www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Principiile Radiolocaţiei

Ilustrație 1: Simbolul unui magnetron în circuitele electrice

Ilustrație 1: Simbolul unui magnetron în circuitele electrice

Ce este un magnetron?

Magnetron

Cuprins « Magnetron »
  1. Construcția fizică a unui magnetron
  2. Funcționarea de bază a magnetronului
  3. Oscilație tranzitorie
  4. Moduri de oscilație
  5. Metode de cuplare a magnetronului
  6. Setarea magnetronului
  7. Limita superioară de frecvență
  8. Istoricul invenției magnetronului

Magnetron

Ilustrație 2: Magnetron MI 29G (МИ 29Г) de la fostul radar rusesc „Bar Lock“

Ilustrație 2: Magnetron MI 29G (МИ 29Г) de la fostul radar rusesc „Bar Lock“

Magnetronul este un tub cu vid de mare putere care funcționează ca un oscilator de microunde autoexcitat. Câmpurile magnetice și câmpurile electronice încrucișate sunt utilizate în magnetron pentru a produce puterea mare de ieșire necesară în echipamentele radar. Aceste dispozitive cu mai multe cavități pot fi utilizate în emițătoarele radar ca oscilatoare cu impulsuri sau CW la frecvențe cuprinse între aproximativ 600 și 95 000 de megahertzi.[1] Construcția relativ simplă are dezavantajul că magnetronul poate funcționa, în general, numai la o frecvență fixă constructivă.

Construcția fizică a unui magnetron
Schnittmodell eines Magnetrons
cabluri de încălzire
rezonator
catod
spațiu de
interacțiune
rezonator
bloc anodic
bucla de
transmisie
linie coaxială

Ilustrație 3: Diagrama schematică a unui magnetron de proiectare

Diagrama schematică
cabluri de încălzire
rezonator
catod
spațiu de
interacțiune
rezonator
bloc anodic
bucla de
transmisie
linie coaxială

Ilustrație 3: Diagrama schematică a unui magnetron de proiectare

Magnetronul este clasificat ca o diodă, deoarece nu are rețea. Anodul unui magnetron este alcătuit dintr-un bloc cilindric de cupru solid. Catodul și filamentul se află în centrul tubului și sunt susținute de firele de filament. Firele de filament sunt suficient de mari și rigide pentru a menține structura catodului și a filamentului fixată în poziție. Catodul este încălzit direct și este construit dintr-un material cu emisie ridicată. Cele 8 până la 20 de găuri cilindrice din jurul circumferinței sale sunt cavități rezonante. O fantă îngustă trece din fiecare cavitate în partea centrală a tubului, împărțind structura internă în atâtea segmente câte cavități există. Fiecare cavitate funcționează ca un circuit rezonant paralel. Așa cum este reprezentat în figura 3 prin analogul de joasă frecvență, peretele din spate al structurii blocului anodic poate fi considerat ca fiind porțiunea inductivă (o bobină cu o singură tură). Regiunea vârfului lamelar poate fi considerată ca fiind partea de condensator a circuitului rezonant paralel echivalent. Frecvența de rezonanță a unei cavități cu microunde este astfel determinată de dimensiunea fizică a rezonatorului. Dacă o singură cavitate rezonantă oscilează, aceasta o va excita și pe următoarea cavitate să oscileze. Aceasta oscilează cu o întârziere de fază de 180 de grade și excită următoarea cavitate rezonantă, și așa mai departe. De la o cavitate rezonantă la alta apare întotdeauna această întârziere de 180 de grade. Lanțul de rezonatoare formează astfel o structură de unde lente independente. Datorită acestei structuri cu unde lente, acest model este denumit în unele publicații și „Magnetron cu unde călătoare cu mai multe cavități“ (Multi-cavity Traveling Wave Magnetron).

cabluri de încălzire
rezonator
catod
spațiu de
interacțiune
rezonator
bloc anodic
bucla de
transmisie
linie coaxială

Ilustrație 3: Diagrama schematică a unui magnetron de proiectare

Cea mai simplă diagramă echivalentă a rezonatorului

Ilustrație 4: Cea mai simplă diagramă echivalentă a rezonatorului

Ilustrație 4: Cea mai simplă diagramă echivalentă a rezonatorului

Cea mai simplă diagramă echivalentă a rezonatorului

Ilustrație 4: Cea mai simplă diagramă echivalentă a rezonatorului

Catodul unui magnetron furnizează electronii prin care se realizează mecanismul de transfer de energie. Catodul este situat în centrul anodului și constă într-un cilindru gol de material emisiv (în principal oxid de bariu) care înconjoară un încălzitor. Firele de alimentare a filamentului trebuie să centreze întregul catod. Orice excentricitate între anod și catod poate provoca arcuri interne grave sau defecțiuni.

Spațiul liber dintre blocul anodic și catod se numește spațiu de interacțiune. În acest spațiu, câmpurile electrice și magnetice interacționează pentru a exercita o forță asupra electronilor. Câmpul magnetic este de obicei asigurat de un magnet permanent puternic montat în jurul magnetronului, astfel încât câmpul magnetic să fie paralel cu axa catodului.

Ilustrație 5: Diferite forme ale blocului anodic într-un magnetron

Ilustrație 5: Diferite forme ale blocului anodic într-un magnetron

Diferite forme ale blocului anodic într-un magnetron, a) de tip fantă; b) de tip paletă; c) de tip soare răsare; d) de tip gaură și fantă.

Ilustrație 5: Diferite forme ale blocului anodic într-un magnetron

În general, acesta este format dintr-un număr par de cavități cu microunde dispuse în mod radial. Forma cavităților variază, așa cum se arată în figura 4.

  1. tipul de slot
  2. tip de lamelă
  3. tip răsărit de soare
  4. tip slot și canelură

Tipul de slot, tipul de slot și canelură și tipul de răsărit de soare sunt de obicei prelucrate prin metode de frezare din material de cupru solid. Dar poate fi dificil să tăiați metal moale (cum ar fi cuprul) la un strung. Prin urmare, tipul de lamelă este compus, de obicei, din lamelă individuale montate și sudate pe un inel de suport. Comportamentul de rezonanță poate fi deja testat și calibrat în laborator înainte ca blocul anodic să fie instalat în tubul cu vid. Driverul de ieșire este, de obicei, o sondă sau o buclă care se extinde în una dintre cavitățile rezonante și este cuplată la un ghid de undă sau la o linie coaxială.

Cum funcționează magnetronii?

Funcționarea de bază a magnetronului

Ca în cazul tuturor tuburilor cu modulație de viteză, generarea de frecvențe de microunde într-un magnetron poate fi împărțită în patru faze:

  1. Fasa: generarea și accelerarea unui fascicul de electroni într-un câmp de curent continuu;
  2. Fasa: modulația vitezei fasciculului de electroni într-un câmp de curent alternativ;
  3. Fasa: formarea ciorchinilor de electroni prin modularea vitezei (aici sub forma unei „roți de sarcină spațială“)
  4. Fasa: distribuția de energie către câmpul de curent alternativ.
1. Faza: Generarea și accelerarea unui fascicul de electroni într-un câmp de curent continuu

Ilustrație 6: Traiectoria unui electron sub influența câmpului electrostatic și magnetic pentru diferite densități de flux magnetic.

Ilustrație 6: Traiectoria unui electron sub influența câmpului electrostatic și magnetic pentru diferite densități de flux magnetic.

Ilustrație 6: Traiectoria unui electron sub influența câmpului electrostatic și magnetic pentru diferite densități de flux magnetic.

Deoarece catodul este menținut la o tensiune negativă, câmpul electric static se află în direcția radială de la blocul anodic (împământat) la catod. Atunci când nu există un câmp magnetic, încălzirea catodului are ca rezultat o mișcare uniformă și directă a electronului de la catod la blocul anodic (calea albastră din figura 6). Un câmp magnetic permanent slab B, perpendicular pe câmpul electric, curbează traiectoria electronului, așa cum se arată în traiectoria verde din figura 6. Dacă fluxul de electroni ajunge la anod, va curge o cantitate mare de curent de placă. Dacă intensitatea câmpului magnetic este crescută, traiectoria electronilor va avea o pantă mai abruptă. În mod similar, dacă viteza electronului crește, câmpul din jurul acestuia crește și traiectoria se curbează mai brusc. Cu toate acestea, atunci când este atinsă valoarea critică a câmpului, așa cum se arată în figura 6 ca o traiectorie roșie, electronii sunt deviați de pe placă și curentul plăcii scade rapid la o valoare foarte mică. Atunci când intensitatea câmpului este și mai mare, curentul plăcii scade la zero.

Aceste valori ale tensiunii anodice și ale intensității câmpului magnetic care împiedică curentul anodic se numesc câmp magnetic și tensiune de forfecare a învelișului. Atunci când magnetronul este setat la valoarea de tăiere sau la valoarea critică a curentului de placă, iar electronii pur și simplu nu pot ajunge la placă în mișcarea lor circulară, se pot produce oscilații în frecvențele de microunde.

2. Faza: Modulația vitezei fasciculului de electroni

Ilustrație 7: Influența câmpului electric de înaltă frecvență asupra traiectoriei unui electron

Ilustrație 7: Influența câmpului electric de înaltă frecvență asupra traiectoriei unui electron

Ilustrație 7: Influența câmpului electric de înaltă frecvență asupra traiectoriei unui electron

Câmpul electric din oscilatorul magnetronului este un rezumat al câmpurilor de curent alternativ și de curent continuu. Câmpul de curent continuu se extinde radial de la segmentele adiacente ale anodului la catod. Câmpurile de curent alternativ, care se extind între segmentele adiacente, sunt reprezentate la un moment de magnitudine maximă a unei alternanțe a oscilațiilor de radiofrecvență care se produc în cavități.

În figura 7 este prezentat doar câmpul electric de înaltă frecvență presupus de curent alternativ. Acest câmp de curent alternativ funcționează în plus față de câmpul de curent continuu disponibil în permanență. Câmpul de curent alternativ al fiecărei cavități individuale crește sau scade câmpul de curent continuu, după cum se arată în figura 7.

Ei bine, electronii care zboară spre segmentele anodice mai încărcate pozitiv în acest moment sunt, de asemenea, accelerați. Acestea au o viteză tangențială mai mare. Pe de altă parte, electronii care zboară spre segmentele încărcate la momentul cel mai negativ sunt mai lenți. Prin urmare, acestea au o viteză tangențială mai mică.

3. Faza: Formarea unei „roți de sarcină spațială“

Ilustrație 8: Roata de sarcină spațială într-un magnetron cu douăsprezece cavități

Ilustrație 8: Roata de sarcină spațială într-un magnetron cu douăsprezece cavități

Ilustrație 8: Roata de sarcină spațială într-un magnetron cu douăsprezece cavități

Datorită vitezelor diferite ale grupurilor de electroni, modularea vitezei conduce la o modulare a densității.

Acțiunea cumulativă a mai multor electroni care se întorc la catod în timp ce alții se deplasează spre anod formează un model similar cu spițele în mișcare ale unei roți cunoscute sub numele de „roata de încărcare spațială“, așa cum este indicat în figura 8. Roata de încărcare spațială se rotește în jurul catodului cu o viteză unghiulară de 2 poli (segmente anodice) pe ciclu al câmpului de curent alternativ. Această relație de fază permite concentrației de electroni să furnizeze continuu energie pentru a susține oscilațiile RF.

Unul dintre fascicule se află în apropierea unui segment anodic încărcat ușor mai negativ. Electronii sunt mai lenți și își transmit energia în câmpul de curent alternativ. Această stare nu este statică, deoarece câmpul de curent alternativ și roata de sârmă circulă permanent. Viteza tangențială a fasciculelor de electroni și viteza ciclului de undă trebuie să fie adaptate în consecință.

4. Faza: Distribuția de energie în câmpul de curent alternativ

Rețineți că un electron care se mișcă într-un câmp E este accelerat de câmp și extrage energie din acesta. De asemenea, un electron transmite energie unui câmp și încetinește dacă se deplasează în aceeași direcție cu câmpul (de la pozitiv la negativ). Electronul consumă energie în fiecare cavitate pe măsură ce trece prin ea și, în cele din urmă, ajunge la anod atunci când energia sa este consumată. Astfel, electronul a ajutat la susținerea oscilațiilor, deoarece a luat energie din câmpul de curent continuu și a dat-o câmpului de curent alternativ. Acest electron descrie traseul prezentat în figura 6 pe o perioadă mai lungă de timp. Datorită decelerațiilor multiple ale electronului, energia acestuia este utilizată în mod optim și se obțin randamente de până la 80%.

Oscilație tranzitorie

După modificarea tensiunii anodice, tot nu există niciun câmp RF. Electronul unic se deplasează sub influența câmpului electric static al tensiunii anodice și a efectului câmpului magnetic, așa cum se arată în figura 6, de-a lungul traseului roșu al electronului. Electronii sunt purtători de sarcină: în timpul zborului lor peste un gol, ei emit o cantitate mică de energie în cavități (similar cu un flaut: un flaut produce sunet atunci când un curent de aer trece peste marginea unei găuri). Rezonatorul cu cavitate începe să oscileze la frecvența sa naturală de rezonanță. Imediat începe interacțiunea dintre acest câmp de radiofrecvență (cu o putere inițială redusă) și fasciculul de electroni. Electronii sunt influențați în plus de câmpul alternativ. Astfel începe procesul descris în secvența fazelor 1 până la 4 ale interacțiunii dintre câmpul de radiofrecvență și electronii cu viteză modulată.

Din păcate, oscilația tranzitorie nu începe cu o fază previzibilă. Fiecare oscilație tranzitorie apare cu o fază aleatorie. Prin urmare, impulsurile de transmisie generate de un magnetron nu sunt coerente.

Cu toate acestea, coerența de fază poate fi obținută dacă magnetronul este alimentat cu un semnal de amorsare continuu de la un oscilator coerent.[2]

Moduri de oscilație
modul π
modul ½π
modul ¾π

Ilustrație 9: Modurile magnetronului
(Segmentele anodice sunt reprezentate ca fiind „derulate“)

modul π
modul ½π
modul ¾π

Ilustrație 9: Modurile magnetronului
(Segmentele anodice sunt reprezentate ca fiind „derulate“)

Ilustrație 10: Vedere decupaj a unui magnetron (de tip reed) care arată inelele și fantele de bandă.

Inele solide

Ilustrație 10: Vedere decupaj a unui magnetron (de tip reed) care arată inelele și fantele de bandă.

Frecvența de operare depinde de dimensiunile cavităților și de distanța de interacțiune dintre anod și catod. Dar cavitățile individuale sunt cuplate între ele în spațiul de interacțiune. Prin urmare, există mai multe frecvențe de rezonanță pentru întregul sistem. Două dintre cele patru forme de undă posibile ale unui magnetron cu 12 cavități sunt reprezentate în figura 10. Sunt posibile și alte moduri de oscilație (mod ¾π, ½π, ¼π), dar magnetronul care funcționează în modul π are o putere de ieșire mai mare și este cel mai des utilizat.

Ilustrație 9 prezintă trei dintre cele patru moduri de oscilație posibile ale unui magnetron cu 12 rezonatoare. Atunci când magnetronul funcționează într-unul dintre celelalte moduri (¾π, ½π, ¼π), puterea sau eficiența și frecvența de oscilație scad.

Pentru a se asigura că se poate stabili o stare de funcționare stabilă în modul π optim, sunt posibile două măsuri constructive:

Metode de cuplare a magnetronului

Energia (rf) poate fi eliminată dintr-un magnetron prin intermediul unei bucle de cuplare, așa cum se arată în figura 10, în rezonatorul inferior. La frecvențe mai mici de 10 000 de megahertzi, bucla de cuplare se realizează prin îndoirea conductorului interior al unei linii coaxiale într-o buclă. Bucla este apoi lipită la capătul conductorului exterior, astfel încât să iasă în cavitate, așa cum se arată și în figura 11. Amplasarea buclei la capătul cavității, așa cum se arată în figura 12, face ca magnetronul să obțină o captare suficientă la frecvențe mai mari.

Metoda buclei alimentate pe segmente este prezentată în figura 13. Bucla interceptează liniile magnetice care trec între cavități. Metoda buclei alimentate de curea, figura 14, interceptează energia între curea și segment. Pe partea de ieșire, linia coaxială alimentează direct o altă linie coaxială sau alimentează un ghid de undă prin intermediul unei îmbinări de reactanță. Sigiliul de vid de pe conductorul interior ajută la susținerea liniei. Cuplajul cu fantă sau cu fantă este ilustrat în figura 15. Puterea este cuplată direct la un ghid de undă prin intermediul unui iris (realizat din sticlă sau ceramică).

Diferite metode de cuplare magnetronică

Ilustrație 11: Bucla de cuplare într-un rezonator

Ilustrație 12: Bucla de cuplare la capătul rezonatorului

Ilustrație 13 : Bucla alimentată de segment

Ilustrație 14: Buclă acționată cu curea

Ilustrație 15: Cuplaj cu deschidere (sau cuplaj cu fantă)

Acordarea magnetronului

Un magnetron acordabil permite ca sistemul să funcționeze la o frecvență precisă, oriunde într-un interval de frecvență, așa cum este determinat de caracteristicile magnetronului. Frecvența de rezonanță a unui magnetron poate fi modificată prin variația inductanței sau a capacității cavităților rezonante.

anod
placă tuner
elemente
suplimentare
de acord
inductiv

Ilustrație 16: Acordarea magnetronului inductiv


 
anod
placă tuner
elemente
suplimentare
de acord
inductiv

Ilustrație 16: Acordarea magnetronului inductiv

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

(click loupe button to enlarge: 1100·825px = 222 kByte)
ciclul de
cuplare
linii de alimentare cu filament

Ilustrație 17: Cavități rezonante ale unui magnetron de tip gaură și fantă cu elemente de acord inductiv

Un exemplu de magnetron reglabil este M5114B utilizat de ATC-Radar ASR-910. Pentru a reduce interferențele reciproce, ASR-910 poate funcționa pe frecvențe alocate diferite. Frecvența transmițătorului trebuie, prin urmare, să fie reglată. Acest magnetron este prevăzut cu un mecanism care permite reglarea exactă a frecvenței de transmisie a 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!

M5114B

Ilustrație 18: Magnetronul M5114B al radarului ATC ASR-910

VMX1090

Ilustrație 19: Magnetronul VMX1090 al radarului PAR-80 Acest magnetron este echipat chiar și cu magneții permanenți necesari pentru această sarcină.

Limita superioară de frecvență

Surse serioase susțin că limita superioară de frecvență pentru utilizarea magnetronilor pentru a genera energie este de aproximativ 95 GHz.[1] Alte surse menționează frecvențe mult mai mari, dar, din păcate, fără a furniza informații de unde au obținut aceste cifre.

Un rezonator de cavitate într-un magnetron ar trebui să aibă dimensiunile de aproximativ jumătate din lungimea de undă a oscilației care urmează să fie generată. La 96 GHz, lungimea de undă este în intervalul de 3,125 mm. Prin urmare, orificiul trebuie să aibă un diametru de aproximativ 1,5 mm. Cu toate acestea, precizia trebuie să fie cu mult sub 5%, deoarece toate rezonatoarele cavității trebuie să aibă aceeași frecvență de rezonanță, astfel încât oscilația să fie amplificată. Așadar, avem deja o precizie mecanică necesară de câteva sutimi de milimetru. Poate fezabil până acum.

Dar dacă se pretinde o frecvență de rezonanță de 300 sau chiar 400 GHz, dimensiunile necesare ale rezonatoarelor de cavitate vor fi de ordinul zecilor de milimetru pentru o rezonanță. Precizia necesară ar trebui să fie de ordinul a câteva miimi de milimetru. Chiar dacă ne-am putea imagina aceste provocări mecanice pentru un instrument de laborator, acesta eșuează, deoarece aceste distanțe mici de zecimi de milimetru nu mai permit o tensiune mare a anodului. În loc de o oscilație de înaltă frecvență, se produce o scânteie ca la o bujie. Aceste considerente fac ca aceste date să fie puțin probabile pentru aceste frecvențe ridicate.

Note de subsol:

  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. Mai multe fotografii de magnetroni și mai multe modele de tăiere cu magnetroni sunt disponibile la www.ostron.de.