Génie micro-ondes - Cavity Klystron

Pour la génération et l'amplification des micro-ondes, il existe un besoin de certains tubes spéciaux appelés comme Microwave tubes. De tous,Klystron est une question importante.

Les éléments essentiels de Klystron sont les faisceaux d'électrons et les résonateurs à cavité. Des faisceaux d'électrons sont produits à partir d'une source et les klystrons de cavité sont utilisés pour amplifier les signaux. Un collecteur est présent à l'extrémité pour collecter les électrons. L'ensemble de la configuration est comme illustré dans la figure suivante.

Les électrons émis par la cathode sont accélérés vers le premier résonateur. Le collecteur à la fin est au même potentiel que le résonateur. Par conséquent, les électrons ont généralement une vitesse constante dans l'espace entre les résonateurs de la cavité.

Initialement, le premier résonateur à cavité est alimenté par un faible signal haute fréquence, qui doit être amplifié. Le signal déclenchera un champ électromagnétique à l'intérieur de la cavité. Ce signal est passé à travers un câble coaxial comme illustré dans la figure suivante.

En raison de ce champ, les électrons qui traversent le résonateur de la cavité sont modulés. En arrivant au deuxième résonateur, les électrons sont induits avec un autre EMF à la même fréquence. Ce champ est suffisamment puissant pour extraire un signal important de la seconde cavité.

Résonateur à cavité

Essayons d'abord de comprendre les détails de construction et le fonctionnement d'un résonateur à cavité. La figure suivante indique le résonateur à cavité.

Un simple circuit résonant composé d'un condensateur et d'une boucle inductive peut être comparé à ce résonateur à cavité. Un conducteur a des électrons libres. Si une charge est appliquée au condensateur pour le charger à une tension de cette polarité, de nombreux électrons sont retirés de la plaque supérieure et introduits dans la plaque inférieure.

La plaque qui a le plus de dépôt d'électrons sera la cathode et la plaque qui a le moins d'électrons devient l'anode. La figure suivante montre le dépôt de charge sur le condensateur.

Les lignes de champ électrique sont dirigées de la charge positive vers le négatif. Si le condensateur est chargé avec une polarité inversée, la direction du champ est également inversée. Le déplacement des électrons dans le tube, constitue un courant alternatif. Ce courant alternatif donne naissance à un champ magnétique alternatif, qui est déphasé avec le champ électrique du condensateur.

Lorsque le champ magnétique est à son intensité maximale, le champ électrique est nul et après un certain temps, le champ électrique devient maximal alors que le champ magnétique est à zéro. Cet échange de force se produit pendant un cycle.

Résonateur fermé

Plus la valeur du condensateur et l'inductivité de la boucle sont petites, plus l'oscillation ou la fréquence de résonance sera élevée. Comme l'inductance de la boucle est très petite, une fréquence élevée peut être obtenue.

Pour produire un signal de fréquence plus élevée, l'inductance peut être encore réduite en plaçant davantage de boucles inductives en parallèle, comme illustré sur la figure suivante. Il en résulte la formation d'un résonateur fermé ayant des fréquences très élevées.

Dans un résonateur fermé, les champs électriques et magnétiques sont confinés à l'intérieur de la cavité. Le premier résonateur de la cavité est excité par le signal externe à amplifier. Ce signal doit avoir une fréquence à laquelle la cavité peut résonner. Le courant dans ce câble coaxial établit un champ magnétique, par lequel un champ électrique provient.

Fonctionnement de Klystron

Pour comprendre la modulation du faisceau d'électrons, entrant dans la première cavité, considérons le champ électrique. Le champ électrique sur le résonateur continue de changer sa direction du champ induit. En fonction de cela, les électrons sortant du canon à électrons contrôlent leur rythme.

Comme les électrons sont chargés négativement, ils sont accélérés s'ils sont déplacés dans le sens opposé à la direction du champ électrique. De plus, si les électrons se déplacent dans la même direction que le champ électrique, ils sont décélérés. Ce champ électrique ne cesse de changer, donc les électrons sont accélérés et décélérés en fonction du changement du champ. La figure suivante indique le flux d'électrons lorsque le champ est dans la direction opposée.

En se déplaçant, ces électrons pénètrent dans l'espace libre de champ appelé drift spaceentre les résonateurs avec des vitesses variables, qui créent des paquets d'électrons. Ces grappes sont créées en raison de la variation de la vitesse de déplacement.

Ces paquets entrent dans le deuxième résonateur, avec une fréquence correspondant à la fréquence à laquelle le premier résonateur oscille. Comme tous les résonateurs de la cavité sont identiques, le mouvement des électrons fait osciller le second résonateur. La figure suivante montre la formation de paquets d'électrons.

Le champ magnétique induit dans le second résonateur induit du courant dans le câble coaxial, déclenchant le signal de sortie. L'énergie cinétique des électrons dans la seconde cavité est presque égale à celle de la première cavité et donc aucune énergie n'est prélevée dans la cavité.

Les électrons en traversant la seconde cavité, peu d'entre eux sont accélérés tandis que les paquets d'électrons sont décélérés. Par conséquent, toute l'énergie cinétique est convertie en énergie électromagnétique pour produire le signal de sortie.

L'amplification d'un tel Klystron à deux cavités est faible et donc des Klystrons à plusieurs cavités sont utilisés.

La figure suivante illustre un exemple d'amplificateur Klystron à cavités multiples.

Avec le signal appliqué dans la première cavité, nous obtenons des grappes faibles dans la deuxième cavité. Celles-ci créeront un champ dans la troisième cavité, ce qui produira des grappes plus concentrées et ainsi de suite. Par conséquent, l'amplification est plus grande.