- 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 (МИ 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.