双腔速调管的独特构造和电子束的概念

速调管放大器用于各种行业，包括卫星系统、电视广播、雷达、粒子加速器和医疗领域。在本文中，我们将了解双腔速调管的独特构造和电子束的概念。

速调管是一种放大微波频率信号的设备，通过应用真空管原理和“电子束”的概念来实现高功率增益。速调管用于卫星系统、电视广播和雷达，以及粒子加速器和医学。

速调管由斯坦福大学的拉塞尔和西格德瓦里安兄弟发明。他们的原型于 1937 年 8 月 30 日完成并成功演示。

速调管可用于高达 400 GHz 的 UHF 区域（300 MHz 至 3 GHz）。速调管放大器有几种风格。一种主要类型是反射速调管，主要用作振荡器。

然而，在本文中，我们将关注另一种流行的类型：双腔速调管。

双腔速调管的原理

双腔速调管几何

双腔速调管使用电子源（加热器）、阳极和阴极，就像传统的真空管一样。它还利用电子流末端的收集器元件。加热器在加热时蒸发电子，并且由于两个元件之间的高直流电势，电子从阴极射出并加速朝向阳极。因此产生聚焦的电子束。

在双腔速调管的情况下，电子束穿过第一个环形腔中的一个中心孔，然后穿过类似的第二个腔，在收集器处终止。

在空腔孔的每一侧是电子通过的网格。正是腔体与光束的相互作用提供了设备可以产生的高水平放大。

图 2.速调管布局

腔体

也许我们可以花点时间讨论聚束器和捕集器中使用的空腔。这个故事中的空腔是一个环形物体，其横截面如下：

图 3. 3a） 谐振腔；3b） 以伪电形式等效；3c） 等效电路；3d） 频率响应。

这也可以显示为谐振回路电路，并联区域为电容器，圆形部分为单匝电感器，如图 2b 和 2c 所示。

当然，可以使空腔在由其几何形状定义的窄频率范围内谐振（图 2d）。该结构的中心部分就像一个电容器，其中有一个孔，电子束可以通过该孔。该电容器以及因此施加到通过中心孔的任何物体的电荷将以谐振频率翻转电荷。

从电学角度来看，电容和电感定义了结构的电谐振频率。激励信号通过图 2a 顶部所示的同轴电缆连接从外部馈入谐振器。这种同轴连接以谐振频率激发腔体。

电子束

速调管利用了一种称为电子聚束的现象，如下所示：

以高速离开源的电子束中的电子在行进方向上的速度大致相等。在沿路径没有施加相互作用的情况下，束中的电子将继续以这种方式直到在收集器处终止。但是，如果沿路径存在可以阻止电子运动的结构，则可能会导致其中一些电子降低速度。当左侧网格为负时会发生这种情况。

当电子通过负左网格时，网格的负电荷会推回电子，从而减慢它们的速度。当它们穿过网格之间的空间并经过最右边的正网格时，正网格会进一步减慢电子，因为它会在它们离开开口时拉动它们。

在板的相反电循环中，电子最初遇到一个正网格，它拉动它们并通过聚束网格加速它们。现在最右边的负网格将它们推得更快，因为它在退出时会排斥它们。

想象一下，你是一个穿过聚束器的电子，你被聚束器放慢了速度。你会一直巡航并轻轻减速，这样你周围的所有其他电子都会散开（在行进方向上）。生活是美好的——前面有很多空间。可是等等！你身后的一大堆电子被加速到更高的速度，现在当你减速进入它们时它们正在追赶你！现在我们是一大群人沿着漂移空间旅行。

图 3. 该图显示了电子穿过漂移空间时的电子聚束行为。A 显示传输开始时的快照。当我们从 B 前进到 D 时，较慢的电子组（蓝色）逐渐被较快的电子组（红色）取代，导致在帧 D 处出现一段高电子密度的时期。

结果是密度调制或聚束与聚束器谐振腔赋予的电子施加的力成正比（这听起来有用吗？）。最终结果实际上是聚束器和捕集器之间的射频调制电流（毕竟，电流只是随时间推移的电荷流）。

操作：把它放在一起

所以现在我们有了一种方法，可以将交流电信号施加到有电子束通过的电容器上。正如您可能已经猜到的那样（您是超级聪明的工程师），电容器上的交流信号（读取：极性）要么减慢电子速度，要么加速它们。因此，电子束发生在所施加信号的频率处！

“好吧，那又怎样？”你可能会说。好吧，如果我们采用类似的谐振器并放置它，例如，最佳聚束的确切距离，然后与谐振器建立同轴连接并将信号提取为输出而不是一个输入，我们现在可以得到一个信号，它是输入信号（聚束）的副本，并且被大大放大了！

现在我们有了一个微波功率放大器，基于这样一个事实，即更少的电子进入设备，更多的电子与输入信号成比例地聚集并通过捕集腔输出。