Generadores Y Amplificadores

INDICE

INTRODUCCIÓN

CONTENIDO

GENERADORES Y AMPLIFICADORES DE MICROONDAS

TUBOS GENERADORES: TIPO “O” Y TIPO “M”, USADOS PARA ENERGIZAR UN SISTEMA DE MICROONDAS. FUNCIONAMIENTO.

DISPOSITIVOS DE ESTADO SÓLIDO: OSCILADORES Y AMPLIFICADORES, USADOS EN SISTEMAS DE MICROONDAS. FUNCIONAMIENTO.

“CADENAS” DE AMPLIFICACIÓN EN SISTEMAS DE MICROONDAS

CONCLUSIÓN

BIBLIOGRAFÍA

INTRODUCCION

Los primeros amplificadores de microondas utilizaban tubos y válvulas, como el klystron o los tubos de onda progresiva (twt). El desarrollo de la física del estado sólido con materiales semiconductores permitió la aplicación de dispositivos de dos

terminales como amplificadores. Es el caso de los diodos túnel y de avalancha (gunn e impatt son los ejemplos más destacados). Sin embargo, a partir de los años 70, la mayoría de los amplificadores utilizan dispositivos de tres terminales. Primero fueron los transistores de unión bipolar, con substrato de silicio (bjt). Posteriormente, los de efecto de campo (fet), con sustrato de gas (mesfet). Durante estas últimas décadas el desarrollo ha sido espectacular, sobre todo en la obtención de compuestos pseudomórficos y de heterouniones, cuyos logros más destacados han sido el transistor bipolar de heterounión (hbt) y el transistor de alta movilidad electrónica (hemt).

Un sistema en el que se utilizan localmente las microondas constará fundamentalmente de un generador y de un medio de transmisión de la onda hasta la carga; en caso contrario, se tendrá necesidad de un sistema emisor y otro receptor, estando el emisor compuesto por los elementos anteriormente citados, y donde la carga será una antena emisora, mientras que el receptor será otra antena, medio de transmisión y detector adecuado. La amplificación es una de las funciones más básicas y relevantes en los circuitos de microondas.

La utilización en microondas de las válvulas de vacío convencionales, como amplificadores osciladores, está limitada, por una parte, por el tiempo de tránsito de los electrones en el interior de la válvula y, por otra, por las inductancias y por las capacidades asociadas al cableado y los electrodos de la misma. El tiempo de tránsito al hacerse comparable con el período de las oscilaciones, da lugar a que haya un de fase entre el campo y las oscilaciones de los electrones; esto implica un consumo de energía que disminuye la impedancia de entrada de la válvula, aunque su rejilla, polarizada negativamente, no capte electrones. Las inductancias y capacidades parásitas causan efectos de resonancia y acople interelectrónico que también conducen a una limitación obvia. Son muchas las modificaciones sugeridas y utilizadas para superar estos inconvenientes, basándose en los mismos principios de funcionamiento, pero, a frecuencias ya de lleno en el rango de las microondas tanto los circuitos de válvulas como los semiconductores trabajan según una concepción completamente diferente a los correspondientes de la baja frecuencia.

GENERADORES Y AMPLIFICADORES DE MICROONDAS

TUBOS 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.

Tubos de haz lineal (linear-beam): Un ejemplo de ello es el: Klystron, helix traveling-wave tube (TWT), Twystron: Se utiliza un campo magnético cuyo eje coincide con el haz de electrones para mantener el haz junto a lo largo del tubo. Los electrones recogen energía en continua, la transforman en cinética y después en corrientes. Eficiencias hasta del 60% y potencia de MW.

Tubos de campos cruzados (crossed-field): 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.

Campo magnético y eléctrico (DC) ortogonales.

El campo magnético curva el haz de electrones

Magnetrón, Dematron, Amplitron…

El magnetrón (1921) se utilizó para desarrollar el radar (1940).

Los electrones del haz experimentan una fuerza repulsiva de Coulomb que tiende a dispersarlos, imprimiéndoles un movimiento radial. La dispersión del haz es despreciable si la longitud de la región de arrastre es pequeña, como sucede en los tubos klystron, pero no ocurre en los tubos de onda progresiva (TWT). En estos casos, para confinar el haz y evitar la dispersión se emplean dos posibles técnicas:

Haz de iones neutralizados: el tubo de vacío se llena de un gas neutro. Las moléculas del gas se ionizan debido a las colisiones de los electrones. Se forman así iones de carga positiva que tienden a neutralizar la carga espacial negativa asociada al haz de electrones.

Haz con flujo de electrones axialmente confinado: se aplica un campo magnetostático B0, muy intenso, cuyas líneas son paralelas al haz de electrones. Por efecto de la fuerza de Lorentz, sobre los electrones con componente radial de movimiento actúa una fuerza –e (vr×B0) que hace que estos electrones realicen un movimiento helicoidal a lo largo de las líneas del campo magnético.

TUBOS DE HAZ LINEAL (LINEAR-BEAM) tipo “O”:

Tubos klystron

El proceso de modulación de velocidad se utiliza en el klystron. Si se coloca una segunda cavidad a una distancia que verifique la condición (1.29), 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.

Con sólo dos cavidades se puede lograr una ganancia de hasta 20 dB. En la práctica, la ganancia se puede hacer mayor colocando una o más cavidades intermedias entre las dos anteriores (que generalmente se llaman buncher y cátcher). El límite de ganancia se puede cifrar en unos 90 dB.

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 cátcher y se habla de klystron réflex.

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 %.

La principal limitación de los tubos klystron es su producto ganancia anchura de banda, ya que para conseguir el efecto de enracimado de los electrones se requieren cavidades con un alto Q, lo que va en detrimento de la anchura de banda.

Tubos 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.

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: vz = c sen(ψ)

Donde ψ es el ángulo característico de la hélice.

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 %.

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