5.1 Beginsels van mikrogolfbuise

Ten spyte van die voorkoms van vastetoestandtegnologie, bly mikrogolfvakuumbuise onontbeerlik, veral in toepassings wat baie hoë kragvlakke vereis waar halfgeleiertoestelle nog nie kan meeding nie. Stelsels soos hoëkragradar, satellietkommunikasie-opskakels en deeltjieversnellers maak staat op die unieke vermoëns van mikrogolfbuise om seine in die kilowatt- tot megawatt-reeks te genereer en te versterk. Hierdie module sal die bedryfsbeginsels van die drie primêre klasse van hierdie toestelle ondersoek: die Klystron, die Reisegolfbuis en die Magnetron.

Die Twee-Holte Klystron Versterker

Die Klystron is 'n lineêre bundelbuis wat as 'n mikrogolfversterker funksioneer. Die werking daarvan is gebaseer op die omskakeling van die kinetiese energie van 'n deurlopende elektronstraal in mikrogolfenergie.

• Noodsaaklike elemente: 'n Klystron met twee holtes bestaan ​​uit 'n elektrongeweer wat 'n hoësnelheids-elektronstraal produseer, twee holte resonators (genoem die "bundelaar" en die "vanger"), 'n veldvrye dryfruimte tussen die holtes, en 'n versamelaar om die oorblywende energie van die straal as hitte te versprei.
• Holte Resonator: Om die Klystron te verstaan, moet mens eers die holte-resonator verstaan. 'n Holte kan gekonseptualiseer word as 'n evolusie van 'n eenvoudige LC-resonante kring. 'n Parallelle LC-kring het 'n hoë resonante frekwensie wanneer L en C klein is. Om hierdie frekwensie verder te verhoog, kan mens die induktansie verminder deur verskeie induktiewe lusse parallel te plaas. Die logiese gevolgtrekking van hierdie proses is 'n geslote metaalboks, of holte, wat resonante elektromagnetiese velde teen baie hoë mikrogolffrekwensies kan ondersteun. Die elektriese en magnetiese velde word binne die holte beperk, wat doeltreffende energieberging moontlik maak.
• Werkende beginsel: Die versterkingsproses vind in drie afsonderlike stappe plaas:
  1. Snelheidsmodulasie: Die deurlopende elektronstraal wat deur die geweer geproduseer word, gaan eers deur die bondelholte. 'n Swak inset-RF-sein word in hierdie holte ingevoer, wat 'n ossillerende elektriese veld oor die gaping skep. Soos elektrone deurgaan, versnel en vertraag hierdie veld hulle afwisselend. Die elektrone verlaat die bondelholte met effens verskillende snelhede - 'n proses wat genoem word snelheidsmodulasie.
  2. Elektronbundeling: Die snelheidsgemoduleerde elektrone betree dan die veldvrye dryfruimte. Hier begin die vinniger elektrone van die versnellende fase van die RF-siklus die stadiger elektrone van die vertragende fase inhaal. Dit veroorsaak dat die aanvanklik uniforme straal digte pakkies vorm of trosse van elektrone.
  3. Energie-onttrekking: Die dryfruimtelengte is so ontwerp dat hierdie elektronbondels by die gaping van die tweede holte (die vanger) aankom op die presiese oomblik wanneer die veld in daardie holte in sy maksimum vertragingsfase is. Die bondels word dus sterk vertraag en dra hul kinetiese energie oor na die elektromagnetiese veld van die vangerholte. Dit veroorsaak 'n kragtige ossillasie, waaruit 'n sterk versterkte uitsetsein onttrek word.

Om hoër wins te behaal, word multi-holte Klystrons gebruik, waar tussenliggende holtes tussen die bondelmasjien en vanger geplaas word om die bondelproses verder te verbeter, wat lei tot aansienlik groter versterking.

Hierdie toestel dien as 'n versterker. Ons sal nou 'n variasie, die Reflex Klystron, ondersoek, wat spesifiek ontwerp is om as 'n ossillator te funksioneer.

5.2 Mikrogolfossillators: Refleks Klystron en Magnetron

Terwyl versterkers soos die twee-holte Klystron die krag van 'n bestaande sein versterk, is ossillators toestelle wat ontwerp is om 'n mikrogolfsein vanaf 'n GS-kragbron te genereer . Hulle is fundamentele komponente in senders, toetsapparatuur en ontvanger-plaaslike ossillators. Hierdie afdeling sal twee belangrike mikrogolf-ossillators ondersoek: die Reflex Klystron, 'n lae-krag afstembare bron, en die Magnetron, 'n hoë-krag toestel wat in radar en mikrogolfoonde gebruik word.

Refleks Klystron

Die Reflex Klystron is 'n enkelholte-mikrogolfossillator. Die belangrikste innovasie is die gebruik van 'n enkele holte om die funksies van beide die bondelmasjien en die vanger te verrig, wat dit 'n meer kompakte en verstelbare toestel maak.

• Konstruksie: Die toestel beskik oor 'n elektronkanon, 'n enkele anodeholte met 'n gaping, en 'n afweerelektrode geplaas buite die holte. Die afstoter word op 'n hoë negatiewe potensiaal relatief tot die katode gehou.
• Operasie: Die elektronstraal word deur die anodeholte-gaping versnel en ondergaan aanvanklike snelheidsmodulasie. Nadat dit deur die gaping beweeg het, beweeg die straal na die negatiewe afstotingselektrode. Die sterk negatiewe veld vertraag die elektrone, stop hulle en versnel hulle dan terug na die anodeholte. Die bondelproses vind plaas tydens hierdie "weerkaatsings"-reis. 'n Verwysingselektron (e_r) beweeg deur wanneer die RF-veld nul is. 'n Vroeë elektron (e_e) word vertraag en spandeer meer tyd in die afstotingsruimte. 'n Laat elektron (e_l) word versnel en spandeer minder tyd. Die afstotingsspanning word aangepas sodat al drie elektrone op presies dieselfde tyd by die holte-gaping terugkom en 'n digte bondel vorm. As hierdie bondel aankom wanneer die holteveld maksimaal vertraag, gee dit sy energie aan die holte af en onderhou die ossillasies.
• Voorwaarde vir ossillasie: Die oorgangstyd (T) vir die elektrone in die afstotingsruimte moet geoptimaliseer word vir volgehoue ​​ossillasies. Hierdie voorwaarde word gegee deur: T = n + \frac{3}{4} waar 'n' 'n heelgetal is.
• Aansoeke: As gevolg van hul instelbaarheid en lae kraglewering, word Reflex Klystrons algemeen gebruik as plaaslike ossillators in mikrogolfoondontvangers en as seinbronne in mikrogolftoetsapparatuur.

Holte Magnetron

Die Holtemagnetron is 'n hoë-krag mikrogolfossillator en 'n tipe kruisveldbuis , wat beteken dat die statiese elektriese veld (E) en die statiese magnetiese veld (B) loodreg op mekaar is.

• Fisiese Konstruksie: Dit bestaan ​​uit 'n sentrale silindriese vorm met 'n groot deursnee katode omring deur 'n sirkelvormige anodeblokDie anode word gemasjineer met verskeie resonante holtes wat in die sentrale interaksieruimte uitmond. 'n Sterk, konstante magneetveld word parallel met die as van die katode toegepas.
• Operasie onder statiese velde: Met 'n radiale elektriese veld van anode na katode word 'n aksiale magnetiese veld toegepas. Vir B=0 beweeg elektrone direk na die anode. Soos B toeneem, krom hul pad. By die kritieke magnetiese veld (B_c), hulle raak net die anode. As B > B_c, word hulle terug na die katode gedraai, wat "terugverhitting" veroorsaak.
• Werking met 'n aktiewe RF-veld: Wanneer RF-ossillasies in die holtes teenwoordig is, word die situasie dinamies. "Begunstigde" elektrone word deur die RF-veld vertraag, gee hul kinetiese energie prys om die ossillasies te onderhou en beweeg na die anode toe. "Onbevoordeelde" elektrone word deur die veld versnel, neem energie daaruit en word vinnig na die katode teruggekeer. Hierdie interaksie lei tot 'n "Fasefokusseffek" waar bevoordeelde elektrone saamgroepeer om roterende spake van lading te vorm wat in sinchronisme met die roterende elektromagnetiese veld in die holtes beweeg. Hierdie roterende trosse beweeg voortdurend verby die holte-openinge, wat sterk strome veroorsaak en die hoë-krag mikrogolfossillasies onderhou.

Die volgende afdeling sal die Traveling Wave Tube bekendstel, 'n toestel wat breëbandversterking bewerkstellig deur die gebruik van resonante holtes te vermy.

5.3 Die Reisende Golfbuis (TWT)

Die Traveling Wave Tube (TWT) is ontwikkel om 'n sleutelbeperking van resonante-holte toestelle soos die Klystron te oorkom: hul nou bandwydte. Die TWT is 'n lineêre-straal versterker wat in staat is om hoë wins oor 'n buitengewoon wye reeks frekwensies te lewer, wat dit 'n kritieke komponent in moderne breëband kommunikasiestelsels en elektroniese oorlogvoering maak.

• Konstruksie: Die TWT bestaan ​​uit 'n elektrongeweer wat 'n gefokusde elektronstraal produseer, anodeplate om die straal te versnel, 'n versamelaar aan die verste punt, en, deurslaggewend, 'n stadige golfstruktuurDie mees algemene stadige golfstruktuur is 'n geleidende helixDie RF-insetsein word aan die een kant van die heliks gevoer, en die versterkte uitset word van die ander kant geneem.
• Beginsel van werking: Die kernuitdaging om 'n elektronstraal met 'n RF-golf te laat interaksie hê, is hul snelheidswanverhouding. Die heliks los hierdie probleem op. Terwyl die golf teen amper ligspoed langs die heliese draad beweeg, word die effektiewe voorwaartse snelheid langs die as van die buis aansienlik vertraag. Die helling van die heliks is so ontwerp dat hierdie aksiale golfsnelheid net effens minder is as die snelheid van die elektronstraal. Hierdie snelheidsinchronisme maak voorsiening vir 'n deurlopende interaksie. Soos die elektronstraal langs die as af beweeg, veroorsaak die aksiale komponent van die golf se elektriese veld snelheidsmodulasie en -bondel. Hierdie elektronbondels word gevorm in die vertragende streke van die veld en gee voortdurend hul kinetiese energie aan die RF-golf op die heliks af. Omdat hierdie energie-oordrag langs die hele lengte van die buis plaasvind, groei die RF-golf eksponensieel, wat lei tot 'n baie hoë wins.
• Aansoeke: Die TWT se kombinasie van hoë wins en breë bandwydte maak dit ideaal vir 'n verskeidenheid toepassings, insluitend lae-ruis RF-versterkers in mikrogolfoondontvangers, herhalerversterkers in kommunikasieskakels en kraguitsetbuise in kommunikasiesatelliete.

Nadat die toestelle wat mikrogolwe opwek en versterk, ondersoek is, sal die laaste module die noodsaaklike praktiese vaardighede aanspreek om die werkverrigting van hierdie komponente en die stelsels wat hulle vorm, te meet en te karakteriseer.