Radartutorial .eu

Magnetron

Das Magnetron wurde durch Albert Wallace Hull schon im Jahre 1921 als leistungsfähige Mikrowellensenderöhre entwickelt. Aber erst 1940 wurde es der Öffentlichkeit vorgestellt.

Das Magnetron ist ein selbsterregender Oszillator, der anders als Linearstrahlröhren wie etwa die Wanderfeldröhre oder das Klystron arbeitet. Ein elektrisches und ein starkes magnetisches Feld werden beim Magnetron senkrecht aufeinander (kreuzförmig) angeordnet, um die in Radargeräten geforderte hohe Sendeleistung zu produzieren. Deshalb wird das Magnetron in älteren Publikationen auch „Kreuzfeldgenerator” oder „Kreuzfeldoszillator” genannt.

Aufbau des Magnetrons

Das Magnetron ist eigentlich eine Diode, da es keinerlei Gitter zur Steuerung benutzt. Das Magnetron besteht aus einem massiven Kupferblock, der als Anode geschaltet ist. In der Mittelbohrung des Anodenblockes befindet sich die von den Zuleitungen für die Heizung im Zentrum gehaltene zylindrische Kathode, eine indirekt geheizte Oxidkathode hoher Emissionsfähigkeit. Die Zuleitungen müssen groß und stabil genug sein, um Kathode und Heizung in Position zu halten. In den Anodenblock sind 8 bis 20 Hohlräume eingearbeitet, die die frequenzbestimmenden Hohlraumresonatoren darstellen und als eine in sich geschlossene Verzögerungsleitung wirken. Diese Resonatoren haben über einen schmalen Schlitz Verbindung zum Raum zwischen Anode und Kathode.

Der Raum zwischen Anode und Kathode wird Laufraum genannt. In diesem Raum wirken das elektrostatische und das magnetische Feld auf die Elektronenbahn. Parallel zur Kathode befindet sich ein kräftiges magnetische Feld eines Permanentmagneten.

Mögliche Formen von Resonatoren zeigt Bild 3. Aus einem dieser Resonatoren wird die erzeugte HF-Leistung ausgekoppelt, entweder durch eine Koppelschleife und Koaxialleitung oder durch Koppelöffnung und Hohlleiter.

Grundlagen der Arbeitsweise eines Magnetrons

Wie bei allen Laufzeitröhren kann man auch bei einem Magnetron die elektronischen Vorgänge bei der Erzeugung höchstfrequenter Schwingungen in vier Phasen unterteilen:

 

1. Vorgang: Erzeugung und Beschleunigung eines Elektronenstromes

Legt man bei geheizter Kathode die Anodenspannung an das Magnetron, so bewegen sich die Elektronen auf radialen Bahnen zur Anode. Bild 4 zeigt die Bahn eines einzelnen Elektrons in Blau.

Durchsetzt nun ein Magnetfeld axial den Raum zwischen Anode und Kathode (E- und H-Feld stehen also senkrecht aufeinander), werden die Elektronen auf Epizykloidenbahnen abgelenkt.

Die Flussdichte, bei der die Elektronenbahn gerade die Anode tangiert, (rot dargestellt) nennt man kritische Flussdichte. Als praktischen Betriebsfall wählt man eine höhere Flussdichte als die kritische (oliv dargestellt), bei dem das Elektron die Anode nicht erreicht. Es würde auch kein Anodenstrom fließen.

2. Vorgang: Geschwindigkeitssteuerung der Elektronen

Durch die an den Schlitzen der Hohlraumresonatoren vorbeifliegenden Elektronen werden diese zum Schwingen angeregt. Es entsteht eine umlaufende elektromagnetische Welle auf der Verzögerungsleitung. Da das Magnetfeld im Inneren der Resonatoren wirkt, wird lediglich das in den Resonatorschlitzen konzentrierte elektrische Feld im Laufraum wirksam und beeinflusst die Elektronenbewegung.

Im Bild 5 wird nur das hochfrequente elektrische Feld der umlaufenden Welle und die dazugehörige Ladungsverteilung auf den Anodensegmenten zu einem bestimmten Zeitpunkt betrachtet. HF- Feld und Ladungen wirken zusätzlich zum ständig vorhandenen elektrostatischen Feld.

Die umlaufende Welle verändert demzufolge die Potentiale der Anodensegmente auf Werte, die etwas größer (positiver) oder etwas kleiner (negativer) als das Anodengleichspannungspotential sind.

Die Elektronen, die aus der Kathode in Richtung auf die momentan positiver geladenen Anodensegmente fliegen, werden also zusätzlich beschleunigt. Dadurch wird die magnetische Rechtsablenkung stärker, und die Elektronen erhalten eine höhere Tangentialgeschwindigkeit.

Andererseits werden die Elektronen, die in Richtung auf die momentan negativer geladenen Segmente fliegen, verzögert. Sie werden nicht so stark nach rechts abgelenkt und erhalten folglich eine kleinere Tangentialgeschwindigkeit.

3. Vorgang: Dichtemodulation der Elektronenströmung

Auf Grund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten der verschiedenen Elektronengruppen kommt es zu Laufzeiteffekten während des Elektronenumlaufes.

Die schnelleren Elektronen holen die langsameren Elektronen ein und es kommt zu einer Elektronenanhäufung in Form eines „Speichenrades”. Zum dargestellten Zeitpunkt befindet sich eine der Speichen gerade an einem Anodensegment, welches durch das der Anodengleichspannung überlagerte HF- Wechselfeld etwas negativer geladen ist. Die Elektronen werden also gebremst und geben diese Energie an das HF- Wechselfeld ab.

Da dieser Zustand nicht statisch ist, weil sowohl die Welle (und somit die Feldverteilung an den Resonatoren) als auch das Speichenrad ständig umlaufen, müssen die Tangentialgeschwindigkeit der Elektronenspeichen und die Umlaufgeschwindigkeit der Welle in Übereinstimmung gebracht werden.

4. Vorgang: Energieabgabe der Elektronen an das HF-Feld

Die Elektronen werden auf ihrem Weg zwischen Kathode und Anode in der Speiche mehrfach gebremst, bevor sie das jeweilige (dann negativere) Anodensegment erreichen. Bei diesem Abbremsen geben sie Energie an die hochfrequente Schwingung ab. Über einen längeren Zeitraum betrachtet, beschreibt ein einzelnes Elektron die in Bild 7 gezeigte Bahn. Durch die mehrfache Abbremsung des Elektrons wird die Energie des Elektrons optimal ausgenutzt und man erreicht Wirkungsgrade bis zu 80%.

Arbeitsmodi des Magnetrons

Die Betriebsfrequenz hängt in erster Linie von den Abmessungen der Resonatoren und des Laufraumes zwischen Anode und Kathode ab. Da die einzelnen Resonatoren jedoch über den Laufraum miteinander verkoppelt sind, existieren für das gesamte System (Verzögerungsleitung) mehrere Resonanzfrequenzen.

Im Bild 8 sind zwei der vier möglichen Schwingungsformen (Modi) eines 8- Resonator Magnetrons dargestellt. Beim Betrieb des Magnetrons in einer der anderen Modi (3/4π, 1/2π, 1/4π) sinkt die Leistung bzw. der Wirkungsgrad und die Frequenz.

Bild 8: Schwingungsformen des Magnetrons (Anodensegmente sind „abgewickelt” dargestellt.)

Kurzschlussringe Bild 9: aufgeschnittenes Magnetron, die Kurzschlussringe sind gut zu erkennen

Damit sich ein stabiler Betrieb in dem optimalen π- Modus einstellt, sind zwei konstruktive Maßnahmen möglich:

• Kurzschlussringe an den Anodensegmenten:
  Sowohl die geradzahligen als auch die ungeradzahligen Segmente werden durch Kurzschlussringe miteinander verbunden. Somit erhalten im π- Modus die Anodensegmente gleiches Potential. Andere Modi werden durch Ausgleichsströme über diese Kurzschlussringe unterdrückt.
   
• Verwendung von Resonatoren unterschiedlicher Eigenfrequenz
  Eine solche Variante ist z.B. die Anodenform „Rising Sun”.

Auskopplung der Energie am Magnetron

Die HF- Energie kann dem Magnetron über eine Koppelschleife entnommen werden. Bei Frequenzen unterhalb 10 GHz wird diese Schleife aus dem Mittelleiter des Koaxialkabels geformt und befindet sich innerhalb eines beliebigen Resonators (Bild 10, Ansicht A). Bei höheren Frequenzen ist die Anordnung dieser Koppelschleife außerhalb des Resonators (Ansicht B) effektiver.

Die Speisung der Auskopplung durch die HF- Spannung eines Segmentes zeigt Bild 11, Ansicht C. Die Leitung erfasst ebenfalls das zwischen den Resonatoren auftretende magnetische Feld. Eine Kopplung an einen Kurzschlussring ist ebenfalls möglich (Ansicht D). Die Methode, über ein Koaxialkabel die Energie auszukoppeln, ist günstig, weil die Durchführung durch den Anodenblock luftdicht (Vakuumröhre!) ausgeführt werden muss. Dieses Koaxialkabel kann aber direkt einen Hohlleiter speisen. Eine direkte Auskopplung über einen Schlitz ist bei hohen Frequenzen (und demzufolge kleinen Hohlleiterabmessungen) ebenfalls üblich (Ansicht E).

Frequenzänderung am Magnetron

Abstimmbare Magnetrone erlauben eine präzisere Sendefrequenz innerhalb eines konstruktiv vorgegebenen Frequenzbandes. Die Resonanzfrequenz wird durch entweder kapazitiv oder induktiv wirkende mechanische Änderungen der Resonatoren bewirkt.

Ein Beispiel für ein abstimmbares Magnetron ist das M5114B der ASR - 910. Da die ASR-910 auf verschiedenen zugewiesenen Frequenzen arbeiten kann, um gegenseitige Störungen zu verringern, muss die Arbeitsfrequenz des Senders abstimmbar sein. Dieses Magnetron ist mit einem Abstimmmechanismus versehen, um die Sendefrequenz der ASR-910 genau einzustellen.

Bild 13 zeigt die induktiven Abstimmelemente des Magnetrons Typ TH3123, welches im ATC-radar ER713S der Firma Thomson verwendet wird. Der Resonator hinter den Zuleitungen für die Heizspannung und der Resonator mit der Auskoppelschleife sind nicht abstimmbar!