
微波工程 - 腔式速調管
為了產生和放大微波,需要一些特殊的管子,稱為微波管。其中,速調管是一個重要的器件。
速調管的基本元件是電子束和腔諧振器。電子束由電子槍產生,腔式速調管用於放大訊號。末端有一個收集器收集電子。整個裝置如下圖所示。

陰極發射的電子被加速朝向第一個諧振腔。末端的收集器與諧振腔處於相同的電位。因此,電子在腔諧振器之間的間隙中通常具有恆定的速度。
最初,第一個諧振腔提供一個微弱的高頻訊號,該訊號需要被放大。該訊號將在腔體內啟動電磁場。該訊號透過同軸電纜傳輸,如下圖所示。

由於該電場,透過諧振腔的電子被調製。到達第二個諧振腔時,電子被感應到相同頻率的另一個電動勢。該電場足夠強,可以從第二個諧振腔中提取大的訊號。
腔諧振器
讓我們首先了解腔諧振器的結構細節和工作原理。下圖顯示了腔諧振器。

一個簡單的諧振電路,它由一個電容器和一個電感線圈組成,可以與這個腔諧振器進行比較。導體具有自由電子。如果對電容器施加電荷使其充電到此極性的電壓,則許多電子將從上極板移出並進入下極板。
電子沉積較多的極板將成為陰極,電子較少的極板成為陽極。下圖顯示了電容器上的電荷沉積。

電場線從正電荷指向負電荷。如果電容器以反向極性充電,則電場的方向也會反轉。電子在管中的位移構成交變電流。該交變電流產生交變磁場,該磁場與電容器的電場反相。
當磁場強度最大時,電場為零,一段時間後,電場變為最大而磁場為零。這種強度的交換髮生在一個週期內。
閉合諧振器
電容器的值和線圈的電感越小,振盪或諧振頻率就越高。由於線圈的電感非常小,因此可以獲得高頻。
為了產生更高的頻率訊號,可以透過並聯放置更多的電感線圈來進一步減小電感,如下圖所示。這導致形成具有非常高頻率的閉合諧振器。

在閉合諧振器中,電場和磁場被限制在腔體的內部。第一個諧振腔由外部訊號激發以進行放大。該訊號必須具有腔體可以諧振的頻率。該同軸電纜中的電流建立磁場,從而產生電場。
速調管的工作原理
為了理解進入第一個諧振腔的電子束的調製,讓我們考慮電場。諧振器上的電場不斷改變感應電場的方向。根據這一點,從電子槍出來的電子,其速度得到控制。
由於電子帶負電,如果它們與電場方向相反移動,它們就會被加速。同樣,如果電子沿電場方向移動,它們就會被減速。這個電場不斷變化,因此電子根據電場的變化而加速和減速。下圖顯示了電場方向相反時的電子流。

在移動過程中,這些電子進入稱為諧振器之間漂移空間的無場空間,速度變化,從而產生電子束。這些束的產生是由於行進速度的變化。
這些束以與第一個諧振器振盪頻率相對應的頻率進入第二個諧振器。由於所有腔諧振器都是相同的,電子的運動使第二個諧振器振盪。下圖顯示了電子束的形成。

第二個諧振器中的感應磁場在同軸電纜中感應一些電流,啟動輸出訊號。第二個諧振腔中電子的動能幾乎等於第一個諧振腔中的動能,因此沒有能量從諧振腔中取出。
電子透過第二個諧振腔時,一些電子被加速,而電子束被減速。因此,所有動能都轉換為電磁能量以產生輸出訊號。
這種雙腔速調管的放大倍數低,因此使用多腔速調管。
下圖顯示了一個多腔速調管放大器的示例。

在第一個諧振腔中施加訊號後,我們在第二個諧振腔中得到微弱的電子束。這些將在第三個諧振腔中建立電場,產生更集中的電子束,依此類推。因此,放大倍數更大。