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Figura 1: Símbolo de un magnetrón en circuitos eléctricos

Figura 1: Símbolo de un magnetrón en circuitos eléctricos

¿Qué es un magnetrón?

Magnetrón

Índice « Magnetrón »
  1. Construcción física de un magnetrón
  2. Funcionamiento básico del magnetrón
  3. Oscilación transitoria
  4. Modos de oscilación
  5. Métodos de acoplamiento del magnetrón
  6. Ajuste del magnetrón
  7. Límite superior de frecuencia
  8. Historia de la invención del magnetrón

Magnetrón

Figura 2: Magnetrón MI 29G (МИ 29Г) del antiguo radar ruso „Bar Lock“.

Figura 2: Magnetrón MI 29G (МИ 29Г) del antiguo radar ruso „Bar Lock“.

El magnetrón es un tubo de vacío de alta potencia que funciona como oscilador de microondas autoexcitado. En el magnetrón se utilizan campos magnéticos y de electrones cruzados para producir la elevada potencia de salida necesaria en los equipos de radar. Estos dispositivos multicavidad pueden utilizarse en transmisores de radar como osciladores pulsados o de onda continua a frecuencias que oscilan aproximadamente entre 600 y 95 000 megahercios.[1] La construcción relativamente sencilla tiene la desventaja de que el magnetrón sólo puede funcionar generalmente a una frecuencia constructivamente fija.

Construcción física de un magnetrón
Schnittmodell eines Magnetrons
cables de calefacción
resonador
cátodo
espacio de
interacción
resonador
bloque de ánodo
Elemento de
desacoplamiento
línea coaxial

Figura 3: Estructura básica de un magnetrón

Schnittmodell eines Magnetrons
cables de calefacción
resonador
cátodo
espacio de
interacción
resonador
bloque de ánodo
Elemento de
desacoplamiento
línea coaxial

Figura 3: Estructura básica de un magnetrón

El magnetrón se clasifica como diodo porque no tiene rejilla. El ánodo de un magnetrón está formado por un bloque cilíndrico de cobre macizo. El cátodo y el filamento están en el centro del tubo y se apoyan en los hilos del filamento. Los alambres del filamento son lo suficientemente grandes y rígidos como para mantener la estructura del cátodo y el filamento fijos en su posición. El cátodo se calienta directamente y está fabricado con un material de alta emisión. Los 8 a 20 orificios cilíndricos de su circunferencia son cavidades resonantes. Una estrecha hendidura va de cada cavidad a la porción central del tubo, dividiendo la estructura interna en tantos segmentos como cavidades haya. Cada cavidad funciona como un circuito resonante paralelo. Como se representa en la figura 3 mediante el análogo de baja frecuencia, la pared posterior de la estructura del bloque anódico puede considerarse la parte inductiva (una bobina de una sola vuelta). La región de la punta del peine puede considerarse como la parte del condensador del circuito resonante paralelo equivalente. Así pues, la frecuencia de resonancia de una cavidad de microondas viene determinada por el tamaño físico del resonador. Si una cavidad resonante oscila, excitará a la siguiente para que también oscile. Ésta oscila con un retardo de fase de 180 grados y excita la siguiente cavidad resonante, y así sucesivamente. De una cavidad resonante a la siguiente siempre se produce este retardo de 180 grados. La cadena de resonadores forma así una estructura de ondas lentas independiente. Debido a esta estructura de ondas lentas, este diseño también se denomina „Magnetrón de ondas viajeras multicavidad“ (Multi-cavity Traveling Wave Magnetron) en algunas publicaciones.

cables de calefacción
resonador
cátodo
espacio de
interacción
resonador
bloque de ánodo
Elemento de
desacoplamiento
línea coaxial

Figura 3: Estructura básica de un magnetrón

Resonador del magnetrón mostrado como un circuito resonante

Figura 4: Estructura básica de un magnetrón

Figura 4: Resonador del magnetrón mostrado como un circuito resonante

Resonador del magnetrón mostrado como un circuito resonante

Figura 4: Resonador del magnetrón mostrado como un circuito resonante

El cátodo de un magnetrón proporciona los electrones a través de los cuales se realiza el mecanismo de transferencia de energía. El cátodo está situado en el centro del ánodo y consiste en un cilindro hueco de material emisivo (principalmente óxido de bario) que rodea un calentador. Los hilos de alimentación del filamento deben centrar todo el cátodo. Cualquier excentricidad entre el ánodo y el cátodo puede provocar graves arcos internos o fallos de funcionamiento.

El espacio abierto entre el bloque anódico y el cátodo se denomina espacio de interacción. En este espacio, los campos eléctrico y magnético interactúan para ejercer fuerza sobre los electrones. El campo magnético suele proporcionarlo un potente imán permanente montado alrededor del magnetrón de forma que el campo magnético sea paralelo al eje del cátodo.

Formas de anodización de los magnetrones

Figura 5: Los tipos más comunes de resonadores de magnetrón

Figura 5: Los tipos más comunes de resonadores de magnetrón

Formas de anodización de los magnetrones

Figura 5: Los tipos más comunes de resonadores de magnetrón

Por lo general, consta de un número par de cavidades de microondas dispuestas de forma radial. La forma de las cavidades varía, como se muestra en la figura 4.

  1. tipo de ranura (slot)
  2. tipo lengüeta
  3. tipo de amanecer
  4. tipo agujero y ranura

El tipo ranura, el tipo agujero y ranura y el tipo elevador suelen mecanizarse mediante métodos de fresado a partir de material de cobre sólido. Pero puede resultar difícil cortar metal blando (como el cobre) en un torno. Por lo tanto, el tipo de paletas suele estar compuesto por paletas individuales montadas y soldadas en un anillo de soporte. El comportamiento de resonancia ya puede probarse y calibrarse en el laboratorio antes de instalar el bloque de ánodos en el tubo de vacío. El conductor de salida suele ser una sonda o un bucle que se extiende en una de las cavidades resonantes y se acopla a una guía de ondas o a la línea coaxial.

¿Cómo funcionan los magnetrones?

Funcionamiento básico del magnetrón

Como en todos los tubos de velocidad modulada, la generación de frecuencias de microondas en un magnetrón puede subdividirse en cuatro fases:

  1. Fase: generación y aceleración de un haz de electrones en un campo de corriente continua;
  2. Fase: modulación de la velocidad del haz de electrones en un campo de corriente alterna;
  3. Fase: formación de haces de electrones por modulación de la velocidad (aquí en forma de „Rueda de Carga Espacial“);
  4. Fase: dispensación de energía al campo de corriente alterna.
1. Fase: Generación y aceleración de un haz de electrones en un campo de corriente continua

Figura 6: Trayectoria de un electrón bajo la influencia del campo electrostático y magnético para diferentes densidades de flujo magnético.

Figura 6: Trayectoria de un electrón bajo la influencia del campo electrostático y magnético para diferentes densidades de flujo magnético.

Figura 6: Trayectoria de un electrón bajo la influencia del campo electrostático y magnético para diferentes densidades de flujo magnético.

Como el cátodo se mantiene a una tensión negativa, el campo eléctrico estático se encuentra en la dirección radial desde el bloque del ánodo (conectado a tierra) hasta el cátodo. Cuando no hay campo magnético, el calentamiento del cátodo provoca un movimiento uniforme y directo del electrón desde el cátodo hasta el bloque anódico (la trayectoria azul de la figura 6). Un débil campo magnético permanente B perpendicular al campo eléctrico curva la trayectoria del electrón como se muestra en la trayectoria verde de la figura 6. Si el flujo de electrones alcanza el ánodo, fluirá una gran cantidad de corriente de placa. Si se aumenta la intensidad del campo magnético, la trayectoria del electrón tendrá una pendiente más pronunciada. Del mismo modo, si la velocidad del electrón aumenta, el campo que lo rodea aumenta y la trayectoria se curva más bruscamente. Sin embargo, cuando se alcanza el valor crítico del campo, como se muestra en la Figura 6 como una trayectoria roja, los electrones son desviados de la placa y la corriente de la placa cae rápidamente a un valor muy pequeño. Cuando la intensidad de campo es aún mayor, la corriente de placa desciende a cero.

Estos valores de la tensión anódica y de la intensidad de campo magnético que impiden la corriente anódica se denominan campo magnético y tensión de cizallamiento de la coraza. Cuando el magnetrón se ajusta al valor de corte o crítico de la corriente de placa y los electrones simplemente no pueden alcanzar la placa en su movimiento circular, puede producir oscilaciones en las frecuencias de microondas.

2. Fase: modulación de la velocidad del haz de electrones

Figura 7: Influencia del campo eléctrico de alta frecuencia en la trayectoria de un electrón

Figura 7: Influencia del campo eléctrico de alta frecuencia en la trayectoria de un electrón

Figura 7: Influencia del campo eléctrico de alta frecuencia en la trayectoria de un electrón

El campo eléctrico en el oscilador magnetrón es un resumen de los campos de CA y CC. El campo de corriente continua se extiende radialmente desde los segmentos adyacentes del ánodo hasta el cátodo. Los campos de CA, que se extienden entre segmentos adyacentes, se muestran en un instante de la máxima magnitud de una alternancia de las oscilaciones de RF que se producen en las cavidades.

En la figura 7 sólo se muestra el supuesto campo eléctrico de CA de alta frecuencia. Este campo de CA funciona además del campo de CC disponible permanentemente. El campo de CA de cada cavidad individual aumenta o disminuye el campo de CC, como se muestra en la figura 7.

Pues bien, los electrones que vuelan en ese momento hacia los segmentos del ánodo, más cargados positivamente, también se aceleran. Estos obtienen una velocidad tangencial más alta. En cambio, los electrones que vuelan hacia los segmentos cargados en el momento más negativo son más lentos. Estos, en consecuencia, obtienen una velocidad tangencial menor.

3. Fase: Formación de una „rueda de carga espacial“

Figura 8: Rueda de carga espacial en un magnetrón de doce cavidades

Figura 8: Rueda de carga espacial en un magnetrón de doce cavidades

Figura 8: Rueda de carga espacial en un magnetrón de doce cavidades

Debido a las diferentes velocidades de los grupos de electrones, la modulación de la velocidad conduce a una modulación de la densidad.

La acción acumulativa de muchos electrones que regresan al cátodo mientras otros se mueven hacia el ánodo forma un patrón similar a los radios móviles de una rueda conocida como „Rueda de Carga Espacial“, como se indica en la figura 8. La Rueda de Carga Espacial gira alrededor del cátodo a una velocidad angular de 2 polos (segmentos del ánodo) por ciclo del campo de corriente alterna. Esta relación de fase permite que la concentración de electrones proporcione continuamente energía para mantener las oscilaciones de RF.

Uno de los haces está cerca de un segmento anódico ligeramente más cargado negativamente. Los electrones son más lentos y pasan su energía al campo de corriente alterna. Este estado no es estático, porque el campo de corriente alterna y la rueda de alambre circulan permanentemente. La velocidad tangencial de los haces de electrones y la velocidad del ciclo de ondas deben ajustarse en consecuencia.

4. Fase: Suministro de energía al campo de corriente alterna

Recuerde que un electrón que se mueve en un campo E es acelerado por el campo y obtiene energía del mismo. Además, un electrón dispensa energía a un campo y se ralentiza si se mueve en la misma dirección que el campo (de positivo a negativo). El electrón gasta energía en cada cavidad a medida que la atraviesa y finalmente alcanza el ánodo cuando su energía se agota. Así, el electrón ayudó a mantener las oscilaciones porque tomó energía del campo de corriente continua y se la dio al campo de corriente alterna. Este electrón describe la trayectoria mostrada en la Figura 6 durante un periodo de tiempo más largo. Gracias a las múltiples deceleraciones del electrón, su energía se aprovecha de forma óptima y se alcanzan eficiencias de hasta el 80%.

Oscilación transitoria

Después de cambiar la tensión del ánodo, sigue sin haber campo de RF. El electrón individual se mueve bajo la influencia del campo eléctrico estático del voltaje del ánodo y el efecto del campo magnético, como se muestra en la figura 6, a lo largo de la trayectoria del electrón rojo. Los electrones son portadores de carga: durante su vuelo sobre un hueco, emiten una pequeña cantidad de energía en las cavidades. (Similar a una flauta: una flauta produce sonido cuando una corriente de aire pasa sobre el borde de un hueco). El resonador de cavidad comienza a oscilar a su frecuencia de resonancia natural. Inmediatamente comienza la interacción entre este campo de RF (con una potencia inicial baja) y el haz de electrones. Además, los electrones se ven influidos por el campo alterno. Esto inicia el proceso descrito en la secuencia de las fases 1 a 4 de la interacción entre el campo de RF y los electrones ahora de velocidad modulada.

Por desgracia, la oscilación transitoria no comienza con una fase predecible. Cada oscilación transitoria se produce con una fase aleatoria. Por tanto, los impulsos de transmisión generados por un magnetrón no son coherentes.

Sin embargo, la coherencia de fase puede lograrse si el magnetrón se alimenta con una señal de cebado continua procedente de un oscilador coherente[2]

Modos de oscilación
modo π
modo ½π
modo ¾π

Figura 9: Modos del magnetrón
(Los segmentos del ánodo se representan como „desenrollados“)

modo π
modo ½π
modo ¾π

Figura 9: Modos del magnetrón
(Los segmentos del ánodo se representan como „desenrollados“)

Figura 10: Vista en corte de un magnetrón (tipo reed) que muestra los anillos de cinta y las ranuras.

Anillos macizos

Figura 10: Vista en corte de un magnetrón (tipo reed) que muestra los anillos de cinta y las ranuras.

La frecuencia de funcionamiento depende del tamaño de las cavidades y de la distancia de interacción entre el ánodo y el cátodo. Pero las cavidades individuales están acopladas entre sí en el espacio de interacción. Por lo tanto, hay varias frecuencias de resonancia para el sistema completo. En la figura 10 se representan dos de las cuatro formas de onda posibles de un magnetrón con 12 cavidades. Son posibles otros modos de oscilación (modo ¾π, ½span class="ftext">π, ¼span class="ftext">π), pero un magnetrón que funcione en modo π tiene una mayor potencia de salida y es el más utilizado.

La figura 9 muestra tres de los cuatro modos de oscilación posibles de un magnetrón de 12 resonadores. Cuando se hace funcionar el magnetrón en uno de los otros modos (¾π, ½π, ¼π), disminuye la potencia o el rendimiento y la frecuencia de oscilación.

Para garantizar unas condiciones de funcionamiento estables en el modo π óptimo, es posible adoptar dos medidas constructivas:

Métodos de acoplamiento del magnetrón

La energía (RF) puede extraerse de un magnetrón mediante un bucle de acoplamiento, como se muestra en la figura 10, en el resonador inferior. A frecuencias inferiores a 10 000 megahercios, el bucle de acoplamiento se realiza doblando el conductor interno de una línea coaxial en forma de bucle. A continuación, el bucle se suelda al extremo del conductor exterior de modo que sobresalga en la cavidad, como se muestra también en la figura 11. Situar el bucle en el extremo de la cavidad, como se muestra en la figura 12, hace que el magnetrón obtenga una captación suficiente a frecuencias más altas.

El método de bucle alimentado por segmentos se muestra en la figura 13. El bucle intercepta las líneas magnéticas que pasan entre las cavidades. El método de bucle alimentado por correa, figura 14, intercepta la energía entre la correa y el segmento. En el lado de salida, la línea coaxial alimenta otra línea coaxial directamente o alimenta una guía de ondas a través de una junta de estrangulación. El sellado al vacío del conductor interior ayuda a sostener la línea. El acoplamiento de ranura o ranura se ilustra en la figura 15. La potencia se acopla directamente a una guía de ondas a través de un iris (de vidrio o cerámica).

Diferentes métodos de acoplamiento del magnetrón

Figura 11: Bucle de acoplamiento en un resonador

Figura 12: Bucle de acoplamiento en el extremo del resonador

Figura 13: Bucle alimentado por segmento

Figura 14: Bucle accionado por correa

Figura 15: Acoplamiento de apertura (o acoplamiento de ranura)

Ajuste del magnetrón

Un magnetrón ajustable permite que el sistema funcione a una frecuencia precisa en cualquier punto de una gama de frecuencias, según determinen las características del magnetrón. La frecuencia de resonancia de un magnetrón puede modificarse variando la inductancia o la capacitancia de las cavidades resonantes.

ánodo
placa ajustadora
elementos de
ajuste
inductivo
adicional

Figura 16: Ajuste del magnetrón inductivo


 
ánodo
placa ajustadora
elementos de
ajuste
inductivo
adicional

Figura 16: Ajuste del magnetrón inductivo

Figura 17: Cavidades resonantes de un magnetrón de tipo agujero y ranura con elementos de ajuste inductivos

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acoplamiento
ciclo
líneas de alimentación de filamento

Figura 17: Cavidades resonantes de un magnetrón de tipo agujero y ranura con elementos de ajuste inductivos

Un ejemplo de magnetrón ajustable es el M5114B utilizado por el ATC-Radar ASR-910. Para reducir las interferencias mutuas, el ASR-910 puede funcionar en diferentes frecuencias asignadas. Por tanto, hay que sintonizar la frecuencia del transmisor. Este magnetrón está provisto de un mecanismo para ajustar exactamente la frecuencia de transmisión del ASR-910.

La figura 17 muestra los elementos de sintonización inductiva del Magnetrón TH3123 utilizado en el radar ATC Thomson ER713S. Tenga en cuenta que la cavidad resonante adyacente a las líneas de alimentación del filamento y la cavidad del bucle de acoplamiento no son ajustables.

M5114B

Figura 18: Magnetrón M5114B del radar ATC ASR-910

VMX1090

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

Límite superior de frecuencia

Fuentes serias afirman que el límite superior de frecuencia para utilizar magnetrones para generar energía es de unos 95 GHz.[1] Otras fuentes nombran frecuencias mucho más altas, pero lamentablemente sin la información de dónde sacan estas cifras.

Un resonador de cavidad en un magnetrón debe tener unas dimensiones de aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la oscilación que se desea generar. A 96 GHz, la longitud de onda es del orden de 3,125 mm. Por lo tanto, el orificio debe tener un diámetro de aproximadamente 1,5 mm. Sin embargo, la precisión debe ser muy inferior al 5%, porque todos los resonadores de la cavidad deben tener la misma frecuencia de resonancia, de modo que la oscilación se amplifique. Así que ya tenemos una precisión mecánica necesaria de unas centésimas de milímetro. Quizás factible hasta ahora.

Pero si se pretende una frecuencia de resonancia de 300 o incluso 400 GHz, las dimensiones requeridas de los resonadores de la cavidad serán del orden de décimas de milímetro para una resonancia. La precisión requerida tendría que ser del orden de unas milésimas de milímetro. Incluso si uno pudiera imaginar estos retos mecánicos para un instrumento de laboratorio, fracasa porque estas pequeñas distancias de décimas de milímetro ya no permiten un alto voltaje del ánodo. En lugar de una oscilación de alta frecuencia, se produce una chispa como con una bujía. Estas consideraciones hacen que estos datos sean poco probables para estas altas frecuencias.

Notas a pie 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. Encontrará más fotos de magnetrones y varios modelos de corte de magnetrones en www.ostron.de.