GENERADORES DE MICROONDAS

GENERADORES DE MICROONDASINTRODUCCION Poco antes de laSegunda Guerra Mundialse desarrollaron en Europa y los Estados Unidos triodos (Vlvula de vacio) paraosciladores de potenciaa 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 centimtricas con fines militares estimulo el desarrollo de tubos para microondas y delos circuitosasociados. Esto dispositivos fueron denominados magnetrones.GENERADORES DE MICROONDASINTRODUCCIONAntes de la aparicin del Klystron de potencia en los aos cincuenta, estos tubos y combinaciones de ellos producan las potencias de RF ms elevadas que se podan obtener por encima de 1 GHz. Estos dispositivos iniciales presentaban una mayor dificultad en la fabricacin y en lo circuitos necesarios. Estas dificultades aumentan rpidamente con la frecuencia, y la ganancia disminuye con la frecuencia. Fue el MAGNETRON, comogenerador de microondas de alta potencia, el dispositivo que dio pie al desarrollo a gran escala de las microondas, al abrir paso a la utilizacin de sistemas de radar durante la II Guerra Mundial; sin embargo, fueron los KLYSTRONS, los que dieron una mayor versatilidad de utilizacin de las microondas, sobre todo en el campo de las comunicaciones, permitiendo adems una mayor comprensin de los fenmenosque tieneen lugar lostubos de microondas.GENERADORES DE MICROONDASINTRODUCCIONEl principio bsico de funcionamiento de estos generadores es la modulacin de velocidad de un haz electrnico que al atravesar una cavidad resonante, excita en ella oscilaciones electromagnticas de la frecuencia de microondas, deseada.Un problema concerniente al desarrollo delas w, 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 ms, 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 slido, cuando se requiere la generacin de potencias elevadas a frecuencias de microondas, los tubos de vaco resultan imprescindibles.Todos los tubos de microondas dependen de la interaccin entre un haz de electrones y un campo electromagntico soportado por un circuito de microondas. Esta interaccin acta como mecanismo de amplificacin. Existen dos clases de tubos:En los tubos de haz lineal (linear-beam), tambin conocidos como 'O', el haz de electrones fluye en una direccin paralela a los campos elctrico y magntico, atravesando toda la longitud del tubo.

GENERADORES DE MICROONDASTUBOS DE MICROONDASEn los tubos de campos cruzados (crossed-field), o tipo 'm', los campos elctrico y magntico son perpendiculares a la direccin del haz de electrones.

GENERADORES DE MICROONDASTUBOS DE MICROONDASEl haz de electrones se origina a partir de un can de electrones, que generalmente comprende un ctodo (la fuente de emisin), un electrodo de enfoque, un electrodo de modulacin y un nodo. Los electrones se generan por emisin termoinica, manteniendo el ctodo a una alta tensin negativa con respecto al nodo, que generalmente se conecta a tierra.

GENERADORES DE MICROONDASTUBOS DE MICROONDASEsta diferencia de potencial crea un campo elctrico que acelera los electrones en su trayecto hacia el nodo, que resulta atravesado por el haz a travs de un orificio que se practica en su centro. GENERADORES DE MICROONDASTUBOS KLYSTRON.La excitacin de ondas de carga espacial sobre un haz de electrones se consigue mediante un proceso denominado modulacin de velocidad. En los tubos klystron se hace pasar el haz a travs de dos rejillas muy prximas entre s, localizadas en el centro de una cavidad reentrante.El proceso de modulacin de velocidad se utiliza en el klystron. Si se coloca una segunda cavidad a una distancia que verifique la condicin entonces se excitar un campo en la segunda cavidad mucho ms intenso que en la primera, que se puede recoger con ayuda de una sonda.

GENERADORES DE MICROONDASTUBOS KLYSTRON.Tambin 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 regin de arrastre. En este caso, la misma cavidad acta 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 sita 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 nmero de cavidades dispuestas muy prximas unas a otras. En lugar de cavidades resonantes, los TWT emplean estructuras de onda lenta de tipo distribuido, por las que se propagan ondas electromagnticas 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 modulacin acumulativa en la velocidad de los mismos, provocando su enracimado y que cedan parte de su energa cintica 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 nmero de cavidades dispuestas muy prximas unas a otras. En lugar de cavidades resonantes, los TWT emplean estructuras de onda lenta de tipo distribuido, por las que se propagan ondas electromagnticas 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 modulacin acumulativa en la velocidad de los mismos, provocando su enracimado y que cedan parte de su energa cintica 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 seal de RF viaje a lo largo del conductor a la velocidad de la luz, la velocidad en direccin axial se reduce a: v(z) = c sen() donde es el ngulo caracterstico de la hlice.

GENERADORES DE MICROONDASTUBOS DE ONDA PROGRESIVA (TWT).El estudio riguroso del TWT es complicado, pero se puede llegar a la conclusin 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 sta 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 electrn en un diodo plano en presencia de campos electrostticos y magnetostticos. En ausencia de campo magntico, viajar en lnea recta desde el ctodo hasta el nodo.

A medida que la intensidad del campo magntico se hace mayor, la trayectoria del electrn comienza a curvarse, como se indica que en caso (a); puede llegar el caso de que el campo sea tan intenso que el electrn tan slo pueda incidir de forma rasante sobre el nodo y regresar al ctodo (b); un incremento adicional en la intensidad del campo magntico se traduce en la trayectoria (c), segn la cual el electrn nunca llega a alcanzar el nodo, describiendo una cicloide cuya frecuencia ser proporcional a la intensidad del campo.GENERADORES DE MICROONDASMAGNETRON.. En una configuracincilndrica (vase la figura de la derecha) el electrn se mueve siguiendo trayectorias similares. Una tensin nodo-ctodo de valor Va permite a un electrn realizar un movimiento circular alrededor del ctodo, a una distancia r del mismo, y con una frecuencia angular e. El nodo de un magnetrn consiste en un bloque slido 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 lneas mostradas en la figura.

GENERADORES DE MICROONDASMAGNETRON.El modo en el que habitualmente se hace operar un magnetrn se corresponde con la configuracin de lneas de campo indicadas en la misma figura, con cambios en la fase de 180 entre cavidades adyacentes. La entrada de cada cavidad se puede modelar como una lnea de transmisin terminada en cortocircuito y de longitud /4, de manera que el campo elctrico es mximo en la entrada de la cavidad (gap).

GENERADORES DE MICROONDASMAGNETRON.

El resultado es una nube de electrones con forma de molinillo que gira alrededor del ctodo en sincronismo que el campo de RF, que puede extraerse mediante una sonda coaxial desde una de las cavidades. El magnetrn, 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 ms ruidoso que el klystron y TWT, y por otra, que no mantiene la coherencia de frecuencia y fase bajo rgimen pulsante. Y el rango de frecuencias va de cientos de Hz a 100GHz

GENERADORES DE MICROONDASTUBOS DE MICROONDAS.

GENERADORES DE MICROONDASDISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DEMICROONDASGENERADORES DE MICROONDASINTRODUCCINDesde mitad de los aos cincuenta, el nmero y variedad de dispositivos semiconductores para microondas ha aumentado en gran manera, al aplicarse nuevas tcnicas, nuevos materiales y nuevas ideas debido a la necesidad de obtener dispositivos de microondas ms pequeos, lo cual causo una extensa investigacin en esta rea. Esta investigacin ha producido dispositivos de estado slido con rangos de frecuencia mucho ms altos. GENERADORES DE MICROONDASINTRODUCCINlos diodos de reactancia variable (varactor) aprovechan la variacin de capacidad de una unin PN polarizada inversamente, en funcin de la tensin aplicada. Fsicamente, esta variacin de capacidad es el resultado del ensanchamiento de la zona de agotamiento al aumentar la tensin de polarizacin inversa. Controlando el perfil de dopado de la unin puede adaptarse la forma funcional de esta relacin a cada aplicacin especfica. Sus aplicaciones tpicas son la generacin de armnicos, la amplificacin paramtrica y la sintona electrnica.GENERADORES DE MICROONDASINTRODUCCINLos diodos pin poseen una ancha regin intrnseca que les capacita para manejar grandes potencias y ofrece una impedancia a frecuencias de microondas controlable por una polarizacin de baja frecuencia (o continua). Han demostrado su utilidad en conmutadores de microondas, moduladores y protectores.GENERADORES DE MICROONDASINTRODUCCINPara generar potencia en microonda o amplificarla, es necesaria una caracterstica de resistencia negativa a esas frecuencias. Empezando por el diodo tnel al principio de los aos sesenta y avanzando hasta los diodos IMPATT y los diodos Gunn,GENERADORES DE MICROONDASDIODO VARACTORLos diodos varactores (llamados tambin varicap "diodo con capacitancia-voltaje variable" o sintonizadores) son semiconductores dependientes del voltaje, capacitores variables.Los diodos varactores o varicap han sido diseados de manera que su funcionamiento sea similar al de un capacitor y tengan una caracterstica capacitancia-tensin dentro de lmites razonables.

GENERADORES DE MICROONDASFUNCIONAMIENTO DEL VARACTOREn la figura al aumentar la tensin inversa la capacidad de la zona de transicin se agranda, y se separa las placas, y esto provoca que al aumentar la distancia, disminuya la capacidad, o sea al aumentar la tensin disminuye la capacidad.

Cuando el varactor se conecta en paralelo con un inductor se obtiene un circuito resonante cuya frecuencia de resonancia es:

GENERADORES DE MICROONDASGENERADORES GUNN El Generador Gunn se trata de un generador de microondas, formado por un semiconductor de dos terminales que utiliza el llamado efecto Gunn. Cuando se aplica entre nodo y ctodo una tensin continua, como se muestra en la Figura .de modo que el nodo sea positivo con respecto al ctodo, la corriente que circula por el diodo es continua pero con unos impulsos superpuestos de hiperfrecuencia que pueden ser utilizados para inducir oscilaciones en una cavidad resonante.

El fundamento bsico para un oscilador Gunn es un circuito RLC, el mismo que es modelado mediante el uso de una cavidad resonante. GENERADORES DE MICROONDASGENERADORES GUNN Con el fin de lograr estabilidad en la operacin del oscilador, los osciladores comerciales basados en diodos Gunn incluyen un circuito regulador de tensin conformado por un desacoplador de continua (conformado por un condensador y una resistencia en paralelo) y una referencia de voltaje sumamente precisa, que es lograda mediante el uso de un diodo Zener

GENERADORES DE MICROONDASGENERADORES GUNN Caractersticas del diodo Gunn :

*El diodo Gunn se encuentra acoplado a una cavidad resonante.n *Bajo costo. * Diseo de alto volumen. * Diferentes niveles de potencia de salida. * Bajo consumo de energa.*permite la generacin de potencia en frecuencias de microondas desde 4 GHz. a ms de 100 GHz.* Potencias que van desde milivatios a vatios.*Son dispositivos de muy bajo rendimiento 1% al 2%, *Funcionan con bajas tensiones, entre 3 y 15 voltios*Normalmente son usados para generar frecuencias de microondas en modos Transversal Elctrico, TE.

GENERADORES DE MICROONDASGENERADORES GUNN El Oscilador Gunn al ser un generador de seales de microondas tiene diversas aplicaciones entre estas estn: El oscilador Gunn sirve para generar potencia de microondas para propsitos didcticos. Abridores de puertas automticas. Sistemas de alarma contra intrusos. Los radares de velocidad. Deteccin de presencia. Sistemas de control de trfico. Nivel de deteccin.

GENERADORES DE MICROONDASDIODOS PINEl diodo PIN es un diodo que presenta una regin P fuertemente dopada y otra regin N tambin fuertemente dopada, separadas por una regin de material que es casi intrnseco.. Este tipo de diodos se utiliza en frecuencias de microondas, es decir, frecuencias que exceden de 1 GHz, puesto que incluso en estas frecuencias el diodo tiene una impedancia muy alta cuando est inversamente polarizado y muy baja cuando esta polarizado en sentido directo. Adems, las tensiones de ruptura estn comprendidas en el margen de 100 a 1000 V.

GENERADORES DE MICROONDASDIODOS PINEn virtud de las caractersticas del diodo PIN se le puede utilizar como interruptor o como modulador de amplitud en frecuencias de microondas ya que para todos los propsitos se le puede presentar como un cortocircuito en sentido directo y como un circuito abierto en sentido inverso.GENERADORES DE MICROONDASDIODOS PINGENERADORES DE MICROONDASGENERADORES DE MICROONDASGENERADORES DE MICROONDASGENERADORES DE MICROONDASGENERADORES DE MICROONDAS