Engenharia de Microondas - Magnetrons
Ao contrário dos tubos discutidos até agora, os magnetrons são os tubos de campo cruzado nos quais os campos elétrico e magnético se cruzam, ou seja, correm perpendiculares um ao outro. No TWT, observou-se que os elétrons quando feitos para interagir com RF, por mais tempo, do que no Klystron, resultaram em maior eficiência. A mesma técnica é seguida em Magnetrons.
Tipos de magnetrons
Existem três tipos principais de magnetrons.
Tipo de resistência negativa
- A resistência negativa entre dois segmentos anódicos é usada.
- Eles têm baixa eficiência.
- Eles são usados em baixas frequências (<500 MHz).
Magnetrons de frequência de ciclotron
O sincronismo entre o componente elétrico e os elétrons oscilantes é considerado.
Útil para frequências superiores a 100 MHz.
Onda móvel ou tipo de cavidade
A interação entre os elétrons e o campo EM rotativo é levada em consideração.
São fornecidas oscilações de alta potência de pico.
Útil em aplicações de radar.
Cavidade Magnetron
O Magnetron é chamado de Magnetron de Cavidade porque o ânodo é feito em cavidades ressonantes e um ímã permanente é usado para produzir um forte campo magnético, onde a ação de ambos faz o dispositivo funcionar.
Construção do Magnetron de Cavidade
Um cátodo cilíndrico espesso está presente no centro e um bloco cilíndrico de cobre, é fixado axialmente, que atua como um ânodo. Este bloco anódico é feito de várias ranhuras que atuam como cavidades anódicas ressonantes.
O espaço presente entre o ânodo e o cátodo é chamado de Interaction space. O campo elétrico está presente radialmente, enquanto o campo magnético está presente axialmente no magnetron da cavidade. Esse campo magnético é produzido por um ímã permanente, que é colocado de forma que as linhas magnéticas fiquem paralelas ao cátodo e perpendiculares ao campo elétrico presente entre o ânodo e o cátodo.
As figuras a seguir mostram os detalhes de construção de um magnetron de cavidade e as linhas magnéticas de fluxo presentes, axialmente.
Este magnetron de cavidade possui 8 cavidades firmemente acopladas entre si. Um magnetron de cavidades N tem modos de operação $ N $. Essas operações dependem da frequência e da fase das oscilações. O deslocamento de fase total em torno do anel desses ressonadores de cavidade deve ser $ 2n \ pi $, onde $ n $ é um número inteiro.
Se $ \ phi_v $ representa a mudança de fase relativa do campo elétrico CA em cavidades adjacentes, então
$$ \ phi_v = \ frac {2 \ pi n} {N} $$
Onde $ n = 0, \: \ pm1, \: \ pm2, \: \ pm \: (\ frac {N} {2} -1), \: \ pm \ frac {N} {2} $
O que significa que o modo de ressonância $ \ frac {N} {2} $ pode existir se $ N $ for um número par.
E se,
$$ n = \ frac {N} {2} \ quad então \ quad \ phi_v = \ pi $$
Este modo de ressonância é denominado $ \ pi-mode $.
$$ n = 0 \ quad então \ quad \ phi_v = 0 $$
Isso é chamado de Zero mode, porque não haverá campo elétrico de RF entre o ânodo e o cátodo. Isso também é chamado deFringing Field e este modo não é usado em magnetrons.
Operação de Cavidade Magnetron
Quando a Cavidade Klystron está em operação, temos diferentes casos a considerar. Vamos examiná-los em detalhes.
Case 1
Se o campo magnético estiver ausente, ou seja, B = 0, então o comportamento dos elétrons pode ser observado na figura a seguir. Considerando um exemplo, onde elétrona vai diretamente para o ânodo sob a força elétrica radial.
Case 2
Se houver aumento do campo magnético, uma força lateral atua sobre os elétrons. Isso pode ser observado na figura a seguir, considerando o elétronb que segue um caminho curvo, enquanto ambas as forças agem sobre ele.
O raio deste caminho é calculado como
$$ R = \ frac {mv} {eB} $$
Ele varia proporcionalmente com a velocidade do elétron e é inversamente proporcional à força do campo magnético.
Case 3
Se o campo magnético B é aumentado ainda mais, o elétron segue um caminho como o elétron c, apenas roçando a superfície do ânodo e fazendo com que a corrente do ânodo seja zero. Isso é chamado de "Critical magnetic field"$ (B_c) $, que é o campo magnético de corte. Consulte a figura a seguir para melhor compreensão.
Case 4
Se o campo magnético for maior do que o campo crítico,
$$ B> B_c $$
Em seguida, os elétrons seguem um caminho como elétron d, onde o elétron salta de volta para o cátodo, sem ir para o ânodo. Isso faz com que "back heating"do cátodo. Consulte a figura seguinte.
Isso é conseguido cortando-se o suprimento elétrico assim que a oscilação começar. Se isso for continuado, a eficiência de emissão do cátodo é afetada.
Operação do Magnetron de Cavidade com Campo RF Ativo
Discutimos até agora a operação do magnetron de cavidade onde o campo de RF está ausente nas cavidades do magnetron (caso estático). Vamos agora discutir sua operação quando temos um campo RF ativo.
Como no TWT, vamos supor que as oscilações de RF iniciais estejam presentes, devido a algum transiente de ruído. As oscilações são sustentadas pela operação do dispositivo. Existem três tipos de elétrons emitidos neste processo, cujas ações são entendidas como elétronsa, b e c, em três casos diferentes.
Case 1
Quando as oscilações estão presentes, um elétron a, diminui a transferência de energia para oscilar. Esses elétrons que transferem sua energia para as oscilações são chamados defavored electrons. Esses elétrons são responsáveis porbunching effect.
Case 2
Neste caso, outro elétron, digamos b, tira energia das oscilações e aumenta sua velocidade. Como e quando isso for feito,
- Ele se curva mais acentuadamente.
- Ele passa pouco tempo no espaço de interação.
- Ele retorna ao cátodo.
Esses elétrons são chamados de unfavored electrons. Eles não participam do efeito de agrupamento. Além disso, esses elétrons são prejudiciais, pois causam "aquecimento traseiro".
Case 3
Neste caso, elétron c, que é emitido um pouco depois, se move mais rápido. Ele tenta alcançar o elétrona. O próximo elétron emitidod, tenta acompanhar a. Como resultado, os elétrons favorecidosa, c e dformam feixes de elétrons ou nuvens de elétrons. É denominado como "Efeito de focagem de fase".
Todo esse processo é compreendido melhor observando a figura a seguir.
A Figura A mostra os movimentos do elétron em diferentes casos, enquanto a Figura B mostra as nuvens de elétrons formadas. Essas nuvens de elétrons ocorrem enquanto o dispositivo está em operação. As cargas presentes na superfície interna desses segmentos anódicos acompanham as oscilações nas cavidades. Isso cria um campo elétrico girando no sentido horário, que pode ser visto durante a realização de um experimento prático.
Enquanto o campo elétrico gira, as linhas de fluxo magnético são formadas em paralelo ao cátodo, sob cujo efeito combinado, os feixes de elétrons são formados com quatro raios, direcionados em intervalos regulares, para o segmento anódico positivo mais próximo, em trajetórias espirais.