Engenharia de micro-ondas - Cavidade Klystron

Para a geração e amplificação de Microondas, são necessários alguns tubos especiais chamados de Microwave tubes. De todos eles,Klystron é importante.

Os elementos essenciais do Klystron são os feixes de elétrons e os ressonadores de cavidade. Os feixes de elétrons são produzidos a partir de uma fonte e os clístrons da cavidade são empregados para amplificar os sinais. Um coletor está presente no final para coletar os elétrons. Toda a configuração é mostrada na figura a seguir.

Os elétrons emitidos pelo cátodo são acelerados em direção ao primeiro ressonador. O coletor no final está com o mesmo potencial do ressonador. Portanto, geralmente os elétrons têm uma velocidade constante no intervalo entre os ressonadores de cavidade.

Inicialmente, o primeiro ressonador de cavidade é fornecido com um sinal fraco de alta frequência, que deve ser amplificado. O sinal iniciará um campo eletromagnético dentro da cavidade. Esse sinal é passado por um cabo coaxial, conforme mostrado na figura a seguir.

Devido a este campo, os elétrons que passam pelo ressonador de cavidade são modulados. Ao chegar ao segundo ressonador, os elétrons são induzidos com outro EMF na mesma frequência. Este campo é forte o suficiente para extrair um grande sinal da segunda cavidade.

Ressonador de cavidade

Primeiro, vamos tentar entender os detalhes de construção e o funcionamento de um ressonador de cavidade. A figura a seguir indica o ressonador de cavidade.

Um circuito ressonante simples que consiste em um capacitor e um loop indutivo pode ser comparado com este ressonador de cavidade. Um condutor possui elétrons livres. Se uma carga é aplicada ao capacitor para carregá-lo com uma voltagem dessa polaridade, muitos elétrons são removidos da placa superior e introduzidos na placa inferior.

A placa que tem mais deposição de elétrons será o cátodo e a placa que tem menor número de elétrons passa a ser o ânodo. A figura a seguir mostra a deposição de carga no capacitor.

As linhas do campo elétrico são direcionadas da carga positiva para a negativa. Se o capacitor estiver carregado com polaridade reversa, a direção do campo também será invertida. O deslocamento de elétrons no tubo, constitui uma corrente alternada. Esta corrente alternada dá origem a um campo magnético alternado, que está fora de fase com o campo elétrico do capacitor.

Quando o campo magnético está em sua força máxima, o campo elétrico é zero e depois de um tempo, o campo elétrico torna-se máximo enquanto o campo magnético está em zero. Essa troca de força acontece por um ciclo.

Ressonador Fechado

Quanto menor o valor do capacitor e a indutividade do loop, maior será a oscilação ou a frequência de ressonância. Como a indutância do loop é muito pequena, pode-se obter alta frequência.

Para produzir um sinal de frequência mais alta, a indutância pode ser ainda mais reduzida colocando mais loops indutivos em paralelo, conforme mostrado na figura a seguir. Isso resulta na formação de um ressonador fechado com frequências muito altas.

Em um ressonador fechado, os campos elétricos e magnéticos estão confinados ao interior da cavidade. O primeiro ressonador da cavidade é excitado pelo sinal externo a ser amplificado. Este sinal deve ter uma frequência na qual a cavidade possa ressoar. A corrente neste cabo coaxial cria um campo magnético, pelo qual um campo elétrico se origina.

Trabalho de Klystron

Para entender a modulação do feixe de elétrons, entrando na primeira cavidade, consideremos o campo elétrico. O campo elétrico no ressonador continua mudando sua direção do campo induzido. Dependendo disso, os elétrons que saem do canhão de elétrons têm seu ritmo controlado.

Como os elétrons são carregados negativamente, eles são acelerados se movidos de forma oposta à direção do campo elétrico. Além disso, se os elétrons se moverem na mesma direção do campo elétrico, eles serão desacelerados. Este campo elétrico continua mudando, portanto os elétrons são acelerados e desacelerados dependendo da mudança do campo. A figura a seguir indica o fluxo de elétrons quando o campo está na direção oposta.

Enquanto se movem, esses elétrons entram no espaço livre do campo chamado de drift spaceentre os ressonadores com velocidades variáveis, que criam feixes de elétrons. Esses cachos são criados devido à variação na velocidade de deslocamento.

Esses cachos entram no segundo ressonador, com uma frequência correspondente à frequência em que o primeiro ressonador oscila. Como todos os ressonadores de cavidade são idênticos, o movimento dos elétrons faz com que o segundo ressonador oscile. A figura a seguir mostra a formação de feixes de elétrons.

O campo magnético induzido no segundo ressonador induz alguma corrente no cabo coaxial, iniciando o sinal de saída. A energia cinética dos elétrons na segunda cavidade é quase igual à da primeira cavidade e, portanto, nenhuma energia é retirada da cavidade.

Os elétrons ao passarem pela segunda cavidade, poucos deles são acelerados enquanto os feixes de elétrons são desacelerados. Portanto, toda a energia cinética é convertida em energia eletromagnética para produzir o sinal de saída.

A amplificação de tal Klystron de duas cavidades é baixa e, portanto, são usados ​​Klystron de múltiplas cavidades.

A figura a seguir mostra um exemplo de amplificador Klystron de múltiplas cavidades.

Com o sinal aplicado na primeira cavidade, obtemos cachos fracos na segunda cavidade. Isso criará um campo na terceira cavidade, que produzirá cachos mais concentrados e assim por diante. Portanto, a amplificação é maior.