Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS
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¿Qué es un tubo Klystron?
Un Klystron (también conocido como Klystron Tube o Klystron Amplifier ) es un tubo de vacío que se utiliza para oscilar y amplificar señales de frecuencia de microondas. Fue inventado por los ingenieros eléctricos estadounidenses Russell y Sigurd Varian.
Un klystron utiliza la energía cinética de un haz de electrones. Generalmente, los klistrones de baja potencia se utilizan como osciladores y los klistrones de alta potencia se utilizan como tubos de salida en UHF.
Hay dos configuraciones para un klystron de baja potencia. Uno es un oscilador de microondas de baja potencia (Reflex Klystron) y el segundo es un amplificador de microondas de baja potencia (Two Cavity Klystron o Multi Cavity Klystron).
¿Qué es un oscilador Reflex Klystron?
Antes de responder a esta pregunta, necesitamos saber cómo se generan las oscilaciones . Para generar las oscilaciones, necesitamos dar una retroalimentación positiva de la salida a la entrada. Con la restricción de que la ganancia del bucle sea la unidad.
Para un klystron, las oscilaciones se generarán si una parte de la salida se usa como retroalimentación a la cavidad de entrada y mantiene la unidad de magnitud de ganancia de bucle. El cambio de fase de la ruta de retroalimentación es un ciclo (2π) o múltiples ciclos (múltiplo de 2π).
Construcción de Reflex Klystron
El haz de electrones se inyecta desde el cátodo. Luego hay un ánodo, conocido como ánodo de enfoque o ánodo de aceleración . Este ánodo se utiliza para reducir el haz de electrones. El ánodo está conectado con la polaridad positiva de la fuente de voltaje CC.
El klistrón reflejo tiene solo una cavidad, que se coloca al lado del ánodo. Esta cavidad funciona como una cavidad agrupadora para los electrones que se mueven hacia adelante y una cavidad receptora para los electrones que se mueven hacia atrás.
La velocidad y la modulación de la corriente tienen lugar en el hueco de la cavidad. El espacio es igual a la distancia ‘d’.
La placa repelente está conectada con la polaridad negativa de la fuente de voltaje Vr.
Principio de funcionamiento de Reflex Klystron
Reflex Klystron funciona según el principio de velocidad y modulación de corriente.
El haz de electrones se inyecta desde el cátodo. El haz de electrones atraviesa el ánodo de aceleración. El electrón se mueve en el tubo con velocidad uniforme hasta llegar a la cavidad.
La velocidad de los electrones se modula en el espacio de la cavidad y estos electrones intentan alcanzar el repelente.
El repelente está conectado con la polaridad negativa de una fuente de voltaje. Por tanto, debido a la misma polaridad, se opone a la fuerza de los electrones.
La energía cinética de los electrones disminuye en el espacio del repelente y en algún momento será cero. Después de eso, el electrón retrocede hacia la cavidad. Y en el viaje de regreso, todos los electrones se agruparon en un punto.
Habrá modulación de corriente debido a la formación de 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 del electrón debe tener lugar en el centro del espacio 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 velocidad uniforme. Luego, los electrones pasan a través del espacio de la cavidad. La velocidad de los electrones varía según el voltaje del espacio entre cavidades.
Si el voltaje del espacio entre cavidades es positivo, el electrón se acelerará y si el voltaje del espacio entre cavidades es negativo, el electrón se desacelerará. Si el voltaje es cero, la velocidad de los electrones no cambiará.
Cuando los electrones salen del espacio de la cavidad, todos los electrones tienen velocidades diferentes y estos electrones viajarán en el espacio repelente.
Estos electrones recorren la distancia de acuerdo con la velocidad. Cuanto mayor sea la velocidad, el electrón viajará más distancia y menor la velocidad, el electrón viajará menos distancia en el espacio del repelente.
Todos estos electrones volverán a la cavidad y se agruparán en el centro del espacio 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 Apple-gate es un gráfico entre la distancia desde el espacio de la cavidad y el tiempo que tarda el electrón en el espacio del repelente.
Los diferentes electrones siguen diferentes caminos dependiendo de sus velocidades. La velocidad de los electrones depende del voltaje del espacio entre cavidades.
Tomemos el ejemplo de tres electrones. El electrón de referencia (e 0 ) entra en el espacio de la cavidad cuando el voltaje del espacio de la cavidad es cero. Por tanto, la velocidad no cambiará. Recorre la distancia L 0 en el espacio del repelente y retrocede hacia la cavidad. Debido a que la placa repelente es altamente negativa y se opondrá a la energía cinética de un electrón.
El electrón entra antes de e 0 , este electrón se conoce como un electrón temprano (e e ). Este electrón entra en el espacio de la cavidad cuando el voltaje del espacio de la cavidad es positivo. Por tanto, aumentará la velocidad del electrón. Recorrerá la distancia L e y retrocederá hasta la cavidad.
El electrón entra después de e 0 , este electrón se conoce como electrón tardío (e l ). Este electrón entra en el espacio de la cavidad cuando el voltaje del espacio de la cavidad es negativo. Por lo tanto, la velocidad de los electrones disminuirá. Viajará L l distancia y retrocederá hasta la cavidad.
El siguiente gráfico ayuda a explicar este proceso:
El tiempo total que se necesita desde el espacio de la cavidad hasta el espacio del repelente y el espacio del repelente hasta el espacio de la cavidad es el mismo para todos los electrones. Y ese tiempo es T d .
En el momento T d, todos los electrones se agruparon en el centro del espacio de la cavidad. Y así es como ocurre el proceso de agrupamiento en el tubo de klystron.
Aplicaciones de Reflex Klystron
Las aplicaciones de Reflex Klystron incluyen:
- Receptor de radio y RADAR
- Una fuente de señal en generadores de microondas.
- Oscilador de frecuencia modulada en enlaces de microondas portátiles
- Oscilador de bomba para amplificadores paramétricos
- Oscilador local en receptores de microondas
Klystron de dos cavidades
El principio de funcionamiento del Two Cavity Klystron es el mismo que el del Reflex Klystron. El diagrama de construcción del klystron de dos cavidades es como se muestra en la siguiente figura.
Como sugiere el nombre, hay dos cavidades; la primera cavidad es una cavidad de apilamiento o cavidad de entrada y otra cavidad es la cavidad de captura o cavidad de salida . Los electrones se inyectan desde el cátodo y alcanzan con velocidad uniforme hasta la cavidad del acumulador.
La señal de RF de entrada se da en la cavidad de entrada y la señal de salida se recoge en la cavidad de salida. Hay un espacio en ambas cavidades, estos espacios se conocen como región de interacción de microondas .
En la primera cavidad, la velocidad de los electrones modulada por la señal de RF de entrada presente en la primera cavidad. Esto se llama modulación de velocidad .
Formula la agrupación de electrones. Y pasando por la cavidad del receptor. La modulación de corriente tiene lugar en la cavidad del receptor.
Después de pasar la segunda cavidad, todos los electrones pierden su energía cinética a los campos de microondas. Serán recolectados por recolectores debido a la reducción de velocidad.
Klystron vs Magnetron
El Klystron es un tubo de vacío que se utiliza como oscilador y amplificador de señales de microondas. El magnetrón es diferente del tubo de klistrón. El magnetrón se usa solo como oscilador.
En un klystron, el electrón se inyecta normalmente desde el cátodo. Pero en el caso del magnetrón, los electrones se inyectan con fuerza.
En un klistrón, los electrones se mueven linealmente en el tubo y en el magnetrón, los electrones siguen un camino en espiral desde el cátodo al ánodo.
El klystron se utiliza en transmisores de TV, RADAR y aceleradores de partículas. También se utiliza como amplificador estable de banda estrecha de alta potencia. El magnetrón utilizado en los hornos microondas, opera a 2,45 GHz. También se utiliza para calentamiento de RF, operando a 900 MHz o 2,45 GHz.
Especificaciones de Klystron :
- Frecuencia de operación: 1 a 200 GHz
- Ancho de banda: +/- 30 MHz
- Potencia de salida: 10 mW a 2,5 W
- Eficiencia práctica: 10-20%
- Eficiencia teórica: 22,78%
- Rango de sintonización: 5 GHz a 2 W, 30 GHz a 10 mW
Especificación de magnetrón
- Rango de frecuencia: 500 MHz a 12 GHz
- Potencia: 600 W a 2,45 GHz
- Potencia máxima: 40 MW con voltaje de CC de 50 kV a 10 GHz
- Potencia media: 800kW
- Ciclo de trabajo: 0,1%
- Eficiencia: 40 a 70%
Diferencia entre Two Cavity Klystron y Reflex Klystron
En el klystron de dos cavidades, la cavidad del apilador y la cavidad del recolector son diferentes. Pero en el klystron reflejo, solo hay una cavidad. Y esta cavidad funciona como una cavidad de apilamiento y también como una cavidad de recolección.
En el klistrón de dos cavidades, el colector solía recolectar el electrón. Mientras que en el klystron reflejo, la placa repelente se usa en lugar del colector y se usa para repeler el haz de electrones.
El objetivo principal del klistrón de dos cavidades es amplificar la señal de microondas. El objetivo principal del klistrón reflejo es hacer oscilar la señal de microondas.
