5.1 مبادئ أنابيب الميكروويف

على الرغم من انتشار تقنية أشباه الموصلات، لا تزال أنابيب التفريغ الميكروية ضرورية، لا سيما في التطبيقات التي تتطلب مستويات طاقة عالية جدًا حيث لا تستطيع أجهزة أشباه الموصلات منافستها حتى الآن. تعتمد أنظمة مثل الرادار عالي الطاقة، ووصلات الاتصالات عبر الأقمار الصناعية، ومسرعات الجسيمات على القدرات الفريدة لأنابيب التفريغ الميكروية لتوليد وتضخيم الإشارات في نطاق الكيلوواط إلى الميغاواط. ستتناول هذه الوحدة مبادئ تشغيل الفئات الثلاث الرئيسية لهذه الأجهزة: الكليسترون، وأنبوب الموجة المتنقلة، والماغنيترون.

مضخم كليسترون ثنائي التجويف

الكليسترون عبارة عن أنبوب شعاع خطي يعمل كمضخم للموجات الميكروية. ويعتمد تشغيله على تحويل الطاقة الحركية لحزمة إلكترونية مستمرة إلى طاقة ميكروية.

• العناصر الأساسية: يتكون جهاز كليسترون ذو التجويفين من مسدس الكتروني الذي ينتج حزمة إلكترونية عالية السرعة، اثنان رنانات تجويفية (يُطلق عليه اسم "جامع الكرات" و"صائد الكرات")، وهو حقل خالٍ من مساحة الانجراف بين التجاويف، و جامع لتبديد الطاقة المتبقية للشعاع على شكل حرارة.
• رنان تجويفي: لفهم الكليسترون، يجب أولاً فهم الرنان التجويفي. يمكن تصور التجويف على أنه تطور لدائرة رنين LC بسيطة. تتميز دائرة LC المتوازية بتردد رنين عالٍ عندما تكون قيمتا L و C صغيرتين. ولزيادة هذا التردد، يمكن تقليل الحث عن طريق وضع حلقات حثية متعددة على التوازي. والنتيجة المنطقية لهذه العملية هي صندوق معدني مغلق، أو تجويف، قادر على دعم المجالات الكهرومغناطيسية الرنانة عند ترددات الميكروويف العالية جدًا. يتم حصر المجالين الكهربائي والمغناطيسي داخل التجويف، مما يسمح بتخزين الطاقة بكفاءة.
• مبدأ العمل: تتم عملية التضخيم في ثلاث خطوات متميزة:
  1. تعديل السرعة: يمر شعاع الإلكترونات المستمر الناتج عن المدفع أولاً عبر تجويف التجميع. تُغذى إشارة تردد لاسلكي ضعيفة إلى هذا التجويف، مما يُنشئ مجالًا كهربائيًا متذبذبًا عبر فجوته. أثناء مرور الإلكترونات، يُسرّعها هذا المجال ويُبطئها بالتناوب. تخرج الإلكترونات من تجويف التجميع بسرعات مختلفة قليلاً - وهي عملية تُسمى تعديل السرعة.
  2. تجميع الإلكترونات: ثم تدخل الإلكترونات المعدلة السرعة إلى فضاء الانجراف الخالي من المجال. هنا، تبدأ الإلكترونات الأسرع من مرحلة التسارع في دورة الترددات الراديوية باللحاق بالإلكترونات الأبطأ من مرحلة التباطؤ. وهذا ما يؤدي إلى تشكيل حزمة كثيفة من الحزمة المنتظمة في البداية. باقات من الإلكترونات.
  3. استخراج الطاقة: صُمم طول مسافة الانجراف بحيث تصل حزم الإلكترونات إلى فجوة التجويف الثاني (المستقبل) في اللحظة التي يكون فيها المجال في ذلك التجويف في أقصى طور إبطاء له. وبذلك، تتباطأ الحزم بشدة، ناقلةً طاقتها الحركية إلى المجال الكهرومغناطيسي لتجويف المستقبل. وهذا يُثير تذبذبًا قويًا، يُستخلص منه إشارة خرج مُضخّمة بشكل كبير.

لتحقيق كسب أعلى، يتم استخدام كليسترونات متعددة التجاويف ، حيث يتم وضع تجاويف وسيطة بين المجمع والملتقط لزيادة تعزيز عملية التجميع، مما يؤدي إلى تضخيم أكبر بكثير.

يعمل هذا الجهاز كمضخم. وسنتناول الآن نوعاً مختلفاً منه، وهو جهاز ريفلكس كليسترون، المصمم خصيصاً ليعمل كمذبذب.

5.2 مذبذبات الميكروويف: كليسترون ومغنطرون انعكاسي

بينما تعمل المضخمات، مثل الكليسترون ثنائي التجويف، على زيادة قوة الإشارة الموجودة، فإن المذبذبات هي أجهزة مصممة لتوليد إشارة ميكروية من مصدر طاقة تيار مستمر. وهي مكونات أساسية في أجهزة الإرسال، ومعدات الاختبار، والمذبذبات المحلية لأجهزة الاستقبال. سيتناول هذا القسم اثنين من المذبذبات الميكروية الرئيسية: الكليسترون العاكس، وهو مصدر قابل للضبط منخفض الطاقة، والمغنطرون، وهو جهاز عالي الطاقة يُستخدم في أجهزة الرادار وأفران الميكروويف.

كليسترون انعكاسي

يُعدّ جهاز Reflex Klystron مذبذبًا للموجات الميكروية أحادي التجويف. ويكمن ابتكاره الرئيسي في استخدام تجويف واحد لأداء وظائف كل من جامع الموجات ومستقبلها، مما يجعله جهازًا أكثر إحكامًا وقابلية للضبط.

• البناء: يحتوي الجهاز على مدفع إلكتروني، وتجويف أنود واحد مع فجوة، و قطب طارد يتم وضع الطارد خارج التجويف. ويتم تثبيته عند جهد سالب عالٍ بالنسبة للكاثود.
• العملية: يتم تسريع حزمة الإلكترونات عبر فجوة تجويف الأنود، حيث تخضع لتعديل أولي في السرعة. بعد مرورها عبر الفجوة، تتجه الحزمة نحو قطب التنافر السالب. يعمل المجال السالب القوي على إبطاء الإلكترونات وإيقافها، ثم تسريعها مرة أخرى نحو تجويف الأنود. تحدث عملية التجميع خلال رحلة "الانعكاس" هذه. يمر إلكترون مرجعي (e_r) عندما يكون مجال الترددات الراديوية صفرًا. يتباطأ إلكترون مبكر (e_e) ويقضي وقتًا أطول في حيز التنافر. أما الإلكترون المتأخر (e_l) فيتسارع ويقضي وقتًا أقل. يتم ضبط جهد التنافر بحيث تصل الإلكترونات الثلاثة إلى فجوة التجويف في نفس اللحظة تمامًا، مُشكلةً حزمة كثيفة. إذا وصلت هذه الحزمة عندما يكون مجال التجويف في أقصى حالات إعاقته، فإنها تُفقد طاقتها للتجويف، مما يُحافظ على التذبذبات.
• شروط التذبذب: يجب تحسين زمن انتقال الإلكترونات (T) في فضاء التنافر لتحقيق تذبذبات مستدامة. ويُعطى هذا الشرط بالمعادلة التالية: T = n + 3/4، حيث n عدد صحيح.
• التطبيقات: نظراً لإمكانية ضبطها وانخفاض الطاقة الناتجة عنها، تُستخدم كليسترونات الانعكاس بشكل شائع كمذبذبات محلية في أجهزة استقبال الميكروويف وكمصادر إشارة في معدات اختبار الميكروويف.

مغنطرون تجويفي

المغنطرون التجويفي هو مذبذب ميكروويف عالي الطاقة ونوع من أنابيب المجال المتقاطع ، مما يعني أن المجال الكهربائي الساكن (E) والمجال المغناطيسي الساكن (B) متعامدان على بعضهما البعض.

• البناء المادي: يتكون من أسطوانة مركزية كبيرة القطر ككاثود محاطة بدائرة كتلة الأنوديتم تصنيع المصعد بحيث يحتوي على عدة تجاويف رنانة تفتح على حيز التفاعل المركزي. ويتم تطبيق مجال مغناطيسي قوي وثابت موازٍ لمحور المهبط.
• التشغيل في ظل الحقول الثابتة: مع وجود مجال كهربائي شعاعي من المصعد إلى المهبط، يتم تطبيق مجال مغناطيسي محوري. عندما يكون B=0، تتحرك الإلكترونات مباشرة نحو المصعد. ومع ازدياد B، ينحني مسارها. عند المجال المغناطيسي الحرج (B_c)، فإنها تلامس المصعد فقط. إذا كانت B > B_c، فإنها تعود إلى المهبط، مما يتسبب في "التسخين العكسي".
• التشغيل باستخدام مجال ترددات لاسلكية نشط: عندما تكون تذبذبات الترددات الراديوية موجودة في التجاويف، يصبح الوضع ديناميكيًا. الإلكترونات "المفضلة" تتباطأ هذه الجسيمات بفعل مجال الترددات الراديوية، وتتخلى عن طاقتها الحركية للحفاظ على التذبذبات، وتتحرك نحو المصعد. الإلكترونات "غير المفضلة" تتسارع الجسيمات بفعل المجال، وتستمد منه الطاقة، ثم تعود بسرعة إلى المهبط. ينتج عن هذا التفاعل "تأثير تركيز الطور" حيث تتجمع الإلكترونات المفضلة لتشكيل حزم دوارة من الشحنات تتحرك بتزامن مع المجال الكهرومغناطيسي الدوار في التجاويف. وتجتاح هذه الحزم الدوارة باستمرار فتحات التجاويف، مما يؤدي إلى توليد تيارات قوية والحفاظ على تذبذبات الميكروويف عالية الطاقة.

سيتناول القسم التالي أنبوب الموجة المتنقلة، وهو جهاز يحقق تضخيمًا واسع النطاق عن طريق تجنب استخدام التجاويف الرنانة.

5.3 أنبوب الموجة المتنقلة (TWT)

طُوِّر أنبوب الموجة المتنقلة (TWT) للتغلب على أحد القيود الرئيسية لأجهزة التجويف الرنيني مثل الكليسترون: نطاقها الترددي الضيق. يُعد أنبوب الموجة المتنقلة مضخمًا خطيًا قادرًا على توفير كسب عالٍ عبر نطاق ترددي واسع للغاية، مما يجعله عنصرًا بالغ الأهمية في أنظمة الاتصالات الحديثة ذات النطاق العريض والحرب الإلكترونية.

• البناء: يتكون TWT من مسدس الكتروني الذي ينتج حزمة إلكترونية مركزة، صفائح الأنود لتسريع الشعاع، يوجد مجمع في الطرف البعيد، والأهم من ذلك، بنية الموجة البطيئةأكثر هياكل الموجات البطيئة شيوعاً هي الموصلة حلزونيتم تغذية إشارة دخل الترددات الراديوية إلى أحد طرفي الحلزون، ويتم أخذ الخرج المضخم من الطرف الآخر.
• مبدأ التشغيل: يكمن التحدي الأساسي في جعل حزمة الإلكترونات تتفاعل مع موجة الترددات الراديوية في عدم تطابق سرعتيهما. ويحل الحلزون هذه المشكلة. فبينما تنتقل الموجة على طول السلك الحلزوني بسرعة تقارب سرعة الضوء، تتباطأ سرعتها الأمامية الفعالة على طول محور الأنبوب بشكل ملحوظ. وقد صُممت خطوة الحلزون بحيث تكون سرعة الموجة المحورية أقل بقليل من سرعة حزمة الإلكترونات. ويسمح هذا التزامن في السرعة بتفاعل مستمر. فعندما تتحرك حزمة الإلكترونات على طول المحور، يتسبب المكون المحوري للمجال الكهربائي للموجة في تعديل السرعة وتجميعها. تتشكل حزم الإلكترونات هذه في مناطق إبطاء المجال، وتتخلى باستمرار عن طاقتها الحركية لموجة الترددات الراديوية على الحلزون. ولأن انتقال الطاقة هذا يحدث على طول الأنبوب بأكمله، تنمو موجة الترددات الراديوية بشكل أُسّي، مما ينتج عنه كسب عالٍ جدًا.
• التطبيقات: إن الجمع بين الكسب العالي وعرض النطاق الترددي الواسع لأنبوب الموجة المتحركة يجعله مثالياً لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك مضخمات الترددات اللاسلكية منخفضة الضوضاء في أجهزة استقبال الميكروويف، ومضخمات التكرار في وصلات الاتصالات، وأنابيب إخراج الطاقة في أقمار الاتصالات الصناعية.

بعد استكشاف الأجهزة التي تولد وتضخم الموجات الدقيقة، ستتناول الوحدة الأخيرة المهارات العملية الأساسية لقياس وتوصيف أداء هذه المكونات والأنظمة التي تشكلها.