La vista en sección transversal del tubo de ondas viajeras incluye: (1) cañón de electrones; (2) entrada de microondas; (3) imán (4) atenuador (5) de microondas; salida; (7) tubo de vacío; (8) colector. El tubo de ondas progresivas se puede dividir estructuralmente en: cañón de electrones, circuito de onda lenta, atenuador concentrado, acoplador de energía, sistema de enfoque y colector. La función del cañón de electrones es formar un haz de electrones que cumpla con los requisitos de diseño. El sistema de enfoque mantiene el haz de electrones en la forma deseada, asegurando que el haz de electrones pase suavemente a través del circuito de onda lenta e interactúe efectivamente con el campo de microondas. Finalmente, el colector recibe el haz de electrones. La señal de microondas que se va a amplificar ingresa al circuito de onda lenta a través del acoplador de energía de entrada y viaja a lo largo del circuito de onda lenta. Los electrones intercambian energía con el campo de microondas viajero, amplificando la señal de microondas. La señal de microondas amplificada se envía a la carga a través del acoplador de energía de salida.
(1) Cañón de electrones:
Un cañón de electrones puede generar un haz de electrones con el tamaño y la corriente requeridos y acelerarlo hasta un píxel ligeramente más rápido que la onda electromagnética que viaja a velocidad lenta. estructura de onda Algunos, con el fin de intercambiar energía con el campo electromagnético para lograr la amplificación. Los cañones de electrones comúnmente utilizados para tubos de ondas progresivas incluyen el cañón de flujo paralelo Pierce, el cañón de convergencia Pierce, el cañón de electrones de alta conductividad, el cañón de electrones controlado positivamente, el cañón de electrones controlado por rejilla, el cañón de electrones controlado por rejilla sin intercepción, el cañón de electrones de bajo ruido, etc.
Los tubos de ondas viajeras que funcionan en modo de pulso pueden utilizar el método de controlar el voltaje catódico para lograr la modulación del haz de electrones, lo que se denomina control catódico. El control negativo requiere un modulador de alta potencia, que es voluminoso, complejo y consume mucha energía. El uso de un ánodo modulado adicional para controlar la inyección de electrones se denomina control de ánodo. La tensión de impulso necesaria para el control solar también es relativamente alta. La instalación de una rejilla de control entre el cátodo y el ánodo forma un cañón de electrones controlado por rejilla. En este caso, sólo se puede utilizar un voltaje de pulso más bajo para controlar la inyección de electrones, reduciendo así el tamaño, el peso y el consumo de energía del modulador.
En un cañón de electrones controlado por red, la red de control intercepta aproximadamente el 10% de la corriente de inyección de electrones. Cuando la potencia de inyección de electrones del tubo de onda progresiva es grande, la potencia disipada por la rejilla de control aumenta, lo que hace que la temperatura de la rejilla aumente, la emisión de electrones de la rejilla aumente, la rejilla se deforme o incluso se queme. Para resolver este problema, se puede utilizar un cañón de electrones controlado por puerta sin intercepción. El cañón de electrones controlado por rejilla libre de intercepciones debe establecer una rejilla de sombra entre la rejilla de control y el cátodo. La rejilla de sombra tiene el mismo potencial que el cátodo y está estructuralmente alineada exactamente con la rejilla de control, de modo que la corriente interceptada. la red de control se reduce a menos de una milésima parte de la corriente total. El uso de cañones de electrones controlados por la red sin interceptación no solo puede aumentar la capacidad de potencia promedio del tubo de ondas progresivas controlado por la red, sino también reducir la potencia del modulador.
(2) Sistema de enfoque
Después de que el haz de electrones sale del cañón de electrones, tiene que pasar a través de una estructura de onda lenta alargada y, para obtener suficiente intercambio de energía, Se espera que el haz de electrones sea lo más grande posible cerca de estructuras de ondas lentas. Los electrones en el haz de electrones están cargados negativamente y la repulsión mutua hará que el haz de electrones diverja rápidamente y golpee la estructura de onda lenta, perdiendo así la oportunidad de transferir energía al campo magnético. Por lo tanto, se necesita un sistema de enfoque magnético para restringir el haz de electrones de modo que pueda pasar suavemente a través de la estructura de onda humana y lograr amplificación. El sistema de enfoque mantiene el haz de electrones en la forma requerida, asegurando que el haz de electrones pase suavemente a través del circuito de onda lenta e interactúe efectivamente con el campo de microondas. Finalmente, el colector recibe el haz de electrones. La señal de microondas que se va a amplificar ingresa al circuito de onda lenta a través del acoplador de energía de entrada y viaja a lo largo del circuito de onda lenta. Los electrones intercambian energía con el campo de microondas viajero, amplificando la señal de microondas. La señal de microondas amplificada se envía a la carga a través del acoplador de energía de salida.
(3) Circuito de onda lenta
Según la teoría de la relatividad, los electrones no pueden acelerarse a la velocidad de la luz. Si no se reduce la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas, las ondas electromagnéticas avanzarán a gran velocidad junto a los electrones. Los electrones se acelerarán en el campo eléctrico positivo y se desacelerarán en el campo eléctrico negativo. El resultado general es que no hay aceleración o desaceleración obvia, es decir, no hay intercambio de energía obvio y, por supuesto, no hay amplificación. Por lo tanto, la velocidad de fase de la onda electromagnética debe reducirse básicamente a la misma velocidad que la velocidad del electrón, de modo que la energía del electrón y la onda electromagnética puedan intercambiar energía por completo y amplificar la señal. La velocidad CC del haz de electrones depende del voltaje de funcionamiento del tubo de ondas progresivas. Cuando el voltaje de trabajo del tubo de onda progresiva es de 2,5 kV, la velocidad de CC de la inyección de electrones es aproximadamente el 10% de la velocidad de la onda electromagnética en el espacio libre (es decir, la velocidad de la luz cuando el voltaje de trabajo es de 50 kV); La velocidad de CC de la inyección de electrones es aproximadamente el 40% de la velocidad de la onda electromagnética en el espacio libre. Para que el haz de electrones interactúe efectivamente con el campo de microondas, la velocidad de fase del campo de microondas debe ser ligeramente menor que la velocidad de CC del haz de electrones. La tarea de la estructura de onda lenta es reducir la velocidad de fase de las ondas electromagnéticas.
Bajo el modo de funcionamiento seleccionado, las principales características y parámetros del circuito de onda lenta incluyen características de dispersión, impedancia de acoplamiento, etc. Las propiedades de dispersión representan la relación entre la velocidad de fase de un campo de microondas que se propaga en un circuito de onda lenta en función de la frecuencia. Para los circuitos de onda lenta utilizados en tubos de ondas viajeras de banda ancha, el cambio en la velocidad de fase con la frecuencia dentro del ancho de banda de frecuencia debe ser lo más pequeño posible, es decir, la dispersión es débil. De esta manera se puede garantizar la sincronización entre el haz de electrones y la velocidad de fase del campo de microondas en todo el ancho de banda de frecuencia. La impedancia de acoplamiento es un parámetro que indica la fuerza de la interacción entre el haz de electrones y el campo de microondas. Cuanto mayor sea la magnitud de la impedancia de acoplamiento, más fuerte será el acoplamiento entre el campo de microondas y el haz de electrones, y más completo será el intercambio de energía entre el haz de electrones y el campo de microondas. Además, en aplicaciones prácticas y producción, también se requiere que los circuitos de onda lenta tengan alta resistencia mecánica, buen rendimiento de disipación de calor, estructura simple y fácil procesamiento.
Existen dos tipos de circuitos de onda lenta comúnmente utilizados en tubos de ondas progresivas: circuitos en espiral y circuitos de cavidad acoplada. Los circuitos en espiral de onda lenta incluyen alambres en espiral, alambres de varilla en bucle, alambres en bucle, etc. La estructura en espiral es simple y la dispersión es débil, por lo que la frecuencia es amplia. La desventaja es que la capacidad de disipación de calor es deficiente y es fácil que se produzca una oscilación de la onda de retorno cuando el voltaje de funcionamiento es alto. Las espirales se utilizan principalmente en tubos de ondas viajeras de banda ancha, potencia pequeña y media. El ancho de banda operativo puede alcanzar más del 100% de la potencia de pulso de los tubos de ondas viajeras en espiral en la banda I (8 a 10 GHz) y la banda J. (10 a 20 GHz) ha alcanzado los 10 KW. En comparación con el alambre en espiral, el alambre de varilla anular tiene una alta impedancia de acoplamiento, una gran capacidad de disipación de calor, buena resistencia mecánica y es menos propenso a la oscilación de onda de retorno, pero tiene una dispersión más fuerte. El voltaje de funcionamiento de la línea de polo anular es de 10 ~ 30 kV, el ancho de banda de frecuencia es de 15% ~ 20% y se usa ampliamente en tubos de ondas viajeras de potencia media. El cable de bucle tiene un mejor rendimiento en la supresión de la oscilación de la onda de retorno y también se ha utilizado.
Los circuitos de onda lenta con cavidad de acoplamiento incluyen circuitos de Hughes, circuitos de trébol, etc. Se caracterizan por una alta resistencia mecánica y una gran capacidad de disipación de calor. Son adecuados para tubos de ondas viajeras de alta potencia, pero su ancho de banda de frecuencia es relativamente estrecho. Usando el tubo de onda viajera del circuito de Hughes, la potencia del pulso varía de 1 a varios cientos de KW, y el ancho de banda de frecuencia es de aproximadamente el 10%. Los tubos de ondas progresivas con potencia de pulso superior a 500 KW utilizan principalmente circuitos de trébol. Además, los circuitos de onda lenta utilizados en los tubos de ondas progresivas incluyen líneas de onda lenta interdigitadas (también utilizadas en tubos de onda de retorno tipo O), líneas en zigzag, líneas Kapp, etc.
(4) Atenuador centralizado
Debe haber una buena adaptación de impedancia entre los acopladores de energía de entrada y salida y el circuito de onda lenta y entre varias partes del circuito de onda lenta. Si la adaptación de impedancia no es buena, provocará la reflexión de la onda electromagnética y la onda reflejada provocará retroalimentación, lo que provocará una oscilación parásita en el tubo de onda viajera. Para evitar oscilaciones, es necesario instalar un atenuador concentrado en una determinada posición del circuito de onda lenta. Los atenuadores concentrados consisten en recubrimientos con pérdidas o láminas cerámicas con pérdidas. En el atenuador concentrado, la onda reflejada se absorbe, lo que puede lograr el propósito de eliminar la retroalimentación y suprimir la vibración. Aunque el campo de microondas que opera en el atenuador concentrado también se atenúa, la modulación de densidad que se ha formado en la inyección de electrones restablecerá el campo de microondas en el siguiente circuito.
(5) Colector
El colector se utiliza para recoger los electrones que han intercambiado energía con el campo electromagnético. Una vez que la inyección de electrones completa la interacción con el campo de microondas, es expulsado del circuito de onda lenta y finalmente golpea el colector. Dado que los electrones todavía tienen una alta velocidad en este momento, se convertirán en calor cuando lleguen al colector. Por lo tanto, la disipación de calor es una cuestión importante en el diseño del colector. Para mejorar la eficiencia, los tubos de ondas progresivas suelen utilizar colectores reductores.