5.1 Αρχές λειτουργίας των σωλήνων μικροκυμάτων

Παρά την επικράτηση της τεχνολογίας στερεάς κατάστασης, οι λυχνίες κενού μικροκυμάτων παραμένουν απαραίτητες, ιδιαίτερα σε εφαρμογές που απαιτούν πολύ υψηλά επίπεδα ισχύος όπου οι ημιαγωγικές συσκευές δεν μπορούν ακόμη να ανταγωνιστούν. Συστήματα όπως το ραντάρ υψηλής ισχύος, οι ανερχόμενες ζεύξεις δορυφορικής επικοινωνίας και οι επιταχυντές σωματιδίων βασίζονται στις μοναδικές δυνατότητες των λυχνιών μικροκυμάτων για τη δημιουργία και την ενίσχυση σημάτων στην περιοχή κιλοβάτ έως μεγαβάτ. Αυτή η ενότητα θα διερευνήσει τις αρχές λειτουργίας των τριών κύριων κατηγοριών αυτών των συσκευών: του Κλύστρον, του Σωλήνα Ταξιδιού Κύματος και του Μαγνήτρον.

Ο ενισχυτής Klystron δύο κοιλοτήτων

Το Klystron είναι ένας γραμμικός σωλήνας δέσμης που λειτουργεί ως ενισχυτής μικροκυμάτων. Η λειτουργία του βασίζεται στη μετατροπή της κινητικής ενέργειας μιας συνεχούς δέσμης ηλεκτρονίων σε ενέργεια μικροκυμάτων.

• Βασικά Στοιχεία: Ένα Klystron δύο κοιλοτήτων αποτελείται από ένα ηλεκτρονικό όπλο που παράγει μια δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ταχύτητας, δύο συντονιστές κοιλοτήτων (που ονομάζονται «συλλέκτης» και «συλλέκτης»), ένα πεδίο χωρίς χώρος μετατόπισης ανάμεσα στις κοιλότητες, και ένα συλλέκτης για να διαχέει την υπόλοιπη ενέργεια της δέσμης ως θερμότητα.
• Συντονιστής κοιλότητας: Για να κατανοήσει κανείς το Κλύστρον, πρέπει πρώτα να κατανοήσει τον συντονιστή κοιλότητας. Μια κοιλότητα μπορεί να θεωρηθεί ως εξέλιξη ενός απλού κυκλώματος συντονισμού LC. Ένα παράλληλο κύκλωμα LC έχει υψηλή συχνότητα συντονισμού όταν τα L και C είναι μικρά. Για να αυξηθεί περαιτέρω αυτή η συχνότητα, μπορεί κανείς να μειώσει την επαγωγή τοποθετώντας πολλαπλούς επαγωγικούς βρόχους παράλληλα. Το λογικό συμπέρασμα αυτής της διαδικασίας είναι ένα κλειστό μεταλλικό κουτί ή κοιλότητα, η οποία μπορεί να υποστηρίξει συντονισμένα ηλεκτρομαγνητικά πεδία σε πολύ υψηλές συχνότητες μικροκυμάτων. Τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία περιορίζονται μέσα στην κοιλότητα, επιτρέποντας την αποτελεσματική αποθήκευση ενέργειας.
• Αρχή λειτουργίας: Η διαδικασία ενίσχυσης λαμβάνει χώρα σε τρία διακριτά βήματα:
  1. Διαμόρφωση Ταχύτητας: Η συνεχής δέσμη ηλεκτρονίων που παράγεται από το όπλο διέρχεται πρώτα από την κοιλότητα του συλλέκτη. Ένα ασθενές σήμα εισόδου RF τροφοδοτείται σε αυτήν την κοιλότητα, δημιουργώντας ένα ταλαντούμενο ηλεκτρικό πεδίο κατά μήκος του κενού της. Καθώς τα ηλεκτρόνια διέρχονται από αυτήν, αυτό το πεδίο τα επιταχύνει και τα επιβραδύνει εναλλάξ. Τα ηλεκτρόνια εξέρχονται από την κοιλότητα του συλλέκτη με ελαφρώς διαφορετικές ταχύτητες - μια διαδικασία που ονομάζεται διαμόρφωση ταχύτητας.
  2. Συσσώρευση ηλεκτρονίων: Τα ηλεκτρόνια που διαμορφώνονται από την ταχύτητα εισέρχονται στη συνέχεια στον χώρο ολίσθησης χωρίς πεδίο. Εδώ, τα ταχύτερα ηλεκτρόνια από τη φάση επιτάχυνσης του κύκλου RF αρχίζουν να προλαβαίνουν τα πιο αργά ηλεκτρόνια από τη φάση επιβράδυνσης. Αυτό προκαλεί τη δημιουργία πυκνών πακέτων ή τσαμπιά ηλεκτρονίων.
  3. Εξόρυξη Ενέργειας: Το μήκος του χώρου ολίσθησης έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε αυτές οι δέσμες ηλεκτρονίων να φτάνουν στο κενό της δεύτερης κοιλότητας (του συλλέκτη) την ακριβή στιγμή που το πεδίο σε αυτήν την κοιλότητα βρίσκεται στη μέγιστη φάση επιβράδυνσής του. Έτσι, οι δέσμες επιβραδύνονται έντονα, μεταφέροντας την κινητική τους ενέργεια στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο της κοιλότητας του συλλέκτη. Αυτό διεγείρει μια ισχυρή ταλάντωση, από την οποία εξάγεται ένα πολύ ενισχυμένο σήμα εξόδου.

Για την επίτευξη υψηλότερου κέρδους, χρησιμοποιούνται Klystrons πολλαπλών κοιλοτήτων , όπου ενδιάμεσες κοιλότητες τοποθετούνται μεταξύ του συλλέκτη και του συλλέκτη για περαιτέρω ενίσχυση της διαδικασίας συσσωμάτωσης, με αποτέλεσμα σημαντικά μεγαλύτερη ενίσχυση.

Αυτή η συσκευή χρησιμεύει ως ενισχυτής. Θα εξετάσουμε τώρα μια παραλλαγή της, τον Reflex Klystron, ο οποίος έχει σχεδιαστεί ειδικά για να λειτουργεί ως ταλαντωτής.

5.2 Ταλαντωτές Μικροκυμάτων: Reflex Klystron και Magnetron

Ενώ ενισχυτές όπως ο Klystron δύο κοιλοτήτων ενισχύουν την ισχύ ενός υπάρχοντος σήματος, οι ταλαντωτές είναι συσκευές σχεδιασμένες να παράγουν ένα σήμα μικροκυμάτων από μια πηγή συνεχούς ρεύματος. Είναι θεμελιώδη εξαρτήματα σε πομπούς, εξοπλισμό δοκιμών και τοπικούς ταλαντωτές δέκτη. Αυτή η ενότητα θα εξετάσει δύο βασικούς ταλαντωτές μικροκυμάτων: τον Reflex Klystron, μια συντονιζόμενη πηγή χαμηλής ισχύος, και τον Magnetron, μια συσκευή υψηλής ισχύος που χρησιμοποιείται σε ραντάρ και φούρνους μικροκυμάτων.

Reflex Klystron

Το Reflex Klystron είναι ένας ταλαντωτής μικροκυμάτων μίας κοιλότητας. Η βασική του καινοτομία είναι η χρήση μίας μόνο κοιλότητας για την εκτέλεση των λειτουργιών τόσο του συλλέκτη όσο και του δέσμης, καθιστώντας την μια πιο συμπαγή και ρυθμιζόμενη συσκευή.

• Κατασκευή: Η συσκευή διαθέτει ένα ηλεκτρονικό πιστόλι, μια ενιαία κοιλότητα ανόδου με κενό και ένα ηλεκτρόδιο απωθητήρα τοποθετημένο πέρα ​​από την κοιλότητα. Ο απωθητής διατηρείται σε υψηλό αρνητικό δυναμικό σε σχέση με την κάθοδο.
• Λειτουργία: Η δέσμη ηλεκτρονίων επιταχύνεται μέσω του διακένου της κοιλότητας της ανόδου, υφίσταται αρχική διαμόρφωση ταχύτητας. Αφού περάσει από το διάκενο, η δέσμη ταξιδεύει προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο απωθητή. Το ισχυρό αρνητικό πεδίο επιβραδύνει τα ηλεκτρόνια, τα σταματά και στη συνέχεια τα επιταχύνει πίσω προς την κοιλότητα της ανόδου. Η διαδικασία ομαδοποίησης συμβαίνει κατά τη διάρκεια αυτής της διαδρομής «ανάκλασης». Ένα ηλεκτρόνιο αναφοράς (e_r) διέρχεται όταν το πεδίο RF είναι μηδέν. Ένα πρώιμο ηλεκτρόνιο (e_e) επιβραδύνεται και περνάει περισσότερο χρόνο στον χώρο του απωθητή. Ένα όψιμο ηλεκτρόνιο (e_l) επιταχύνεται και περνάει λιγότερο χρόνο. Η τάση του απωθητή ρυθμίζεται έτσι ώστε και τα τρία ηλεκτρόνια να φτάνουν πίσω στο διάκενο της κοιλότητας ακριβώς την ίδια στιγμή, σχηματίζοντας μια πυκνή δέσμη. Εάν αυτή η δέσμη φτάσει όταν το πεδίο της κοιλότητας επιβραδύνεται στο μέγιστο, δίνει την ενέργειά της στην κοιλότητα, διατηρώντας τις ταλαντώσεις.
• Συνθήκη για ταλάντωση: Ο χρόνος διέλευσης (T) για τα ηλεκτρόνια στον χώρο του απωθητή πρέπει να βελτιστοποιηθεί για παρατεταμένες ταλαντώσεις. Αυτή η συνθήκη δίνεται από: T = n + \frac{3}{4} όπου το 'n' είναι ακέραιος αριθμός.
• εφαρμογές: Λόγω της δυνατότητας συντονισμού και της χαμηλής ισχύος εξόδου τους, τα Reflex Klystrons χρησιμοποιούνται συνήθως ως τοπικοί ταλαντωτές σε δέκτες μικροκυμάτων και ως πηγές σήματος σε εξοπλισμό δοκιμών μικροκυμάτων.

Μαγνήτρο κοιλότητας

Το Cavity Magnetron είναι ένας ταλαντωτής μικροκυμάτων υψηλής ισχύος και ένας τύπος σωλήνα διασταυρούμενου πεδίου , που σημαίνει ότι το στατικό ηλεκτρικό πεδίο (E) και το στατικό μαγνητικό πεδίο (B) είναι κάθετα μεταξύ τους.

• Φυσική Κατασκευή: Αποτελείται από ένα κεντρικό, κυλινδρικό σχήμα μεγάλης διαμέτρου. κάθοδος περιτριγυρισμένο από έναν κύκλο μπλοκ ανόδουΗ άνοδος είναι κατεργασμένη με αρκετές συντονισμένες κοιλότητες που ανοίγουν στον κεντρικό χώρο αλληλεπίδρασης. Ένα ισχυρό, σταθερό μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται παράλληλα με τον άξονα της καθόδου.
• Λειτουργία υπό Στατικά Πεδία: Με ένα ακτινικό ηλεκτρικό πεδίο από την άνοδο στην κάθοδο, εφαρμόζεται ένα αξονικό μαγνητικό πεδίο. Για B=0, τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν κατευθείαν στην άνοδο. Καθώς το B αυξάνεται, η διαδρομή τους καμπυλώνεται. κρίσιμο μαγνητικό πεδίο (B_c), απλώς προσκρούουν στην άνοδο. Αν B > B_c, στρέφονται πίσω στην κάθοδο, προκαλώντας «αντίστροφη θέρμανση».
• Λειτουργία με ενεργό πεδίο RF: Όταν υπάρχουν ταλαντώσεις RF στις κοιλότητες, η κατάσταση γίνεται δυναμική. «Ευνοούμενα» ηλεκτρόνια επιβραδύνονται από το πεδίο RF, χάνουν την κινητική τους ενέργεια για να διατηρήσουν τις ταλαντώσεις και κινούνται προς την άνοδο. «Μη ευνοημένα» ηλεκτρόνια επιταχύνονται από το πεδίο, απορροφούν ενέργεια από αυτό και επιστρέφουν γρήγορα στην κάθοδο. Αυτή η αλληλεπίδραση έχει ως αποτέλεσμα ένα «Εφέ εστίασης φάσης» όπου τα ευνοημένα ηλεκτρόνια ομαδοποιούνται για να σχηματίσουν περιστρεφόμενες ακτίνες φορτίου που ταξιδεύουν συγχρονισμένα με το περιστρεφόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στις κοιλότητες. Αυτές οι περιστρεφόμενες δέσμες περνούν συνεχώς από τα ανοίγματα των κοιλοτήτων, προκαλώντας ισχυρά ρεύματα και διατηρώντας τις ταλαντώσεις μικροκυμάτων υψηλής ισχύος.

Στην επόμενη ενότητα θα παρουσιαστεί ο Travelling Wave Tube, μια συσκευή που επιτυγχάνει ενίσχυση ευρείας ζώνης αποφεύγοντας τη χρήση συντονισμένων κοιλοτήτων.

5.3 Ο Σωλήνας Κινητού Κύματος (TWT)

Ο σωλήνας ταξιδεύοντος κύματος (TWT) αναπτύχθηκε για να ξεπεράσει έναν βασικό περιορισμό των συσκευών συντονισμένης κοιλότητας όπως το Klystron: το στενό εύρος ζώνης τους. Ο TWT είναι ένας ενισχυτής γραμμικής δέσμης ικανός να παρέχει υψηλό κέρδος σε ένα εξαιρετικά ευρύ φάσμα συχνοτήτων, καθιστώντας τον κρίσιμο στοιχείο στα σύγχρονα συστήματα ευρυζωνικής επικοινωνίας και στον ηλεκτρονικό πόλεμο.

• Κατασκευή: Το TWT αποτελείται από ένα ηλεκτρονικό όπλο που παράγει μια εστιασμένη δέσμη ηλεκτρονίων, πλάκες ανόδου για την επιτάχυνση της δέσμης, έναν συλλέκτη στο άκρο, και, το πιο σημαντικό, ένα δομή αργού κύματοςΗ πιο συνηθισμένη δομή αργού κύματος είναι μια αγώγιμη έλιξΤο σήμα εισόδου RF τροφοδοτείται στο ένα άκρο της έλικας και η ενισχυμένη έξοδος λαμβάνεται από το άλλο άκρο.
• Αρχή Λειτουργίας: Η βασική πρόκληση στην αλληλεπίδραση μιας δέσμης ηλεκτρονίων με ένα κύμα RF είναι η αναντιστοιχία ταχύτητάς τους. Η έλικα λύνει αυτό το πρόβλημα. Ενώ το κύμα ταξιδεύει κατά μήκος του ελικοειδούς σύρματος με ταχύτητα σχεδόν φωτός, η αποτελεσματική εμπρόσθια ταχύτητά του κατά μήκος του άξονα του σωλήνα επιβραδύνεται σημαντικά. Το βήμα της έλικας έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε αυτή η αξονική ταχύτητα κύματος να είναι ελαφρώς μικρότερη από την ταχύτητα της δέσμης ηλεκτρονίων. Αυτός ο συγχρονισμός ταχύτητας επιτρέπει μια συνεχή αλληλεπίδραση. Καθώς η δέσμη ηλεκτρονίων ταξιδεύει κατά μήκος του άξονα, η αξονική συνιστώσα του ηλεκτρικού πεδίου του κύματος προκαλεί διαμόρφωση ταχύτητας και ομαδοποίηση. Αυτές οι δέσμες ηλεκτρονίων σχηματίζονται στις περιοχές επιβράδυνσης του πεδίου και μεταδίδουν συνεχώς την κινητική τους ενέργεια στο κύμα RF στην έλικα. Επειδή αυτή η μεταφορά ενέργειας συμβαίνει σε όλο το μήκος του σωλήνα, το κύμα RF αυξάνεται εκθετικά, με αποτέλεσμα πολύ υψηλό κέρδος.
• εφαρμογές: Ο συνδυασμός υψηλού κέρδους και ευρέος εύρους ζώνης του TWT το καθιστά ιδανικό για μια ποικιλία εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων ενισχυτών RF χαμηλού θορύβου σε δέκτες μικροκυμάτων, ενισχυτών επαναληπτών σε ζεύξεις επικοινωνίας και λυχνιών εξόδου ισχύος σε δορυφόρους επικοινωνίας.

Έχοντας διερευνήσει τις συσκευές που παράγουν και ενισχύουν τα μικροκύματα, η τελική ενότητα θα ασχοληθεί με τις βασικές πρακτικές δεξιότητες μέτρησης και χαρακτηρισμού της απόδοσης αυτών των εξαρτημάτων και των συστημάτων που σχηματίζουν.