6. Generadores de Señal

6.1 El Klystron
1. El klystron fue inventado por los hermanos Varian en 1937 y aún se emplea en la actualidad con gran profusión. Consiste en un tubo de vacio capaz de generar una señal de microondas utilizando el principio de modulación de la velocidad.
  1. La eficiencia de este generador es del orden del 30% y es muy común encontrarlo en los laboratorios para medidas como fuente de baja potencia (10- 500 mW) en el intervalo entre 1 y 25 GHz
    1. Sus características los hacen también idóneos para utilizarlos en receptores de microondas y como osciladores locales de alta potencia en radares Doppler comerciales y militares
      1. El diagrama esquemático de un klystron de reflexión se muestra en la Figura a, Los electrones son generados en el cátodo por un filamento caliente y son enfocados por un campo dando lugar a un haz.
        El elevado voltaje negativo aplicado al cátodo hace que los electrones escapen a gran velocidad de éste. El haz se inyecta en la reji- la de la cavidad que actúa como un resonador.
        La existencia de la cavidad hace que las fluctuaciones con una frecuencia igual a la de resonancia de la cavidad experimenten una realimentación positiva, haciendo que se produzca el empaquetamiento del haz según la frecuencia de resonancia correspondiente.
        Después de varios ciclos los electrones se habrán agrupado en paquetes bien definidos según se observa en la Figura b, es decir, se ha producido la modulación de la velocidad de los electrones.
        En general, en los tubos klystron que se utilizan en los laboratorios el acoplo de la sonda es fijo y la condición de sobre-acoplo no se puede producir.
        MODOS DE OPERACIÓN
        La oscilación más fuerte se produce cuando el tiempo de tránsito en la región reflector-resonador es igual a n + 3/4 ciclos de la frecuencia del resonador, siendo n un número entero incluido el cero.
        La Figura c muestra la relación que existe entre la potencia de salida, la frecuencia de oscilación y la tensión de reflector para un klystron típico de laboratorio modelo 2K25, tambien se pueden ver las pequeñas variaciones de frecuencia con el voltaje de reflector para cada modo [1]-(3].
        La Figura a muestra el caso de modulación sinusoidal, que abarca todo el modo. En este caso, la señal de salida está modulada tanto en frecuencia como en amplitud.
        Si la modulación que se aplica es cuadrada, como la indicada en la Figura b, la señal de salida está modulada principalmente en amplitud.
        La Figura c muestra la forma señal de salida cuando la señal moduladora se aplica a un valor de voltaje de reflector incorrecto con una amplitud inadecuada.
        APLICACIONES
        Las buenas características de funcionamiento, su bajo ruido, alta potencia y relativo bajo costo hacen que el klystron encuentre aplicación en muy distintos campos, como son los aceleradores lineales, los sistemas de comunicación, los procesos industriales de calentamiento y los sistemas de radar.
        Debido a su bajo ruido el klystron ha sido uno de los elementos clasicos constituyentes de un radar
      2. Modulación de la velocidad
6.2 Diodo Gunn
1. Shockley sugirió en 1954 que un dispositivo de resistencia negativa de dos puertas utilizando semiconductores podrían tener grandes ventajas sobre los transistores, especialmente a altas frecuencias.
  1. En 1961, Ridley y Watkins describieron un nuevo método de obtener una movilidad diferencial negativa en semiconductores.
    1. En 1963 J. B Gunn, utilizando discos muy finos de GaAs tipo n y en muestras de InP también de tipo n observó la existencia de fluctuaciones periódicas en la corriente que circulaba a través de estas muestras cuando se les aplicaba un voltaje que era superior a un cierto valor crítico.
      1. En ese mismo año, Ridley predijo que un dominio de campo (acumulación local de carga espacial) se movía de forma continua en el cristal, formándose en una región de nucleación (cátodo) y colapsando en el ánodo, tal y como se muestra en la Figura 5.3.
        Finalmente, Kroemer estableció que el origen de la movilidad diferencial negativa se debía al mecanismo de Ridley-Watkins e Hilsum de transferencia de electrones a los valles satélites que hay en las bandas de conducción tanto del GaAs tipo n como en el InP tipo n, y que las propiedades del efecto Gunn no eran más que las oscilaciones de corriente debidas ala nucleación y desaparición periódicas de los dominios de carga espacial que se propagaban a través del cristal.
        En la actualidad, la relevancia de los diodos Gunn en el diseño de osciladores de alta frecuencia se ha acercentado gracias a la tecnología de nitruro de galio (GaN) (10). Este material es un semiconductor de banda ancha que presenta zonas de movilidad diferencial negativa a campos elevados.
        LOS SEMICONDUCTORES III-V
        La curva de movilidad diferencial negativa de la Figura a que presentan los electrones en el GaAs es consecuencia de la forma particular de la estructura de bandas de este semiconductor III-V que se muestra en la Figura b.
        Si el semiconductor esta debilmente dopado y se encuentra a temperaturas del orden de 300 K, entonces la dinámica de los electrones está regulada por la estadística de Maxwell-Boltzmann. En estas circunstancias, la energía media en equilibrio de los el W =3KT/2 = 0,039 eV.
        Cuando la energía cinética de los electrones es superior a unos 0.3 eV, existe una probabilidad elevada de que los electrones transiten a los valles satélites. En estos valles los electrones sufren una fuerte disminución de su velocidad.
        Si la densidad electrónica en el valle central es n, y en los valles satélites n, la velocidad media de deriva v se puede expresar en función del campo eléctrico É como
        Movilidad diferencial
        Para que se cumpla se tiene que verificar que:
        Si E no es lo suficientemente grande de forma que n1=n1+n2 , y teniendo en cuenta que u1>>u2 la ecuacion se transforma:
        OSCILADORES GUNN EN LÍNEA COAXIAL Y EN GUÍA DE ONDAS
        La forma de la característica v — E sugiere que una polarización DC en la región de movilidad diferencial negativa daría lugar a la generación de potencia AC en un circuito conectado al dispositivo semiconductor III- V.
        En un dispositivo de longitud finita, el dominio se forma normalmente cerca del cátodo porque esta representa la mayor no uniformidad debido al dañado que se produce en el cristal al formarse los contactos.
        La corriente a través del dispositivo es una serie de pulsos superpuestos sobre un nivel constante, como se muestra en la Figura así lo observó originalmente J. B. Gunn en 1963.
        Se observa entonces que en su modo más básico, la frecuencia del oscilador está determinada por el tiempo de tránsito del dominio. Sin embargo se puede forzar, mediante resonadores, que los modos colapsen antes de alcanzar el ánodo, lo que permite modificar el tiempo de tránsito. De este modo se puede sintonizar la frecuencia de operación hasta en una octava.
        La Figura muestra la estructura de un oscilador Gunn en línea coaxial, que consiste en una cavidad coaxial con el diodo Gunn montado en el gap que existe entre el conductor interior y una de las paredes de la cavidad.
        Este tipo de cavidades recibe el nombre de cavidad reentrante. La carga presentada a la cavidad se ajusta variando la penetración y la posición de la sonda, gracias a lo cual se puede buscar un buen compromiso entre un acoplo óptimo y una perturbación de campos mínima.
        Entonces en estado estacionario las dos condiciones que se tienen que satisfacer para que haya oscilación son
        La estructura de la Figura a se puede analizar en primera aproximación utilizando el circuito equivalente de la Figura b.
        Aplicando el criterio de operación en estado estacionario dado por las Ecuaciones
        Donde Y,es la admitancia que modeliza la cavidad, y que puede considerarse reactiva pura en ausencia de pérdidas.
        La Figura a muestra un oscilador Gunn en guía de ondas. El diodo está montado en un poste cilíndrico metálico centrado en el lado ancho de la guía rectangular.
        Utilizando el circuito equivalente de la Figura b se puede predecir la frecuencia de operación de este oscilador. Este circuito equivalente se ha obtenido considerando por separado cada parte de la estructura.
        Para oscilaciones pulsadas, se emplean diodos Gunn con materiales altamente dopados y se aplica una señal de polarización modulada por pulsos. Un tipo de diodo para pulsos capaz de producir potencias muy elevadas es el diodo LSA (Limited Space Charge Accumulation).
6.3 Osciladores de onda hacia atrás (BWO)
1. BWO (BACKWARD WAVE OSCILLATOR)
  1. La forma de operación de un oscilador BWO se comprende mejor si primero se estudian los tubos de hélice de onda progresiva (Travelling Wave Tube). Al igual que en un klystron, en un tubo TWT también se produce la modulación de la velocidad de los electrones debida al débil campo eléctrico que se propaga por la hélice.
    1. Sin embargo hay dos importantes diferencias entre un TWT y un klystron
      1. 1) la interacción del haz de electrones y el campo RF se produce a lo largo de toda la longitud de la estructura del TWT, mientras que en un klystron la interacción sólo se produce en las rejillas de la cavidad resonante y 2) la onda en el TWT es una onda propagante, lo que no es así en el klystron.
        La Figura a muestra el esquema de un tubo de onda progresiva que consiste fundamentalmente en un haz de electrones y en una estructura de onda lenta constituida por una hélice. El haz de electrones se enfoca mediante un campo magnético constante dirigido a lo largo del haz y del eje de la hélice.
        Un TWT con la estructura de la Figura a se denomina genéricamente de tipo O. La señal aplicada se propaga por las vueltas de la hélice y produce un campo eléctrico en el centro de la hélice y dirigido a lo largo de su eje.
        La Figura b muestra la acción del campo eléctrico sobre el haz de electrones. El empaquetamiento cambia la fase en pi/2 y cada electrón dentro del paquete encuentra un campo retardador más intenso, por lo que el paquete de electrones cede energía a la onda en la hélice.
        El oscilador está formado por un cañón de electrones, un imán que genera un campo DC para focalizar el haz, un colector de electrones y una estructura de interacción en forma de hélice, tal y como se muestra en la Figura c.
        En este tipo de oscilador, la señal de potencia de salida está dirigida a lo largo de la hélice desde el colector hasta el extremo donde está el cañón y que es por donde se extrae. Aunque el elec- trón viaja en dirección contraria a esta señal, ve la misma fase del campo de microondas a medida que pasa por cada vuelta de la hélice.
        Debido a que los electrones ven la misma fase en cada vuelta, se produce el empaquetamiento del haz de forma progresiva, y la interacción de este haz de paquetes con la señal de RF genera una potencia creciente en La hélice.
        Como la señal de potencia viaja en sentido contrario, la señal original que se amplifica siempre es generada por el propio tubo y por consiguiente se produce la oscilación.
        La frecuencia a la que se produce la oscilación es función de la velocidad del haz de electrones, que depende del voltaje del haz y que a su vez está determinada por el voltaje que se aplica entre el cátodo y la hélice.
        Un oscilador BWO típico se puede sintonizar electrónicamente en un intervalo de frecuencias de 40 a 80 GHz variando el voltaje cátodo-hélice desde unos 200 V a unos 1.400 V. El oscilador proporciona una potencia mínima de salida de 50 mW a través de esta octava de frecuencias.
        Sin embargo, un BWO es un elemento muy útil en un banco de microondas ya que permite hacer medidas con barridos muy rápidos en frecuencia, Los modelos estándar de BWO permiten seleccionar una potencia de salida cuya frecuencia varía de forma continua en un determinado margen de tiempo.
        Estos modelos disponen de una salida adicional que suministra un voltaje de continua proporcional a la diferencia entre la frecuencia inicial del barrido y la frecuencia instantánea
        Los BWO se caracterizan también por presentar una excelente estabilidad en frecuencia y una gran pureza espectral, y pueden generar señales de hasta 1 THz.
6.4 Oscilador YIG
1. El oscilador YIG está formado por una resistencia negativa que produce las oscilaciones y un resonador con un elevado factor de calidad que proporciona una señal de una gran pureza espectral.
  1. El resonador está constítuido por una esfera de una forma cristalina de ferrita (denominada granate) de itrio y hierro (YIG). que está inmersa en un campo magnético DC
    1. Los bipolares proporcionan señales de salida con mayores fluctuaciones de frecuencia (ruido de fase o ruido FM) que los FET y su frecuencia máxima de ope- ración es más baja. La eficiencia media de un oscilador YIG que utiliza un transistor como elemento activo es del orden del 30%.
      1. El funcionamiento de un oscilador YIG se puede explicar como sigue. Las ferritas resuenan a frecuencias de microondas cuando están sometidas a la acción de un campo magnético.
        Los espines electrónicos de estos materiales tienen asociado un momento dipolar magnético que precede alrededor del campo magnético aplicado con una frecuencia f0, llamada frecuencia de precesión giromagnética o frecuencia de Larmor, y que es proporcional al campo magnético.
        La Figura a muestra la precesión del spin del electrón alrededor de un campo magnético de continua H, cuando se aplica una pequeña señal de RF perpendicular a este campo magnético, la ferrita entra en resonancia con la componente en f0, de esta señal.
        Este efecto es aprovechado para diseñar el oscilador. En el oscilador, el campo RF tiene su origen en el ruido generado por el dispositivo activo.
        Este dispositivo tiene una realimentación positiva constituida por el resonador YIG, el cual se ocupa de elegir con un alto grado de selectividad la componente en frecuencia f0, del ruido generado.
        Para aplicar la señal de RF perpendicular al campo magnético DC se puede emplear un bucle de acoplo alrededor del granate, tal y como se muestra de forma esquemática en la Figura b
        La estructura completa del oscilador como un circuito integrado de microondas (Microwave Integrated Circuit) se muestra en la Figura c, El bucle está conectado directamente al sustrato del MIC, donde: están también los elementos activos.
        El circuito equivalente del oscilador se representa en la Figura d, donde R, y L, representan las pérdidas y la inductancia del bucle de acoplo del campo RE respectivamente, C, y L, establecen la condición de resonancia y R, las pérdidas del factor Q de la esfera YIG.
        Si Zd y Zy son la impe-dancia del elemento activo y la impedancia del resonador, respectivamente, entonces en situación de resonancia la parte real de Z,, es negativa y el coeficiente de reflexión,
        Se puede obtener una variación muy lineal de la frecuencia modificando el valor del campo H,. Cuando se precisa modular en frecuencia, se hace pasar una corriente modulada en EM por una serie de espiras colocadas en cl polo del imán, tal y como se muestra en la Figura c.
6.5 El Magnetrón
1. Las limitaciones en potencia de los osciladores BWO estándar y cl pequeño rango de sintonía que permiten los Klystron hace que en aplicaciones específicas donde se requiera una alta potencia de microondas se utilice mayoritariamente otro tipo de generadores, en particular los magnetrones, carcinotrones y girotrones.
  1. Hull inventó el magnetrón en 1921, aunque el empleo de este dispositivo permaneció limitado a los laboratorios como una fuente más de señal.
    1. Sin embargo a partir de 1940 el magnetrón tuvo un rápido desarrollo debido la necesidad urgente de generadores de potencia de microondas para los transmisores de radar durante la Segunda Guerra Mundial.
      1. Según su estructura interna se puede considerar que hay tres tipos de magnetrones.
        El primero se denomina de ánodo segmentado, y proporciona una frecuencia de operacion bastante inferior a la de microondas.
        El segundo tipo es el denominado de frecuencia ciclotrónica, que si bien funciona a frecuencias dentro del intervalo de microondas, su potencia de salida es muy pequeña (aproximadamente 1 W a 3 GHz) y su eficiencia muy baja (10%).
        El tercer tipo se denomina de onda progresiva, y su operación se basa en la interacción de los electrones con un campo electromagnético propagándose con una velocidad lineal.
        La Figura 5.10 muestra el esquema general de un magnetrón cilíndrico, donde se aprecian varias cavidades conectadas entre sí por pequeñas aberturas (gaps).
        Como consecuencia de la configuración de campos, los electrones emitidos desde el cátodo al ánodo se mueven en trayectorias curvas. Si el campo magnético es lo suficientemente intenso los electrones no llegarán al ánodo, sino que regresarán al cátodo y por consiguiente la corriente en el ánodo es nula.
        El voltaje V0 se establece entre el cátodo y el ánodo, y el campo magnético B0 se aplica a lo largo del eje de simetría del cilindro.
        Cuando los valores del voltaje DC y la densidad de flujo magnético B0, son los adecuados, los electrones siguen trayectorias cicloides en el espacio comprendido entre el ánodo y el cátodo, tal y como se muestra en la Figura 5.11a.
        La posibilidad de que un electrón se aproxime al ánodo y vuelva al cátodo depende de los valores relativos de B0 y V0. Esta condición es la denominada condición de corte del magnetrón.
        Si.R es el radio de la trayectoria cicloidal y v la velocidad tangencial, igualando las fuerzas que actú- an sobre el electrón se puede obtener la frecuencia ciclotrónica del movimiento circular, que viene dada por
        Y el periodo para una revolución completa
        Al ser la estructura cerrada sobre sí misma, solamente serán posibles las oscilaciones si el cambio total de fase alrededor de la estructura es un múltiplo entero de 277 radianes. Por consiguiente, si hay N cavidades en la estructura del ánodo, el cambio de fase entre dos cavidades adyacentes será
        siendo n un número entero que determina el modo de oscilación.
        Aplicaciones
        Los magnetrones de onda continua proporcionan potencias de salida desde unos pocos vatios hasta 10 KW. Su aplicación más importante y extendida está en los hornos de microondas domésticos
6.6 El Carcinotrón
1. El carcinotrón es un BWO de tipo M. La interacción entre los electrones y la estructura de onda lenta (hélice) se produce en la región donde existen los campos E y B cruzados.
  1. 1. En la Figura 5.12a se muestra un modelo lineal de carcinotrón tipo M. donde se observa que la estructura de onda lenta es paralela a un electrodo denominado lengúera (en inglés sole).
      1. Si la lengúeta está a un potencial negativo, se establecerá un campo eléctrico DC entre la estructura de onda lenta que está a tierra y la lengúeta. En la Figura 5.12a, la dirección del campo magnético es tal que entra en el dibujo.
        Los electrones que se emiten desde el cátodo y cuya trayectoria es desviada en 90 grados por el campo magnético interaccionan con la señal de RE en la región de la estructura de onda lenta y la señal de potencia circula en el circuito en dirección opuesta a la del haz de electrones.
        La eficiencia de un carcinotrón es muy alta, del orden del 40% al 60%. Otra ventaja de este tipo de oscila- dores es el gran ancho de banda de sintonía (hasta un 40%) que se puede obtener modificando el voltaje de la lengleta, del ánodo o de ambos.
        La Figura 5.12b presenta las curvas de sintonía para un oscilador BWO tipo M úpico variando el voltaje del cátodo y manteniendo constante el voltaje de la lengúeta.
        Se observa que la sintonía en frecuencia es prácticamente lincal con el voltaje del cátodo. Esto es consecuencia de que la velocidad de deriva de los electrones está relacionada linealmente con el campo eléctrico DC que hay en la región de interacción.
6.7 El Girotrón
1. A diferencia de los dispositivos basados en estructuras de onda lenta, el girotrón es un generador de onda rápida en el que los electrones se mueven a velocidades relativistas.
  1. Este generador presenta una ventaja clave: utiliza modos de orden superior y gracias a ello sus dimensiones físicas son muy superiores a la longitud de onda.
    1. Debido a esta característica es posible fabricar con relativa facilidad girotrones que operen a frecuencias extremadamente altas, pues la precisión requerida en la mecanización de las piezas no es tan difícil de conseguir como la que exigiría un tubo convencional.
      1. El girotrón consiste esencialmente en un cañón de electrones que excita una cavidad resonante de forma similar a como ocurre en un klystron, con la diferencia fundamental de que el cañón es del tipo de un magne- trón y los electrones son emitidos con una elevada velocidad radial.
        Una vez emitidos entran a velocidades relativistas en una cámara de compresión adiabática en forma de guía circular con sección variable. En esta cámara son sometidos a un campo magnético DC axial y no uniforme, cuya intensidad aumenta a lo largo del eje del haz.
        Este campo, generado por un solenoide, hace que el haz sea hueco y muy estrecho; y fuerza a los electrones del haz a describir trayectorias en espiral con una frecuencia de giro igual a su frecuencia ciclotrónica w0.
        donde B0 es el campo aplicado del solenoide. v la velocidad de los electrones.
        A medida que avanzan los electrones a lo largo de la cámara su energía longitudinal se convierte en trans- versal, de manera que al llegar a la cayidad el haz avanza muy lentamente pero los electrones giran a gran velocidad.
        Los girotrones actuales pueden generar potencias en modo continuo de más de 100 kW a frecuencias superiores a los 100 GHz, y han alcanzado potencias de pico superiores a 1 MW.
        En la actualidad son objeto de un elevado interés debido entre otros motivos a que han conseguido un gran éxito en aplicaciones de calentamiento por ECR (resonancia electrónica ciclotrónica) de plasmas sometidos a campos magnéticos elevados, como los que se utilizan en los tokamacs.

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6. Generadores de Señal

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