Noções básicas de radar

O que é um magnetron?

Magnetron

Magnetron

O magnetron é um tubo de vácuo de alta potência que funciona como um oscilador de microondas auto-excitado. Campos magnéticos e de elétrons cruzados são usados no magnetron para produzir a saída de alta potência necessária em equipamentos de radar. Esses dispositivos de várias cavidades podem ser usados em transmissores de radar como osciladores pulsados ou CW em frequências que variam de aproximadamente 600 a 95 000 megahertz.[1] A construção relativamente simples tem a desvantagem de que o Magnetron geralmente só pode funcionar em uma frequência construtivamente fixa.

Construção física de um magnetron

O magnetron é classificado como um diodo porque não possui grade. O ânodo de um magnetron é fabricado em um bloco cilíndrico de cobre sólido. O cátodo e o filamento estão no centro do tubo e são suportados pelos fios do filamento. Os fios do filamento são grandes e rígidos o suficiente para manter o cátodo e a estrutura do filamento fixos na posição. O cátodo é diretamente aquecido e é construído com um material de alta emissão. Os 8 a 20 orifícios cilíndricos ao redor de sua circunferência são cavidades ressonantes. Uma fenda estreita corre de cada cavidade para a porção central do tubo, dividindo a estrutura interna em tantos segmentos quanto existem cavidades. Cada cavidade funciona como um circuito ressonante paralelo. Como representado na Figura 3 pelo análogo de baixa frequência, a parede traseira da estrutura do bloco anódico pode ser considerada como a porção indutiva (uma bobina com uma única volta). A região da ponta da palheta pode ser considerada como a porção do capacitor do circuito ressonante paralelo equivalente. A frequência ressonante de uma cavidade de microondas é assim determinada pela dimensão física do ressonador. Se uma única cavidade ressonante oscilar, ela excitará a próxima a oscilar também. Este oscila com um atraso de fase de 180 graus e excita a próxima cavidade ressonante, e assim por diante. De uma cavidade ressonante para a próxima sempre ocorre esse atraso de 180 graus. A cadeia de ressonadores forma assim uma estrutura de ondas lentas que é independente. Devido a essa estrutura de ondas lentas, esse design também é chamado de „Magnetron de onda de múltiplas cavidades“ (Multi-cavity Traveling Wave Magnetron) em algumas publicações.

O cátodo de um magnetron fornece os elétrons através dos quais o mecanismo de transferência de energia é realizado. O cátodo está localizado no centro do ânodo e é constituído por um cilindro oco de material emissivo (principalmente óxido de bário) ao redor de um aquecedor. Os fios de alimentação do filamento devem centralizar todo o cátodo. Qualquer excentricidade entre o ânodo e o cátodo pode causar arco interno grave ou mau funcionamento.

O espaço aberto entre o bloco anódico e o cátodo é chamado de espaço de interação. Nesse espaço, os campos elétrico e magnético interagem para exercer força sobre os elétrons. O campo magnético é geralmente fornecido por um forte ímã permanente montado ao redor do magnetron, de modo que o campo magnético fique paralelo ao eixo do cátodo.

Geralmente consiste em um número par de cavidades de microondas dispostas de maneira radial. A forma das cavidades varia, mostrada na Figura 4.

1. tipo slot
2. tipo palheta
3. tipo sol nascente
4. tipo furo e ranhura

O tipo de ranhura, o tipo de furo e ranhura e o tipo de elevação geralmente são usinados por métodos de fresagem a partir de material de cobre sólido. Mas pode ser difícil cortar metal macio (como cobre) em um torno. Portanto, o tipo de palheta é geralmente composto de palhetas individuais montadas e soldadas em um anel de suporte. O comportamento da ressonância já pode ser testado e calibrado em laboratório antes da instalação do bloco anódico no tubo de vácuo. O condutor de saída é geralmente uma sonda ou um loop que se estende para uma das cavidades ressonantes e acoplado a um guia de ondas ou a linha coaxial.

Como os magnétrons funcionam?

Operação Básica Magnetron

Como em todos os tubos modulados em velocidade, a geração de frequências de microondas em um magnetron pode ser subdividida em quatro fases:

1. Fase: Geração e aceleração de um feixe de elétrons em um campo dc
2. Fase: modulação de velocidade do feixe de elétrons em um campo de corrente alternada
3. Fase: Formação de cachos de elétrons por modulação de velocidade (aqui na forma de uma „Roda de Carga Espacial“)
4. Fase: Dispensação de energia para o campo ac

1. Fase: Geração e aceleração de um feixe de elétrons em um campo dc

Como o cátodo é mantido em uma tensão negativa, o campo elétrico estático está na direção radial do bloco de ânodo (aterrado) para o cátodo. Quando não existe campo magnético, o aquecimento do cátodo resulta em um movimento uniforme e direto do elétron do cátodo para o bloco do ânodo (o caminho azul na Figura 6). Um campo magnético permanente fraco B perpendicular ao campo elétrico curva o caminho do elétron como mostrado no caminho verde da Figura 6. Se o fluxo de elétrons atingir o ânodo, uma grande quantidade de corrente da placa estará fluindo. Se a força do campo magnético for aumentada, o caminho do elétron terá uma inclinação mais acentuada. Da mesma forma, se a velocidade do elétron aumenta, o campo ao seu redor aumenta e o caminho se curva mais acentuadamente. No entanto, quando o valor crítico do campo é atingido, como mostra a Figura 6 como um caminho vermelho, os elétrons são desviados da placa e a corrente da placa cai rapidamente para um valor muito pequeno. Quando a intensidade do campo é ainda maior, a corrente da placa cai para zero.

Esses valores da tensão do ânodo e da força do campo magnético que impedem a corrente do ânodo são chamados de campo magnético e tensão de corte do casco. Quando o magnetron é ajustado ao valor de corte ou crítico da corrente da placa e os elétrons simplesmente não conseguem alcançar a placa em seu movimento circular, ele pode produzir oscilações nas frequências de microondas.

2. Fase: Modulação de velocidade do feixe de elétrons

O campo elétrico no oscilador magnetron é um resumo dos campos AC e DC. O campo DC se estende radialmente dos segmentos adjacentes do ânodo ao cátodo. Os campos AC, estendendo-se entre segmentos adjacentes, são mostrados em um instante da magnitude máxima de uma alternância das oscilações de RF que ocorrem nas cavidades.

Na Figura 7 é mostrado apenas o campo AC elétrico de alta frequência assumido. Este campo de AC funciona além do campo de DC permanentemente disponível. O campo AC de cada cavidade individual aumenta ou diminui o campo DC, como mostrado na Figura 7.

Bem, os elétrons que voam em direção aos segmentos de ânodo carregados no momento mais positivamente também são acelerados. Estes obtêm uma velocidade tangencial mais alta. Por outro lado, os elétrons que voam em direção aos segmentos carregados no momento mais negativo são mais lentos. Estes obtêm consequentemente uma velocidade tangencial menor.

3. Fase: Formação de uma „roda de carga espacial“

Em razão das diferentes velocidades dos grupos de elétrons, a modulação de velocidade leva a uma modulação de densidade.

A ação cumulativa de muitos elétrons retornando ao cátodo enquanto outros estão se movendo em direção ao ânodo forma um padrão semelhante aos raios em movimento de uma roda conhecida como „Roda de Carga Espacial“, como indicado na Figura 8. A roda de carga espacial gira em torno de o cátodo a uma velocidade angular de 2 pólos (segmentos de ânodo) por ciclo do campo AC. Essa relação de fase permite que a concentração de elétrons forneça energia continuamente para sustentar as oscilações de RF.

Um dos raios fica perto de um segmento de ânodo, carregado um pouco mais negativamente. Os elétrons são mais lentos e passam sua energia para o campo AC. Esse estado não é estático, porque o campo AC e a roda de arame circulam permanentemente. A velocidade tangencial dos raios de elétrons e a velocidade do ciclo da onda devem ser trazidas de acordo.

4. Fase: Dispensação de energia para o campo de corrente alternada

Lembre-se de que um elétron que se move em um campo E é acelerado pelo campo e retira energia do campo. Além disso, um elétron distribui energia para um campo e diminui a velocidade se estiver se movendo na mesma direção que o campo (positivo para negativo). O elétron gasta energia para cada cavidade à medida que passa e, eventualmente, atinge o ânodo quando sua energia é gasta. Assim, o elétron ajudou a sustentar as oscilações porque retirou energia do campo DC e a deu ao campo AC. Este elétron descreve o caminho mostrado na Figura 6 durante um período de tempo mais longo. Devido às múltiplas desacelerações do elétron, sua energia é otimamente utilizada e são alcançadas eficiências de até 80%.

Oscilação transitória

Depois de mudar a tensão do ânodo, ainda não há campo de RF. O elétron único se move sob a influência do campo elétrico estático da tensão do ânodo e o efeito do campo magnético, como mostra a Figura 6, pelo caminho do elétron vermelho. Os elétrons são portadores de carga: durante o sobrevoo de uma lacuna, eles emitem uma pequena parte da energia para as cavidades. (Semelhante a uma flauta: uma flauta produz som quando uma corrente de ar passa pela borda de um buraco.) O ressonador de cavidade começa a oscilar na sua frequência ressonante natural. Imediatamente começa a interação entre este campo de RF (com uma baixa potência inicial) e o feixe de elétrons. Os elétrons são adicionalmente influenciados pelo campo alternado. Inicia o processo descrito na sequência das fases 1 a 4 da interação entre o campo de RF e os elétrons agora modulados em velocidade.

Infelizmente, a oscilação transitória não começa com uma fase previsível. Cada oscilação transitória ocorre com uma fase aleatória. Os pulsos de transmissão gerados por um magnetron não são, portanto, coerentes.

No entanto, é possível obter coerência de fase, se o magnetron for alimentado com um sinal de escorva contínuo de um oscilador coerente.[2]

Modos de oscilação

A frequência de operação depende dos tamanhos das cavidades e do espaço de interação entre o ânodo e o cátodo. Mas as cavidades únicas são acopladas sobre o espaço de interação entre si. Portanto, existem várias frequências ressonantes para o sistema completo. Duas das quatro formas de onda possíveis de um magnetron com 12 cavidades estão representadas na Figura 10. Vários outros modos de oscilação são possíveis (modo ¾π, ½π, ¼π), mas um magnetron operando no modo π tem uma potência de saída mais alta e é mais comumente usado.

A Figura 9 mostra três dos quatro modos de oscilação possíveis de um magnetron de 12 ressonadores. Ao operar o magnetron em um dos outros modos (¾π, ½π, ¼π), a potência ou a eficiência e a frequência de oscilação diminuem.

Para garantir que uma condição operacional estável possa ser definida no modo π ideal, são possíveis duas medidas construtivas:

• Anéis Sólidos:
  A frequência do modo π é separada da frequência dos outros modos por tiras para garantir que os segmentos alternativos tenham polaridades idênticas. Para o modo π, todas as partes de cada anel de amarração têm o mesmo potencial; mas os dois anéis têm potenciais alternadamente opostos. Para outros modos, no entanto, existe uma diferença de fase entre os segmentos sucessivos conectados a um determinado anel de amarração que faz com que a corrente flua nas correias.
   
• Uso de cavidades com diferentes frequências de ressonância por exemplo. essa variante é a forma de ânodo „Sol Nascente“.

Métodos de acoplamento Magnetron

A energia (rf) pode ser removida de um magnetron por meio de um loop de acoplamento, como mostrado na Figura 10, no ressonador inferior. Em frequências inferiores a 10 000 megahertz, o loop de acoplamento é feito dobrando o condutor interno de uma linha coaxial em um loop. O loop é então soldado ao final do condutor externo para que ele se projete na cavidade, como mostra a Figura 11 também. A localização do loop no final da cavidade, como mostrado na Figura 12, faz com que o magnetron obtenha captação suficiente em frequências mais altas.

O método do loop alimentado por segmento é mostrado na Figura 13. O loop intercepta as linhas magnéticas que passam entre as cavidades. O método do loop alimentado por correia, Figura 14, intercepta a energia entre a correia e o segmento. No lado de saída, a linha coaxial alimenta outra linha coaxial diretamente ou alimenta um guia de ondas através de uma junta de estrangulamento. A vedação a vácuo no condutor interno ajuda a apoiar a linha. O acoplamento de abertura ou ranhura é ilustrado na Figura 15. A energia é acoplada diretamente a um guia de ondas através de uma íris (feita de vidro ou cerâmica).

Diferentes métodos de acoplamento magnetron

Figura 11: Loop de acoplamento em um ressonador

Figura 12: Loop de acoplamento no final do ressonador

Figura 13: Loop alimentado por segmento

Figura 14: Loop alimentado por correia

Figura 15: Acoplamento de abertura (ou acoplamento de slot)

Ajuste de Magnetron

Um magnetron sintonizável permite que o sistema seja operado em uma frequência precisa em qualquer lugar dentro de uma faixa de frequências, conforme determinado pelas características do magnetron. A frequência ressonante de um magnetron pode ser alterada variando a indutância ou capacitância das cavidades ressonantes.

ânodo

quadro sintonizador

elementos de
afinação
indutivos
adicionais

Figura 16: Ajuste indutivo do magnetron

 

ânodo

quadro sintonizador

elementos de
afinação
indutivos
adicionais

Figura 16: Ajuste indutivo do magnetron

Figura 17: Cavidades ressonantes de um magnetrão do tipo furo e ranhura com elementos de afinação indutiva

acoplamento
ciclo

linhas de alimentação do filamento

Figura 17: Cavidades ressonantes de um magnetrão do tipo furo e ranhura com elementos de afinação indutiva

Um exemplo de um magnetron ajustável é o M5114B usado pelo ATC-Radar ASR-910. Para reduzir interferências mútuas, o ASR-910 pode funcionar em diferentes frequências atribuídas. A frequência do transmissor deve ser sintonizada, portanto. Este magnetron é fornecido com um mecanismo para ajustar exatamente a frequência de transmissão do ASR-910.

A Figura 17 mostra os elementos de ajuste indutivo do TH3123 Magnetron usado no radar ATC Thomson ER713S. Observe que a cavidade ressonante adjacente às linhas de suprimento do filamento e a cavidade do loop de acoplamento não são ajustáveis!

Figura 18: Magnetron M5114B do radar ATC ASR-910

Figura 19: Magnetron VMX1090 do radar PAR-80 Esse magnetron é equipado até com os ímãs permanentes necessários para o trabalho.

Limite superior de frequência

Fontes sérias afirmam que o limite de frequência superior para o uso de magnetrons para gerar energia é de cerca de 95 GHz.[1] Outras fontes nomeiam frequências muito mais altas, mas infelizmente sem as informações de onde obtêm esses números.

Um ressonador de cavidade em um magnetron deve ter as dimensões de cerca da metade do comprimento de onda da oscilação a ser gerada. A 96 GHz, o comprimento de onda está na faixa de 3,125 mm. O orifício deve, portanto, ter um diâmetro de cerca de 1,5 mm. No entanto, a precisão deve estar bem abaixo de 5%, porque todos os ressonadores de cavidade devem ter a mesma frequência ressonante, para que a oscilação seja amplificada. Portanto, já temos uma precisão mecânica necessária de alguns centésimos de milímetro. Talvez viável até agora.

Mas se for reivindicada uma frequência ressonante de 300 ou mesmo 400 GHz, as dimensões exigidas dos ressonadores de cavidade estarão na faixa de décimos de milímetro para uma ressonância. A precisão necessária teria que estar na faixa de alguns milésimos de milímetro. Mesmo se alguém pudesse imaginar esses desafios mecânicos para um instrumento de laboratório, ele falha porque essas pequenas distâncias de décimos de milímetro não permitem mais uma alta tensão do ânodo. Em vez de uma oscilação de alta frequência, existe uma centelha como com uma vela de ignição. Essas considerações tornam esses dados pouco prováveis para essas frequências altas.

Notas de pé de página:

1. Richard C. Dorf: “The Electrical Engineering Handbook”,Second Edition, page 1046 (Google preview)
2. David J. Greenslade: “The Advantages of a Magnetron Source for Electron Spin Echo Detection”, University of Essex, (online)
3. Mais fotos de magnetrões e vários modelos de corte de magnetrões estão disponíveis na www.ostron.de.