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Descripción
Mapa Mental por Bryan Bonilla, actualizado hace más de 1 año
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Creado por Bryan Bonilla
hace casi 3 años
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6. Generadores de Señal
- 6.1 El Klystron
- 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.
- 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
- 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
- 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
- Debido a su bajo ruido el klystron ha
sido uno de los elementos clasicos
constituyentes de un radar
- 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.
- APLICACIONES
- 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.
- 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 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.
- 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 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.
- MODOS DE OPERACIÓN
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Modulación de la velocidad
- 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
- 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
- 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.
- 6.2 Diodo Gunn
- 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.
- En 1961, Ridley y Watkins describieron
un nuevo método de obtener una
movilidad diferencial negativa en
semiconductores.
- 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.
- 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).
- 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).
- 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.
- 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.
- Donde Y,es la admitancia que modeliza la
cavidad, y que puede considerarse reactiva
pura en ausencia de pérdidas.
- Aplicando el criterio de operación
en estado estacionario dado por
las Ecuaciones
- La estructura de la Figura a se
puede analizar en primera
aproximación utilizando el circuito
equivalente de la Figura b.
- Entonces en estado estacionario
las dos condiciones que se tienen
que satisfacer para que haya
oscilación son
- 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.
- 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.
- 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 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.
- 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 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.
- OSCILADORES GUNN EN LÍNEA COAXIAL Y EN GUÍA DE ONDAS
- Si E no es lo suficientemente grande de forma que
n1=n1+n2 , y teniendo en cuenta que u1>>u2 la
ecuacion se transforma:
- Para que se cumpla se tiene que verificar que:
- Movilidad diferencial
- 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
- 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 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.
- 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.
- LOS SEMICONDUCTORES III-V
- 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.
- 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 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.
- 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.
- En 1961, Ridley y Watkins describieron
un nuevo método de obtener una
movilidad diferencial negativa en
semiconductores.
- 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.
- 6.3 Osciladores de onda
hacia atrás (BWO)
- BWO (BACKWARD WAVE
OSCILLATOR)
- 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.
- Sin embargo hay dos importantes
diferencias entre un TWT y un klystron
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 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.
- 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.
- Sin embargo hay dos importantes
diferencias entre un TWT y un klystron
- 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.
- BWO (BACKWARD WAVE
OSCILLATOR)
- 6.4 Oscilador YIG
- 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.
- 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
- 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%.
- 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.
- 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.
- 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,
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 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%.
- 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
- 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.
- 6.5 El Magnetrón
- 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.
- Hull inventó el magnetrón en 1921,
aunque el empleo de este dispositivo
permaneció limitado a los laboratorios
como una fuente más de señal.
- 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.
- 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
- 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
- Aplicaciones
- siendo n un número entero que
determina el modo de oscilación.
- 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
- Y el periodo para una
revolución completa
- 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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- La Figura 5.10 muestra el esquema general
de un magnetrón cilíndrico, donde se
aprecian varias cavidades conectadas entre
sí por pequeñas aberturas (gaps).
- 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.
- 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 primero se denomina de ánodo
segmentado, y proporciona una
frecuencia de operacion bastante
inferior a la de microondas.
- Según su estructura interna
se puede considerar que
hay tres tipos de
magnetrones.
- 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.
- Hull inventó el magnetrón en 1921,
aunque el empleo de este dispositivo
permaneció limitado a los laboratorios
como una fuente más de señal.
- 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.
- 6.6 El Carcinotrón
- 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.
- 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).
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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).
- 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.
- 6.7 El Girotrón
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- donde B0 es el campo aplicado
del solenoide. v la velocidad
de los electrones.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
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