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，通過應(yīng)用真空管原理和“電子束”的概念來實(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，電子束穿過第一個(gè)環(huán)形腔中的一個(gè)中心孔，然后穿過類似的第二個(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，電子束可以通過該孔。該電容器以及因此施加到通過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)它們穿過網(wǎng)格之間的空間并經(jīng)過最右邊的正網(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。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捕集腔輸出。