マイクロ波工学-キャビティクライストロン

マイクロ波の生成と増幅には、マイクロ波管*と呼ばれる特別な管が必要です。その中でも、 *Klystron は重要なものです。

クライストロンの重要な要素は、電子ビームと空洞共振器です。源から電子ビームが生成され、信号を増幅するために空洞クライストロンが使用されます。電子を収集するためのコレクターが最後にあります。セットアップ全体は、次の図に示すとおりです。

カソードから放出された電子は、最初の共振器に向かって加速されます。終端のコレクターは、共振器と同じ電位です。したがって、通常、電子は空洞共振器間のギャップで一定の速度を持ちます。

最初に、最初の空洞共振器に弱い高周波信号が供給されますが、これは増幅する必要があります。信号は、空洞内の電磁場を開始します。次の図に示すように、この信号は同軸ケーブルを介して渡されます。

この電界により、空洞共振器を通過する電子が変調されます。 2番目の共振器に到達すると、電子は同じ周波数の別のEMFで誘導されます。このフィールドは、2番目のキャビティから大きな信号を抽出するのに十分な強さです。

空洞共振器

まず、空洞共振器の構造の詳細と動作を理解してみましょう。次の図は、空洞共振器を示しています。

コンデンサと誘導ループで構成される単純な共振回路は、この空洞共振器と比較できます。導体には自由電子があります。この極性の電圧に充電するためにコンデンサに電荷が印加されると、多くの電子が上部プレートから除去され、下部プレートに導入されます。

より多くの電子が堆積したプレートがカソードになり、より少ない電子数のプレートがアノードになります。次の図は、コンデンサへの電荷の蓄積を示しています。

電界線は、正の電荷から負の方向に向けられています。コンデンサが逆極性で充電されると、電界の方向も逆になります。チューブ内の電子の変位は、交流電流を構成します。この交流電流は、コンデンサの電界と位相がずれた交流磁場を発生させます。

磁場が最大強度になると、電場はゼロになり、しばらくすると、磁場がゼロになる間に電場が最大になります。この強さの交換は、サイクルで起こります。

コンデンサの値とループの誘導性が小さいほど、発振または共振周波数が高くなります。ループのインダクタンスは非常に小さいため、高い周波数を得ることができます。

より高い周波数の信号を生成するには、次の図に示すように、より多くの誘導ループを並列に配置することにより、インダクタンスをさらに減らすことができます。これにより、非常に高い周波数を持つ閉じた共振器が形成されます。

閉じた共振器では、電界と磁界は空洞の内部に閉じ込められます。空洞の最初の共振器は、増幅される外部信号によって励起されます。この信号には、空洞が共振できる周波数が必要です。この同軸ケーブルの電流は磁場を発生させ、それにより電場が発生します。

最初の空洞に入る電子ビームの変調を理解するために、電界を考えてみましょう。共振器の電界は、誘導電界の方向を変え続けます。これに応じて、電子銃から出てくる電子は、ペースが制御されます。

電子は負に帯電しているため、電界の方向と反対に移動すると加速されます。また、電子が電界と同じ方向に移動すると、電子は減速します。この電界は変化し続けるため、電子は電界の変化に応じて加速および減速されます。次の図は、電界が反対方向の場合の電子の流れを示しています。

移動中、これらの電子は、さまざまな速度で共振器間の「ドリフト空間」と呼ばれる電界のない空間に入り、電子バンチを生成します。これらの束は、移動速度の変動により作成されます。

これらの束は、第1の共振器が振動する周波数に対応する周波数で、第2の共振器に入ります。すべての空洞共振器は同一であるため、電子の動きにより2番目の共振器が発振します。次の図は、電子バンチの形成を示しています。

2番目の共振器に誘導された磁場は、同軸ケーブルに電流を誘導し、出力信号を開始します。第2キャビティ内の電子の運動エネルギーは、第1キャビティ内の運動エネルギーとほぼ等しいため、キャビティからエネルギーは取得されません。

電子は2番目のキャビティを通過するときに加速され、電子の束は減速されます。したがって、すべての運動エネルギーが電磁エネルギーに変換され、出力信号が生成されます。

このような2キャビティクライストロンの増幅は低いため、マルチキャビティクライストロンが使用されます。

次の図は、マルチキャビティクライストロン増幅器の例を示しています。

最初のキャビティに信号を適用すると、2番目のキャビティに弱いバンチができます。これらは、3番目のキャビティにフィールドを設定し、より集中したバンチなどを生成します。したがって、増幅は大きくなります。