Dispositivos De Microondas

KLYSTRON

El klistrón o klystron es una válvula de vacío de electrones en la cual se produce una modulación inicial de velocidad impartida a los electrones. En la última etapa se genera un campo eléctrico que es función de la velocidad modulada del haz de electrones y que finalmente genera una corriente de microondas. Se utiliza como amplificador en la banda de microondas o como oscilador.

Fue inventada en 1937 por los hermanos Russell y Sigurd Varian quienes estudiaban y trabajaban en la universidad estadounidense de Stanford. Se distinguen dos tipos de klistrones:

 Klistrón de dos cavidades: en una cavidad se modula el haz de electrones por la señal de entrada, y en la segunda cavidad se extrae la señal amplificada.

 Klistrón reflex: sólo contiene una cavidad. El haz de electrones la atraviesa dos veces: en la primera se modula con la señal; se refleja en un electrodo negativo, llamado reflector, y regresa a la cavidad, donde se extrae la señal. Fue de amplio uso como oscilador de microondas en radares y equipos de laboratorio.

Figura 4. Diagrama de válvula Klystron

El funcionamiento del klystron, tanto como oscilador o como amplificador se basa en la modulación de velocidad de los electrones de un haz, sometidos a aceleraciones y frenados como consecuencia de la aplicación de una señal variable en el tiempo. En la aplicación como amplificador, la versión más simple del klystron es la de un tubo electrónico con varias cavidades, como se ilustra en la figura 4 y en el que se definen tres regiones: cátodo, ánodo y regiones o tubos de arrastre, deriva8 o de interacción de RF, a las porciones intermedias entre las cavidades.

MAGNETRON

Esta válvula fue desarrollada originalmente a partir de la válvula Klystron, en la Universidad de Birmingham (Inglaterra) por el profesor M.L. Oliphant, en el otoño de 1939. La idea básica es utilizar la válvula para producir señales de potencias elevadas en la gama de microondas para los sistemas de Radar que todavía no estaban suficientemente desarrollados.

El magnetrón es el tubo de campo cruzado más utilizado. Aunque hay versiones lineales del magnetrón, cuyo funcionamiento se asemeja al del klystron. Básicamente el magnetrón es un diodo con un cátodo y un ánodo, sin reja de control. El ánodo no tiene la misma configuración que en los tubos ordinarios, sino que es una estructura cilíndrica con una serie de cavidades resonantes como se muestra en la figura 2.

FIGURA 2

La estructura del cátodo y del filamento es cilíndrica y localizada rígidamente en el centro del tubo. La placa o ánodo es un bloque cilíndrico sólido con una serie de cavidades que pueden ser cilíndricas o en forma de “sol naciente”. Externamente se aplica un intenso campo magnético mediante imanes permanentes y es la interacción entre este campo magnético y el campo eléctrico producido en el interior del tubo, la que da lugar a las características de funcionamiento del magnetrón.

El espacio abierto entre la placa y el cátodo se llama el espacio de interacción. En este espacio los campos eléctricos y magnéticos interactúan para ejercer la fuerza sobre los electrones. Dado que toda carga eléctrica crea a su alrededor un campo electromagnético, todos los electrones en movimiento circular en las oquedades producen ondas electromagnéticas–en este caso microondas– perpendiculares al desplazamiento de los mismos y de una frecuencia dependiente del tamaño de las oquedades.

Sin embargo, la frecuencia no es precisamente controlable, varía con los cambios en la impedancia de carga, con cambios en la intersidad, y con la temperatura del tubo. Mediante un cable coaxial, se transmite la energía a un director o radiador, constituido por una antena. Hoy en día los usos principales son:

• Radar

• Horno de microondas

• En medicina física, las microondas se utilizan como método de calentamiento profundo (diatermia).

TWT

La invención del TWT es ampliamente atribuida a Rudolf Kompfner en 1942-1943, El tubo de onda progresiva es, de manera similar al klystron, un tubo de haz lineal que basa su funcionamiento en la interacción de un haz electrónico con una onda electromagnética que viaja a lo largo del tubo. Su estructura se ilustra en la figura 3 y está formado por un cátodo que produce un haz electrónico que es enfocado por el campo magnético producido por bobinas externas y que viaja hacia el colector, moviéndose en el interior de una hélice metálica que se extiende a lo largo del tubo.

Figura 3. TWT

La hélice actúa como una línea de retardo en que la señal de RF viaja a lo largo del tubo a la misma velocidad que el haz electrónico como una “onda lenta”. El campo electromagnético debido a la corriente en la hélice interactúa con el haz electrónico, modulando en velocidad a los electrones y causando agrupamientos de éstos a lo largo del tubo, de manera similar al klystron. El campo electromagnético debido a la corriente del haz induce a su vez más corriente en la hélice, de modo que el efecto neto es la amplificación de ésta.

Los tubos de onda progresiva pueden funcionar en rangos de frecuencia desde unos 300 MHz hasta 50 GHz y manejar anchos de banda hasta de una octava, considerablemente más que los klystrons.

Su ganancia puede ser hasta del orden de 30 dB hasta 60 dB. La señal de entrada se aplica mediante un acoplador direccional, que puede ser una guía de onda o una bobina situada cerca del emisor y que induce corriente en la hélice, en la que se aprecian también el cátodo, el filamento calefactor, la hélice y los imanes o bobinas para el confinamiento del haz electrónico.

Es un especializado tubo de vacío que se utiliza en la electrónica para amplificar frecuencia de radio (RF) a alta potencia, por lo general como parte de un conjunto electrónico conocido como un amplificador de tubo de ondas progresivas (TWTA).

TWT se utilizan comúnmente como amplificadores de satélite transpondedores, radar, sistemas de autoprotección compatibilidad electromagnética (EMC) de la industria de pruebas para exámenes de inmunidad de los dispositivos electrónicos.

GYROTRON

El girotrón fue inventado en la Unión Soviética. Los responsables actuales incluyen Communications & Power Industries (EE.UU.), Gycom (Rusia), Grupo Thales (UE), CEERI (INDIA), Toshiba (Japón) y Bridge12 Technologies Inc., . Los desarrolladores de sistemas incluyen girotrón Technology, Inc

A girotrón es un dispositivo electrónico de vacío (VED), capaz de generar gran potencia y alta frecuencia de la radiación, las frecuencias variar de aproximadamente de 20 a 250 GHz , cubriendo longitudes de onda de microondas hasta el borde de terahertz . Su funcionamiento se basa en la radiación de ciclotrón de electrones oscilantes estimulado en un fuerte campo magnético proporcionado típicamente por un imán superconductor. Un esquema, que indica las diversas partes de un tubo de girotrón se da a continuación:

En un girotrón, los electrones que son emitidos por el cátodo (1), se aceleran en un campo magnético fuerte de un imán superconductor (4). Mientras que el haz de electrones (3) viaja a través del campo magnético intenso, los electrones comienzan a girar a una frecuencia específica determinada por la fuerza del campo magnético. En la cavidad (5), situado en la posición con la mayor fuerza de campo magnético, la radiación THz está fuertemente amplificada. El convertidor de modo (6) se utiliza para formar un haz gaussiano libre que deja el girotrón a través de una ventana (8) y está acoplado a una guía de ondas. El haz de electrones gastado se disipa en el colector (7).

Girotrones se utilizan para muchas aplicaciones de calefacción industriales y de alta tecnología. Por ejemplo, se utilizan en girotrones de fusión nuclear experimentos de investigación para calentar plasmas , y también en la industria de fabricación como una herramienta de calentamiento rápido de procesamiento de vidrio, materiales compuestos, y cerámica, así como para el recocido (solar y los semiconductores). Aplicaciones militares incluyen el Active Denial System .

TRIODOS

Los tríodos siguen utilizándose extensamente, sobre todo en las bandas de LF (30 a 300 KHz), MF (300 KHz a 3 MHz) y HF u onda corta (3 a 30 MHz). En radiodifusión sonora en FM y televisión se prefieren los tetrodos u otros tipos de tubos como el klystron y el IOT. El tríodo es una válvula de vacío de tres electrodos y fue inventada por Lee de Forest en los Estados Unidos en la segunda década del siglo XX.

En el tríodo, además del cátodo y la placa se tiene un tercer electrodo constituido por una rejilla de alambre muy fino, intercalada entre la placa y el cátodo y físicamente cercana a éste. Esta reja de control puede tener diversas configuraciones; puede ser una hélice de alambre o un cilindro de malla de alambre y aún un cilindro sólido con una perforación para permitir el paso de los electrones hacia la placa. El símbolo habitual para el tríodo y su estructura básica muestran en la figura 1.

Figura 1. TRIODO

Si a la reja de control no se le aplica ningún voltaje o si se la conecta directamente al cátodo, la válvula se comporta igual

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