Tubos de microondas

Para aplicaciones de frecuencia extremadamente alta (por encima de 1 GHz), las capacitancias entre electrodos y los retrasos en el tiempo de tránsito de la construcción estándar del tubo de electrones se vuelven prohibitivos. Sin embargo, las formas creativas en las que se pueden construir los tubos parecen no tener fin, y se han realizado varios diseños de tubos de electrones de alta frecuencia para superar estos desafíos.

En 1939 se descubrió que una cavidad toroidal hecha de material conductor llamada resonador de cavidad rodear un haz de electrones de intensidad oscilante podría extraer energía del haz sin realmente interceptar el haz en sí. Los campos eléctricos y magnéticos oscilantes asociados con el haz "hicieron eco" dentro de la cavidad, de una manera similar a los sonidos de los automóviles en movimiento que resuenan en un cañón al borde de la carretera, lo que permite que la energía de radiofrecuencia se transfiera desde el haz a una guía de ondas o cable coaxial conectado al resonador con un bucle de acoplamiento. El tubo se llamó tubo de salida inductivo o IOT :

Dos de los investigadores que contribuyeron al desarrollo inicial del IOT, un par de hermanos llamados Sigurd y Russell Varian, agregaron un segundo resonador de cavidad para la entrada de señal al tubo de salida inductivo. Este resonador de entrada actuó como un par de rejillas inductivas para "agrupar" y liberar paquetes de electrones por el espacio de deriva del tubo, por lo que el haz de electrones estaría compuesto por electrones que viajan a diferentes velocidades. Esta "modulación de velocidad" del haz se tradujo en el mismo tipo de variación de amplitud en el resonador de salida, donde se extraía energía del haz. Los hermanos Varian llamaron a su invento un klystron .

Otro invento de los hermanos Varian fue el klystron reflejo tubo. En este tubo, los electrones emitidos por el cátodo calentado viajan a través de las rejillas de la cavidad hacia la placa repelente, luego son repelidos y regresan por donde vinieron (de ahí el nombre reflejo ) a través de las rejillas de la cavidad. Se desarrollarían oscilaciones autosostenidas en este tubo, cuya frecuencia podría cambiarse ajustando el voltaje del repelente. Por lo tanto, este tubo funcionó como un oscilador controlado por voltaje.

Como oscilador controlado por voltaje, los tubos reflejos de klistrón servían comúnmente como "osciladores locales" para equipos de radar y receptores de microondas:

Desarrollado inicialmente como dispositivos de baja potencia cuya salida requería una mayor amplificación para el uso de transmisores de radio, el diseño de klystron réflex se refinó hasta el punto en que los tubos podían servir como dispositivos de potencia por derecho propio. Desde entonces, los klistrones reflejos han sido reemplazados por dispositivos semiconductores en la aplicación de osciladores locales, pero los klistrones de amplificación continúan encontrando uso en transmisores de radio de alta potencia y alta frecuencia y en aplicaciones de investigación científica.

Un tubo de microondas realiza su tarea tan bien y de forma tan rentable que sigue reinando en el ámbito competitivo de la electrónica de consumo:el tubo de magnetrón. Este dispositivo forma el corazón de cada horno de microondas, generando varios cientos de vatios de energía de RF de microondas que se utiliza para calentar alimentos y bebidas, y lo hace en las condiciones más extenuantes para un tubo:encendido y apagado en momentos aleatorios y por duraciones aleatorias.

Los tubos de magnetrón son representativos de un tipo de tubo completamente diferente al IOT y al klystron. Mientras que los últimos tubos utilizan un haz de electrones lineal, el magnetrón dirige su haz de electrones en un patrón circular por medio de un fuerte campo magnético:

Una vez más, los resonadores de cavidad se utilizan como "circuitos de tanque" de frecuencia de microondas, extrayendo energía del haz de electrones que pasa de manera inductiva. Como todos los dispositivos de frecuencia de microondas que utilizan un resonador de cavidad, al menos una de las cavidades del resonador se golpea con un bucle de acoplamiento :un bucle de alambre que acopla magnéticamente el cable coaxial a la estructura resonante de la cavidad, lo que permite que la potencia de RF se dirija fuera del tubo hacia una carga. En el caso del horno de microondas, la potencia de salida se dirige a través de una guía de ondas a la comida o bebida que se va a calentar, las moléculas de agua que se encuentran dentro actúan como pequeñas resistencias de carga, disipando la energía eléctrica en forma de calor.

El imán necesario para el funcionamiento del magnetrón no se muestra en el diagrama. El flujo magnético corre perpendicular al plano de la trayectoria circular del electrón. En otras palabras, desde la vista del tubo que se muestra en el diagrama, está mirando directamente a uno de los polos magnéticos.