¿Qué es un tubo Klystron?
A Klystron (también conocido como Tubo Klystron o Amplificador Klystron) es un tubo de vacío que se utiliza para oscilar y amplificar las señales de frecuencia de microondas. Fue inventado por los ingenieros eléctricos americanos Russell y Sigurd Varian.
Un klystron utiliza la energía cinética de un haz de electrones. Generalmente, los klystrones de baja potencia se utilizan como osciladores y los de alta potencia como tubos de salida en UHF.
Hay dos configuraciones para un klystron de baja potencia. Una es un microondas de baja potencia oscilador (Reflejo Klystron) y el segundo es un microondas de baja potencia amplificador (Klystron de dos cavidades o Klystron de múltiples cavidades).
¿Qué es un oscilador de klystrón reflejo?
Antes de responder a esta pregunta, necesitamos saber cómo se generan las oscilaciones. Para generar las oscilaciones, necesitamos dar una respuesta positiva de la salida a la entrada. Con la restricción de que el ganancia de bucle es la unidad.
Para un klystron, las oscilaciones se generarán si una parte de la salida se utiliza como retroalimentación a la cavidad de entrada y mantiene la unidad de la magnitud de ganancia del bucle. El desplazamiento de fase de la trayectoria de retroalimentación es un ciclo (2) o múltiples ciclos (múltiplo de 2).
La construcción de Reflex Klystron
El haz de electrones se inyecta desde el cátodo. Luego hay un ánodo, conocido como ánodo de enfoque o acelerando el ánodo. Este ánodo se utiliza para estrechar el haz de electrones. El ánodo está conectado con la polaridad positiva de la fuente de voltaje DC.
El klystron reflejo tiene sólo una cavidad, que se coloca junto al ánodo. Esta cavidad funciona como cavidad del buncher para los electrones de avance y cavidad del receptor para los electrones que se mueven hacia atrás.
La velocidad y actual La modulación tiene lugar en el hueco de la cavidad. El hueco es igual a la distancia d.
La placa del repulsor está conectada con la polaridad negativa de la voltaje fuente Vr.
Principio de funcionamiento del klystron reflejo
El klystron refleja el principio de la modulación de la velocidad y la corriente.
El haz de electrones se inyecta desde el cátodo. El haz de electrones pasa a través del ánodo de aceleración. El electrón se mueve en el tubo con una velocidad uniforme hasta que llega a la cavidad.
La velocidad de los electrones se modula en el hueco de la cavidad y estos electrones intentan alcanzar el repulsor.
El repulsor está conectado con la polaridad negativa de una fuente de voltaje. Por lo tanto, debido a la misma polaridad, se opone a la fuerza de los electrones.
La energía cinética de los electrones disminuye en el espacio de la hélice y en algún momento será cero. Después de eso, el electrón retrocede a la cavidad. Y en el viaje de regreso, todos los electrones se agrupan en un punto.
Habrá una modulación de la corriente debido a la formación de los racimos. La energía de los electrones se convierte en forma de RF y la salida de RF se toma de la cavidad. Para una máxima eficiencia del klystron, el agrupamiento de los electrones debe tener lugar en el centro de la cavidad.
¿Cómo se mueven los electrones en el tubo de klystron?
Desde el cañón de electrones (cátodo), el haz de electrones se inyecta en el tubo. Estos electrones se mueven hacia el ánodo con una velocidad uniforme. Entonces los electrones pasan a través del hueco de la cavidad. La velocidad de los electrones varía según el voltaje del hueco de la cavidad.
Si el voltaje del hueco de la cavidad es positivo, el electrón se acelerará y si el voltaje del hueco de la cavidad es negativo, el electrón se desacelerará. Si el voltaje es cero, la velocidad de los electrones no cambiará.
Cuando los electrones salen de la brecha de la cavidad, todos los electrones tienen diferentes velocidades y estos electrones viajarán en el espacio del repulsor.
Estos electrones viajan la distancia según la velocidad. A mayor velocidad, el electrón viajará más distancia y a menor velocidad, el electrón viajará menos distancia en el espacio de la hélice.
Todos estos electrones volverán a la cavidad y se agruparán en el centro del hueco de la cavidad. La energía de los electrones transferidos desde la cavidad se conoce como Salida de RF.
Diagrama de Apple-gate
El diagrama de la compuerta de manzana es un gráfico entre la distancia de la brecha de la cavidad y el tiempo que tarda el electrón en el espacio de la hélice.
Los diferentes electrones siguen diferentes caminos dependiendo de sus velocidades. La velocidad de los electrones depende del voltaje de la brecha de la cavidad.
Tomemos el ejemplo de los tres electrones. El electrón de referencia (e0) entra en el hueco de la cavidad cuando el voltaje del hueco de la cavidad es cero. Por lo tanto, la velocidad no cambiará. Viaja L0 distancia en el espacio del repulsor y se retira a la cavidad. Debido a que la placa del repulsor es altamente negativa y se opondrá a la energía cinética de un electrón.
El electrón entra antes de e0este electrón es conocido como un electrón temprano (ee). Este electrón entra en el hueco de la cavidad cuando el voltaje del hueco de la cavidad es positivo. Por lo tanto, la velocidad del electrón aumentará. Viajará Le distancia y se retira a la cavidad.
El electrón entra después de e0este electrón se conoce como electrón tardío (el). Este electrón entra en el hueco de la cavidad cuando el voltaje del hueco de la cavidad es negativo. Por lo tanto, la velocidad del electrón disminuirá. Viajará Ll distancia y se retira a la cavidad.
El gráfico siguiente ayuda a explicar este proceso:
El tiempo total necesario desde la brecha de la cavidad hasta el espacio de repulsión y el espacio de repulsión a la brecha de la cavidad son los mismos para todos los electrones. Y ese tiempo es Td.
En el momento Td todos los electrones agrupados en el centro de la cavidad. Y así es como el proceso de agrupamiento ocurre en el tubo de klystron.
Aplicaciones de Reflex Klystron
Las aplicaciones de un Reflex Klystron incluyen:
- Radio y receptor de RADAR
- Una fuente de señal en los generadores de microondas
- Oscilador de frecuencia modulada en enlaces de microondas portátiles
- Oscilador de la bomba para amplificadores paramétricos
- Oscilador local en los receptores de microondas
Klystron de dos cavidades
El principio de funcionamiento del Klystron de dos cavidades es el mismo que el del Klystron de reflejos. El diagrama de construcción del klystrón de dos cavidades es como se muestra en la siguiente figura.
Como el nombre sugiere, hay dos cavidades; la primera cavidad es una cavidad del buncher o cavidad de entrada y otra cavidad es la cavidad del receptor o cavidad de salida. Los electrones inyectados desde el cátodo y llegan con velocidad uniforme hasta la cavidad del buncher.
La señal de RF de entrada se da en la cavidad de entrada y la señal de salida se recoge de la cavidad de salida. Hay un hueco en ambas cavidades, estos huecos se conocen como región de interacción de microondas.
En la primera cavidad, la velocidad de los electrones modulados por la señal de RF de entrada presente en la primera cavidad. Esto se llama modulación de velocidad.
Formula el agrupamiento de electrones. Y pasando a través de la cavidad del captador. La modulación de la corriente tiene lugar en la cavidad receptora.
Después de pasar la segunda cavidad, todos los electrones pierden su energía cinética en los campos de microondas. Serán recogidos por colectores debido a la reducción de la velocidad.
Klystron vs. Magnetrón
El Klystron es un tubo de vacío que se utiliza como oscilador y amplificador de señales de microondas. El magnetrón es diferente del tubo klystron. El magnetrón se usa sólo como un oscilador.
En un klystron, el electrón se inyecta normalmente desde el cátodo. Pero en el caso del magnetrón, los electrones se inyectan a la fuerza.
En un klystron, los electrones se mueven linealmente en el tubo y en el magnetrón, los electrones siguen un camino en espiral de cátodo a ánodo.
El klystron se utiliza en transmisores de TV, RADAR y aceleradores de partículas. También se utiliza como un amplificador estable de alta potencia y banda estrecha. El magnetrón se utiliza en los hornos de microondas, que funcionan a 2,45 GHz. También se utiliza para el calentamiento por radiofrecuencia, que funciona a 900 MHz o 2,45 GHz.
Especificaciones del klystron:
- Frecuencia de la operación: 1 a 200 GHz
- Ancho de banda: +/- 30 MHz
- Salida de energía: 10 mW a 2.5 W
- Eficiencia práctica: 10-20%
- Eficiencia teórica: 22.78%
- Rango de sintonía: 5 GHz @ 2W, 30 GHz @ 10mW
Especificación del magnetrón
- Rango de frecuencia: 500 MHz a 12 GHz
- Poder: 600W a 2.45 GHz
- Peak Power: 40MW con un voltaje DC de 50 kV @10 GHz
- Potencia media: 800kW
- Duty Cycle: 0.1%
- Eficiencia: 40 a 70 %.
Diferencia entre dos cavidades de klystron y klystron reflejo
En el klystron de dos cavidades, la cavidad del buncher y la del catcher son diferentes. Pero en el klystron reflejo, sólo hay una cavidad. Y esta cavidad funciona como una cavidad de agrupamiento así como una cavidad de captación.
En el klystrón de dos cavidades, el colector se utiliza para recoger el electrón. Mientras que en el klystron de reflejos, la placa de repulsión se usaba en lugar del colector y se utilizaba para repeler el haz de electrones.
El propósito principal del klystron de dos cavidades es amplificar la señal de microondas. El propósito principal del klystron reflejo es hacer oscilar la señal de microondas.
