Klystronová trubice: Co to je? (Typy a aplikace)

Co je klystronová trubice?

Klystron (také známý jako klystronová trubice nebo klystronový zesilovač) je vakuumová trubice používaná k oscilaci a zesílení signálů v mikrovlnném pásmu. Byl vynalezen americkými elektroinženýry Russellem a Sigurdem Variany.

Klystron využívá kinetickou energii elektronového paprsku. Obecně se nízkovýkonové klystrony používají jako oscilátory a vysokovýkonové klystrony jako výstupní trubice v UHF.

Existují dvě konfigurace pro nízkovýkonový klystron. Jedna je nízkovýkonový mikrovlnný oscilátor (reflexní klystron) a druhá je nízkovýkonový mikrovlnný zesilovač (dvoukavité klystron nebo vícekavitý klystron).

Co je reflexní klystronový oscilátor?

Než odpovíme na tuto otázku, musíme vědět, jak jsou generovány oscilace. Pro generování oscilací je třeba poskytnout pozitivní zpětnou vazbu z výstupu na vstup. S omezením, že zisk smyčky je jednotkový.

Pro klystron budou oscilace generovány, pokud bude část výstupu použita jako zpětná vazba do vstupní dutiny a získá se jednotková velikost zisku smyčky. Fázový posuv zpětné cesty je jeden cyklus (2π) nebo násobek cyklů (násobek 2π).

Konstrukce reflexního klystronu

Elektronový paprsek je vpouštěn z katody. Poté je anoda, známá jako soustředící anoda nebo akcelerační anoda. Tato anoda se používá k zužení elektronového paprsku. Anoda je spojena s kladnou polaritou zdroje DC napětí.

Reflexní klystron má pouze jednu dutinu, která je umístěna vedle anody. Tato dutina funguje jako sběračská dutina pro dopředně pohybující se elektrony a chytací dutina pro vzad pohybující se elektrony.

Modulace rychlosti a proudu probíhá v mezerě dutiny. Mezera je rovna vzdálenosti 'd'.

Odpuzující deska je spojena s zápornou polaritou zdroje napětí Vr.

Princip fungování reflexního klystronu

Reflexní klystron pracuje na principu modulace rychlosti a proudu.

Elektronový paprsek je vpouštěn z katody. Elektronový paprsek prochází akcelerační anodou. Elektrony se pohybují v trubici s rovnoměrnou rychlostí, dokud nedosáhnou dutiny.

Rychlost elektronů je modulována v mezera dutiny a tyto elektrony se snaží dosáhnout odpuzující desky.

Odpuzující deska je spojena s zápornou polaritou zdroje napětí. Proto, kvůli stejné polaritě, brání síle elektronů.

Kinetická energie elektronů se snižuje v prostoru odpuzující desky a v nějakém bodě bude nulová. Poté se elektrony vrátí do dutiny. A v návratové cestě se všechny elektrony seskupí v jednom bodě.

Dochází k modulaci proudu díky seskupení. Energii elektronů je převedena do formy RF a RF výstup je získán z dutiny. Pro maximální efektivitu klystronu musí dojít k seskupení elektronů uprostřed mezery dutiny.

Jak se elektrony pohybují v klystronové trubici?

Z elektronové pistole (katody) je elektronový paprsek vpouštěn do trubice. Tyto elektrony se pohybují k anodě s rovnoměrnou rychlostí. Poté procházejí mezera dutiny. Rychlost elektronů se mění podle napětí v mezera dutiny.

Pokud je napětí v mezera dutiny kladné, elektrony budou akcelerovány a pokud je napětí v mezera dutiny záporné, elektrony budou deakcelerovány. Pokud je napětí nulové, rychlost elektronů se nezmění.

Když elektrony opustí mezera dutiny, mají všechny různé rychlosti a tyto elektrony se pohybují v prostoru odpuzující desky.

Tyto elektrony urazí vzdálenost podle rychlosti. Čím vyšší rychlost, tím elektrony urazí delší vzdálenost a čím nižší rychlost, tím elektrony urazí kratší vzdálenost v prostoru odpuzující desky.

Všechny tyto elektrony se vrátí do dutiny a seskupí se v centru mezery dutiny. Energie elektronů přenesená z dutiny je známa jako RF výstup.

Apple-gate diagram

Apple-gate diagram je graf mezi vzdáleností od mezera dutiny a časem, který elektrony stráví v prostoru odpuzující desky.

Různé elektrony sledují různé cesty podle svých rychlostí. Rychlost elektronů závisí na napětí v mezera dutiny.

Uvažme příklad tří elektronů. Referenční elektron (e0) vstoupí do mezera dutiny, když je napětí v mezera dutiny nulové. Proto se rychlost nezmění. Urazí vzdálenost L0 v prostoru odpuzující desky a vrátí se do dutiny. Protože odpuzující deska je silně záporná a brání kinetické energii elektronu.

Elektron, který vstoupí před e0, je znám jako raný elektron (ee). Tento elektron vstoupí do mezera dutiny, když je napětí v mezera dutiny kladné. Proto se zvýší rychlost elektronu. Urazí vzdálenost L