Microgolfcommunicatie

Microgolven betekenen hoge frequenties boven 300 MHz en bestaan uit korte golflengtes van minder dan 1 meter. Dus die elektromagnetische golven die hoge frequenties hebben maar een korte golflengte, heten microgolven. De communicatie die via microgolven plaatsvindt, heet microgolfcommunicatie. Met andere woorden: de communicatie waarbij microgolven worden gebruikt als transmissiemedium, heet microgolfcommunicatie.

Rol van EM-golven en antennes in microgolfcommunicatie

In microgolfcommunicatie worden gemoduleerde signalen via een antenne in de atmosfeer uitgezonden, terwijl de ontvangstantenne deze informatiesignalen ontvangt. Microgolven zijn grotendeels afhankelijk van resonantiecaviteiten en golffilters waardurch microgolven worden gegenereerd en getransporteerd (de metalen of lege caviteit in het geleidende materiaal die op een specifieke frequentie is afgestemd, heet caviteitresonator). Microgolftransmissie geschiedt via elektromagnetische golven, ook wel "line-of-sight" communicatie genoemd. Een line-of-sight communicatie is doorgaans communicatie waarbij informatiesignalen zonder fysiek medium in de atmosfeer worden getransporteerd en de ontvangstantenne de signalen ontvangt. Let op: bij line-of-sight communicatie moeten beide antennes gezicht tegen gezicht op de zend- en ontvangsttorens staan.
Microgolven (0,3—300 GHz) worden in drie groepen ingedeeld volgens hun banden.

Ultra-hoogfrequentieband (UHF)

Deze frequentieband is (0,3 GHz tot 3 GHz).

Super-hoogfrequentieband (SHF)

Deze frequentieband is (3 GHz tot 30 GHz).

Extra hoogfrequentieband (EHF)

Deze frequentieband is (30 GHz tot 300 GHz).

Vanwege enkele beperkingen van conventionele buizen, nl. inductie en capaciteitsbalans tussen de elektroden, de snelheid van elektronen van de ene naar de andere elektroden, is microgolvgeneratie met conventionele buizen niet mogelijk. Er is behoefte aan speciale buizen waarmee microgolven van enkele watts tot honderden watts gegenereerd kunnen worden. Daarvoor zijn er speciale buizen genaamd microgolvgeneratoren, die frequent worden gebruikt als microgolvgeneratoren in microgolfcommunicatie. Bijv. magnetron, klystron, traveling wave tube. Die worden gebruikt als microgolfoscillatoren en microgolfversterkers. Hier gaan we de microgolfbuis magnetron gedetailleerd uitleggen.

Wat is een magnetron en hoe werkt het?

Een cilindrische diode die als microgolfoscillator in microgolfcommunicatie wordt gebruikt, heet magnetron. Met andere woorden, de magnetron wordt in microgolfcommunicatie gebruikt als microgolvgenerator. Wetenschappers Randall en Boot uit Groot-Brittannië hebben deze magnetronbuis uitgevonden.

Magnetronconstructie

Constructief is de magnetron basis cilindrisch van vorm. Een magnetron bestaat uit acht permanente koperen anodecaviteiten rond een verwarmde wolframkathode. Het aantal caviteiten in de magnetron moet even zijn. De grootte van de caviteiten wordt doorgaans bepaald door de oscillatiefrequentie. Alle caviteiten zijn op 300 of 450 graden gemaakt. Een coaxiale kabel is aangesloten op één van de caviteiten om de gewenste output microgolven te krijgen. Bij het genereren van hoge microgolven worden golffilters gebruikt om het outputsignaal te verkrijgen.

Het werkingsprincipe van de caviteitmagnetron is hetzelfde als dat van de traveling wave tube. Volgens dit principe worden hoge microgolffrequenties gegenereerd door de interactie van het radiale electrisch veld en het axiale magnetische veld. Om microgolffrequenties te krijgen, moeten we een electrisch veld rond de magnetronbuis creëren. Zoals in de figuren getoond.

Het elektrische veld produceert een rechte lijn beweging tussen kathode en anode, terwijl het magnetische veld een circulair beweging produceert. Daarom gaan de elektronen die uit de verwarmde kathode worden geëmiteerd, niet in een rechte lijn door de interactie tussen elektrisch en magnetisch veld.

Wanneer de magnetische veldwaarde nul is, gaat de geëmiteerde elektron direct naar de anode toe. Er is alleen het effect van het elektrische veld op dat moment, zoals getoond in de figuur met de X-lijn. Maar wanneer de magnetische veldintensiteit iets toeneemt, is het elektronpad niet meer zo recht als voorheen, maar wordt het een beetje gebogen, zoals getoond in de figuur met de Y-lijn.
Deze techniek is zeer progressief om hoge-frequente microgolven te genereren, omdat wanneer de geëmiteerde elektron de anode nadert, hun snelheid toeneemt door het effect van het magnetische veld. Maar wanneer het magnetische veld verder verhoogd wordt, kan de geëmiteerde elektron de anode niet bereiken, maar raakt alleen de anode-elektrode en keert terug naar de kathode door het effect van het magnetische veld, zoals getoond in de figuur met de Z-lijn. Dit heet het afsnijveld. Als we het magnetische veld blijven verhogen, stralen de geëmiteerde elektronen en keren terug naar de kathode, wat de kathode verder opwarmt tot gevaarlijke temperatuurwaarden.

Daaruit concluderen we dat als we een bepaalde waarde van het magnetische veld rond de magnetronbuis leveren en handhaven, we de gewenste frequentie van microgolven kunnen verkrijgen. De magnetron produceert microgolffrequentie van 900 MHz tot 2,5 GHz met een vermogen van 300 watt tot 10 kW, terwijl het met ongeveer 70% efficiëntie werkt.