Ingeniería de microondas - Magnetrones
A diferencia de los tubos discutidos hasta ahora, los magnetrones son los tubos de campo cruzado en los que los campos eléctrico y magnético se cruzan, es decir, corren perpendiculares entre sí. En TWT, se observó que cuando los electrones interactuaban con RF, durante más tiempo que en Klystron, resultaban en una mayor eficiencia. La misma técnica se sigue en Magnetrons.
Tipos de magnetrones
Hay tres tipos principales de magnetrones.
Tipo de resistencia negativa
- Se utiliza la resistencia negativa entre dos segmentos de ánodo.
- Tienen baja eficiencia.
- Se utilizan a bajas frecuencias (<500 MHz).
Magnetrones de frecuencia de ciclotrón
Se considera el sincronismo entre el componente eléctrico y los electrones oscilantes.
Útil para frecuencias superiores a 100MHz.
Tipo de cavidad o onda viajera
Se tiene en cuenta la interacción entre los electrones y el campo EM giratorio.
Se proporcionan oscilaciones de potencia de pico alto.
Útil en aplicaciones de radar.
Magnetrón de cavidad
El magnetrón se llama magnetrón de cavidad porque el ánodo se convierte en cavidades resonantes y se usa un imán permanente para producir un campo magnético fuerte, donde la acción de ambos hace que el dispositivo funcione.
Construcción de magnetrón de cavidad
Un cátodo cilíndrico grueso está presente en el centro y un bloque cilíndrico de cobre, se fija axialmente, que actúa como ánodo. Este bloque de ánodo está formado por una serie de ranuras que actúan como cavidades de ánodo resonante.
El espacio presente entre el ánodo y el cátodo se llama Interaction space. El campo eléctrico está presente radialmente mientras que el campo magnético está presente axialmente en el magnetrón de la cavidad. Este campo magnético es producido por un imán permanente, que se coloca de manera que las líneas magnéticas sean paralelas al cátodo y perpendiculares al campo eléctrico presente entre el ánodo y el cátodo.
Las siguientes figuras muestran los detalles de construcción de un magnetrón de cavidad y las líneas magnéticas de flujo presentes, axialmente.
Este magnetrón de cavidad tiene 8 cavidades estrechamente acopladas entre sí. Un magnetrón de cavidad N tiene modos de operación $ N $. Estas operaciones dependen de la frecuencia y la fase de las oscilaciones. El cambio de fase total alrededor del anillo de los resonadores de esta cavidad debe ser $ 2n \ pi $ donde $ n $ es un número entero.
Si $ \ phi_v $ representa el cambio de fase relativo del campo eléctrico de CA a través de cavidades adyacentes, entonces
$$ \ phi_v = \ frac {2 \ pi n} {N} $$
Donde $ n = 0, \: \ pm1, \: \ pm2, \: \ pm \: (\ frac {N} {2} -1), \: \ pm \ frac {N} {2} $
Lo que significa que el modo de resonancia $ \ frac {N} {2} $ puede existir si $ N $ es un número par.
Si,
$$ n = \ frac {N} {2} \ quad luego \ quad \ phi_v = \ pi $$
Este modo de resonancia se llama $ \ pi-mode $.
$$ n = 0 \ quad luego \ quad \ phi_v = 0 $$
Esto se llama como Zero mode, porque no habrá campo eléctrico de RF entre el ánodo y el cátodo. Esto también se llamaFringing Field y este modo no se usa en magnetrones.
Funcionamiento del magnetrón de cavidad
Cuando el Cavity Klystron está en funcionamiento, tenemos que considerar diferentes casos. Repasemos en detalle.
Case 1
Si el campo magnético está ausente, es decir, B = 0, entonces el comportamiento de los electrones se puede observar en la siguiente figura. Considerando un ejemplo, donde el electróna va directamente al ánodo bajo una fuerza eléctrica radial.
Case 2
Si hay un aumento en el campo magnético, una fuerza lateral actúa sobre los electrones. Esto se puede observar en la siguiente figura, considerando el electrónb que toma un camino curvo, mientras que ambas fuerzas actúan sobre él.
El radio de esta ruta se calcula como
$$ R = \ frac {mv} {eB} $$
Varía proporcionalmente con la velocidad del electrón y es inversamente proporcional a la fuerza del campo magnético.
Case 3
Si el campo magnético B aumenta aún más, el electrón sigue un camino como el electrón c, simplemente rozando la superficie del ánodo y haciendo que la corriente del ánodo sea cero. Esto se llama "Critical magnetic field"$ (B_c) $, que es el campo magnético de corte. Consulte la siguiente figura para comprender mejor.
Case 4
Si el campo magnético se hace mayor que el campo crítico,
$$ B> B_c $$
Entonces los electrones siguen un camino como electrón d, donde el electrón salta de regreso al cátodo, sin ir al ánodo. Esto causa "back heating"del cátodo. Consulte la siguiente figura.
Esto se logra cortando el suministro eléctrico una vez que comienza la oscilación. Si esto continúa, la eficiencia de emisión del cátodo se ve afectada.
Funcionamiento del magnetrón de cavidad con campo de RF activo
Hemos discutido hasta ahora el funcionamiento del magnetrón de cavidad donde el campo de RF está ausente en las cavidades del magnetrón (caso estático). Analicemos ahora su funcionamiento cuando tenemos un campo de RF activo.
Como en TWT, supongamos que están presentes oscilaciones de RF iniciales, debido a algún ruido transitorio. Las oscilaciones son sostenidas por el funcionamiento del dispositivo. Hay tres tipos de electrones emitidos en este proceso, cuyas acciones se entienden como electrones.a, b y c, en tres casos diferentes.
Case 1
Cuando hay oscilaciones, un electrón a, ralentiza la transferencia de energía para oscilar. Los electrones que transfieren su energía a las oscilaciones se denominanfavored electrons. Estos electrones son responsables debunching effect.
Case 2
En este caso, otro electrón, digamos b, toma energía de las oscilaciones y aumenta su velocidad. A medida que se hace esto,
- Se dobla más bruscamente.
- Pasa poco tiempo en el espacio de interacción.
- Vuelve al cátodo.
Estos electrones se denominan unfavored electrons. No participan en el efecto de agrupamiento. Además, estos electrones son dañinos ya que causan "retrocalentamiento".
Case 3
En este caso, el electrón c, que se emite un poco más tarde, se mueve más rápido. Intenta ponerse al día con el electróna. El siguiente electrón emitidod, intenta caminar con a. Como resultado, los electrones favorecidosa, c y dforman grupos de electrones o nubes de electrones. Se denomina "efecto de enfoque de fase".
Todo este proceso se comprende mejor observando la siguiente figura.
La figura A muestra los movimientos de los electrones en diferentes casos, mientras que la figura B muestra las nubes de electrones formadas. Estas nubes de electrones se producen mientras el dispositivo está en funcionamiento. Las cargas presentes en la superficie interna de estos segmentos de ánodo siguen las oscilaciones en las cavidades. Esto crea un campo eléctrico que gira en el sentido de las agujas del reloj, que en realidad se puede ver mientras se realiza un experimento práctico.
Mientras el campo eléctrico está rotando, las líneas de flujo magnético se forman en paralelo al cátodo, bajo cuyo efecto combinado, los racimos de electrones se forman con cuatro radios, dirigidos en intervalos regulares, al segmento de ánodo positivo más cercano, en trayectorias en espiral.