Design and analysis of X-band cavity magnetron

Abstract

Kavite magnetronlar, İkinci Dünya Savaşı'ndan bu yana mikrodalga frekanslarda yüksek güç gereksinimini sağlamak amacıyla kullanılmaktadır. Radar ve haberleşme uyduları başlıca kullanımalanlarıdır. Magnetron teorisi üzerine uzun zamandır çalışılmasına rağmen takip edilen belirlenmiş sabit bir tasarım metodu geliştirilememiştir. Tasarım sırasında genelikle iterative tekniklere yer verilir ve parçacık simulasyonu yapabilen programlar kullanılır. MAGIC bunlar içerisinde en yaygını olmasına rağmen, bu çalışmada CST Particle Studio kullanılmıştır.Magnetron tasarımını görece kısa bir zamanda gerçekleştirebilmek ve istenilen sonuçlara yeterli hassasiyette ulaşabilmek için tasarımda kullanılan parametrelerin ilk değerlerinin doğru hesaplanması çok önemlidir. Bu nedenle, tasarım metodu geliştirilmiş ve çıkarılan metot açıkça anlatılmıştır. Belirlenen metot yardımıyla X frekans bandında çalışan magnetron tasarlanmıştır. CST Particle Studio'nun Eigenmode, Particle Tracking ve PIC solver kısımları kullanılarak yapının üç boyutlu modeli oluşturulmuş ve tüm tasarım parametrelerinin etkileri incelenmiştir. Ayrıca, simulasyonlar farklı program parametreleri ile de çalıştırılarak model üzerindeki etkileri gözlemlenmiştir.Magnetron tasarımındaki bir diğer önemli konu da gürültü analizidir. Yıllardır yürütülen çalışmalara rağmen gürültü üreten mekanizma tamamen açıklanamamaktadır. Diğer yandan, gürültü kaynağını ortaya çıkarabilmek amacıyla bir çok deney gerçekleştirilmiştir. Yapılan bu çalışmalarda gürültü azaltma amacıyla çeşitli teknikler geliştirilmiştir. Bu metotların her biri CST Particle Studio ile modellenmiş, simule edilmiş ve sonuçları gözlemlenmiştir.Yapılan çalışmalar sonucunda tezin katkısını iki ana başlık altında toplamak mümkündür. Öncelikle magnetron tasarımı detaylı bir şekilde açıklanmış, bu yapıdaki magnetron tasarımları için belirli bir tasarım yolu çıkarılmıştır. Ayrıca tasarım parametrelerinin magnetron performansını nasıl etkiledikleri de incelenmiştir. Ardından, magnetron yapısında gürültüye neden olan mekanizma araştırılmış ve gürültü azaltma metotları açıklanmıştır. Bahsedilen teknikler tasarlanan sekiz kaviteli X frekans bandında çalışan magnetron yapısına CST Particle Studio yardımıyla uygulanmıştır.

Cavity magnetron as a high power microwave source has been around since the Second World War. It is mostly used in radars and communication satellites. Even though the theory of magnetron has been around for a long time, there is no straightforward design method to follow. Usually iterative techniques have been used and particle simulators are the first choice in the study and design of cavity magnetrons. In recent years, although MAGIC is very popular program, in this thesis, CST Particle Studio is used.In a magnetron design, it is very important to start with accurately calculated parameters to ensure convergence to desired results and develop the design in a relatively short time. For this reason, a design method is derived and explained in detail in this thesis. The resulting expressions are used in the design of X band magnetron. Using eigenmode, tracking and PIC solver parts of CST Particle Studio, 3D computer model is formed and the effects of all primary design parameters are examined. In addition, simulations run with different program parameters to study the effects of modeling parameters on designed model.Another important phenomenon in magnetron design is its noise. The noise generating mechanism has not been understood completely even though many studies have been devoted to this subject. On the other hand, the various experiments have been performed to reveal primary noise sources of a magnetron. According to these works, there exist several noise reduction techniques. These methods are separately modeled using CST Particle Studio and best noise reduction technique is chosen for particular magnetron geometry.Thus, the contribution of this thesis is two-fold. First, the design of an X band cavity magnetron is detailed and the impacts of design parameters on the performance of an X-band magnetron are investigated. Then, the sources of noise in a magnetron are studied and noise reduction mechanisms are proposed and implemented on an eight hole-slot type cavity magnetron.