雙腔速調(diào)管的獨(dú)特構(gòu)造和電子束的概念

速調(diào)管放大器用于各種行業(yè)，包括衛(wèi)星系統(tǒng)、電視廣播、雷達(dá)、粒子加速器和醫(yī)療領(lǐng)域。在本文中，我們將了解雙腔速調(diào)管的獨(dú)特構(gòu)造和電子束的概念。

速調(diào)管是一種放大微波頻率信號(hào)的設(shè)備，通過(guò)應(yīng)用真空管原理和“電子束”的概念來(lái)實(shí)現(xiàn)高功率增益。速調(diào)管用于衛(wèi)星系統(tǒng)、電視廣播和雷達(dá)，以及粒子加速器和醫(yī)學(xué)。

速調(diào)管由斯坦福大學(xué)的拉塞爾和西格德瓦里安兄弟發(fā)明。他們的原型于 1937 年 8 月 30 日完成并成功演示。

速調(diào)管可用于高達(dá) 400 GHz 的 UHF 區(qū)域（300 MHz 至 3 GHz）。速調(diào)管放大器有幾種風(fēng)格。一種主要類型是反射速調(diào)管，主要用作振蕩器。

然而，在本文中，我們將關(guān)注另一種流行的類型：雙腔速調(diào)管。

雙腔速調(diào)管的原理

雙腔速調(diào)管幾何

雙腔速調(diào)管使用電子源（加熱器）、陽(yáng)極和陰極，就像傳統(tǒng)的真空管一樣。它還利用電子流末端的收集器元件。加熱器在加熱時(shí)蒸發(fā)電子，并且由于兩個(gè)元件之間的高直流電勢(shì)，電子從陰極射出并加速朝向陽(yáng)極。因此產(chǎn)生聚焦的電子束。

在雙腔速調(diào)管的情況下，電子束穿過(guò)第一個(gè)環(huán)形腔中的一個(gè)中心孔，然后穿過(guò)類似的第二個(gè)腔，在收集器處終止。

在空腔孔的每一側(cè)是電子通過(guò)的網(wǎng)格。正是腔體與光束的相互作用提供了設(shè)備可以產(chǎn)生的高水平放大。

圖 2.速調(diào)管布局

腔體

也許我們可以花點(diǎn)時(shí)間討論聚束器和捕集器中使用的空腔。這個(gè)故事中的空腔是一個(gè)環(huán)形物體，其橫截面如下：

圖 3. 3a） 諧振腔；3b） 以偽電形式等效；3c） 等效電路；3d） 頻率響應(yīng)。

這也可以顯示為諧振回路電路，并聯(lián)區(qū)域?yàn)?a target="_blank">電容器，圓形部分為單匝電感器，如圖 2b 和 2c 所示。

當(dāng)然，可以使空腔在由其幾何形狀定義的窄頻率范圍內(nèi)諧振（圖 2d）。該結(jié)構(gòu)的中心部分就像一個(gè)電容器，其中有一個(gè)孔，電子束可以通過(guò)該孔。該電容器以及因此施加到通過(guò)中心孔的任何物體的電荷將以諧振頻率翻轉(zhuǎn)電荷。

從電學(xué)角度來(lái)看，電容和電感定義了結(jié)構(gòu)的電諧振頻率。激勵(lì)信號(hào)通過(guò)圖 2a 頂部所示的同軸電纜連接從外部饋入諧振器。這種同軸連接以諧振頻率激發(fā)腔體。

電子束

速調(diào)管利用了一種稱為電子聚束的現(xiàn)象，如下所示：

以高速離開源的電子束中的電子在行進(jìn)方向上的速度大致相等。在沿路徑?jīng)]有施加相互作用的情況下，束中的電子將繼續(xù)以這種方式直到在收集器處終止。但是，如果沿路徑存在可以阻止電子運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，則可能會(huì)導(dǎo)致其中一些電子降低速度。當(dāng)左側(cè)網(wǎng)格為負(fù)時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況。

當(dāng)電子通過(guò)負(fù)左網(wǎng)格時(shí)，網(wǎng)格的負(fù)電荷會(huì)推回電子，從而減慢它們的速度。當(dāng)它們穿過(guò)網(wǎng)格之間的空間并經(jīng)過(guò)最右邊的正網(wǎng)格時(shí)，正網(wǎng)格會(huì)進(jìn)一步減慢電子，因?yàn)樗鼤?huì)在它們離開開口時(shí)拉動(dòng)它們。

在板的相反電循環(huán)中，電子最初遇到一個(gè)正網(wǎng)格，它拉動(dòng)它們并通過(guò)聚束網(wǎng)格加速它們?，F(xiàn)在最右邊的負(fù)網(wǎng)格將它們推得更快，因?yàn)樗谕顺鰰r(shí)會(huì)排斥它們。

想象一下，你是一個(gè)穿過(guò)聚束器的電子，你被聚束器放慢了速度。你會(huì)一直巡航并輕輕減速，這樣你周圍的所有其他電子都會(huì)散開（在行進(jìn)方向上）。生活是美好的——前面有很多空間?？墒堑鹊?！你身后的一大堆電子被加速到更高的速度，現(xiàn)在當(dāng)你減速進(jìn)入它們時(shí)它們正在追趕你！現(xiàn)在我們是一大群人沿著漂移空間旅行。

圖 3. 該圖顯示了電子穿過(guò)漂移空間時(shí)的電子聚束行為。A 顯示傳輸開始時(shí)的快照。當(dāng)我們從 B 前進(jìn)到 D 時(shí)，較慢的電子組（藍(lán)色）逐漸被較快的電子組（紅色）取代，導(dǎo)致在幀 D 處出現(xiàn)一段高電子密度的時(shí)期。

結(jié)果是密度調(diào)制或聚束與聚束器諧振腔賦予的電子施加的力成正比（這聽起來(lái)有用嗎？）。最終結(jié)果實(shí)際上是聚束器和捕集器之間的射頻調(diào)制電流（畢竟，電流只是隨時(shí)間推移的電荷流）。

操作：把它放在一起

所以現(xiàn)在我們有了一種方法，可以將交流電信號(hào)施加到有電子束通過(guò)的電容器上。正如您可能已經(jīng)猜到的那樣（您是超級(jí)聰明的工程師），電容器上的交流信號(hào)（讀?。簶O性）要么減慢電子速度，要么加速它們。因此，電子束發(fā)生在所施加信號(hào)的頻率處！

“好吧，那又怎樣？”你可能會(huì)說(shuō)。好吧，如果我們采用類似的諧振器并放置它，例如，最佳聚束的確切距離，然后與諧振器建立同軸連接并將信號(hào)提取為輸出而不是一個(gè)輸入，我們現(xiàn)在可以得到一個(gè)信號(hào)，它是輸入信號(hào)（聚束）的副本，并且被大大放大了！

現(xiàn)在我們有了一個(gè)微波功率放大器，基于這樣一個(gè)事實(shí)，即更少的電子進(jìn)入設(shè)備，更多的電子與輸入信號(hào)成比例地聚集并通過(guò)捕集腔輸出。