Generadores de Microondas

GENERADORES DE MICROONDASINTRODUCCION

Poco antes de la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron en Europa y los Estados Unidos triodos (Válvula de vacio) para osciladores de potencia a frecuencias superiores a 1 GHz, tanto para funcionamiento en onda continua (CW) como por impulsos.. En ambos casos, para el desarrollo de un dispositivo detector de aeronaves.(Radares). La necesidad de equipos para ondas centimétricas con fines militares estimulo el desarrollo de tubos para microondas y de los circuitos asociados. Esto dispositivos fueron denominados magnetrones.


Antes de la aparición del Klystron de potencia en los años cincuenta, estos tubos y combinaciones de ellos producían las potencias de RF más elevadas que se podían obtener por encima de 1 GHz. Estos dispositivos iniciales presentaban una mayor dificultad en la fabricación y en lo circuitos necesarios. Estas dificultades aumentan rápidamente con la frecuencia, y la ganancia disminuye con la frecuencia. Fue el MAGNETRON, como generador de microondas de alta potencia, el dispositivo que dio pie al desarrollo a gran escala de las microondas, al abrir paso a la utilización de sistemas de radar durante la II Guerra Mundial; sin embargo, fueron los KLYSTRONS, los que dieron una mayor versatilidad de utilización de las microondas, sobre todo en el campo de las comunicaciones, permitiendo además una mayor comprensión de los fenómenos que tiene en lugar los tubos de microondas.


El principio básico de funcionamiento de estos generadores es la modulación de velocidad de un haz electrónico que al atravesar una cavidad resonante, excita en ella oscilaciones electromagnéticas de la frecuencia de microondas, deseada. Un problema concerniente al desarrollo de las μw, lo ha constituido hasta ahora el precio elevado de los generadores. Ha sido el descubrimiento de los osciladores a semiconductores el que a abaratado, va camino de hacerlo aun más, dichos generadores, con el cual el campo de aplicaciones de las microondas.

GENERADORES DE MICROONDASTUBOS DE MICROONDAS

A pesar de los avances en dispositivos de estado sólido, cuando se requiere la generación de potencias elevadas a frecuencias de microondas, los tubos de vacío resultan imprescindibles.

Todos los tubos de microondas dependen de la interacción entre un haz de electrones y un campo electromagnético soportado por un circuito de microondas. Esta interacción actúa como mecanismo de amplificación. Existen dos clases de tubos:En los tubos de haz lineal (linear-beam), también conocidos como 'O', el haz de electrones fluye en una dirección paralela a los campos eléctrico y magnético, atravesando toda la longitud del tubo.


En los tubos de campos cruzados (crossed-field), o tipo 'm', los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la dirección del haz de electrones.


El haz de electrones se origina a partir de un cañón de electrones, que generalmente comprende un cátodo (la fuente de emisión), un electrodo de enfoque, un electrodo de modulación y un ánodo. Los electrones se generan por emisión termoiónica, manteniendo el cátodo a una alta tensión negativa con respecto al ánodo, que generalmente se conecta a tierra.


Esta diferencia de potencial crea un campo eléctrico que acelera los electrones en su trayecto hacia el ánodo, que resulta atravesado por el haz a través de un orificio que se practica en su centro.

GENERADORES DE MICROONDASTUBOS KLYSTRON.

La excitación de ondas de carga espacial sobre un haz de electrones se consigue mediante un proceso denominado modulación de velocidad. En los tubos klystron se hace pasar el haz a través de dos rejillas muy próximas entre sí, localizadas en el centro de una cavidad reentrante.

El proceso de modulación de velocidad se utiliza en el klystron. Si se coloca una segunda cavidad a una distancia que verifique la condición entonces se excitará un campo en la segunda cavidad mucho más intenso que en la primera, que se puede recoger con ayuda de una sonda.

GENERADORES DE MICROONDASTUBOS KLYSTRON.

También se puede construir un klystron de una cavidad si se dispone de un electrodo reflector que dirija el haz en sentido opuesto, una vez recorrida la región de arrastre. En este caso, la misma cavidad actúa como buncher y catcher y se habla de klystron reflex.

Los tubos klystron pueden manejar potencias de pico extraordinariamente elevadas (del orden de 30 MW en la banda S) y potencias promedio del orden de decenas de kW. Su rendimiento (potencia de salida en RF entre potencia de entrada DC) es moderado, y se sitúa entre el 35-45 %.

GENERADORES DE MICROONDASTUBOS DE ONDA PROGRESIVA (TWT).Puede aproximarse el estudio del tubo TWT a partir de un klystron dotado de un gran número de cavidades dispuestas muy próximas unas a otras. En lugar de cavidades resonantes, los TWT emplean estructuras de onda lenta de tipo distribuido, por las que se propagan ondas electromagnéticas cuya velocidad de fase se ajusta a la de las ondas de carga espacial asociadas al haz de electrones.

Como los electrones del haz permanecen en puntos de fase constante de la onda durante un recorrido largo, se produce una modulación acumulativa en la velocidad de los mismos, provocando su enracimado y que cedan parte de su energía cinética a la onda. Este proceso da lugar a un crecimiento exponencial de la onda a lo largo del tubo.

GENERADORES DE MICROONDASTUBOS DE ONDA PROGRESIVA (TWT).Puede aproximarse el estudio del tubo TWT a partir de un klystron dotado de un gran número de cavidades dispuestas muy próximas unas a otras. En lugar de cavidades resonantes, los TWT emplean estructuras de onda lenta de tipo distribuido, por las que se propagan ondas electromagnéticas cuya velocidad de fase se ajusta a la de las ondas de carga espacial asociadas al haz de electrones.

Como los electrones del haz permanecen en puntos de fase constante de la onda durante un recorrido largo, se produce una modulación acumulativa en la velocidad de los mismos, provocando su enracimado y que cedan parte de su energía cinética a la onda. Este proceso da lugar a un crecimiento exponencial de la onda a lo largo del tubo.

GENERADORES DE MICROONDASTUBOS DE ONDA PROGRESIVA (TWT).

Como estructura de onda lenta se acostumbra a utilizar un conductor helicoidal (sheath helix). Aunque la señal de RF viaje a lo largo del conductor a la velocidad de la luz, la velocidad en dirección axial se reduce a: v(z) = c sen(ψ) donde ψ es el ángulo característico de la hélice.

GENERADORES DE MICROONDASTUBOS DE ONDA PROGRESIVA (TWT).

El estudio riguroso del TWT es complicado, pero se puede llegar a la conclusión de que la estructura de onda lenta por la que el campo de RF interacciona con el haz de electrones, modifica la constante de fase de la onda de carga espacial, haciendo que ésta pase a ser compleja, lo que representa un crecimiento exponencial en la amplitud.Los TWT tienen las mejores anchuras de banda entre todos los tubos de microondas, entre el 30 y el 120 % de la portadora. Pueden manejar potencias del orden de centenares de watios. No obstante, su rendimiento es relativamente bajo, variando entre el 20 y el 40 %.. Genera potencias en el orden de 5Kw o menos.

GENERADORES DE MICROONDASMAGNETRON

En la figura de la izquierda se muestran las posibles trayectorias que puede seguir un electrón en un diodo plano en presencia de campos electrostáticos y magnetostáticos. En ausencia de campo magnético, viajará en línea recta desde el cátodo hasta el ánodo. A medida que la intensidad del campo magnético se hace mayor, la trayectoria del electrón comienza a curvarse, como se indica que en caso (a); puede llegar el caso de que el campo sea tan intenso que el electrón tan sólo pueda incidir de forma rasante sobre el ánodo y regresar al cátodo (b); un incremento adicional en la intensidad del campo magnético se traduce en la trayectoria (c), según la cual el electrón nunca llega a alcanzar el ánodo, describiendo una cicloide cuya frecuencia será proporcional a la intensidad del campo.

GENERADORES DE MICROONDASMAGNETRON.

. En una configuracióncilíndrica (véase la figura de la derecha) el electrón se mueve siguiendo trayectorias similares. Una tensión ánodo-cátodo de valor Va permite a un electrón realizar un movimiento circular alrededor del cátodo, a una distancia r del mismo, y con una frecuencia angular ωe. El ánodo de un magnetrón consiste en un bloque sólido de metal, en el que existen ocho cavidades con una estructura similar a la mostrada en la figura. Todas las cavidades tienen la misma frecuencia de resonancia y son capaces de soportar un campo de RF con las líneas mostradas en la figura.


El modo en el que habitualmente se hace operar un magnetrón se corresponde con la configuración de líneas de campo indicadas en la misma figura, con cambios en la fase de 180º entre cavidades adyacentes. La entrada de cada cavidad se puede modelar como una línea de transmisión terminada en cortocircuito y de longitud λ/4, de manera que el campo eléctrico es máximo en la entrada de la cavidad (gap).


El resultado es una nube de electrones con forma de molinillo que gira alrededor del cátodo en sincronismo que el campo de RF, que puede extraerse mediante una sonda coaxial desde una de las cavidades.

El magnetrón, en su funcionamiento como oscilador, es capaz de manejar potencias del orden de varios kW, y puede tener un rendimiento superior al 80 %. Sus principales inconvenientes son, por una parte, que es un tubo más ruidoso que el klystron y TWT, y por otra, que no mantiene la coherencia de frecuencia y fase bajo régimen pulsante. Y el rango de frecuencias va de cientos de Hz a 100GHz

GENERADORES DE MICROONDAS

DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES

DEMICROONDAS

GENERADORES DE MICROONDASINTRODUCCIÓN

Desde mitad de los años cincuenta, el número y variedad de dispositivos semiconductores para microondas ha aumentado en gran manera, al aplicarse nuevas técnicas, nuevos materiales y nuevas ideas debido a la necesidad de obtener dispositivos de microondas más pequeños, lo cual causo una extensa investigación en esta área. Esta investigación ha producido dispositivos de estado sólido con rangos de frecuencia mucho más altos.


los diodos de reactancia variable (varactor) aprovechan la variación de capacidad de una unión PN polarizada inversamente, en función de la tensión aplicada. Físicamente, esta variación de capacidad es el resultado del ensanchamiento de la zona de agotamiento al aumentar la tensión de polarización inversa. Controlando el perfil de dopado de la unión puede adaptarse la forma funcional de esta relación a cada aplicación específica. Sus aplicaciones típicas son la generación de armónicos, la amplificación paramétrica y la sintonía electrónica.


Los diodos pin poseen una ancha región intrínseca que les capacita para manejar grandes potencias y ofrece una impedancia a frecuencias de microondas controlable por una polarización de baja frecuencia (o continua). Han demostrado su utilidad en conmutadores de microondas, moduladores y protectores.


Para generar potencia en microonda o amplificarla, es necesaria una característica de resistencia negativa a esas frecuencias. Empezando por el diodo túnel al principio de los años sesenta y avanzando hasta los diodos IMPATT y los diodos Gunn,

GENERADORES DE MICROONDASDIODO VARACTOR

Los diodos varactores (llamados también varicap "diodo con capacitancia-voltaje variable" o sintonizadores) son semiconductores dependientes del voltaje, capacitores variables.Los diodos varactores o varicap han sido diseñados de manera que su funcionamiento sea similar al de un capacitor y tengan una característica capacitancia-tensión dentro de límites razonables.

GENERADORES DE MICROONDASFUNCIONAMIENTO DEL VARACTOR

En la figura al aumentar la tensión inversa la capacidad de la zona de transición se agranda, y se separa las placas, y esto provoca que al aumentar la distancia, disminuya la capacidad, o sea al aumentar la tensión disminuye la capacidad. Cuando el varactor se conecta en paralelo con un inductor se obtiene un circuito resonante cuya frecuencia de resonancia es:






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