µW – Mikrowellen - JavaPsi

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1 MIKROWELLEN µW 2 1 Mikrowellen Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge zwischen 1m und 1mm, d.h. mit einer Frequenz zwischen etwa 300MHz und 300GHz. Sie werden beispielsweise in üblichen Haushaltsmikrowellen zur Erhitzung von (Wasser enthaltender) Nahrung verwendet, in Geräten zur Radarkontrolle, im Mobilfunk und bei WLAN. 1.1 Erzeugung durch ein Reflexklystron Ein Reflexklystron erzeugt Mikrowellen, indem von einer Kathode emittierte Elektronen durch einen Hohlraumresonator auf einen Reflektor geschickt werden. Der Aufbau ist in Abb. 1(a) skizziert. (a) (b) Abbildung 1: a) Aufbau eines Reflexklystrons, b) Hohlraumresonator (aus Anleitung). Der Hohlraumresonator kann als Reihenschaltung eines Kondensators (in der Mitte) und zweier Spulen (kreisförmige Abschnitte links und rechts) aufgefasst werden, d.h. als LC-Schwingkreis mit Schingperiode T . Ist zum Zeitpunkt t = 0T die Spannung zwischen den Kondensatorplatten maximal, dann ist eine Viertel Periode später t = T/4 der Strom durch die Spulen maximal. Für t = T/2 ist wieder die Spannung maximal, für t = 3T/4 der Strom, usw. (vgl. Abb. 1(b)). Die von der Kathode emittierten Elektronen fliegen durch den Hohlraumresonator. Je nachdem wann die Elektronen den Hohlraumresonator erreichen, werden sie dort vom elektrischen Feld beschleunigt oder abgebremst – bzw. wenn gerade kein Feld vorhanden ist, flie- Version: 24. Oktober 2007 Moritz Stoll, Marcel Schmittfull
1 MIKROWELLEN µW 3 gen sie unverändert weiter (Geschwindigkeitsmodulation). Eine negativ geladene Platte (Reflektor) hinter dem Hohlraumresonator reflektiert die verschieden schnellen Elektronen zurück zum Hohlraumresonator. Wie nahe die Elektronen dem Reflektor vor der Reflexion kommen können hängt von ihrer kinetischen Energie, d.h. Geschwindigkeit ab. Bei geeigneter Wahl der Ladung des Reflektors wird erreicht, dass alle Elektronen zum gleichen Zeitpunkt wieder im Hohlraumresonator ankommen (Dichtemodulation). 1 Durch weitere Abstimmung des Systems erreicht man, dass der Schwingunszustand des Hohlraumresonators beim Eintreffen der entstandenen Elektronenpakete gerade so ist, dass die Elektronenpakete das Feld verstärken, indem sie ihre Energie an das Feld abgeben, also abgebremst werden. Das durch die Elektronen immer weiter verstärkte, schwingende elektrische Feld im Hohlraumresonator wirkt nun als Quelle für Mikrowellen. 1.2 Erzeugung durch ein Magnetron Ein Megnetron kann als eine Folge in Reihe geschalteter Hohlraumresonatoren aufgefasst werden. Erreichen die Elektronen immer zum gerade richtigen Schwingungszustand die Hohlraumresonatoren, so verstärken sie alle Hohlraumresonatoren und führen somit zu einer höheren Leistung der erzeugten Mikrowellen. Entscheidend ist dabei, dass die Hohlraumresonatoren nicht in einer Gerade nebeneinander, sondern im Kreis um eine Kathode in der Mitte angeordnet sind (vgl. Abb. 2). Ein magnetisches Feld senkrecht zur kreisförmigen Anord- Abbildung 2: a) Aufbau eines Magnetrons, b) elektrisches Feld schwingt zwischen + und − (aus Anleitung). nung bewirkt, dass die Elektronen die Hohlraumresonatoren nacheinander passieren. Bei geeigneten Einstellungen erreicht man wieder, dass die Elektronen ihre Energie an das elektrische Feld der Hohlraumresonatoren abgeben. 1 Schnellere Elektronen werden später reflektiert, d.h. sie überholen die langsameren irgendwann – bei richtiger Einstellung genau im Hohlraumresonator. Version: 24. Oktober 2007 Moritz Stoll, Marcel Schmittfull
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