Ingeniería de microondas - Cavity Klystron
Para la generación y amplificación de microondas, se necesitan unos tubos especiales llamados Microwave tubes. De todos ellos,Klystron es importante.
Los elementos esenciales de Klystron son los haces de electrones y los resonadores de cavidad. Los haces de electrones se producen a partir de una fuente y los klistrones de la cavidad se emplean para amplificar las señales. Un colector está presente al final para recolectar los electrones. Toda la configuración es como se muestra en la siguiente figura.
Los electrones emitidos por el cátodo se aceleran hacia el primer resonador. El colector al final tiene el mismo potencial que el resonador. Por tanto, normalmente los electrones tienen una velocidad constante en el espacio entre los resonadores de la cavidad.
Inicialmente, el primer resonador de cavidad recibe una señal débil de alta frecuencia, que debe amplificarse. La señal iniciará un campo electromagnético dentro de la cavidad. Esta señal pasa a través de un cable coaxial como se muestra en la siguiente figura.
Debido a este campo, los electrones que pasan a través del resonador de cavidad se modulan. Al llegar al segundo resonador, los electrones se inducen con otro EMF a la misma frecuencia. Este campo es lo suficientemente fuerte como para extraer una gran señal de la segunda cavidad.
Resonador de cavidad
Primero intentemos comprender los detalles constructivos y el funcionamiento de un resonador de cavidad. La siguiente figura indica el resonador de cavidad.
Un circuito resonante simple que consta de un condensador y un bucle inductivo se puede comparar con este resonador de cavidad. Un conductor tiene electrones libres. Si se aplica una carga al capacitor para cargarlo a un voltaje de esta polaridad, muchos electrones se eliminan de la placa superior y se introducen en la placa inferior.
La placa que tiene más deposición de electrones será el cátodo y la placa que tiene menor número de electrones se convierte en el ánodo. La siguiente figura muestra la deposición de carga en el capacitor.
Las líneas del campo eléctrico se dirigen desde la carga positiva hacia la negativa. Si el condensador está cargado con polaridad inversa, entonces la dirección del campo también se invierte. El desplazamiento de electrones en el tubo, constituye una corriente alterna. Esta corriente alterna da lugar a un campo magnético alterno, que está desfasado con el campo eléctrico del condensador.
Cuando el campo magnético está en su máxima intensidad, el campo eléctrico es cero y después de un tiempo, el campo eléctrico se vuelve máximo mientras que el campo magnético está en cero. Este intercambio de fuerza ocurre durante un ciclo.
Resonador cerrado
Cuanto menor sea el valor del condensador y la inductividad del bucle, mayor será la oscilación o la frecuencia de resonancia. Como la inductancia del bucle es muy pequeña, se pueden obtener altas frecuencias.
Para producir una señal de frecuencia más alta, la inductancia se puede reducir aún más colocando más bucles inductivos en paralelo como se muestra en la siguiente figura. Esto da como resultado la formación de un resonador cerrado que tiene frecuencias muy altas.
En un resonador cerrado, los campos eléctricos y magnéticos están confinados al interior de la cavidad. El primer resonador de la cavidad es excitado por la señal externa a amplificar. Esta señal debe tener una frecuencia a la que la cavidad pueda resonar. La corriente en este cable coaxial crea un campo magnético, por el cual se origina un campo eléctrico.
Trabajo de Klystron
Para comprender la modulación del haz de electrones, entrando en la primera cavidad, consideremos el campo eléctrico. El campo eléctrico en el resonador sigue cambiando su dirección del campo inducido. Dependiendo de esto, los electrones que salen del cañón de electrones controlan su ritmo.
Como los electrones tienen carga negativa, se aceleran si se mueven en dirección opuesta a la del campo eléctrico. Además, si los electrones se mueven en la misma dirección del campo eléctrico, se desaceleran. Este campo eléctrico sigue cambiando, por lo tanto, los electrones se aceleran y desaceleran dependiendo del cambio del campo. La siguiente figura indica el flujo de electrones cuando el campo está en la dirección opuesta.
Mientras se mueven, estos electrones entran en el espacio libre de campo llamado drift spaceentre los resonadores con diferentes velocidades, que crean grupos de electrones. Estos racimos se crean debido a la variación en la velocidad de desplazamiento.
Estos racimos entran en el segundo resonador, con una frecuencia correspondiente a la frecuencia a la que oscila el primer resonador. Como todos los resonadores de la cavidad son idénticos, el movimiento de los electrones hace que el segundo resonador oscile. La siguiente figura muestra la formación de grupos de electrones.
El campo magnético inducido en el segundo resonador induce algo de corriente en el cable coaxial, iniciando la señal de salida. La energía cinética de los electrones en la segunda cavidad es casi igual a la de la primera cavidad, por lo que no se toma energía de la cavidad.
Los electrones al pasar a través de la segunda cavidad, pocos de ellos se aceleran mientras que los racimos de electrones se desaceleran. Por tanto, toda la energía cinética se convierte en energía electromagnética para producir la señal de salida.
La amplificación de dicho Klystron de dos cavidades es baja y, por lo tanto, se utilizan Klystrons de múltiples cavidades.
La siguiente figura muestra un ejemplo de amplificador Klystron de múltiples cavidades.
Con la señal aplicada en la primera cavidad, obtenemos racimos débiles en la segunda cavidad. Estos establecerán un campo en la tercera cavidad, que produce racimos más concentrados y así sucesivamente. Por tanto, la amplificación es mayor.