MAGNETRON

1. MAGNETRON Ivan Miljak N3217

2. PRIMJENA MAGNETRONA • Magnetron se upotrebljava kao oscilator snage na frekvencijama od približno 1,5 GHz (λ = 20 cm) do 15 GHz (λ = 2 cm). • Veliku impulsnu snagu, i do 4 MW, magnetron može davati zahvaljujući visokim anodnim naponima (do 50 kV) • Upotrebljava se : - kod radara - kod zagrijavanja (mikrovalne pećnice) - kod osvjetljenja (sumporne lampe)

3. Primjena kod radara • Kod radara, valovod je spojen na antenu. • Magnetron radi sa vrlo kratkim impulsima primjenjenog napona što rezultira vrlo kratkim impulsima snažnih mikrovalova koji se kasnije emitiraju (zrače) • Kao u svim radarskim sustavima, radijacija od mete se prvo obrađuje i zatim prikazuje na ekranu • Nekoliko karakteristika izlazne snage magnetrona uzrokuju korištenje radara problematičnim - prvi od tih faktora je magnetronova svojstvena nestabilnost u odašiljačkoj frekvenciji. Ta nestabilnost nije izražena samo u frekvencijskom pomaku sa jednog na drugi impuls, već i u frekvencijskom pomaku unutar individualnog odašiljačkog impulsa

4. - Drugi faktor je izražen u tome što je energija odašiljačkog impulsa raširena na široki frekvencijski spektar, što zahtjeva da njegov prijamnik posjeduje odgovarajuću (veliku) širinu selektivnosti Ta velika selektivnost dopušta ulaz elekričnih šumova u prijamnik tako prouzrokujući odjek radarskog prijamnika i smanjujući ukupne performanse radara - Treći faktor je opasnost od radijacije uzrokovana korištenjem vrlo velike elektromagnetske energije U novije doba, uspješno se provodi primjena tranzistorskih odašiljača čime više ne postoji potreba za upotrebom magnetrona

5. IZVEDBA I PRINCIP RADA • Svaki rezonantni magnetron sastoji se od cilindrične katode koja emitira elektrone i oko nje koncentrično smještene cilindrične anode sa šupljinama koji predstavljaju rezonatore Slika 1. Shematski prikaz magnetrona. 1- anoda, 2 - katoda, 3- koaksijalna linija na izlazu

6. Duž osi magnetrona djeluje magnetsko polje, tako da elektroni koji izlaze iz katode ne putuju zbog električnog polja radijalno prema anodi (koja je pozitivna u odnosu prema katodi), već ih magnetsko polje skreće u stranu tako da dobivaju tangencijalnu komponentu brzine. • Prolazeći pokraj rezonatora, elektroni mu predaju jedan dio energije, jer nailaze na visokofrekventno električno polje koje ih usporava. • Na taj se način podržavaju visokofrekventne oscilacije u rezonatorima.

7. Sustav je podešen tako da elektroni koji dolaze do rezonatora i bivaju ubrzani, tj. ne podržavaju oscilacije već ih guše, odlaze natrag na katodu, a elektroni koji predaju svoju energiju rezonatoru odlaze na anodu, ali na tom putu predaju još i dio energije drugim rezonatorima • Tako je ukupna energija koja se predaje rezonatorima veća od one koja se od njih prima, pa se zbog toga oscilacije podržavaju • Na jednom od rezonator apriključen je valovod ili koaksijalni kabel pomoću kojeg se visokofrekventna energija odvodi do trošila, npr. antene

8. U magnetronu djeluje jako aksijalno magnetsko polje • Centralna elektroda je već spomenuta katoda koja emitira elektrone, a vanjska elektroda je anoda koja sadrži niz međusobno spregnutih rezonatorskih šupljina • Elektronski snop prolazi radijalno od cilindrične katode prema anodi • Kad ne bi postojalo visokofrekventno elektromagnetsko polje, eletkroni bi imali kružne putanje pod utjecajem istosmjernog električnog polja anoda-katoda i magnetskog polja Slika 2. Magnetron u presjeku 1 – katoda, 2 – anodne šupljine, 3 – smjer mag. Polja, 4 - izlaz

9. Ti bi elektroni pod utjecajem jednog i drugog polja u kružnoj putanji završavali na anodi ili bi se vratili na katodu. • Elektromagnetska polja između katode i anode mogu se smatrati putujućim valom koji se kreće po unutrašnjoj površini anode • Svaki od rezonatora ima otvor u smjeru prostora anoda – katoda. Zbog postojanja tog otvora faktor je dobrote snižen i svaka šupljina oscilira na svom osnovnom najnižem modu • Faza je polja između svakog otvora takva da pobuđuje putujući val, a taj val povezuje polja u svim rezonatorima • Može se pokazati da ima toliko različitih modova osciliranja magnetrona koliko ima rezonatora u anodi • Anodni mod u kojem magnetroni najčešće osciliraju naziva se πmod, jer je fazni pomak između susjednih otvora jednak π

10. Razmotri li se najjednostavnije gibanje elektrona pod utjecajem statičkog magnetskog i statičkog električnog radijalnog polja, vidi se da, ako je magnetsko polje dovoljno jako, elektron nikada neće doseći anodu već će se vratiti na katodu • Magnetronski oscilator obično radi pod takvim uvjetima te nema mikrovalnih oscilacija, anodna struja je neznatna • Ako u prostoru između katode i anode postoje elektromagnetska polja, neki od elektrona biti će kočeni i imati će putanju sličnu onoj na prethodnoj slici (sl.2). Prije nego dosegnu anodu, elektroni predaju veći dio svoje energije elektromagnetskim poljima • Ako je faza elektromagnetskim polja takva da su elektroni ubrzani odmah nakon što su napustili katodu, oni će se brzo vratiti na nju bez interakcije s poljima. Ti elektroni bombardiraju katodu, pa se katoda magnetrona znatno grije

11. Veličina šupljina determinira rezonantnu frekvenciju, a tako i frekvenciju emitiranih valova. Bez obzira na to, frekvencija ipak nije prezicno kontrolirana. • Radna frekvencija varira s promjenon nazivnog opterećenja i temperature cijevi. To ne predstavlja problem kod grijanja ili kod nekih tipova radara gdje prijamnik može biti sinkroniziran s nepreciznom frekvencijom magnetrona • Tamo gdje su potrebne precizne frekvencije koriste se drugi uređaji kao što su klistroni • Magnetron je samooscilirajući uređaj koji ne zahtjeva nikakve dodatne uređaje osim “dobavljača” snage • Prag napona na anodi treba biti primijenjen prije nego što se pojavi oscilacija. Isti taj napon je funkcija dimenzija rezonantnih šupljina i primijenjenog magnetskog polja

12. Literatura • Tehnička enciklopedija, 4. svezak : Elektronika, sastavni dijelovi ; str. 465, 575 • http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetron • http://www.radartutorial.eu/06.antennas/an18.en.html • Anon.: Radar Theory, Civil Aviation Authority London, 1990