マイクロ波工学-キャビティクライストロン

マイクロ波の生成と増幅には、次のような特別なチューブが必要です。 Microwave tubes。それらすべての中で、Klystron 重要なものです。

クライストロンの本質的な要素は、電子ビームと空洞共振器です。電子ビームはソースから生成され、キャビティクライストロンを使用して信号を増幅します。電子を収集するためのコレクターが最後にあります。全体の設定は次の図のようになります。

陰極から放出された電子は、最初の共振器に向かって加速されます。端のコレクターは共振器と同じ電位にあります。したがって、通常、電子は空洞共振器間のギャップで一定の速度を持ちます。

最初に、最初の空洞共振器には、増幅する必要のある弱い高周波信号が供給されます。信号は、空洞内の電磁界を開始します。この信号は、次の図に示すように同軸ケーブルを通過します。

この電界により、空洞共振器を通過する電子は変調されます。2番目の共振器に到達すると、電子は同じ周波数の別のEMFで誘導されます。このフィールドは、2番目のキャビティから大きな信号を抽出するのに十分な強さです。

空洞共振器

まず、空洞共振器の構造の詳細と動作を理解してみましょう。次の図は、空洞共振器を示しています。

コンデンサと誘導ループで構成される単純な共振回路は、このキャビティ共振器と比較できます。導体には自由電子があります。コンデンサに電荷を加えてこの極性の電圧に充電すると、多くの電子が上部プレートから除去され、下部プレートに導入されます。

電子の堆積が多いプレートがカソードになり、電子の数が少ないプレートがアノードになります。次の図は、コンデンサへの電荷の蓄積を示しています。

電界線は正電荷から負電荷に向けられます。コンデンサが逆極性で充電されると、電界の方向も逆になります。管内の電子の変位は、交流を構成します。この交流電流は、コンデンサの電界と位相がずれた交流磁界を発生させます。

磁場が最大の強さになると、電界はゼロになり、しばらくすると、磁場がゼロのときに電界が最大になります。この強さの交換は、サイクルで発生します。

コンデンサの値とループの誘導性が小さいほど、発振または共振周波数は高くなります。ループのインダクタンスが非常に小さいため、高周波が得られます。

次の図に示すように、より高い周波数の信号を生成するには、より多くの誘導ループを並列に配置することでインダクタンスをさらに減らすことができます。これにより、非常に高い周波数を持つ閉じた共振器が形成されます。

閉じた共振器では、電界と磁界はキャビティの内部に限定されます。キャビティの最初の共振器は、増幅される外部信号によって励起されます。この信号は、空洞が共振できる周波数を持っている必要があります。この同軸ケーブルの電流は磁場を発生させ、それによって電界が発生します。

最初の空洞に入る電子ビームの変調を理解するために、電場について考えてみましょう。共振器の電界は、誘導された電界の方向を変え続けます。これに応じて、電子銃から出てくる電子は、ペースを制御します。

電子は負に帯電しているため、電界の方向と反対に移動すると加速されます。また、電子が電界と同じ方向に移動すると、電子は減速します。この電場は変化し続けるため、電場の変化に応じて電子が加速および減速します。次の図は、磁場が反対方向にあるときの電子の流れを示しています。

移動中、これらの電子は、 drift spaceさまざまな速度の共振器間で、電子バンチが作成されます。これらの束は、移動速度の変動によって作成されます。

これらのバンチは、最初の共振器が振動する周波数に対応する周波数で、2番目の共振器に入ります。すべての空洞共振器は同一であるため、電子の動きによって2番目の共振器が振動します。次の図は、電子バンチの形成を示しています。

2番目の共振器に誘導された磁場は、同軸ケーブルにいくらかの電流を誘導し、出力信号を開始します。2番目のキャビティ内の電子の運動エネルギーは最初のキャビティ内の電子の運動エネルギーとほぼ等しいため、キャビティからエネルギーは取得されません。

電子は2番目の空洞を通過するときに加速されますが、電子の束は減速されます。したがって、すべての運動エネルギーが電磁エネルギーに変換されて出力信号が生成されます。

このような2キャビティクライストロンの増幅は低いため、マルチキャビティクライストロンが使用されます。

次の図は、マルチキャビティクライストロン増幅器の例を示しています。

最初の空洞に信号が適用されると、2番目の空洞に弱い束ができます。これらは、より集中した房などを生成する3番目の空洞にフィールドを設定します。したがって、増幅は大きくなります。