Трубки для СВЧ

Для приложений с очень высокими частотами (выше 1 ГГц) межэлектродные емкости и задержки времени прохождения стандартной конструкции электронной лампы становятся недопустимыми. Однако, похоже, нет конца творческим способам изготовления ламп, и для решения этих проблем было разработано несколько конструкций высокочастотных электронных ламп.

В 1939 году было обнаружено, что тороидальная полость, сделанная из проводящего материала, называется полостным резонатором . окружение электронного луча колеблющейся интенсивности могло бы извлекать энергию из луча, фактически не перекрывая сам луч. Колеблющиеся электрические и магнитные поля, связанные с лучом, «отражаются» внутри полости, подобно звукам проезжающих автомобилей, эхом отражающихся в придорожном каньоне, позволяя передавать радиочастотную энергию от луча к волноводу или коаксиальному кабелю. подключен к резонатору с помощью петли связи. Трубка была названа индуктивной выходной трубкой . , или IOT :

Два исследователя, способствовавшие первоначальной разработке IOT, пара братьев по имени Сигурд и Рассел Вариан, добавили второй объемный резонатор для ввода сигнала в индуктивную выходную лампу. Этот входной резонатор действовал как пара индукционных решеток, поочередно «группируя» и выпуская пакеты электронов в дрейфовое пространство трубки, так что электронный пучок будет состоять из электронов, движущихся с разными скоростями. Эта «модуляция скорости» луча трансформировалась в такое же изменение амплитуды в выходном резонаторе, где из луча отбиралась энергия. Братья Вариан назвали свое изобретение клистроном .

Еще одним изобретением братьев Вариан стал рефлекторный клистрон . трубка. В этой трубке электроны, испускаемые нагретым катодом, проходят через решетку резонатора к пластине отражателя, затем отталкиваются и возвращаются обратно тем же путем, которым пришли (отсюда и название рефлекс ) через решетки резонатора. В этой трубке будут развиваться самоподдерживающиеся колебания, частоту которых можно будет изменять, регулируя напряжение отражателя. Следовательно, эта лампа работала как генератор, управляемый напряжением.

В качестве генератора, управляемого напряжением, рефлекторные клистронные трубки обычно служили «гетеродинами» для радиолокационного оборудования и микроволновых приемников:

Изначально разработанные как маломощные устройства, выход которых требовал дальнейшего усиления для использования в радиопередатчиках, конструкция рефлекторного клистрона была усовершенствована до такой степени, что лампы могли служить самостоятельными устройствами питания. С тех пор рефлекторные клистроны были вытеснены полупроводниковыми приборами в качестве гетеродинов, но усиливающие клистроны продолжают находить применение в мощных высокочастотных радиопередатчиках и в научных исследованиях.

Одна микроволновая лампа выполняет свою задачу настолько хорошо и с такой рентабельностью, что продолжает доминировать в конкурентной сфере потребительской электроники:магнетронная лампа. Это устройство составляет основу каждой микроволновой печи, генерируя несколько сотен ватт микроволновой радиочастотной энергии, используемой для нагрева еды и напитков, и делает это в самых изнурительных условиях для лампы:включение и выключение в случайное время и на случайные промежутки времени.

Магнетронные трубки представляют собой трубки совершенно другого типа, чем IOT и клистрон. В то время как в последних трубках используется линейный электронный пучок, магнетрон направляет свой электронный пучок по круговой диаграмме с помощью сильного магнитного поля:

И снова объемные резонаторы используются в качестве «резервуарных контуров» на сверхвысоких частотах, индуктивно извлекающих энергию из проходящего электронного луча. Как и во всех СВЧ-устройствах, использующих объемный резонатор, по крайней мере одна из полостей резонатора перекрывается с помощью петли связи . :проволочная петля, магнитно соединяющая коаксиальный кабель с резонансной структурой резонатора, позволяя направлять ВЧ-мощность из трубки на нагрузку. В случае микроволновой печи выходная мощность направляется через волновод к нагреваемой еде или напитку, а молекулы воды внутри действуют как крошечные нагрузочные резисторы, рассеивая электрическую энергию в виде тепла.

Магнит, необходимый для работы магнетрона, на схеме не показан. Магнитный поток проходит перпендикулярно плоскости кругового пути электрона. Другими словами, если смотреть на трубку, показанную на схеме, вы смотрите прямо на один из магнитных полюсов.