสียงว่า "ทวีตตา") เป็น หลอดสุญญากาศชนิดพิเศษที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อขยายสัญญาณความถี่วิทยุ (RF) ใน ช่วงไมโครเวฟ^{[ 2 ]} Andrei Haeff เป็นผู้คิดค้นขึ้นราวปี 1933 ขณะเป็นนักศึกษาปริญญาโทที่Caltechและรูปแบบปัจจุบันถูกคิดค้นโดยRudolf Kompfnerในปี 1942–43 TWT จัดอยู่ในประเภทของหลอด "ลำแสงเชิงเส้น" เช่นไคลสตรอนซึ่งคลื่นวิทยุจะถูกขยายโดยการดูดซับพลังงานจากลำแสงอิเล็กตรอนขณะที่ผ่านลงไปในหลอด^{[ 2 ]} แม้ว่าจะมี TWT หลายประเภท แต่สองประเภทหลักคือ: ^{[ 2 ]}

• Helix TWT - ซึ่งคลื่นวิทยุจะทำปฏิกิริยากับลำแสงอิเล็กตรอนขณะเดินทางผ่านขดลวดเกลียวที่ล้อมรอบลำแสง อุปกรณ์เหล่านี้มีแบนด์วิดท์กว้าง แต่กำลังเอาต์พุตจำกัดเพียงไม่กี่ร้อยวัตต์^{[ 3 ]}
• TWT แบบโพรงคู่ (Coupled cavity TWT ) - ซึ่งคลื่นวิทยุจะทำปฏิกิริยากับลำแสงในชุดของโพรงเรโซเนเตอร์ที่ลำแสงผ่านไป โดยทำหน้าที่เป็นเครื่องขยายกำลังแบบแถบความถี่แคบ

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของ TWT เมื่อเทียบกับหลอดไมโครเวฟอื่นๆ คือความสามารถในการขยายความถี่ ได้หลากหลายช่วง กล่าวคือ แบนด์วิดท์กว้าง แบน ด์วิดท์ของ TWT แบบเกลียวสามารถสูงถึงสองอ็อกเทฟในขณะที่แบบโพรงมีแบนด์วิดท์ 10–20% ^{[ 2 ] [ 3 ]} ความถี่ในการทำงานอยู่ในช่วง 300 MHz ถึง 50 GHz ^{[ 2 ] [ 3 ]}อัตราขยายกำลังของหลอดอยู่ในช่วง 40 ถึง 70 เดซิเบล [ ^{3 ] และ}กำลังเอาต์พุตอยู่ในช่วงไม่กี่วัตต์ถึงเมกะวัตต์^{[ 2 ] [ 3 ]}

TWT ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะเครื่องขยายกำลังและออสซิลเลเตอร์ในระบบเรดาร์ดาวเทียมสื่อสารและเครื่องส่งสัญญาณ ยานอวกาศ และระบบสงครามอิเล็กทรอนิกส์^{[ 2 ]}

หลอด TWT เป็นหลอดสุญญากาศทรงยาวที่มีปืนอิเล็กตรอน ( แคโทด ที่ร้อน ซึ่งปล่อยอิเล็กตรอน ) อยู่ที่ปลายด้านหนึ่งแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับแคโทดและแอโนดจะเร่งอิเล็กตรอนไปยังปลายอีกด้านของหลอด และสนามแม่เหล็กภายนอกรอบหลอดจะรวมอิเล็กตรอนให้เป็นลำแสง ที่ปลายอีกด้านของหลอด อิเล็กตรอนจะกระทบกับ "ตัวเก็บประจุ" ซึ่งจะส่งอิเล็กตรอนกลับเข้าสู่วงจร

ภายในท่อ บริเวณด้านนอกเส้นทางลำแสง จะมีขดลวดพันอยู่ โดยทั่วไปจะเป็นลวดทองแดงปลอดออกซิเจนสัญญาณ RF ที่ต้องการขยายจะถูกป้อนเข้าไปในขดลวดที่จุดใกล้กับปลายด้านตัวส่งสัญญาณของท่อ โดยปกติแล้ว สัญญาณจะถูกป้อนเข้าไปในขดลวดผ่านทางท่อนำคลื่นหรือขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าที่วางอยู่ที่ปลายด้านหนึ่ง ทำให้เกิดเส้นทางสัญญาณทางเดียว หรือ ตัว เชื่อม ต่อแบบทิศทาง เดียว

โดยการควบคุมแรงดันเร่ง ความเร็วของอิเล็กตรอนที่ไหลลงไปในท่อจะถูกกำหนดให้ใกล้เคียงกับความเร็วของสัญญาณ RF ที่วิ่งลงไปในขดลวด สัญญาณในลวดจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำขึ้นที่ใจกลางของขดลวด ซึ่งเป็นบริเวณที่อิเล็กตรอนไหลอยู่ ขึ้นอยู่กับเฟสของสัญญาณ อิเล็กตรอนจะถูกเร่งความเร็วหรือชะลอความเร็วลงขณะที่ไหลผ่านขดลวด ส่งผลให้ลำอิเล็กตรอน "รวมกลุ่มกัน" ซึ่งในทางเทคนิคเรียกว่า "การปรับความเร็ว" รูปแบบความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในลำอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นนั้นจะเป็นภาพจำลองของสัญญาณ RF ดั้งเดิม

เนื่องจากลำแสงผ่านขดลวดเกลียวขณะเดินทาง และสัญญาณนั้นเปลี่ยนแปลงไป จึงทำให้เกิดการเหนี่ยวนำในขดลวดเกลียว ส่งผลให้สัญญาณเดิมถูกขยายใหญ่ขึ้น เมื่อสัญญาณไปถึงปลายอีกด้านของท่อ กระบวนการนี้ได้ส่งพลังงานจำนวนมากกลับเข้าไปในขดลวดเกลียวแล้ว ตัวเชื่อมต่อทิศทางตัวที่สองซึ่งวางอยู่ใกล้กับตัวเก็บประจุ จะรับสัญญาณอินพุตที่ขยายใหญ่ขึ้นจากปลายอีกด้านของวงจร RF ตัวลดทอนสัญญาณที่วางอยู่ตามวงจร RF จะป้องกันไม่ให้คลื่นสะท้อนเดินทางกลับไปยังแคโทด

TWT แบบเกลียวที่มีกำลังสูงกว่ามักจะมี เซรามิก เบริลเลียมออกไซด์เป็นทั้งแท่งรองรับเกลียวและในบางกรณีเป็นตัวเก็บอิเล็กตรอนสำหรับ TWT เนื่องจากคุณสมบัติทางไฟฟ้า กลไก และความร้อนที่พิเศษ^{[ 4 ] [ 5 ]}

มีหลอดขยายสัญญาณ RF หลายชนิดที่ทำงานในลักษณะคล้ายกับหลอด TWT ซึ่งเรียกรวมกันว่าหลอดปรับความเร็ว (velocity-modulated tubes) ตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่สุดคือหลอดไคลสตรอน (klystron ) หลอดเหล่านี้ทั้งหมดใช้หลักการ "การรวมกลุ่ม" ของอิเล็กตรอนแบบเดียวกันเพื่อให้เกิดกระบวนการขยายสัญญาณ และแตกต่างกันอย่างมากในกระบวนการที่ทำให้เกิดการปรับความเร็ว

ในเครื่องไคลสตรอน ลำอิเล็กตรอนจะผ่านรูในโพรงเรโซแนนซ์ซึ่งเชื่อมต่อกับสัญญาณ RF จากแหล่งกำเนิด สัญญาณ ณ ขณะที่อิเล็กตรอนผ่านรูจะทำให้อิเล็กตรอนเร่งความเร็ว (หรือลดความเร็ว) อิเล็กตรอนจะเข้าสู่ "ท่อดริฟต์" ซึ่งอิเล็กตรอนที่เร็วกว่าจะแซงหน้าอิเล็กตรอนที่ช้ากว่า ทำให้เกิดกลุ่มอิเล็กตรอน จากนั้นอิเล็กตรอนจะผ่านโพรงเรโซแนนซ์อีกโพรงหนึ่งซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดพลังงาน เนื่องจากกระบวนการคัดแยกความเร็วใช้เวลานาน ท่อดริฟต์จึงมักต้องมีความยาวหลายฟุต

เมื่อเปรียบเทียบกัน ใน TWT การเร่งความเร็วเกิดจากการปฏิสัมพันธ์กับเกลียวตลอดความยาวของท่อทั้งหมด ซึ่งทำให้ TWT มีสัญญาณรบกวนต่ำมาก ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญของการออกแบบ ที่สำคัญกว่านั้น กระบวนการนี้มีความไวต่อการจัดเรียงทางกายภาพของท่อน้อยกว่ามาก ทำให้ TWT สามารถทำงานได้ในช่วงความถี่ที่หลากหลายมากขึ้น โดยทั่วไปแล้ว TWT จะได้เปรียบเมื่อต้องการสัญญาณรบกวนต่ำและความแปรผันของความถี่^{[ 6 ] [ 7 ]}

หลอด TWT แบบเกลียวมีกำลังไฟฟ้า RF สูงสุดจำกัดด้วยความสามารถในการรับกระแส (และด้วยเหตุนี้จึงขึ้นอยู่กับความหนา) ของลวดเกลียว เมื่อระดับกำลังไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ลวดอาจร้อนเกินไปและทำให้รูปทรงเกลียวบิดเบี้ยว การเพิ่มความหนาของลวดสามารถช่วยปรับปรุงได้ แต่ถ้าลวดหนาเกินไป จะทำให้ไม่สามารถได้ระยะห่างของเกลียว ที่ต้องการ สำหรับการทำงานที่เหมาะสม โดยทั่วไป หลอด TWT แบบเกลียวจะมีกำลังไฟฟ้าขาออกน้อยกว่า 2.5 กิโลวัตต์

หลอดTWT แบบโพรงคู่ช่วยเอาชนะข้อจำกัดนี้ได้โดยการแทนที่เกลียวด้วยชุดของโพรงคู่ที่เรียงตัวตามแนวแกนของลำแสง โครงสร้างนี้ทำให้ เกิด ท่อนำคลื่น แบบเกลียว ดังนั้นจึงสามารถขยายสัญญาณได้โดยการปรับความเร็ว ท่อนำคลื่นแบบเกลียวมีการกระจายตัวแบบไม่เชิงเส้นสูงมาก ดังนั้นจึงมีแถบความถี่แคบ (แต่กว้างกว่าไคลสตรอน ) หลอด TWT แบบโพรงคู่สามารถให้กำลังเอาต์พุตได้ถึง 60 กิโลวัตต์

การทำงานคล้ายคลึงกับไคลสตรอนยกเว้นว่า TWT แบบโพรงคู่ได้รับการออกแบบโดยมีการลดทอนระหว่างโครงสร้างคลื่นช้าแทนที่จะใช้ท่อดริฟต์ โครงสร้างคลื่นช้าทำให้ TWT มีแบนด์วิดท์กว้างเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระช่วยให้ได้ความถี่ที่สูงขึ้น

TWT ที่รวมเข้ากับแหล่งจ่ายไฟ ที่ควบคุม และวงจรป้องกันเรียกว่าเครื่องขยายสัญญาณแบบหลอดคลื่นเดินทาง^{[ 8 ]} (ย่อว่าTWTAและมักออกเสียงว่า "ทวีท-อะ") ใช้ในการสร้าง สัญญาณ ความถี่วิทยุที่ มีกำลังสูง แบนด์วิดท์ของ TWTA แบบบรอดแบนด์สามารถสูงถึงหนึ่งอ็อกเทฟแม้ว่าจะมีเวอร์ชันแบบปรับจูน (แบนด์แคบ) อยู่ก็ตาม ความถี่ในการทำงานอยู่ในช่วง 300 MHz ถึง 50 GHz

TWTA ประกอบด้วยหลอดคลื่นเดินทางที่เชื่อมต่อกับวงจรป้องกัน (เช่นเดียวกับในไคลสตรอน ) และตัวปรับสภาพพลังงานอิเล็กทรอนิกส์ (EPC) สำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบควบคุม ซึ่งอาจจัดหาและประกอบโดยผู้ผลิตรายอื่น ความแตกต่างหลักระหว่างแหล่งจ่ายไฟส่วนใหญ่กับแหล่งจ่ายไฟสำหรับหลอดสุญญากาศคือ หลอดสุญญากาศที่มีประสิทธิภาพสูงจะมีตัวเก็บประจุแบบกดลงเพื่อรีไซเคิลพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน ดังนั้นขดลวดทุติยภูมิของแหล่งจ่ายไฟจึงต้องมีแท็ปมากถึง 6 แท็ป ซึ่งแรงดันไฟฟ้าของเฮลิกซ์ต้องได้รับการควบคุมอย่างแม่นยำ การเพิ่มตัวปรับความเป็นเส้นตรง (เช่นเดียวกับหลอดเอาต์พุตแบบเหนี่ยวนำ ) ในภายหลัง สามารถปรับปรุงการบีบอัดอัตราขยายและคุณลักษณะอื่นๆ ของ TWTA ได้โดยการชดเชยแบบเสริม การรวมกันนี้เรียกว่า TWTA แบบปรับความเป็นเส้นตรง (LTWTA, "EL-tweet-uh")

โดยทั่วไปแล้ว TWTA แบบบรอดแบนด์จะใช้ TWT แบบเกลียวและให้กำลังเอาต์พุตต่ำกว่า 2.5 กิโลวัตต์ ส่วน TWTA ที่ใช้ TWT แบบโพรงคู่สามารถให้กำลังเอาต์พุตได้ถึง 15 กิโลวัตต์ แต่จะแลกมาด้วยแบนด์วิดท์ที่แคบกว่า

การออกแบบและต้นแบบดั้งเดิมของ TWT นั้นทำโดย Andrei "Andy" Haeff ประมาณปี 1931 ขณะที่เขากำลังศึกษาปริญญาเอกอยู่ที่ห้องปฏิบัติการรังสี Kellogg ที่ Caltech สิทธิบัตรดั้งเดิมของเขา "อุปกรณ์และวิธีการควบคุมกระแสความถี่สูง" ได้ยื่นจดในปี 1933 และได้รับอนุมัติในปี 1936 ^{[ 9 ] [ 10 ]}

โดยทั่วไป แล้ว การประดิษฐ์ TWT มักถูกยกให้เป็นผลงานของRudolf Kompfnerในปี 1942–1943 นอกจากนี้ Nils Lindenblad ซึ่งทำงานอยู่ที่ RCA (Radio Corporation of America) ในสหรัฐอเมริกา ยังได้ยื่นจดสิทธิบัตรอุปกรณ์ในเดือนพฤษภาคม 1940 ^{[ 11 ]}ซึ่งมีความคล้ายคลึงกับ TWT ของ Kompfner อย่างมาก^{[ 12 ] : 2} อุปกรณ์ทั้งสองนี้เป็นการปรับปรุงจากแบบดั้งเดิมของ Haeff เนื่องจากทั้งสองใช้ปืนอิเล็กตรอน ที่มีความแม่นยำสูงที่เพิ่งประดิษฐ์ขึ้นใหม่ เป็นแหล่งกำเนิดลำแสงอิเล็กตรอน และทั้งสองกำหนดทิศทางลำแสงไปตามศูนย์กลางของเกลียวแทนที่จะออกไปด้านนอก การเปลี่ยนแปลงการกำหนดค่าเหล่านี้ส่งผลให้มีการขยายคลื่นมากกว่าการออกแบบของ Haeff มาก เนื่องจากอาศัยหลักการทางฟิสิกส์ของการปรับความเร็วและการรวมกลุ่มของอิเล็กตรอน^{[ 10 ]} Kompfner พัฒนา TWT ของเขาในห้องปฏิบัติการเรดาร์ของกองทัพเรืออังกฤษ ในช่วง สงครามโลกครั้งที่สอง^{[ 13 ]}ภาพร่างแรกของ TWT ของเขามีวันที่ 12 พฤศจิกายน พ.ศ. 2485 และเขาสร้าง TWT เครื่องแรกในช่วงต้นปี พ.ศ. 2486 ^{[ 12 ] : 3 [ 14 ]} ต่อมา TWT ได้รับการปรับปรุงโดย Kompfner ^{[ 14 ]} John R. Pierce [ ^{15 ] และ} Lester M. Winslow ที่Bell Labsโปรดทราบว่าสิทธิบัตรของ Kompfner ในสหรัฐอเมริกาที่ได้รับอนุมัติในปี พ.ศ. 2496 ได้อ้างอิงถึงงานก่อนหน้าของ Haeff ^{[ 10 ]}

ในช่วงทศวรรษ 1950 หลังจากการพัฒนาเพิ่มเติมที่ห้องปฏิบัติการหลอดอิเล็กตรอนของบริษัทฮิวจ์ส แอร์คราฟต์ ในเมืองคัลเวอร์ซิตี้ รัฐแคลิฟอร์เนีย หลอด TWT ก็เริ่มผลิตที่นั่น และในช่วงทศวรรษ 1960 หลอด TWT ก็ถูกผลิตโดยบริษัทต่างๆ เช่นบริษัทอิงลิช อิเล็กทริก วาล์วตามมาด้วย บริษัท เฟอร์แรนติในช่วงทศวรรษ 1970 ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

เมื่อวันที่ 10 กรกฎาคม พ.ศ. 2505 ดาวเทียมสื่อสารดวงแรกTelstar 1ถูกปล่อยขึ้นสู่อวกาศพร้อมกับทรานสปอนเดอร์ TWT ขนาด 2 วัตต์ ความถี่ 4 GHz ที่ออกแบบโดย RCA ซึ่งใช้สำหรับส่งสัญญาณ RF ไปยังสถานีภาคพื้นดินSyncom 2ถูกปล่อยขึ้นสู่วงโคจรจีโอซิงโครนัสได้สำเร็จเมื่อวันที่ 26 กรกฎาคม พ.ศ. 2506 พร้อมกับทรานสปอนเดอร์ TWT ขนาด 2 วัตต์ ความถี่ 1850 MHz ที่ออกแบบโดย Hughes จำนวนสองตัว — ตัวหนึ่งใช้งานและอีกตัวเป็นสำรอง^{[ 19 ] [ 20 ]}

TWTA มักใช้เป็นเครื่องขยายสัญญาณในทรานสปอนเดอร์ดาวเทียม ซึ่งสัญญาณอินพุตอ่อนมากและเอาต์พุตต้องมีกำลังสูง^{[ 21 ]} TWTA ที่ใช้ในการสื่อสารผ่านดาวเทียมถือเป็นตัวเลือกที่เชื่อถือได้และมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าที่คาดไว้ 15-20 ปี^{[ 22 ]}

TWTA ที่มีเอาต์พุตขับเคลื่อนเสาอากาศ เป็น เครื่องส่งสัญญาณประเภทหนึ่งเครื่องส่งสัญญาณ TWTA ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในเรดาร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน ระบบ เรดาร์ควบคุมการยิง บนเครื่องบิน และใน ระบบ สงครามอิเล็กทรอนิกส์และระบบป้องกันตนเอง^{[ 23 ]}ในการใช้งานดังกล่าว โดยทั่วไปจะมีการนำกริดควบคุมเข้ามาใช้ระหว่างปืนอิเล็กตรอนและโครงสร้างคลื่นช้าของ TWT เพื่อให้สามารถทำงานแบบพัลส์ได้ วงจรที่ขับเคลื่อนกริดควบคุมมักเรียกว่าตัวปรับกริด

TWTA ได้ถูกนำไปใช้ในยานอวกาศหลายลำ รวมถึงยานสำรวจอวกาศทั้งห้าลำที่บรรลุความเร็วหลุดพ้นเพื่อออกจากระบบสุริยะ^{[ 24 ] [ 25 ]}ตัวอย่างเช่น TWTA ย่านความถี่ X ขนาด 12 วัตต์แบบ คู่ที่ซ้ำซ้อน ถูกติดตั้งไว้ใต้จานรับสัญญาณของยานอวกาศนิวฮอไรซันส์^{[ 26 ]}ซึ่งไปเยือนดาวพลูโตในปี 2015 จากนั้นไปยังวัตถุในแถบไคเปอร์486958 Arrokothในปี 2019 เพื่อส่งข้อมูลกลับมายังระยะห่าง 43.4 AU จากดวงอาทิตย์กล้องโทรทัศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ซึ่งเปิดตัวในปี 2021 ใช้TWT ย่านความถี่K _a ^{[ 25 ]}

บางครั้ง TWT ก็ถูกเรียกว่า "หลอดขยายสัญญาณคลื่นเดินทาง" (TWAT) ^{[ 27 ]}แม้ว่าคำนี้จะไม่เคยถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายก็ตาม วิศวกรบางคนออกเสียง "TWT" ว่า "twit" ^{[ 28 ]}และ "TWTA" ว่า "tweeta" ^{[ 29 ]}

• เครื่องขยายเสียงแบบกระจาย
• แมกเนตรอน
• หลอดไคลสตรอน
• เครื่องขยายสัญญาณแบบครอสฟิลด์
• ออสซิลเลเตอร์คลื่นย้อนกลับ
• หลอดเอาต์พุตแบบเหนี่ยวนำ
• ออสซิลเลเตอร์ปฏิสัมพันธ์แบบขยาย

• Copeland, Jack; Haeff, Andre A. (กันยายน 2015). "ประวัติศาสตร์ที่แท้จริงของหลอดคลื่นเดินทาง"
• Armstrong, Carter M; (พฤศจิกายน 2015). "การแสวงหาหลอดสุญญากาศที่ดีที่สุด". IEEE Spectrum; [2]

• หน้าอนุสรณ์พร้อมรูปถ่ายของจอห์น เพียร์ซ ถือ TWT
• หน้าของ Nyquistพร้อมรูปถ่ายของ Pierce, Kompfner และ Nyquist อยู่หน้าการคำนวณ TWT บนกระดานดำ
• หลอดคลื่นเดินทาง TMD : ข้อมูลและเอกสารข้อมูล PDF
• ภาพเคลื่อนไหวแบบแฟลชแสดงการทำงานของหลอดคลื่นเดินทาง (TWT) และโครงสร้างภายใน