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Magnetron

Aufbau - Funktionsweise - Wirkungsweise eines Magnetrons.
Wie funktioniert ein Magnetron?


Magnetron

Radarmagnetron von Varian / CPI, 270kW, X-Band, ca. 10GHz


Ein Magnetron ist ein Hochleistungs-Mikrowellenoszillator, bei welchem aus der Energie von umlaufenden Elektronenwolken leistungsstarke elektromagnetische HF-Schwingungen ausgekoppelt werden. Das Magnetron gehört zur Gruppe der Laufzeitröhren, wie auch das Klystron und die Wanderfeldröhre.
Ein Magnetron ist im Prinzip eine zylindrische Diode mit einer Hochleistungskatode / Glühkatode als lnnenzylinder, die in einem axialen Magnetfeld arbeitet. Die Glühkatode emittiert bei Anlegen der Anoden- und Heizspannung Elektronen. Die emittierten Elektronen durchlaufen ein Magnetfeld und werden hier auf Epizykloidenbahnen abgelenkt. Die gegen die Katode positiv vorgespannte Anode ist jedoch nicht glatt, sondern als Verzögerungsleitung ausgebildet, die in Π-Mode schwingt. Durch dieses der Wanderfeldröhre ähnliche HF-Geschehen in Bahnscheitelnähe werden die Elektronen in einem Magnetron azimutal solcherart geschwindigkeitsmoduliert, daß sie im wesentlichen Leitbahngeschwindigkeit annehmen. Die in der Nähe der relativ negativen Verzögerungsleitungszinken mit folglich geringerer Geschwindigkeit laufenden Elektronen bekommen im Magnetfeld eine geringere Bahnkrümmung, so daß dieser Teil der falschphasigen Elektronen aussortiert wird, indem sie die "negativen" Anodensegmente erreichen und dort die negative Ladung vermehren, also die Dämpfungsverluste der Verzögerungsleitung überkompensieren. Die angefachten Schwingungen können an einer beliebigen Kammer der Verzögerungsleitung durch eine Schleife ausgekoppelt werden (siehe Bild 1). Die Elektronenströmung zieht sich zu einem "Speichenrad" zusammen, das im gezeichneten Fall im Uhrzeigersinn umläuft. Die Wechselwirkungen gehen aus Bild 2 hervor. Dabei läuft jedoch nur die Hüllkurve, nicht aber das Elektronenindividuum für längere Zeit im Spalt an der Verzögerungsleitung entlang. Ein anderer Teil der falschphasigen Elektronen im gelangt zur Katode und heizt diese auf, so daß bei vielen Magnetron-Typen nach dem Einschwingen die Katodenheizung reduziert werden muß. Neuere Modelle arbeiten mit Kaltkathoden, hier emittiert die Kathode auch im unbeheizten Zustand Elektronen.
Um das Anschwingen im Π-Mode zu erleichtern, werden bei einigen Typen jeweils die geradzahligen und auch die ungeradzahligen Anodensegmente durch Kurzschlußbügel (sogenannte "strips") miteinander verbunden. Auch die Anodenform der "rising sun" (Bild 3) begünstigt den Anschwingvorgang im Π-Mode.

Schema eines Magnetrons Wechselwirkung bei Magnetrons Anode vom Rising-Sun-Typ
Bild 1 Bild 2 Bild 3
Schema des
Magnetrons
Zur Wechselwirkung
zwischen:
Anode vom Rising-sun-Typ
1 Katode
2 Anode
3 Verzögerungsleitung
4 Elektronenströmung
Elektronenströmung und elektromagnetischer
Welle bei Magnetrons

Die Rechteckform der
Anode begünstigt das
Anschwingen in der
Π-Mode



(weisse Pfeile symbolisieren
die Feldkräfte, die die darge-
stellte Elektronenkonfiguration
hervorrufen)



Das Magnetron stellt einen nur begrenzt durchstimmbaren Oszillator dar, der sehr hohe Leistungen mit gutem Wirkungs­grad im GHz­-Gebiet erzeugen kann. Leistungen von 0,2...50kW bei 2...30GHz mit über 60% Wirkungsgrad sind typisch für Dauerstrichbetrieb, 10MW und mehr Leistung bei Impulsmagnetrons. Neuentwicklungen bemühen sich um das Submillimetergebiet (Frequenzen über 300GHz). Eine Anwendung des Magnetrons für AM- und FM-Sender ist in einfacher Weise allerdings nicht möglich, da diese nicht/schlecht modulierbar sind. Das Magnetron wird hauptsächlich in Radaranlagen, in der HF-­Therpie (Medizintechnik), in der Gastronomie (Mikrowellenherd) sowie beim Magnetronsputtern zur Beschichtung von Oberflächen angewendet.
Historisch bemerkenswert ist die erstmalige Anwendung des Magnetrons als Hochleistungs­-Impulsgenerator für die Radartechnik Anfang der 40er Jahre.

Grundsätzlich werden zwei verschiedene Typen von Magnetrons unterschieden.

Dauerstrich-Magnetrons:
Dieser Typ Magnetron arbeitet kontinuierlich im Dauerstrichbetrieb. Die Dauerstrichmagnetrone geben ihre Energie kontinuierlich ab und werden beispielsweise in Mikrowellenherden verwendet.
Im Dauerstrichbetrieb können einige kW erzielt werden.

Impuls-Magnetrons:
Diese Impulsmagnetrone geben ihre Energie stoßweise als Impuls bzw. Impulsfolge ab und finden ihre Anwendung vornehmlich in Radaranlagen.
Die Ansteuerung eines Impulsmagnetrons erfolgt in der Regel mit leistungsstarken Wasserstoffthyratrons, in neueren Anlagen auch mit Halbleitern.
Im Impulsbetrieb können mehr als 10 MW erzielt werden.

Auf unseren OSTRON- Shopseiten finden Sie unter der Kategorie Bauelemente / Röhren ein umfangreiches Angebot verschiedenster Magnetrone. Viele Magnetron- Typen haben wir auf Lager und Sie können diese bei uns bestellen.
Bei Interesse nutzen Sie bitte die Option Preisanfrage, um Bestands- bzw. Preisanfragen zu stellen oder kontaktieren Sie uns direkt per E-Mail info@ostron.de





konventionelles Magnetron der Haushaltsmikrowelle, Frequenz 2,45GHz

Magnetron Haushaltsmikrowelle

Querschnitt / Innenaufbau des Magnetrons einer Haushaltsmikrowelle, das Blechgehäuse und die Kühllamellen wurden für den Schnitt entfernt, innen mittig sitzt die Glühkathode für die Elektronenemission, die Auskoppung der HF erfolgt direkt an einem der Hohlraumresonatoren.

Magnetron Haushaltsmikrowelle Magnetron Haushaltsmikrowelle

Magnetron Haushaltsmikrowelle Magnetron Haushaltsmikrowelle






Historisches Magnetron 5J30 vom Hersteller General Electric aus den 40er-50er Jahren.
Dauerstrich-(CW)-Magnetron der ersten Generation

* Frequenz: 10...375MHz
* Leistung: max. 200W
* externer Permanent-Magnet
* flüssiggekühlte Anode und luftgekühlter Glaskolben

Magnetron GL-5J30

Magnetron GL-5J30 Magnetron GL-5J30







Puls-Magnetrone für Radarsysteme

Magnetrone diverse






Magnetrone militärischer Anwendung im Grössenvergleich:
links ein großes Verstärkermagnetron (Amplitron, Eingangsleistung 14kW, Ausgangsleistung 140kW), externer Permanentmagnet, flüssigkeitsgekühlt,
rechts ein kleines Magnetron mit integriertem Permanent-Magnet.

Magnetrone im Vergleich






Schnittmodell eines flüssiggekühlten Magnetrons,
rechts-Kühlanschlüsse, links-Anschlüsse für hydraulische Frequenz-Verstimmung, HF-Auskopplung unten im Glaskolben.
Gut zu erkennen sind die Kurzschlußbügel (strips) um die Katode,
die den Anschwingvorgang begünstigen.

Schnittmodell Magnetron






kleines russisches Radarmagnetrons MI-158-1,
Frequenzbereich 9330-9420 MHz, Puls-Leistung 7kW

Schnittmodell eines Magnetrons



Schnitt /Innenaufbau des MI-158-1, Konstruktionstyp "rising sun", der Permanentmagnet wurde für den Schnitt entfernt.

Schnittmodell eines Magnetrons



Ansicht nach Demontage des Hohlleiters,
innen mittig sitzt die Glühkathode

Schnittmodell Magnetron

Schnittmodell Magnetron



Der Konstruktionstyp "rising sun" begünstigt den Anschwingvorgang,
die kleine Kupferschlaufe ist für die Auskopplung der HF zuständig

Schnittmodell Magnetron Schnittmodell Magnetron




Einkopplung der HF in den Hohlleiter

Schnittmodell eines Magnetrons Schnittmodell Magnetron




Die Kathode und die innen liegende Heizwendel,
links der Anschluss für die Heizung

Schnittmodell Magnetron

Schnittmodell Magnetron

Schnittmodell Magnetron







Magnetron - Auskopplung der Hochfrequenz

Schnittmodell eines Magnetrons Schnittmodell eines Magnetrons
Auskopplung der HF-Energie über eine Koppelschleife Auskopplung der HF-Energie über einen Schlitz



Koaxial - Auskopplung beim Magnetron MI-29

Magnetron MI-29 Magnetron MI-29



Schlitz-/ Trichter- Auskopplung beim Magnetron MI-341z

Magnetron MI-341z Magnetron MI-341z



Schlitzauskopplung beim Magnetron MI-147

Magnetron MI-147 Magnetron MI-147



Schlitzauskopplung beim Magnetron MI-325

Magnetron MI-325 Magnetron MI-325



Auskopplung in den Hohlleiter beim Magnetron MI-146

Magnetron MI-146-2 Magnetron MI-146-2



Schlitzauskopplung beim russischen Radarmagnetron Typ MI-335

russisches Radarmagnetron Typ MI-335 russisches Radarmagnetron Typ MI-335






Schnittmodell eines russischen Magnetrons Typ MI-119 mit Koaxialausgang.

Schnittmodell eines Magnetrons


Aufbau der mechanischen Resonanzverstimmung des Magnetrons.

Schnittmodell eines Magnetrons






Modell-Schnitt durch ein Radarmagnetron Typ MI-21

Magnetron MI-21 Schnittdarstellung Magnetron MI-21 Schnittdarstellung






Radar-Magnetron MI-126A,
Querschnitt und Innenansicht

Magnetron MI-126A

Magnetron MI-126A Schnittdarstellung / tuning


hier das mechanisches tuning-Element des Magnetron MI-126A, die "tuning-Stifte" stecken verschiebbar im Resonanzraum und sorgen für das Frequenztuning

Magnetron MI-126A tuning Magnetron MI-126A tuning






Radar-Magnetrone - zwei typische Defekte durch Überlast

Magnetron defekt durch Überlastducrhschmelzung Magnetron defekt durch Hochspannungsüberschlag
Bild 1 Bild 2
Glasdurchschmelzung an der Hohlleiterauskopplung eines Radarmagnetrons, beim Schmelzdurchbruch zieht die Röhre Luft (Gasfüllung des Hohlleiters), daraus resultiert die trichterförmige Wölbung des Glases nach innen Hochspannungsüberschlag an der Kathode eines Radar-Magnetrons, auch hier schmolz und brach in Folge der hohen Energie der Glasisolator, was zur Zerstörung des Magnetrons führte






mechanisches Frequenztuning beim Magnetron MI-261

Magnetron MI-261 Frequenztuning






Magnetron MI-146 für militärisches Radargerät Baklan

Das russische Magnetron MI-146 ist ein Impulsmagnetron mit einer Pulsleistung von ca. 150kW für ein russisches Marine-Radargerät.
Das Magnetron MI-146 wird und wurde eingesetzt im Radargerät MR-102 Baklan.
Das MR-102 Baklan (russisch Баклан, deutsch: Kormoran) ist ein sowjetisches Rundsicht- und Zielverfolgungs-Radarsystem, welches hauptsächlich auf Torpedo- und Patrouillenbooten eingesetzt wurde. Der NATO-Codename lautet Pot Drum.
Das System MR-102 kam unter anderem in den Schiffsklassen Stenka-Klasse (teilweise), Pauk-Klasse (teilweise), Shershen-Klasse, Turya-Klasse.
Quelle: www.wikipedia.org



Magnetron MI-146, Baklan Magnetron MI-146, Baklan,  Frequenztuning

Das Magnetron MI-146 ohne (links) und mit (rechts) Frequenztuningmodul




Magnetron MI-146, Baklan,  Frequenztuning

Frequenztuning beim Magnetron MI-146





Kubanisches Boot der Turya-Klasse mit Baklan-Radom am Mast
Quelle: www.wikipedia.org



Technische Daten MR-102 „Pot Drum“
Frequenzbereich   X-Band (9275-9460 MHz)
Pulswiederholzeit    
Pulswiederholfrequenz   1,6 - 1,65 kHz / 3,2-3,3 kHz
Sendezeit (PW)   0,5 - 1 µs
Empfangszeit    
Totzeit    
Pulsleistung   150 kW
Durchschnittsleistung    
angezeigte Entfernung   37 km
Entfernungsauflösung  
Öffnungswinkel   etwa 3°
Trefferzahl    
Antennenumlaufzeit   10-12 oder 15-24 Sekunden






Magnetron und Exportbeschränkungen

Militärische Radartechnik unterlag strengster Geheimhaltung, auch für Magnetrone galten Exportbeschränkungen, hier eine Plakette von einem alten deutschen Magnetron zum Exportverbot in diverse Länder.

Magnetron Exportverbot Magnetron Exportverbot







Extremely High Frequency Magnetron MI-350A

Hochfrequenz-Puls-Magnetron MI-350A, sehr hoher Frequenzbereich 34,4-35,4GHz, K-Band (Q-Band-USA), das entspricht einer Wellenlänge von ca. 8,4mm...8,7mm, der Hohlleiteranschluss hat einen Querschnitt von nur 7,2×3,4mm

Magnetron MI-350A Magnetron MI-350A







Radar-Sendestufe, aus russischer MIG

MiG-21, Quelle: Wikipedia
MiG-21, Quelle: www.wikipedia.org

Komplettes Sendemodul eines Radarsystems aus einem russischen Jagdflugzeug MIG. Die Sendestufe ist als wechselbares Modul konstruiert, es beinhaltet die Leistungsstufe mit dem Sendemagnetron, die Hochspannungsaufbereitung (Hochspannungskondensatoren) sowie die Ansteuerung mit Modulator / Pulsmodulator.

Radar-Sendestufe MiG-21 Radar-Sendestufe MiG-21


Pulsmagnetron (schwarz) und Pulstetrode (Glasröhre) der Radarstufe

Radar-Sendestufe MiG-21 Radar-Sendestufe MiG-21






Hochleistungsmagnetron, Pulsmagnetron im S-Band für Bodenradar


Hochleistungsmagnetron mit Permanentmagnet,
Frequenzbereich 2750...2860MHz, Ausgangsleistung 4,5MW, Gewicht 26kg,Flüssigkeitsgekühlt.
Verwendung z.B. in Radarsystemen AN/FPS-6, AN/FPS-6A, AN/FPS-6B, AN/MPS-14, AN/TPS-25, div. Höhenfinder (Funkhöhenmessradar)


Hochleistungsmagnetron RK6410/QK338/ET6410A

Hochleistungsmagnetron RK6410/QK338/ET6410A Hochleistungsmagnetron RK6410/QK338/ET6410A


Radarsystem, Höhenfinder AN/FPS-6 und AN/TPS-25

AN/FPS-6, Quelle: www.wikipedia.org
AN/FPS-6, Quelle: www.wikipedia.org


Radaranlage AN/TPS-25
AN/TPS-25, Quelle: manual AN/TPS-25



Schulungsvideo AN/TPS-25, Ground Surveillance Radar,
US Department of Defense, 1963



Schulungsvideo Radar
Maintenance of Microwave Power Tubes 1959 US Air Force







Hochleistungsmagnetron, Pulsmagnetron im L-Band für Bodenradar


Hochleistungsmagnetron mit Permanentmagnet
Frequenzbereich 1250...1350MHz, Ausgangsleistung 1MW, Gewicht 41kg, Luftgekühlt.
z.B. für Bodenradar, MTI (MovingTargetIndication) und Höhenfinder,
Verwendung z.B. im L-Band Search-Radar AAN/FPS-8, sowie mobile Version AN/MPS-11.

Hochleistungsmagnetron RK6517/QK358/ET6517

Hochleistungsmagnetron RK6517/QK358/ET6517 Hochleistungsmagnetron RK6517/QK358/ET6517



Radarsysteme AN/FPS-8 und AN/MPS-11

AN/FPS-8, Quelle: www.wikipedia.org
AN/FPS-8, Quelle: www.wikipedia.org


Radaranlage AN/FPS-8
AN/AN/FPS-8, Quelle: manual AN/FPS-8


Radaranlage AN/MPS-11
AN/MPS-11, Quelle: manual AN/MPS-11