Generadores de Microondas

GENERADORES DE MICROONDAS INTRODUCCION Poco antes de la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron en Europa y los Estados Unidos triodos (!l"ula (!l"ula de "acio# para osciladores de potencia a $recuencias superiores a % G&' tanto para $unciona)iento en onda continua (C*# co)o por i)pulsos++ En a),os casos para el desarrollo de un dispositi"o detector de aerona"es+(Radares#+ -a necesidad de e.uipos para ondas centi)/tricas con 0nes )ilitares esti)ulo el desarrollo de tu,os para )icroondas y de los circuitos asociados+ asocia dos+ Esto dispositi"os $ueron deno)inados )agnetrones+

GENERADORES DE MICROONDAS INTRODUCCION Antes de la aparición del Klystron de potencia en los años cincuenta, estos tubos y combinaciones de ellos producían las potencias de RF más elevadas que se podían obtener por encima de 1 GH! "stos dispositivos iniciales presentaban una mayor di#icultad en la #abricación y en lo circuitos necesarios! "stas di#icultades aumentan rápidamente con la #recuencia, y la $anancia disminuye con la #recuencia! Fue el %AG&"'R(&, como $enerador de microondas de alta potencia, el dispositivo que dio pie al desarrollo a $ran escala de las microondas, al abrir paso a la utiliación de sistemas de radar durante la )) Guerra %undial* sin embar$o, #ueron los K+-'R(&-, los que dieron una mayor versatilidad de utiliación de las microondas, sobre todo en el campo de las comunicaciones, permitiendo además una mayor comprensión de los #enómenos que tiene en lu$ar los tubos de microondas!

GENERADORES DE MICROONDAS INTRODUCCION "l principio básico de #uncionamiento de estos $eneradores es la modulación de velocidad de un .a electrónico que al atravesar una cavidad resonante, e/cita en ella oscilaciones electroma$n0ticas de la #recuencia de microondas, deseada + n problema concerniente al desarrollo de las 23, lo .a constituido .asta a.ora el precio elevado de los $eneradores! Ha sido el descubrimiento de los osciladores a semiconductores el que a abaratado, va camino de .acerlo aun más, dic.os $eneradores, con el cual el campo de aplicaciones de las microondas!

GENERADORES DE MICROONDAS '4(- 5" %)6R((&5AA pesar de los avances en dispositivos de estado sólido, cuando se requiere la $eneración de potencias elevadas a #recuencias de microondas, los tubos de vacío resultan imprescindibles! 'odos los tubos de microondas dependen de la interacción entre un .a de electrones y un campo electroma$n0tico soportado por un circuito de microondas! "sta interacción act7a como mecanismo de ampli#icación! "/isten dos clases de tubos8 "n los tubos de .a lineal 9linear: beam;, tambi0n conocidos como a el .a en sentido opuesto, una ve recorrida la re$ión de arrastre! "n este caso, la misma cavidad act7a como bunc.er y catc.er y se .abla de =lystron re#le/! +os tubos =lystron pueden mane>ar potencias de pico e/traordinariamente elevadas 9del orden de ?@ % en la banda -; y potencias promedio del orden de decenas de =! -u rendimiento 9potencia de salida en RF entre potencia de entrada 56; es moderado, y se sit7a entre el ?B:CB D!

GENERADORES DE MICROONDAS '4(- 5" (&5A ER(GR"-)A 9'';! Euede apro/imarse el estudio del tubo '' a partir de un =lystron dotado de un $ran n7mero de cavidades dispuestas muy pró/imas unas a otras! "n lu$ar de cavidades resonantes, los '' emplean estructuras de onda lenta de tipo distribuido, por las que se propa$an ondas electroma$n0ticas cuya velocidad de #ase se a>usta a la de las ondas de car$a espacial asociadas al .a de electrones! 6omo los electrones del .a permanecen en puntos de #ase constante de la onda durante un recorrido lar$o, se produce una modulación acumulativa en la velocidad de los mismos, provocando su enracimado y que cedan parte de su ener$ía cin0tica a la onda! "ste proceso da lu$ar a un crecimiento e/ponencial de la onda a lo lar$o del tubo!

GENERADORES DE MICROONDAS '4(- 5" (&5A ER(GR"-)A 9'';! Euede apro/imarse el estudio del tubo '' a partir de un =lystron dotado de un $ran n7mero de cavidades dispuestas muy pró/imas unas a otras! "n lu$ar de cavidades resonantes, los '' emplean estructuras de onda lenta de tipo distribuido, por las que se propa$an ondas electroma$n0ticas cuya velocidad de #ase se a>usta a la de las ondas de car$a espacial asociadas al .a de electrones! 6omo los electrones del .a permanecen en puntos de #ase constante de la onda durante un recorrido lar$o, se produce una modulación acumulativa en la velocidad de los mismos, provocando su enracimado y que cedan parte de su ener$ía cin0tica a la onda! "ste proceso da lu$ar a un crecimiento e/ponencial de la onda a lo lar$o del tubo!

GENERADORES DE MICROONDAS '4(- 5" (&5A ER(GR"-)A 9'';!

6omo estructura de onda lenta se acostumbra a utiliar un conductor .elicoidal 9s.eat. .eli/;! Aunque la señal de RF via>e a lo lar$o del conductor a la velocidad de la lu, la velocidad en dirección a/ial se reduce a8 v9;  c sen9; donde  es el án$ulo característico de la .0lice!

GENERADORES DE MICROONDAS '4(- 5" (&5A ER(GR"-)A 9'';! "l estudio ri$uroso del '' es complicado, pero se puede lle$ar a la conclusión de que la estructura de onda lenta por la que el campo de RF interacciona con el .a de electrones, modi#ica la constante de #ase de la onda de car$a espacial, .aciendo que 0sta pase a ser comple>a, lo que representa un crecimiento e/ponencial en la amplitud! +os '' tienen las me>ores anc.uras de banda entre todos los tubos de microondas, entre el ?@ y el 1I@ D de la portadora! Eueden mane>ar potencias del orden de centenares de 3atios! &o obstante, su rendimiento es relativamente ba>o, variando entre el I@ y el C@ D!! Genera potencias en el orden de BK3 o menos!

GENERADORES DE MICROONDAS %AG&"'R(&   "n la #i$ura de la iquierda se muestran las posibles trayectorias que puede se$uir un electrón en un diodo plano en presencia de campos electrostáticos y ma$netostáticos! "n ausencia de campo ma$n0tico, via>ará en línea recta desde el cátodo .asta el ánodo! A medida que la intensidad del campo ma$n0tico se .ace mayor, la trayectoria del electrón comiena a curvarse, como se indica que en caso 9a;* puede lle$ar el caso de que el campo sea tan intenso que el electrón tan sólo pueda incidir de #orma rasante sobre el ánodo y re$resar al cátodo 9b;* un incremento adicional en la intensidad del campo ma$n0tico se traduce en la trayectoria 9c;, se$7n la cual el electrón nunca lle$a a alcanar el ánodo, describiendo una cicloide cuya #recuencia

GENERADORES DE MICROONDAS %AG&"'R(&! ! "n una con#i$uracióncilíndrica 9v0ase la #i$ura de la derec.a; el electrón se mueve si$uiendo trayectorias similares! na tensión ánodo:cátodo de valor a permite a un electrón realiar un movimiento circular alrededor del cátodo, a una distancia r del mismo, y con una #recuencia an$ular Je! "l ánodo de un ma$netrón consiste en un bloque sólido de metal, en el que e/isten oc.o cavidades con una estructura similar a la mostrada en la #i$ura! 'odas las cavidades tienen la misma #recuencia de resonancia y son capaces de soportar un campo de RF con las líneas mostradas en la #i$ura!

GENERADORES DE MICROONDAS %AG&"'R(&! "l modo en el que .abitualmente se .ace operar un ma$netrón se corresponde con la con#i$uración de líneas de campo indicadas en la misma #i$ura, con cambios en la #ase de 1@L entre cavidades adyacentes! +a entrada de cada cavidad se puede modelar como una línea de transmisión terminada en cortocircuito y de lon$itud MNC, de manera que el campo el0ctrico es má/imo en la entrada de la cavidad 9$ap;!

GENERADORES DE MICROONDAS %AG&"'R(&! "l resultado es una nube de electrones con #orma de molinillo que $ira alrededor del cátodo en sincronismo que el campo de RF, que puede e/traerse mediante una sonda coa/ial desde una de las cavidades! "l ma$netrón, en su #uncionamiento como oscilador, es capa de mane>ar potencias del orden de varios =, y puede tener un rendimiento superior al @ D! -us principales inconvenientes son, por una parte, que es un tubo más ruidoso que el =lystron y '', y por otra, que no mantiene la co.erencia de #recuencia y #ase ba>o r0$imen pulsante!  el ran$o de #recuencias va de cientos de H a 1@@GH

GENERADORES DE MICROONDAS '4(- 5" %)6R((&5A-!

GENERADORES DE MICROONDAS

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GENERADORES DE MICROONDAS INTRODUCCIÓN

5esde mitad de los años cincuenta, el n7mero y variedad de dispositivos semiconductores para microondas .a aumentado en $ran manera, al aplicarse nuevas t0cnicas, nuevos materiales y nuevas ideas debido a la necesidad de obtener dispositivos de microondas más pequeños, lo cual causo una e/tensa investi$ación en esta área! "sta investi$ación .a producido dispositivos de estado sólido con ran$os de #recuencia muc.o más altos!

GENERADORES DE MICROONDAS INTRODUCCIÓN

los diodos de reactancia variable (varactor) aprovec.an la variación de capacidad de una unión E& polariada inversamente, en #unción de la tensión aplicada! Físicamente, esta variación de capacidad es el resultado del ensanc.amiento de la ona de a$otamiento al aumentar la tensión de polariación inversa! 6ontrolando el per#il de dopado de la unión puede adaptarse la #orma #uncional de esta relación a cada aplicación especí#ica! -us aplicaciones típicas son la $eneración de armónicos, la ampli#icación param0trica y la sintonía electrónica .

GENERADORES DE MICROONDAS INTRODUCCIÓN

+os diodos pin poseen una anc.a re$ión intrínseca que les capacita para mane>ar $randes potencias y o#rece una impedancia a #recuencias de microondas controlable por una polariación de ba>a #recuencia 9o continua;! Han demostrado su utilidad en conmutadores de microondas, moduladores y protectores!

GENERADORES DE MICROONDAS INTRODUCCIÓN

Para generar potencia en microonda o amplificarla, es necesaria una característica de resistencia negativa a esas frecuencias. Empezando por el diodo túnel al principio de los años sesenta y avanzando hasta los diodos IMPATT  y los diodos Gunn,

GENERADORES DE MICROONDAS DIODO VARACTOR 

+os diodos varactores 9llamados tambi0n varicap Odiodo con capacitancia:volta>e variableO o sintoniadores; son semiconductores dependientes del volta>e, capacitores variables! +os diodos varactores o varicap .an sido diseñados de manera que su #uncionamiento sea similar al de un capacitor y ten$an una característica capacitancia:tensión dentro de límites raonables!

GENERADORES DE MICROONDAS FUNCIONAMIENTO DEL VARACTOR 

"n la #i$ura al aumentar la tensión inversa la capacidad de la ona de transición se a$randa, y se separa las placas, y esto provoca que al aumentar la distancia, disminuya la capacidad, o sea al aumentar la tensión disminuye la capacidad . Cuando el varactor se conecta en paralelo con un inductor se obtiene un circuito resonante cuya frecuencia de resonancia es:

f o

" =

! π 

 C#

GENERADORES DE MICROONDAS GENERADORES GUNN "l Generador Gunn se trata de un $enerador de microondas, #ormado por un semiconductor de dos terminales que utilia el llamado e#ecto Gunn! 6uando se aplica entre ánodo y cátodo una tensión continua, como se muestra en la Fi$ura !de modo que el ánodo sea positivo con respecto al cátodo, la corriente que circula por el diodo es continua pero con unos impulsos superpuestos de .iper#recuencia que pueden ser utiliados para inducir oscilaciones en una cavidad resonante! "l #undamento básico para un oscilador Gunn es un circuito R+6, el mismo que es modelado mediante el uso de una cavidad resonante!

GENERADORES DE MICROONDAS GENERADORES GUNN 6on el #in de lo$rar estabilidad en la operación del oscilador, los osciladores comerciales basados en diodos Gunn incluyen un circuito re$ulador de tensión con#ormado por un desacoplador de continua 9con#ormado por un condensador y una resistencia en paralelo; y una re#erencia de volta>e sumamente precisa, que es lo$rada mediante el uso de un diodo Pener

GENERADORES DE MICROONDAS GENERADORES GUNN 6aracterísticas del diodo Gunn 8  Q"l diodo Gunn se encuentra acoplado a una cavidad resonante!n Q4a>o costo! Q 5iseño de alto volumen! Q 5i#erentes niveles de potencia de salida! Q 4a>o consumo de ener$ía! Qpermite la $eneración de potencia en #recuencias de microondas desde C GH! a más de 1@@ GH! Q Eotencias que van desde milivatios a vatios! Q-on dispositivos de muy ba>o rendimiento 1D al ID, QFuncionan con ba>as tensiones, entre ? y 1B voltios Q&ormalmente son usados para $enerar #recuencias de microondas en modos 'ransversal "l0ctrico, '"!

GENERADORES DE MICROONDAS GENERADORES GUNN "l (scilador Gunn al ser un $enerador de señales de microondas tiene diversas aplicaciones entre estas están8 "l oscilador Gunn sirve para $enerar potencia de microondas para propósitos didácticos! Abridores de puertas automáticas! -istemas de alarma contra intrusos! +os radares de velocidad! 5etección de presencia! -istemas de control de trá#ico! &ivel de detección! 

     

GENERADORES DE MICROONDAS DIODOS PIN

"l diodo E)& es un diodo que presenta una re$ión E #uertemente dopada y otra re$ión & tambi0n #uertemente dopada, separadas por una re$ión de material que es casi intrínseco! ! "ste tipo de diodos se utilia en #recuencias de microondas, es decir, #recuencias que e/ceden de 1 GH, puesto que incluso en estas #recuencias el diodo tiene una impedancia muy alta cuando está inversamente polariado y muy ba>a cuando esta polariado en sentido directo! Además, las tensiones de ruptura están comprendidas en el mar$en de 1@@ a 1@@@ !

GENERADORES DE MICROONDAS DIODOS PIN

"n virtud de las características del diodo E)& se le puede utiliar como interruptor o como modulador de amplitud en #recuencias de microondas ya que para todos los propósitos se le puede presentar como un cortocircuito en sentido directo y como un circuito abierto en sentido inverso!

GENERADORES DE MICROONDAS DIODOS PIN

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