CAPÍTULO 6 : "GENERADORES DE SEÑAL"

CAPÍTULO 6 : "GENERADORES DE SEÑAL"

1. 6.1 El Klystron

   • El klystron fue inventado por los hermanos Varian en 1937 y aún se emplea en la actualidad con gran profusión.
     • 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.
                   • 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 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
                               • 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].
                             • 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.
           • Modulación de la velocidad
     • Consiste en un tubo de vacio capaz de generar una señal de microondas utilizando el principio de modulación de la velocidad.

2. 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.
                                                     • • Forma de onda para la corriente típica de tiempo de transito de un dispositvo Gunn
                                                       • • Muestra la estructura de un oscilador Gunn en linea coaxial que consiste en una cavidad coaxial con el diodo Gunn montado en el gad que existe entre el conductior interior y una de las paredes de la cavidad
                                                       • • Este circuito es el acoplo entre la sonda y la cavidad que esta representado por un transformador
                                                           • • • • La figura muestra un oscilador go en guías de onda, el diodo está montado en un poste cilíndrico metálico centrado en el lado ancho de la vía rectangular la frecuencia de oscilación de este circuito viene.
                                                                 • Para oscilaciones forzadas se emplean diodos con con materiales altamente dopado si se aplica una señal de polarización modulada por pulsos un tipo de diodo para pulsos capaz de producir potencias muy elevadas en el diodo ls a como este tipo de diodo se puede obtener potencias de varios kilowatt enel banda X en referencias que se pueden encontrar en estudios completos del funcionamiento del biólogo en el modo puro de tránsito así como los modos de colapso de dominios.

3. 6.3 Osciladores de onda hacia atrás (BWO)

   • La forma de operación de este oscilador Se comprende mejor si primero se estudia los tubos de hélice de onda progresiva
     • Estos producen una modulación de la velocidad de los electrones debido al débil campo eléctrico que se propaga por la hélice sin embargo hay dos importantes diferencias entre el TWT y Krystol las de electrones y el campo rf, qué se produce a lo largo de toda la longitud de la estructura mientras que en el Cristo la interacción solo se producen las rejillas de la cavidad resonante es decir las ondas en el TWT es una Honda propagante lo que no es así en El Krystol
       • • En la figura a se muestra el esquema de un tubo de onda progresiva, qué consiste fundamentalmente en un haz de electrones y en una estructura de onda, lenta constituida por un hélice, el haz de electrones se enfoca mediante un campo magnético, qué consiste dirigido a lo largo de las y del eje de la hélice
           • En la figura b demuestra la acción del campo magnético sobre las de electrones el empaquetamiento se cambia en la fase 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.
             • En la figura c se se vio mutilador que también produce la interacción de un haz de electrones con una señal RF generada por un ruido que se propaga por una estructura en forma de hélice, pero en este caso en dirección opuesta al haz el oxidador 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 entre acción en forma de hélice.
               • Este tipo de oscilador la señal de potencia de salida está dirigida a lo largo de la hélice desde el colector hasta el extremo, Dónde está el cañón y Qué es por dónde se extrae.
                 • Aunque el electrón viaja a una dirección contraria a esta señal se ve la misma fase del campo de microondas a medida de que pasa por cada vuelta de la hélice.
                   • Debido a que los electrones ven la misma fase en cada vuelta se produce el empaquetamiento de haz el cual en forma progresiva la interacción de este haz de paquetes con la señal de RF. Genera una potencia creciente en la hélice.
                     • Cómo 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 selección es la 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.
                         • los modelos de 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 continúa proporcional a la diferencia entre la frecuencia inicial del barrido y la frecuencia instantánea.
                             • Gracias a esta salida es posible visualizar en un osciloscopio convencional la variación de la potencia con respecto a la frecuencia lo cual resulta especialmente útil en la caracterización de resonancias con elevados factores de calidad.
                               • los BWO se caracteriza también por presentar una excelente estabilidad de frecuencia y una gran pureza espectral y pueden generar señales de hasta 1 Thz en las referencias que se puede observar encontrando un estudio exhaustivo sobre los tubos de onda progresiva y los dispositivos de tipo 0
           • Se ve una estructura denominada genéricamente el tipo O la cual la señal aplicada se propaga por las vueltas de la hélice y producen campo eléctrico en el centro de la hélice dirigido a lo largo de su eje.

4. 6.4 Oscilador YIG

   • el oscilador YIG está formado por una resistencia negativa que produce las oscilaciones de un resonador con un elevado factor de calidad que proporciona una señal de una gran pureza espectral
     • está constituido por una esfera de una forma cristalina de ferrita, denominada granate de itrio y hierro que está inmersa en un campo magnético DC
       • La resistencia negativa del oscilador se puede conseguir utilizando distintos elementos activos así para las frecuencias comprendidas en un intervalo de 1 y 2 ghz se suele utilizar un transistor Bipolar de rf. Mientras que para frecuencias de 7 a 4 ghz se utiliza un FET de galio y astato
         • los bipolares proporcionan señales de salida con mayores fluctuaciones de frecuencia que los Fet y su frecuencia máxima de operaciones es más baja que la eficiencia media de un oscilador YIG que utiliza un transistor como elementos de activos en un orden del 30%
           • estados hiladores pueden alcanzar frecuencias superiores a 100 Ghz, si se utilizan como elementos de activos diodos GUNN o IMPATT
             • Los YIG están basados en diodos, Qué son más inestables lo cual los transistores tienen una eficiencia sensiblemente menor del orden del 10%
               • El funcionamiento de un oscilador se puede explicar cómo 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 puede alrededor del campo magnético aplicado con una frecuencia llamada frecuencia depresión giro magnética o frecuencia de larmor Qué es proporcional al campo magnético.
                 • • Se muestra la precisión del Spin del electrón alrededor de un campo magnético de continuar Cuándo se aplica una frecuencia pequeña drf. Perpendicular a este campo magnético la ferrita entra en resonancia con la componente en F de esta señal.
                     • Este efecto es aprovechado para diseñar el oscilador el campo rf que tiene su origen en el ruido generado por el dispositivo activo el cual realimenta positiva constituida por el resonador YIG
                       • Este ocupa de elegir con un alto grado de selectividad la componente de frecuencia en F de ruido generado que está linealmente relacionado con h, lo cual se puede sintonizar el oscilador modificando la sintonización que permite un margen de frecuencias de oscilacion muy amplio, pero tiene una limitación importante al realizarse variando el campo magnético no es posible barrer en frecuencias a altas velocidades.
                 • • Se muestra el granate que tiene forma esférica con un diámetro del orden de 0.2 a 2 mm y una tolerancia de aproximada +-5um.
                     • Para aplicar la señal de RF perpendicular al campo magnético DC se pueden pegar un bucle de acopio alrededor del granate tal y como se muestra de forma esquemática en la figura.
                 • • Se muestra una estructura completa de los hilador como un circuito integrado de microondas.
                     • El bucle está conectado directamente al sustrato de mis dónde están también los elementos de activos con el objeto de minimizar las variaciones en frecuencias debido a la temperatura que calienta la Esfera y su soporte un poste hecho de oxígeno de berilio, no magnético la cual gira para que la Esfera se encuentra en una posición para cual la sensibilidad en temperatura sea mínima.
                 • • se muestra un circuito equivalente del oscilador que representa las pérdidas y la inductancia del buque de acopio del campo rf respectivamente y establecen la condición de resonancia cuando las pérdidas del factor q de la Esfera producen oscilaciones de una parte Real de la impedancia del resonador debe ser igual a la resistencia negativa del elemento activo
                     • Sí, tenemos impedancias dentro del elemento activo la impedancia del resonador Entonces respectivamente está en situación de resonancia, partiendo de la parte real que 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 lo que se hace pasar por una corriente modulada en FM por una serie de espiras colocadas en el Polo del imán tal y como se muestra en la figura c

5. 6.5 El Magnetrón

   • Principios de funcionamiento
     • Aunque Hull inventó el magnetrón en 1921 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 a la necesidad urgente de generadores de potencia de microondas para los tranmisores de radar durante la Segunda Guerra Mundial
         • Según su estructura interna se puede considerar que hay tres tipos de magnetrones
           • Ánodo segmentado
             • proporciona una frecuencia de operación bastante inferior a la de microondas
           • Frecuencia ciclotrónica
             • Funciona la frecuencias dentro del intervalo de microondas su Potencia de salida es muy pequeña aproximadamente de 1 w a 3 ghz y su eficiencia muy baja del 10%
           • ONda progresiva
             • Su operación se basa en la interacción de los electrones con un campo electromagnético propagándose con una velocidad lineal
           • la ultima es más interesante y a la vez se refiere cuando se emplea al término genérico de magnetrón.
             • • Se muestra el esquema general de un magnetrón cilíndrico, dónde se aprecian varias cavidades conectadas entre sí por pequeño de aberturas.
                 • como consecuencia de la configuración de Campos los electrones emitidos desde el ánodo al cátodo se mueven en trayectorias curvas
                   • Si el campo magnético es lo suficiente intenso de los electrones no llegara a ganado, sino que regresara al cátodo Y por consiguiente la corriente en el ánodo es nula.
                     • Sí, R. Es el radio de la trayectoria cicloidal y la v, la velocidad tangencial igualando las fuerzas que actúan sobre el electrón se pueden obtener la frecuencia ciclotronica del movimiento circular que viene dada por
                       • • el período para una Revolución completa se expresa como
                           • • • Al ser una estructura cerrada sobre misma solamente serán posibles las oscilaciones y el cambio total de fase alrededor de la estructura es un múltiplo entero de 2/π radianes por consiguiente si hay n cavidades en la estructura del ánodo el Cambio de fase entre dos cavidades adyacentes serán.
                               • Al ser una estructura cerrada sobre misma solamente serán posibles las oscilaciones y el cambio total de fase alrededor de la estructura es un múltiplo entero de 2/π radianes por consiguiente si hay n cavidades en la estructura del ánodo el Cambio de fase entre dos cavidades adyacentes serán.
                                 • • Siendo n un numero entero que determina el modo de oscilación
                                 • Las líneas de fuerza corresponden a este modo ya que se observa que en el modo π en la excitación es mayor fundamentalmente en las cavidades y que las fases Son opuestas en cavidades continuas, el cambio sucesivo al campo en cavidades continuas se puede considerar como una onda viajando a lo largo de la superficie de las cavidades.
                                   • 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
                                       • Entre otras aplicaciones se puede mencionar la eliminación de humedad la generación de plasmas la destrucción de basuras el proceso de minerales, etc.

6. 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.
     • • 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, 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 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.

7. 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.
               • • 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.
                 • donde B0 es el campo aplicado del solenoide. v la velocidad de los electrones.

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