http___radartutorial.de_08.transmitters_Magnetron.tr.html_1.xml
1.1 2.1 3.1 4.1 5.1 6.1 7.1 8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 12.2 12.3 12.4 13.1 14.1 15.1 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 16.10 16.11 16.12 16.13 16.14 16.15 16.16 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 21.2 21.3 21.4 22.1 22.2 22.3 23.1 24.1 25.1 25.2 26.1 27.1 28.1 29.1 30.1 30.2 30.3 30.4 30.5 31.1 32.1 33.1 34.1 35.1 36.1 37.1 38.1 39.1 40.1 41.1 42.1 42.2 42.3 42.4 42.5 42.6 42.7 42.8 43.1 43.2 44.1 45.1 46.1 47.1 47.2 47.3 48.1 48.2 48.3 49.1 49.2 49.3 49.4 50.1 51.1 52.1 53.1 54.1 55.1 55.2 55.3 56.1 56.2 56.3 56.4 57.1 58.1 58.2 58.3 58.4 58.5 58.6 59.1 60.1 60.2 60.3 60.4 60.5 60.6 60.7 60.8 61.1 61.2 61.3 62.1 63.1 64.1 65.1 66.1 67.1 68.1 68.2 68.3 68.4 68.5 69.1 69.2 70.1 71.1 72.1 72.2 72.3 73.1 74.1 75.1 76.1 76.2 76.3 76.4 77.1 77.2 77.3 77.4 77.5 77.6 77.7 78.1 79.1 80.1 80.2 81.1 82.1 83.1 84.1 85.1 86.1 87.1 88.1 89.1 90.1 91.1 92.1 92.2 92.3 92.4 93.1 93.2 94.1 95.1 96.1 97.1 98.1
- Physical construction of a magnetron - Magnetron Basic Operation - Transient oscillation - Modes of Oscillation - Magnetron coupling methods - Magnetron frequency tuning - History of the invention of the magnetron - (Printable version of this page) What is a magnetron? Magnetron Figure 1: Magnetron MI 29G (MИ 29Г) of the old Russian Radar “Bar Lock” The magnetron is a high-powered vacuum tube that works as a self-excited microwave oscillator. Crossed electron and magnetic fields are used in the magnetron to produce the high-power output required in radar equipment. These multi-cavity devices may be used in radar transmitters as either pulsed or CW oscillators at frequencies ranging from approximately 600 to 30,000 megahertz. The relatively simple construction has the disadvantage that the Magnetron usually can work only on a constructively fixed frequency. Physical construction of a magnetron Figure 2: Cutaway view of a magnetron Figure 2: Cutaway view of a magnetron The magnetron is classed as a diode because it has no grid. The anode of a magnetron is fabricated into a cylindrical solid copper block. The cathode and filament are at the center of the tube and are supported by the filament leads. The filament leads are large and rigid enough to keep the cathode and filament structure fixed in position. The cathode is indirectly heated and is constructed of a high-emission material. The 8 up to 20 cylindrical holes around its circumference are resonant cavities. A narrow slot runs from each cavity into the central portion of the tube dividing the inner structure into as many segments as there are cavities. Each cavity works as a parallel resonant circuit. As depicted in Figure 3 by the low-frequency analog, the rear wall of the structure of the anode block may be considered to as the inductive portion (a coil with a single turn). The vane tip region may be considered as the capacitor portion of the equivalent parallel resonant circuit. The resonant frequency of a microwave cavity is thereby determined by the physical dimension of the resonator. If a single resonant cavity oscillates, then it excites the next one to oscillate too. This one oscillates at a phase delay of 180 degrees and excites the next resonant cavity, and so on. From a resonant cavity to the next always occurs this delay of 180 degrees. The chain of resonators thus forms a slow-wave structure that is self-contained. Because of this slow-wave structure, this design is also-called “Multi-cavity Traveling Wave Magnetron” in some publications. Figure 2: Cutaway view of a magnetron Figure 3: A resonant cavity in the anode block has the function of a parallel resonant circuit: The opposite anode walls of a slot are the capacitor, the detour around the hole is the inductance (with only one turn). Figure 3: A resonant cavity in the anode block has the function of a parallel resonant circuit: The opposite anode walls of a slot are the capacitor, the detour around the hole is the inductance (with only one turn). Figure 3: A resonant cavity in the anode block has the function of a parallel resonant circuit: The opposite anode walls of a slot are the capacitor, the detour around the hole is the inductance (with only one turn). The cathode of a magnetron provides the electrons through which the mechanism of energy transfer is accomplished. The cathode is located in the center of the anode and is made up of a hollow cylinder of emissive material (mostly Barium Oxide) surrounding a heater. The feeding wires of the filament must center the whole cathode. Any eccentricity between anode and cathode can cause serious internal arcing or malfunction. The open space between the anode block and the cathode is called the interaction space. In this space, the electric and magnetic fields interact to exert force upon the electrons. The magnetic field is usually provided by a strong, permanent magnet mounted around the magnetron so that the magnetic field is parallel with the axis of the cathode. Figure 4: Different forms of the anode block in a magnetron Figure 4: Different forms of the anode block in a magnetron It generally consists of an even number of microwave cavities arranged in a radial fashion. The form of the cavities varies, shown in Figure 4. - slot- type - vane- type - rising sun- type - hole-and-slot- type The slot type, hole-and slot type, and the rising sun type are usually machined by hobbing methods out of solid copper stock. But it can be difficult to cut soft metal (such as copper) in a lathe. The vane type is generally made up of individual vanes assembled and brazed into a support ring, therefore. The resonance behavior can be already tested and calibrated in the laboratory before the anode block is installed in the vacuum tube. The output lead is usually a probe or a loop extending into one of the resonant cavities and coupled into a waveguide or coaxial line. How do magnetrons work? Magnetron Basic Operation As with all velocity-modulated tubes, the generation of microwave frequencies at a magnetron can be subdivided into four phases: - Phase: Generation and acceleration of an electron beam in a dc field - Phase: Velocity-modulation of the electron beam in an ac field - Phase: Formation of electron bunches by velocity modulation (here in form of a “Space-Charge Wheel”) - Phase: Dispensing of energy to the ac field Phase: Generation and acceleration of an electron beam in a dc field Figure 5: Trajectory of an electron under the influence of the electrostatic and the magnetic field for different magnetic flux densities. Figure 5: Trajectory of an electron under the influence of the electrostatic and the magnetic field for different magnetic flux densities. Figure 5: Trajectory of an electron under the influence of the electrostatic and the magnetic field for different magnetic flux densities. Since the cathode is kept at a negative voltage, the static electric field is in a radial direction from (grounded) anode block to the cathode. When no magnetic field exists, heating the cathode results in a uniform and direct movement of the electron from the cathode to the anode block (the blue path in Figure 5). A weak permanent magnetic field B perpendicular to the electric field bends the electron path as shown with the green path in Figure 5. If the electron flow reaches the anode, so a large amount of plate current is flowing. If the strength of the magnetic field is increased, the path of the electron will have a sharper bend. Likewise, if the velocity of the electron increases, the field around it increases and the path will bend more sharply. However, when the critical field value is reached, as shown in Figure 5 as a red path, the electrons are deflected away from the plate and the plate current then drops quickly to a very small value. When the field strength is made still greater, the plate current drops to zero. These values of the anode voltage and magnetic field strength that prevent an anode current are called Hull cut-off magnetic field and cut-off voltage. When the magnetron is adjusted to the cut-off or critical value of the plate current and the electrons just fail to reach the plate in their circular motion, it can produce oscillations at microwave frequencies. Phase: Velocity-modulation of the electron beam Figure 6: The influence of the high-frequency electrical field of the trajectory of an electron Figure 6: The influence of the high-frequency electrical field of the trajectory of an electron The electric field in the magnetron oscillator is a summary of AC and DC fields. The DC field extends radially from adjacent anode segments to the cathode. The AC fields, extending between adjacent segments, are shown at an instant of the maximum magnitude of one alternation of the RF oscillations occurring in the cavities. In Figure 6 is shown only the assumed high-frequency electrical AC field. This AC field work in addition to the permanently available DC field. The AC field of each individual cavity increases or decreases the DC field like shown in Figure 6. Well, the electrons which fly toward the anode segments loaded at the moment more positively are accelerated in addition. These get a higher tangential speed. On the other hand, the electrons which fly toward the segments loaded at the moment more negatively are slow down. These get consequently a smaller tangential speed. Phase: Forming of a “Space-Charge Wheel” Figure 7: Rotating space-charge wheel in a twelve-cavity magnetron Figure 7: Rotating space-charge wheel in a twelve-cavity magnetron Figure 7: Rotating space-charge wheel in a twelve-cavity magnetron On reason of the different speeds of the electron groups, the velocity modulation leads to a density modulation. The cumulative action of many electrons returning to the cathode while others are moving toward the anode forms a pattern resembling the moving spokes of a wheel known as a “Space-Charge Wheel”, as indicated in Figure 7. The space-charge wheel rotates about the cathode at an angular velocity of 2 poles (anode segments) per cycle of the AC field. This phase relationship enables the concentration of electrons to continuously deliver energy to sustain the RF oscillations. One of the spokes just is near an anode segment which is loaded a little more negatively. The electrons are slowed down and pass her energy on to the AC field. This state isn't static, because both the AC- field and the wire wheel permanently circulate. The tangential speed of the electron spokes and the cycle speed of the wave must be brought in agreement so. Phase: Dispensing of energy to the ac field Recall that an electron moving in an E field is accelerated by the field and takes energy from the field. Also, an electron dispenses energy to a field and slows down if it is moving in the same direction as the field (positive to negative). The electron spends energy to each cavity as it passes and eventually reaches the anode when its energy is expended. Thus, the electron has helped sustain oscillations because it has taken energy from the DC field and given it to the ac field. This electron describes the path shown in Figure 5 over a longer time period looked. Due to the multiple decelerations of the electron, its energy is optimally utilized and efficiencies of up to 80 percent are achieved. Transient oscillation After switching the anode voltage, there is still no RF field. The single electron moves under the influence of the static electric field of the anode voltage and the effect of the magnetic field as shown in Figure 5 by the red electron path. Electrons are charge carriers: during the flyby at a gap, they give off a small part of the energy to the cavities. (Similar to a flute: A flute produces sound when a stream of air is flowing past an edge of a hole.) The cavity resonator begins to oscillate at its natural resonant frequency. Immediately begins the interaction between this RF field (with an initial low power) and the electron beam. The electrons are additionally influenced by the alternating field. It begins the process described in the sequence of phase 1 to 4 of the interaction between the RF field and the now velocity-modulated electrons. Unfortunately, the transient oscillation doesn't begin with a predictable phase. Each transient oscillation occurs with a random phase. The transmitting pulses that are generated by a magnetron are therefore not coherent. However, it is possible to get phase coherence, if the magnetron is fed with a continuous priming signal from a coherent oscillator.[1] Modes of Oscillation Figure 8: Modes of the magnetron (Anode segments are represented “unwound”) Figure 9: cutaway view of a magnetron (vane-type) showing the strapping rings and the slots. Figure 9: cutaway view of a magnetron (vane-type) showing the strapping rings and the slots. The operation frequency depends on the sizes of the cavities and the interaction space between anode and cathode. But the single cavities are coupled over the interaction space with each other. Therefore several resonant frequencies exist for the complete system. Two of the four possible waveforms of a magnetron with 12 cavities are in Figure 9 represented. Several other modes of oscillation are possible (¾π mode, ½π mode, ¼π mode) but a magnetron operating in the π mode has a higher output power and is most commonly used. Figure 8 shows three of the four possible oscillation modes of a 12-resonator magnetron. When operating the magnetron in one of the other modes (¾π, ½π, ¼π) the power or the efficiency and the oscillation frequency decrease. To ensure that a stable operational condition can be set in the optimal π mode, two constructive measures are possible: - Strapping rings: The frequency of the π mode is separated from the frequency of the other modes by strapping to ensure that the alternate segments have identical polarities. For the π mode, all parts of each strapping ring are at the same potential; but the two rings have alternately opposing potentials. For other modes, however, a phase difference exists between the successive segments connected to a given strapping ring which causes current to flow in the straps. - Use of cavities with different resonance frequencies e.g. such a variant is the anode form “Rising Sun”. Magnetron coupling methods Energy (rf) can be removed from a magnetron by means of a coupling loop as shown in Figure 9 into the bottom one resonator. At frequencies lower than 10,000 megahertz, the coupling loop is made by bending the inner conductor of a coaxial line into a loop. The loop is then soldered to the end of the outer conductor so that it projects into the cavity, as shown in Figure 10 also. Locating the loop at the end of the cavity, as shown in Figure 11, causes the magnetron to obtain sufficient pickup at higher frequencies. The segment-fed loop method is shown in Figure 12. The loop intercepts the magnetic lines passing between cavities. The strap-fed loop method Figure 13, intercepts the energy between the strap and the segment. On the output side, the coaxial line feeds another coaxial line directly or feeds a waveguide through a choke joint. The vacuum seal at the inner conductor helps to support the line. Aperture or slot coupling is illustrated in Figure 14. Energy is coupled directly to a waveguide through an iris (made from either glass or ceramic). different methods of magnetron coupling Magnetron tuning A tunable magnetron permits the system to be operated at a precise frequency anywhere within a band of frequencies, as determined by magnetron characteristics. The resonant frequency of a magnetron may be changed by varying the inductance or capacitance of the resonant cavities. inductive tuning elements Figure 15: Inductive magnetron tuning inductive tuning elements Figure 15: Inductive magnetron tuning Figure 16: resonant cavities of a hole-and-slot- type magnetron with inductive tuning elements loop Figure 16: resonant cavities of a hole-and-slot- type magnetron with inductive tuning elements An example of a tunable magnetron is the M5114B used by the ATC- Radar ASR-910. To reduce mutual interferences, the ASR-910 can work on different assigned frequencies. The frequency of the transmitter must be tunable, therefore. This magnetron is provided with a mechanism to adjust the Tx- frequency of the ASR-910 exactly. Figure 16 shows the inductive tuning elements of the TH3123 Magnetron used in ATC-radar Thomson ER713S. Note that the adjacent the filament supply lines resonant cavity and the coupling loop cavity are not tunable! Figure 17: Magnetron M5114B of the ATC-radar ASR-910 Figure 18: Magnetron VMX1090 of the ATC-radar PAR-80 This magnetron is even equipped with the permanent magnets necessary for the work. Footnotes: - David J. Greenslade: “The Advantages of a Magnetron Source for Electron Spin Echo Detection”, University of Essex, (online) - More pictures of magnetrons and various cut models of magnetrons are available at www.ostron.de.
1.1 2.1 3.1 4.1 5.1 6.1 7.1 8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 30.1 31.1 32.1 33.1 34.1 35.1 36.1 37.1 38.1 39.1 40.1 41.1 42.1 43.1 44.1 45.1 46.1 47.1 48.1 49.1 50.1 51.1 52.1 53.1 54.1 55.1 56.1 57.1 58.1 59.1 60.1 61.1 62.1 63.1 64.1 65.1 66.1 67.1 68.1 69.1 70.1 71.1 72.1 73.1 74.1 75.1 76.1 77.1 78.1 79.1 80.1 81.1 82.1 83.1 84.1 85.1 86.1 87.1 88.1 89.1 90.1 91.1 92.1 93.1 94.1 95.1
- Magnetronun yapısı - Magnetronun çalışma şekli - Magnetron çalışma modları - Magnetrondan enerjinin sağılması - Magnetronda frekans ayarının yapılması - Magnetronun tarihine bir bakış Magnetron nedir? Magnetron Resim 1: Eski Rus radarı “Bar Lock” a ait MI 29G (MИ 29Г) magnetronu Magnetron, kendiliğinden uyartımlı gibi osilatördür, diğer yürüyen dalga tüpleri (Traveling Wave Tubes) yada klistron doğrusal ışınım yapan tüpler gibi çalışır. Magnetronda, radar cihazına yüksek gönderim gücünü üretmek için birbirine dik (çapraz biçimli) bir elektrik ve kuvvetli bir manyetik alan oluşur. Bu nedenle eski yayınlarda magnetron „çapraz alan üreteci” veya „çapraz alan osilatörü” olarak adlandırılmıştır. Magnetronun yapısı Magnetron, kumandası için bir ızgaraya sahip olmaması bakımından aslında bir diyottur. Magnetron bir anot olarak anahtarlanan büyük bir bakır bloktan meydana gelmiştir. Anot bloğunun orta deliğinde ısıtıcı flaman iletkenleri ile taşınan bir silindirik katot yer alır. Bu katot, yüksek salım (emisyon) yeteneği olan dolaylı olarak ısıtılan bir oksit katottur. Flaman iletkenlerini, flaman yapısını ve katodu istenen konumda tutabilecek kadar büyük ve sağlam olmalıdır. Anot bloğu çevresinde frekansı tayin edici 8 ila 20 adet kadar kovuk çınlayıcısı (cavity resonator) yer alır ve bunlar bir kapalı gecikme hattı gibi çalışır. Bu çınlayıcılarda anot ile katot arasında bağlantıyı sağlayan küçük bir oluk vardır. Resim 2: Magnetronun kesiti Resim 2: Magnetronun kesiti Resim 2: Magnetronun kesiti Resim 3: Anot bloğundaki bir çınlayıcı paralel bir salınım devresi gibi çalışır: Anot duvarlarında karşılıklı yarıklar kondansatördür, oluğun çevresindeki yol ise endüktanstır (sadece bir sargı). Resim 3: Anot bloğundaki bir çınlayıcı paralel bir salınım devresi gibi çalışır: Anot duvarlarında karşılıklı yarıklar kondansatördür, oluğun çevresindeki yol ise endüktanstır (sadece bir sargı). Resim 3: Anot bloğundaki bir çınlayıcı paralel bir salınım devresi gibi çalışır: Anot duvarlarında karşılıklı yarıklar kondansatördür, oluğun çevresindeki yol ise endüktanstır (sadece bir sargı). Anot ve katot arasında kalan bölge etkileşim bölgesi olarak adlandırılır. Burada elektrostatik ve manyetik alanlar elektronlar üzerinde kuvvet uygularlar. Katoda paralel olarak bir sabit mıknatısın kuvvetli manyetik alanı yer alır. Resim 4: Magnetronlarda ki muhtelif anot biçimleri Resim 4: Magnetronlarda ki muhtelif anot biçimleri 3 nolu resimde çınlayıcıların (rezonatörlerin) muhtelif biçimleri gösterilmiştir. Bu çınlayıcılarca üretilen yüksek frekanslı güç ya kapma hattından eşeksenel (koaksiyel) bir hat ile ile yada bir kapma çıkışı ve dalga kılavuzu vasıtasıyla alınır. - Yarık tipi - Daire sektörü tipi - Doğan güneş tipi - Delik tipi Magnetronun çalışma şekli Tüm hız modülasyon tüplerinde olduğu gibi, bir magnetronda, yüksek frekanslı salınımların elde edilmesinde geçen elektronik olaylar yine dört evrede toplanabilir: - Evre: Elektron akımının elde edilmesi ve hızlandırılması - Evre: Elektronların hız modülasyonu - Evre: Elektron akımının yoğunluk modülasyonu - Evre: AC alana enerji aktarılması 1. Evre: Elektron akımının elde edilmesi ve hızlandırılması Resim 5: Farkı manyetik akı değerlerine sahip manyetik alan ve elektrostatik alanların etkisi altında bir elektronun hareket yolu. Resim 5: Farkı manyetik akı değerlerine sahip manyetik alan ve elektrostatik alanların etkisi altında bir elektronun hareket yolu. Resim 5: Farkı manyetik akı değerlerine sahip manyetik alan ve elektrostatik alanların etkisi altında bir elektronun hareket yolu. Magnetronda, eğer hiç manyetik alan bulunmuyorsa katodun ısıtılması sonucunda elektronlar anoda doğru merkezden düzgün ve doğrudan varacak bir biçimde yayılarak hareket ederler. Resim 5 de tek bir elektronun mavi renkli hatta bu hareketi gösterilmektedir. Daimi manyetik alan, elektronların yolunda bir bükme yaratır. Eğer elektronlar anoda varırsa, burada bir büyük anot akımı meydana gelir. Eğer manyetik alanının şiddeti arttırılırsa bu büküm daha keskinleşir. Benzeri şekilde elektronun hızı arttıkça etrafındaki alanda büyür ve sapma daha da keskinleşir. Bununla beraber kritik alan değerine varıldığında, elektronlar resimde kırmızı renkle gösterilen hattı takip ederler, elektronlar artık anottan uzaklaşmıştır ve anot akımı aniden çok küçük bir değere düşer. Alan kuvveti daha da arttırılırsa akım sıfırlanır. Anot ile katot arasında ki bölgeye (elektrik ve manyetik alanların birbirine dik yönde bulunduğu) eksensel yönde bir manyetik alan uygulanması durumunda elektronlar bir çember etrafında dönerken bir başka çember çizerek (epicycloidal) sapmaya uğrarlar. Anoda teğet olan kırmızı renkle gösterilen elektronların hattında ki akış yoğunluğu, kritik akış yoğunluğu olarak adlandırılır. İşletme pratiğinde, elektronların anoda ulaşamadığı, daha yüksek bir akış yoğunluğu olarak, yeşil renkle gösterilen kritik akış yoğunluğu olarak seçilir. Magnetron kesmeye ayarlandığında, yani anot akımı sıfır olduğunda, elektronlar anoda ulaşamazlar ve mikrodalga frekanslarında oluşan bir salınıma (osilasyona) girerler. 2. Evre: Elektronların hız modülasyonu Resim 6: Dönen dalganın elektrik alan hatları Resim 6: Dönen dalganın elektrik alan hatları Kovuk çınlayıcısı yarığından geçen elektronlar salınıma girerler. Geciktirme hatları üzerinde bir dönen manyetik alan oluşur. Manyetik alan, çınlayıcıların iç bölümlerinde etkili olduğundan, sadece çınlayıcı yarığında yoğunlaşan elektrik alanı etkileşim hacminde etkin olur ve elektronların hareketlerini etkiler. Anot bölümlerinde, Resim 6 de dönen dalganın yüksek frekanslı elektrik alanı ve buna ait yük dağılımı belli bir zaman noktasına kadar dikkate alınır. İlaveten yüksek frekanslı alan ve yükler sürekli mevcut elektrostatik alanı etkiler. Sonuçta; dönen dalgalar, anot bölümlerinin, anot DC gerilim değerlerinden bir miktar büyük (pozitif) yada bir miktar küçük (negatif) olan gerilim değerlerini değiştirir. Katottan, o anki pozitif yüklü bulunan anot bölümlerine yol alan elektronlar aynı zamanda hızlanırlar. Bu nedenle manyetik sağa sapma daha kuvvetlenir ve elektronlar daha yüksek değerlerde teğetsel hızlara çıkarlar. Diğer yandan, o anki negatif yüklü anot bölümlerine yol alan elektronlar yavaşlarlar. Bunlar sağa öyle çok sapma yapmazlar ve bunun sonucu olarak daha düşük teğetsel hızlarda hareket ederler. Bir magnetron osilatörde bulunan elektrik alanı AC ve DC bileşenlerden oluşur. DC alan merkezden yanındaki anot bölümlerine doğru yayılır. Resim 5 de bitişik anot bölümleri arasında ki kovuklarda oluşan radyo frekanslı salınımların bir çevriminde ki (alternasında ki) maksimum büyükleri gösterilmiştir. Bunlar sadece yüksek frekanslı AC elektrik alanıdır. Bu AC alan ayrıca DC alanı da etkiler. Her bir kovuğun AC alanı resimde gösterildiği gibi DC alanı azaltır yada çoğaltır. 3. Evre: Elektron akımının yoğunluk modülasyonu Resim 7: Elektron akımının yoğunluk modülasyonu Resim 7: Elektron akımının yoğunluk modülasyonu Resim 7: Elektron akımının yoğunluk modülasyonu Değişik elektron gruplarının farklı hızlara sahip olmaları nedeniyle, elektronlar dönüşleri sırasında çalışma zamanı etkileri ortaya çıkar. Daha hızlı elektronlar daha yavaş elektronları yakalar ve elektronların kümelenmeleri sonucu „jant telli bisiklet tekerinin dönmesi” sırasında meydana gelen bir görüntüye benzer bir çark görüntüsü ortaya çıkar. Bu görüntüye İngilizce de „Space-Charge-Wheel” denilmektedir. Bu çark AC alanın her bir çevrimi için 2 kutupluk açısal bir hızda dönmektedir. Bu faz ilişkisi elektron kümelerinin enerjilerini sürekli aktararak yüksek frekanslı salınımın sürmesini sağlar. Resim 8 da betimlenen an, bu çarkın anot DC gerilimi bindirilmiş (superimposed) yüksek frekanslı dönen alanının biraz negatif yüklü iken olan ki halidir. Elektronlar frenlenmiş olup, enerjileri yüksek frekanslı aktarılır. Negatif yüklü anot bölümü yakınında ki bir çark kolunda ki bir miktar elektron artık yavaşlamıştır ve enerjisini AC alana aktarırlar. Hem dalgalar (ve sonucunda çınlayıcılarda ki alan dağılımı) hem de çark sürekli döndüğünden bu durum statik değildir; elektron hatlarının teğetsel hızlarının ve dalgaların dönme hızları birbiriyle bağdaştırılması gerekir. 4. Evre: AC alana enerji aktarılması Elektrik alanına karşı hareket eden bir elektronun bu alan tarafından ivmelendirildiğini ve bu alandan enerji aldığını hatırlayınız. Keza, bir elektronun alana aynı yöne (pozitif veya negatif) hareket ederken yavaşladığında enerjisini bu alana aktardığını da hatırlayınız. Elektron kovuk önünden geçerken enerjisini bırakır ve enerjisi tükenince anoda varır. Yani elektronlar DC alandan enerji alıp bunu AC alana aktararak salınımın sürmesini sağlarlar. Karşılık gelen anot bölümüne varmadan önce, katot ve anot arasında ki çark kolu üzerindeki elektronlar çok daha fazla frenlerler. Bu frenleme onların enerjilerini yüksek frekanslı salınıma bırakmalarını sağlar. Resim 9 de bir elektronun uzun bir zaman dilimi içerisinde takip ettiği yol görülmektedir. Elektronları çok sayıda frenlemeleri sayesinde enerjileri en optimal biçimde alınır ve % 80 e kadar olan verimliliğe ulaşılır. Magnetron çalışma modları Resim 8: Magnetron salınım modları (Anot bağlantıları arasında ki „bağlantı çözülmüş” olarak gösterilmiş.) Resim 8: Magnetron salınım modları (Anot bağlantıları arasında ki „bağlantı çözülmüş” olarak gösterilmiş.) Resim 9: Kısa devre halkalarının görüldüğü magnetron kesiti Çalışma frekansı her şeyden önce çınlayıcıların (rezonatörlerin) boyutlarına ve anot ile katot arasında ki etkileşim hacmine bağlıdır. Bununla beraber çınlayıcılar, tek tek, kendi aralarında etkileşim hacmi üzerinden bağlaşırlar (couple) ve tüm sistemde (gecikme hatlarında) daha fazla sayıda rezonans frekansları oluştururlar. Resim 8 de sekiz adet çınlayıcıya sahip bir magnetronun ürettiği dört salınım biçimlerinden (modundan) ikisi gösterilmektedir. Magnetron diğer modlarda (3/4π, 1/2π, 1/4π) çalışırken güç, bu modlarda ki verimlilik ve frekans azalır. En optimal olarak bir kararlı çalışma modu π-modu ile elde edilir, iki adet yapısal önlemde mümkündür: - Anot bölümleri arasında kısa devre halkası: Hem tek ve hem de çift sayılı bölümler kendi aralarında bir kısa devre halkası ile bağlanırlar. Böylece π modunda her bir kısa devre halkasına bağlı bütün anot bölümleri aynı gerilime sahip olurlar. Diğer modlar kısa devre halkalarında akan dengeleme akımlarıyla bastırılırlar. Her bir halka sırayla değişen birbirine zıt bir gerilim değerine sahiptir. - Farklı özgün frekanslara sahip çınlayıcıların kullanımı, örneğin „Doğan Güneş” tipi. Doğan Güneş tipi farklı uzunlukta oluklara sahiptir. Verilen örnekte, her ikinci bir çınlayıcının çınlama frekansı π-modunda istenen çalışma frekansının 3. harmoniğinde, keza temel frekansın üç katında bulunur. Normal olarak bu çınlama frekansları (çalışma frekansının çift sayılı bir katı olmayışından dolayı) π-modundaki salınım eşiklerini destekler. Eğer, örneğin magnetron 1/2π modunda çalışıyorsa o zaman salınım olayının akım akışı birbiriyle sıkı bağlaşan iki çınlayıcıyı kapsar. Bir çınlayıcı bu durumda 2. harmonikte, diğeri 6. harmonikte çalışır. Böylece, bu daha küçük çınlayıcı şimdi bir çift katlı frekansta çalışması ve daha öncesinde olduğu gibi fiziksel bağlaşım ile 180° bir faz kayması sonucu komşu çınlayıcılarıyla bir itme – çekme (push-pull) modunda çalışır. Bu salınım π-moduna dönene kadar hatalı mod için zaten daha uygun olmayan verimlilik hâlâ daha uygun olmayacak, bunun sonucu olarak çalışma koşulları daha da kötüleşecektir. Böylece bir şekilde bir diğerinde π-modunda bir salınım üretildiğinde çınlayıcıların sayısı bu moda uyumlu olmalıdır. Örneğin 3/4π-modunda çınlayıcıların sayısı 6 ya bölünebilmelidir, böylece dolaşan dalgalar bu modda ortaya çıkacaktır. Bu nedenle mümkün olabilecek modların sayısı çınlayıcıların sayısına bağlıdır. Magnetrondan enerjinin sağılması (out-coupling) Yüksek frekanslı enerji magnetrondan bir halka vasıtasıyla sağılır. 10 GHz altında ki frekanslarda bu halka bir eşeksenel (koaksiyel) kablonun ortasında ki iletken bükülerek ve ardından dış iletkene lehimlenerek yapılır. Bu şekilde oluşturulan halka (Resim 10) kovuğun içine yerleştirilir. Daha yüksek frekanslarda ise (Resim 11) bu halka çınlayıcının dışına doğru alındığında daha verimli olmaktadır. Yine Resim 12 de yüksek frekanslı enerjinin bir bölümden beslenerek sağılması görülmektedir. İletken, benzeri şekilde, çınlayıcılar arasında meydana gelen manyetik alanı kapar. Yine Resim 13 de görüldüğü gibi, kısa devre halkalarına bağlantı yapıldığı bir yöntem daha vardır. Enerjiyi bir eşeksenel kablo ile sağlama yöntemi, işlemin hava sızdırmaz (vakum tüp oluşu nedeniyle!) tarzda anot bloğu vasıtasıyla yapılması gerektiğinden ötürü çok uygun bir yöntemdir. Bu eşeksenel kablolar doğrudan dalga kılavuzunu besleyebilir. Yüksek frekanslarda (küçük boyutlu dalga kılavuzu kullanılan) bir yarık vasıtasıyla enerji sağılması yöntemi keza çok yaygındır (Resim 14). Magnetrondan enerjinin sağılması Magnetronda frekans ayarının yapılması Ayarlanabilir magnetronlar da, bir yapıcı (constructive) frekans bandı içinde, frekansın hassas olarak ayarlanabilmesi mümkün olmaktadır. Rezonans frekansının değeri, çınlayıcılarda yapılan mekanik değişiklerin yol açtığı kapasitif veya endüktif etkilere duyarlıdır. etkili ayar elemanları Resim 15: Endüktif ayar etkili ayar elemanları Resim 15: Endüktif ayar ASR-910 radarının M5114B tip magnetronu ayarlanabilir magnetrona bir örnektir. ASR-910 radarı istenen farklı frekanslarda çalışabilmesi nedeniyle, karşılıklı gürültüleri önlemek için gönderici frekansının ayarlı olması gerekir. Bu magnetron, ASR-910 radarının gönderme frekansını hassas olarak ayarlamayı sağlayan bir ayar mekanizması ile birlikte Resim 17 de görülmektedir. Resim 16: Endüktif ayar elemanlı bir magnetronun (oluk tipi) çınlayıcısı devresi Resim 16: Endüktif ayar elemanlı bir magnetronun (oluk tipi) çınlayıcısı Resim.17 de TH3123 tipi magnetronun endüktif ayar elemanları görülmektedir. Filaman besleme hatlarının arkasında bulunan çınlayıcı ve sağma devreli çınlayıcının frekansları ayarlanabilir değildir! Bunun şöyle bir sakıncası vardır: Bu iki çınlayıcının da diğer çınlayıcılardan daha geniş bantlı olmasını gerektirir. Böylece magnetronun verimliği azalır ve bir frekans değişikliği sadece çok dar sınırlar içinde mümkün olabilir. Resim 17: ASR-910 a ait M5114B magnetronu Resim 18: PAR-80. radarına takılı VMX 109 tipi magnetron. Bu magnetron çalışma için gerekli daimi mıknatısları da ihtiva eder.