Tubos de microondas

Para aplicações de frequência extremamente alta (acima de 1 GHz), as capacitâncias entre os eletrodos e os atrasos de tempo de trânsito da construção de tubo de elétrons padrão tornam-se proibitivos. No entanto, parece não haver fim para as formas criativas em que os tubos podem ser construídos, e vários projetos de tubos de elétrons de alta frequência foram feitos para superar esses desafios.

Foi descoberto em 1939 que uma cavidade toroidal feita de material condutor, chamada de ressonador de cavidade cercar um feixe de elétrons de intensidade oscilante poderia extrair energia do feixe sem realmente interceptar o próprio feixe. Os campos elétricos e magnéticos oscilantes associados ao feixe "ecoaram" dentro da cavidade, de maneira semelhante aos sons de automóveis em viagem ecoando em um desfiladeiro à beira da estrada, permitindo que a energia de radiofrequência seja transferida do feixe para um guia de ondas ou cabo coaxial conectado ao ressonador com um laço de acoplamento. O tubo foi chamado de tubo de saída indutivo , ou IOT :



Dois dos pesquisadores instrumentais no desenvolvimento inicial do IOT, um par de irmãos chamados Sigurd e Russel Varian, adicionou um segundo ressonador de cavidade para entrada de sinal para o tubo de saída indutiva. Este ressonador de entrada agia como um par de grades indutivas para alternadamente “agrupar” e liberar pacotes de elétrons no espaço de deriva do tubo, de modo que o feixe de elétrons seria composto de elétrons viajando em velocidades diferentes. Essa “modulação de velocidade” do feixe se traduziu no mesmo tipo de variação de amplitude no ressonador de saída, de onde a energia foi extraída do feixe. Os irmãos Varian chamaram sua invenção de klystron .



Outra invenção dos irmãos Varian foi o klystron reflexo tubo. Neste tubo, os elétrons emitidos a partir do cátodo aquecido viajam através das grades da cavidade em direção à placa repelente, então são repelidos e retornados de volta pelo caminho de onde vieram (daí o nome reflexo ) através das grades da cavidade. As oscilações autossustentáveis ​​se desenvolveriam neste tubo, a frequência das quais poderia ser alterada ajustando a tensão do repelente. Conseqüentemente, esse tubo funcionava como um oscilador controlado por voltagem.



Como um oscilador controlado por tensão, os tubos de klystron reflex serviam comumente como "osciladores locais" para equipamentos de radar e receptores de micro-ondas:



Inicialmente desenvolvido como dispositivos de baixa potência, cuja saída exigia amplificação adicional para uso de transmissor de rádio, o design do klystron reflexo foi refinado a ponto de os tubos poderem servir como dispositivos de potência por conta própria. Os klystrons reflexos foram substituídos por dispositivos semicondutores na aplicação de osciladores locais, mas os klystrons de amplificação continuam a ser usados ​​em transmissores de rádio de alta potência e alta frequência e em aplicações de pesquisa científica.

Um tubo de micro-ondas desempenha sua tarefa tão bem e de forma econômica que continua a reinar supremo no reino competitivo de produtos eletrônicos de consumo:o tubo magnetron. Este dispositivo forma o coração de cada forno de micro-ondas, gerando várias centenas de watts de energia de RF de micro-ondas usada para aquecer alimentos e bebidas, e fazendo isso nas condições mais extenuantes para um tubo:ligado e desligado em horários aleatórios e por períodos aleatórios.

Os tubos magnetron são representativos de um tipo de tubo totalmente diferente do IOT e do clístron. Enquanto os últimos tubos usam um feixe de elétrons linear, o magnetron direciona seu feixe de elétrons em um padrão circular por meio de um forte campo magnético:



Mais uma vez, os ressonadores de cavidade são usados ​​como "circuitos tanque" de frequência de micro-ondas, extraindo energia do feixe de elétrons de passagem indutivamente. Como todos os dispositivos de frequência de micro-ondas que usam um ressonador de cavidade, pelo menos uma das cavidades do ressonador é tocada com um laço de acoplamento :um laço de fio que acopla magneticamente o cabo coaxial à estrutura ressonante da cavidade, permitindo que a energia de RF seja direcionada para fora do tubo para uma carga. No caso do forno de micro-ondas, a potência de saída é direcionada por meio de um guia de ondas para o alimento ou bebida a ser aquecido, as moléculas de água atuando como minúsculas resistências de carga, dissipando a energia elétrica na forma de calor.

O ímã necessário para a operação do magnetron não é mostrado no diagrama. O fluxo magnético é perpendicular ao plano do caminho circular do elétron. Em outras palavras, da vista do tubo mostrado no diagrama, você está olhando diretamente para um dos pólos magnéticos.