S-Band Magnetron Generator

Auch im S-Band bei ca. 2..3GHz werden für Leistungsgeneratoren oft Magnetrons verwendet. Bekannt sind vorallem die sogenannten Küchenmagnetrons die in Mikrowellenöfen arbeiten. Diese Röhren sind für Dauerstrichbetrieb bei einer Leistung von 300 bis 3000W ausgelegt. Es werden aber auch Pulsröhren angeboten. Neben solchen mit kleinen Leistungen (1..10kW) für den maritimen Bereich werden bei Ebay und auf Flohmärkten auch größere Typen, meist russischer Herkunft angeboten.
Leider bekommt man diese Röhren meist ohne das zugehörige Magnetsystem, welches im ursprünglichem Gerät fest eingebaut bleibt, gewechselt wird nur die eigentliche Röhre. Deshalb soll hier versucht werden mit Magnetscheiben aus Neodym-Eisen-Bor eine solche Röhre in Betrieb zu nehmen.In älteren Datenblättern kann man mitunter die erforderlichen Feldstärken lesen, sie bewegen sich meist bei 100..300 mT, Werte die mit aufgelegten Scheibenmagneten zu erreichen sein sollten.

Ein erster Versuch wurde mit einem MI-18 Magnetron unternommen. Das Magnetron ist ein Typ mit koaxialem Ausgang.

Leider sind zu der Röhre nur wenige Daten zu bekommen. Angegeben sind

Frequenz	2820..2859 MHz
Pulsspannung	20kV
Pulsstrom	25A
Pulsdauer	1,5µs
Pulsleistung	200 kW

Auch die Heizspannung ist nicht bekannt. Aber da die meisten Typen mit 12V arbeiten wurden auch hier von einem solchen Wert ausgegangen.

Bei 12V Spannung fliesst ein Strom von 3A und das Leuchten der Kathode das durch den Glasisolator gesehen werden kann scheint auch die richtige Farbe zu haben. Bei starker Überheizung müßte das Leuchten deutlich heller und gelblicher sein.
Zum folgenden Test wurde das Magnetron mit geerdeter Kathode betrieben um auf einfache Weise den Heizer an ein Netzgerät anschließen zu können. Die Anode wird über eine Funkenstrecke durch einen 2,7 nF Kondensator mit ca. 20kV gepulst. Die Funktion des Magnetron wird mit einer Glimmlampe am Koaxausgang festgestellt.
Zur Verfügung standen 8 Scheibenmagnete Material N52 mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 5 mm.


keine Magnete	2 Magnete	4 Magnete	4 Magnete mit 2x6 mm Abstandsplatten
0mT >>keine Emission	120mT(100mT) >> Emission	200mT(200mT)>>keine Emission	150mT(160mT)>>Emission

Die oben genannten Werte für das B-Feld wurden mit dem >Selbstbau-Teslameter< gemessen. Die Werte in rot in den Klammern stammen vom Simulationsprogramm FEM.

Für weitere Tests wurde das Magnetron über einen Impulstransformator (ca. 1:3) an den >Leitungsgenerator< angeschlossen. Die Ausgangsleistung des Magnetrons wird mit Schleifen in ein Lechersystem eingekoppelt. Die Spannungsbäuche auf dem Lechersystem werden mit einem Schieber und einer Glimmlampe detektiert. Wegen der hohen Leistung des Magnetrons muss der Abstand der beiden Koppelschleifen ziemlich groß gewählt werden.

Für das untere Bild wurde der Glimmlampenschieber immer um 5 mm verschoben und ein Foto gemacht. Die so erhaltenen 61 Aufnahmen wurden mit Photoshop zu einem Bild überlagert. Besonders ausgeprägt sind die Spannungsknoten auf der Lecherleitung an deren Position die Glimmlampe nicht leuchtet. Nachdem der Abstand der Spannungsknoten die halbe Wellenlänge der Schwingung beträgt kann durch einfaches Ausmessen der Abstände die Wellenlänge und somit die Frequenz der Magnetronschwingung bestimmt werden.

Da der gesamte Verfahrweg 300 mm beträgt kann der Wert die Wellenlänge mit 106 mm bestimmt, und für die Frequenz ein Wert von 2,819 GHz errechnet werden, der in etwa mit den Vorgaben des Datenblatts, 2820..2859 MHz übereinstimmt.

Schwieriger ist die Messung der Ausgangsleistung. Der Versuch mit einer Glühlampe scheitert. Durch den gewendelten Glühdraht ist der induktive Widerstand der Lampe viel zu hoch. Als Resultat kann sich an der Lampe eine hohe Spannung bilden die nur zu Überschlägen am Sockel und einer Gasentladung im Kolben führt während kein nennenswerter Strom durch den Glühfaden fliesst.

Um die HF-Leistung besser auszukoppeln wurde aus Kupferblech ein koaxialer Übergang gelötet	Ein über den Ausgang gelöteteter 100 Ohm Widerstand wird sofort durch Funkenüberschlag zerstört.

Länger hält ein Lastwiderstand mit 67 Ohm, einer Parallelschaltung aus drei 200 Ohm Widerständen. Die Spannung ist immer noch hoch genug um einen Abstand von ungefähr einem Millimeter durchschlagen und hin und wieder einen Funken über die Widerstände zu erzeugen.
Die mittlere Leistung ist aber zu klein um eine, nach dem Abschalten des Magnetrons, mit den Fingern spürbare Erwärmung zu erzielen. Dazu ist die Wiederholrate des Pulsgenerators mit ca. 2 Hertz einfach zu niedrig. Mit einer Impulsdauer von 300 ns, einer Wiederholfrequenz von 2 Hertz beträgt das Tastverhältnis nur 6 x 10^-7. Bei einer angenommenen Pulsleistung von 100 kW würde die mittlere Leistung nur 60 mW betragen.

Für weitere Messungen wurde ein besserer Übergang zum Magnetron gebaut. Auf das Ende der Koaxleitung wurde eine 7/16 Buchse gelötet. Auf die 7/16 Buchse erfolgt ein Übergang auf das N-Steckersystem. Ein Richtkoppler mit einer Koppeldämpfung von 30 dB koppelt 1/1000 der Leistung aus, der Hauptteil der Hochfrequenzleistung wird in einem 50 Ohm Widerstand verbraten.

Zum groben Test wurde ein 50 Ohm Abschluss mit einem parallel geschalteten Glimmlämpchen ausgestattet. Aus dem Leuchten des Lämpchens kann man die anliegende HF-Spannung abschätzen. Dazu wurden zwischen Kopplerausgang und Lämpchen noch verschiedene Abschwächer eingeschleift. Mit einer angenommenen Pulsleistung von 100 kW des Magnetrons sind die Ergebnisse plausibel.

	Dämpfung	Leistung	Spannung
nur Richtkoppler	30 dB	100 W	70 V	Lämpchen leuchtet
10 dB	40 dB	10 W	22 V	Lämpchen flackert manchmal
20 dB	50 dB	1 W	7 V	Lämpchen aus

Genauere Messungen sind mit diesem Aufbau nicht möglich da die offene Bauweise des Pulsgenerators und vor Allem der nicht abgeschirmte Pulstransformator zuviel Störungen produzieren. Deshalb wurde ein neuer >>Generator<< gebaut.

Der neue Generator erlaubt auch Messungen mit einem Dioden Messkopf, beim vorigem Aufbau brannten die Dioden schon allein von der Störstrahlung durch. Durch die stärkere Hochspannungsquelle hat der neue Generator auch eine höhere Wiederholfrequenz von 50 Hz sodass auch die mittlere Leistung höher und damit besser messbar wird. An einem hochempfindlichen Drehspulinstrument kann ein Strom von 100nA gemessen werden.

Die Anordnung aus Diodenmesskopf und Drehspulinstrument wurde mit einem Messender bei einer Frequenz von 2850 MHz kalibriert. Die erhaltenen Messwerte sind im linken Diagramm dargestellt.
Die Messung am Magnetron ergab einen zwar kleinen, aber gut ablesbaren Ausschlag von 100 nA. Die entsprechende mittlere Leistung wäre -12,3 dBm (63µW) entsprechend 37,7 dBm (6,3 W) vor den Abschwächern von insgesamt 50 dB. Bei einer Wiederholrate von 50 Hz und einer Pulsdauer von 2µs wäre dann die Spitzenleistung am Magnetron 63 kW, ein Wert der zumindest in der Größenordnung richtig liegt.
Man darf aber nicht vergessen dass die Gleichrichter-Kennlinie der Diode nur bis Spannungen von ca. 200 mV zur Leistung proportional ist, darüber flacht sie ab und wird zur Spannung proportional.

Wird der Diodenmesskopf statt an das Drehspulinstrument an das Oszilloskop (50 Ohm Eingang) angeschlossen man den Pulsverlauf in der linken Grafik. Anstatt dem erwarteten Puls von ca. 2 µs sieht man zwei Doppelpulse mit insgesamt 615 ns Dauer. Ein Oszillogramm der Pulsspannung vor dem Pulstransformator zeigt die schreckliche Wahrheit. Anstatt eines sauberen Impulses sieht man eine Reihe von Überschwingern die zusammen über 10µs lange dauern. Nur in den ersten beiden negativen Spitzen arbeitet das Magnetron und gibt entsprechende HF-Pulse ab. In den positiven Spitzen liegt die Spannung in Sperrichtung am Magnetron was mit Sicherheit nicht förderlich für die Lebensdauer der Kathodenschicht ist. Mit ziemlicher Sicherheit wird der Spannungsverlauf vom Pulstrafo verursacht der zum einen offenbar vollkommen fehl angepasst ist und zum anderen im Ferritkern in die Sättigung getrieben wird.

Trotz der unpassenden Ansteuerung des Magnetrons hat man zwei HF-Pulse deren Leistung man messen kann. Nach der obigen Methode müßte man statt der 2µs Pulsdauer die wirkliche von 0,615 µs einsetzen, damit ergibt sich eine Spitzenleistung von 6,3/( 50 x 615^-9) = 204 kW, bzw. nach der 50dB Abschwächung 2,04 W am Diodenmesskopf. Besser ist es aber nicht den Umweg über die mittlere Leistung zu nehmen sondern direkt die Pulsleistung zu messen. Dazu wird einfach der Messsender gepulst und das Ergebniss am Oszi gemessen.

Für die weiteren Messungen wurde erst ein neuer Generator mit verbessertem Pulstransformator gebaut. Es wurde ein größerer Kern gewählt. Für die Wicklungen wurde 2-polige Netzlitze verwendet. Die Primärwicklung hat 10 Wicklungen, die Sekundärwicklung hat 8 Wicklung in der ersten, 7 Wicklungen in der zweiten und 6 Wicklungen in der dritten Lage. Das Übersetzungsverhältniss beträgt somit 10:21 b.z.w 1:2,1.
Die Versorgung des Magnetronheizers erfolgt wie üblich über den Doppeldraht der Sekundärspule. Der Widerstand der Wicklung ist gerade groß genug um mit einem 15V Heiztrafo die geforderten 12V am Magnetron zu erreichen.

Leider wurde bei den Arbeiten das Magnetron zerstört. Zur Warnung, die Glasdurchführung des Auskoppelstiftes des Magnetrons ist sehr empfindlich gegen mechanische Belastung. Entstehen da Sprünge zieht die Röhre Luft und ist hinüber. Die bei Ebay neu gekaufte Röhre ist der Typ MI-390 mit ähnlichen Daten wie das Magnetron MI-18.

Frequenz	2790..3090 MHz	Pulsdauer	0,9..1,1 µs
Spannung	15 kV	Leistung	100 kW
Strom	18 A

Das Ausgangssignal wurde mit verschiedenen Lastwiderständen am Detektor gemessen. Das Ergebniss ist rechts zu sehen. Mit einem Lastwiderstand von 470 Ohm ist die Zeitkonstante klein genug um die Pulsform richtig wiederzugeben. Für den weiteren Vergleich wurde das Signal am 50 Ohm Widerstand heran gezogen. Die Amplitude des Impulses beträgt 45 mV, die Dauer etwa 900 ns. Die Abschwächung zwischen Magnetron und Detektor beträgt insgesamt 60 dB.

Nun wurde mit dem gepulstem Messsender bei verschiedenen Leistungen von 10 bis 22,5 dBm Kurven gemessen. Aus der Pulshöhe wurde dann eine Kalibiertabelle aufgestellt. Nun kann die Ausgangsleistung des Magnetrons (nach den Abschwächern -60 dB) mit 16,7 dBm entsprechend 47 mW bestimmt werden. Die Ausgangsleistung beträgt somit 0,047 W x 10⁶ = 47 kW. Eine etwas höhere Leistung kann erzielt werden wenn durch Ändern des Abstandes der Funkenstrecke die Pulsspannung erhöht wird. Man erreicht dann 18,7 dBm (blaue Kurve) am Detektor entsprechend 60 kW am Magnetron. Allerdings kommt es dann zu Überschlägen am Übergang vom Magnetron zur 7/16 Buchse. Man sieht das an der verkürzten Pulsdauer des HF-Impulses.