Spazio alle valvole, il futuro ne ha ancora bisogno

Nell'epoca dell'elettronica moderna, dove i componenti a stato solido godono di un dominio incontrastato, può sembrare strano parlare di tubi a vuoto che vengono spesso tratteggiati ed immaginati come elementi obsoleti del mondo tecnologico. Vi sono però alcune applicazioni specifiche, come quelle citate nella pagina precedente, dove i tubi a vuoto sono capaci di mostrare una superiorità indiscussa sui semiconduttori.

Per capire come opera un tubo a vuoto, iniziamo a considerarne i suoi componenti di base. Tubo a vuoto perché l'involucro del dispositivo è costituito da un elemento cavo a forma di tubo, nel quale viene praticato un vuoto spinto (8-10 pascal) portando il tubo ad oltre 500°C per oltre 24 ore, processo che va a pulire la sua superficie interna eliminando corpi estranei e gas residui. Le pareti di un moderno tubo non sono in vetro ma sono costruite con metalli resistenti al calore e alla corrosione come molibdeno, ferro, rame ad alta temperatura o ceramiche ad alta temperatura.

All'interno del tubo, ad una estremità, si trova un cannone di elettroni. Questo è costituito da un catodo che, mediante alcune tecniche che vedremo meglio più avanti nell'articolo, emette elettroni, un anodo che accelera gli elettroni e, in molti casi, un gate di controllo vicino al catodo per accendere o spegnere la corrente. Al di fuori del tubo si trova invece un particolare magnete che ha lo scopo di focalizzare gli elettroni in un raggio, confinandolo all'interno del tubo stesso.

Schema di funzionamento di un tubo a onda progressiva - Autore: Davide Fasola

Tornando all'interno del tubo, troviamo poi un filamento avvolto a spirale che è collegato all'esterno e nel quale viene "iniettato" il segnale da amplificare. Questo filamento ha il compito di interagire con il raggio di elettroni. All'altro capo del tubo rispetto al cannone si trova un collettore che ha lo scopo di raccogliere il raggio a seguito dell'interazione con il filamento a spirale.

Il raggio prodotto dal cannone passa attraverso il filamento a spirale, dal quale si estende un'onda elettromagnetica generata dal segnale da amplificare. L'onda elettromagnetica interagisce con il raggio di elettroni causando un'oscillazione del raggio in avanti e indietro, modulandone la velocità: in questo modo la corrente del raggio di elettroni ha una componente RF che ha la stessa frequenza del segnale da amplificare. L'oscillazione del raggio va a sua volta ad indurre un campo elettromagnetico sul filamento a spirale, che a cascata va ad agire sul segnale in esso presente, il quale cresce progressivamente (da qui il nome del dispositivo) a spese dell'energia cinetica del raggio, che rallenta.

In questo modo con il passaggio attraverso la spirale, solamente da un quarto ad un terzo della potenza del raggio viene convertita in potenza RF, il che significa che il raggio in uscita dal circuito ha ancora molta potenza che rischierebbe di essere sprecata. Per recuperare parte di questa energia cinetica entra in gioco il collettore che rallenta ulteriormente il raggio: si tratta di una serie di elettrodi che operano come il sistema di recupero di energia della frenata presente in una moderna auto ibrida o elettrica. Un moderno TWT è dotato di un collettore a quattro o cinque stadi che può recuperare più dell'80% dell'energia del raggio uscente, con efficienze complessive almeno del 65%. Il tubo è inoltre provvisto di elementi di dissipazione collegati al collettore che irradiano calore dal tubo nel freddo dello spazio. Grazie al vuoto spinto del tubo e alla focalizzazione quasi perfetta del raggio, l'energia dissipata per le collisioni tra elettroni quando il raggio passa attraverso il circuito è molto poca.

Quando si parla di una sorgente RF, che sia basata su tecnologia a stato solido o a vuoto, si parla in sostanza di un convertitore di potenza che ha il compito di trasformare un segnale elettrico in ingresso (quello iniettato nel filamento a spirale) in un segnale RF in uscita ad alta potenza (prelevato dall'altro capo del filamento a spirale). Generalmente parlando, la potenza è il prodotto di corrente e tensione: i TWT operano ad alta tensione - nell'ordine di qualche kilovolt a qualche decina di kilovolt - il che significa che è necessaria una piccola quantità di corrente per generare un raggio di elettroni molto potente. E' necessario un ottimo alimentatore per il TWT, ma i passi avanti dell'elettronica compatta ad alta tensione hanno risolto il problema.

Al contrario, i dispositivi a stato solido usati nelle sorgenti RF operano a bassa tensione (8-10 volt per quelli basati su arseniuro di gallio e fino a 70V per quelli al nitruro di gallio), il che significa che per ottenere un'elevata potenza di uscita è necessaria una gran quantità di corrente: gli elettroni nei dispositivi a stato solido sono soggetti ad una gran quantità di collisioni dato che vagano all'interno del semiconduttore e quindi producono calore alla giunzione del transistor, all'interno del dispositivo stesso, dissipando energia e stressando le connessioni del chip. E' il motivo per cui la dissipazione del calore è una delle sfide più grandi nei dispositivi a stato solido ad elevata potenza: rispetto ai TWT le prestazioni sono molto più sensibili alla variazione delle temperature d'esercizio.

Ma vi sono anche altri problemi: per poter ottenere un segnale di uscita comparabile a quello di un singolo TWT da 300W, è necessario impiegare più dispositivi a stato solido, aggiungendo complessità e costi al progetto. E anche in questo caso l'efficienza della sorgente RF potrà essere, nel migliore dei casi, la metà di quella di un moderno TWT, anche perché un dispositivo a stato solido non ha nulla di analogo al collettore del TWT per recuperare energia.