Mikrowellentechnik - Hohlraum Klystron
Für die Erzeugung und Verstärkung von Mikrowellen werden einige spezielle Röhren benötigt, die als bezeichnet werden Microwave tubes. Von allen,Klystron ist eine wichtige.
Die wesentlichen Elemente von Klystron sind Elektronenstrahlen und Hohlraumresonatoren. Elektronenstrahlen werden von einer Quelle erzeugt und die Hohlraum-Klystrons werden verwendet, um die Signale zu verstärken. Am Ende befindet sich ein Kollektor, um die Elektronen zu sammeln. Der gesamte Aufbau ist wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Die von der Kathode emittierten Elektronen werden zum ersten Resonator hin beschleunigt. Der Kollektor am Ende liegt auf dem gleichen Potential wie der Resonator. Daher haben die Elektronen normalerweise eine konstante Geschwindigkeit im Spalt zwischen den Hohlraumresonatoren.
Der erste Hohlraumresonator wird zunächst mit einem schwachen Hochfrequenzsignal versorgt, das verstärkt werden muss. Das Signal löst ein elektromagnetisches Feld im Hohlraum aus. Dieses Signal wird wie in der folgenden Abbildung gezeigt über ein Koaxialkabel geleitet.
Aufgrund dieses Feldes werden die Elektronen, die den Hohlraumresonator passieren, moduliert. Beim Erreichen des zweiten Resonators werden die Elektronen mit einer anderen EMF bei derselben Frequenz induziert. Dieses Feld ist stark genug, um ein großes Signal aus dem zweiten Hohlraum zu extrahieren.
Hohlraumresonator
Lassen Sie uns zunächst versuchen, die konstruktiven Details und die Funktionsweise eines Hohlraumresonators zu verstehen. Die folgende Abbildung zeigt den Hohlraumresonator.
Ein einfacher Resonanzkreis, der aus einem Kondensator und einer induktiven Schleife besteht, kann mit diesem Hohlraumresonator verglichen werden. Ein Leiter hat freie Elektronen. Wenn eine Ladung an den Kondensator angelegt wird, um ihn auf eine Spannung dieser Polarität aufzuladen, werden viele Elektronen von der oberen Platte entfernt und in die untere Platte eingeführt.
Die Platte mit mehr Elektronenabscheidung ist die Kathode, und die Platte mit der geringeren Anzahl von Elektronen wird zur Anode. Die folgende Abbildung zeigt die Ladungsabscheidung auf dem Kondensator.
Die elektrischen Feldlinien sind von der positiven Ladung zur negativen gerichtet. Wenn der Kondensator mit umgekehrter Polarität aufgeladen wird, ist auch die Richtung des Feldes umgekehrt. Die Verschiebung von Elektronen in der Röhre bildet einen Wechselstrom. Dieser Wechselstrom erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, das mit dem elektrischen Feld des Kondensators außer Phase ist.
Wenn das Magnetfeld seine maximale Stärke erreicht hat, ist das elektrische Feld Null und nach einer Weile wird das elektrische Feld maximal, während das Magnetfeld Null ist. Dieser Kraftaustausch findet für einen Zyklus statt.
Geschlossener Resonator
Je kleiner der Wert des Kondensators und die Induktivität der Schleife sind, desto höher ist die Schwingung oder die Resonanzfrequenz. Da die Induktivität der Schleife sehr klein ist, kann eine hohe Frequenz erhalten werden.
Um ein Signal mit höherer Frequenz zu erzeugen, kann die Induktivität weiter reduziert werden, indem mehr induktive Schleifen parallel geschaltet werden, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Dies führt zur Bildung eines geschlossenen Resonators mit sehr hohen Frequenzen.
In einem geschlossenen Resonator sind die elektrischen und magnetischen Felder auf das Innere des Hohlraums beschränkt. Der erste Resonator des Hohlraums wird durch das zu verstärkende externe Signal angeregt. Dieses Signal muss eine Frequenz haben, bei der der Hohlraum mitschwingen kann. Der Strom in diesem Koaxialkabel erzeugt ein Magnetfeld, durch das ein elektrisches Feld entsteht.
Arbeiten von Klystron
Um die Modulation des Elektronenstrahls beim Eintritt in den ersten Hohlraum zu verstehen, betrachten wir das elektrische Feld. Das elektrische Feld am Resonator ändert ständig seine Richtung des induzierten Feldes. Abhängig davon wird das Tempo der Elektronen, die aus der Elektronenkanone kommen, gesteuert.
Da die Elektronen negativ geladen sind, werden sie beschleunigt, wenn sie entgegen der Richtung des elektrischen Feldes bewegt werden. Wenn sich die Elektronen in die gleiche Richtung des elektrischen Feldes bewegen, werden sie auch abgebremst. Dieses elektrische Feld ändert sich ständig, daher werden die Elektronen abhängig von der Änderung des Feldes beschleunigt und abgebremst. Die folgende Abbildung zeigt den Elektronenfluss, wenn sich das Feld in der entgegengesetzten Richtung befindet.
Während der Bewegung betreten diese Elektronen den feldfreien Raum, der als drift spacezwischen den Resonatoren mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, die Elektronenbündel erzeugen. Diese Bündel entstehen aufgrund der unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeit.
Diese Bündel treten in den zweiten Resonator ein, wobei eine Frequenz der Frequenz entspricht, mit der der erste Resonator schwingt. Da alle Hohlraumresonatoren identisch sind, lässt die Bewegung der Elektronen den zweiten Resonator schwingen. Die folgende Abbildung zeigt die Bildung von Elektronenbündeln.
Das induzierte Magnetfeld im zweiten Resonator induziert einen gewissen Strom im Koaxialkabel, wodurch das Ausgangssignal ausgelöst wird. Die kinetische Energie der Elektronen in der zweiten Kavität ist fast gleich der in der ersten Kavität, so dass der Kavität keine Energie entzogen wird.
Während die Elektronen durch den zweiten Hohlraum laufen, werden nur wenige von ihnen beschleunigt, während Elektronenbündel abgebremst werden. Daher wird die gesamte kinetische Energie in elektromagnetische Energie umgewandelt, um das Ausgangssignal zu erzeugen.
Die Amplifikation eines solchen Klystrons mit zwei Kavitäten ist gering, und daher werden Klystrons mit mehreren Kavitäten verwendet.
Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel eines Klystron-Verstärkers mit mehreren Kavitäten.
Wenn das Signal in der ersten Kavität angelegt wird, erhalten wir schwache Bündel in der zweiten Kavität. Diese bilden ein Feld im dritten Hohlraum, das konzentriertere Trauben usw. erzeugt. Daher ist die Verstärkung größer.