CAPITULO 6 "GENERADORES DE SEÑAL"

CAPITULO 6 "GENERADORES DE SEÑAL"

1. El klistrón

   • Fue inventado por los hermanos Varian en 1937 y aun emplea en la actualidad con gran profunsion
     • Consiste en un tubo de vacio capaz de generar una señal de microondas utilizando el principio de modulacion de la velocidad
       • La eficiencia de este generador es del orden del 30%
         • MOdulacion de velocidad
           • El diagraa esquematico de un Klynstron de reflexion .los electrones son enerados en el catodo por un filamento caliente y son enfocados por un campo dado lugar aun haz
             • El elevado voltaje negativo aplica al catodo hace que los electrones escapen gran velocidad este
               • LOs elegrones del haz presenta pequeñas fluctuacioones con una frecuencia debida fundamentalmente al ruido termico
                 • L existencia de la cavidad hace que sus fluctuaciones con una frecuencia igual a la de resonancia de la cavidad experimente una realidad positiva
                   • Despues de varios ciclos los electrones se habran agrupado en paquetes bien dfinidos segun se observa
                     • Cuando estos paquetes se aproximan al reflector que esta a un voltaje negativo muy alto son repelidas de nuevo acia la cavidad y llega a esta en intervalos iguales de periodo en el oscilador de la cavidad
                       • En los tubos Klynstron que se utiliza en los laboratorios el acoplo se la sonda es fijo y la condicion se sobre-acoplo no se puede reducir
         • MOdo de operacion
           • La oscilacion mas fuerte se produce cuando el tiempo de transito en la region reflector-resonador n+3/4 cilos de la frscuencia del resonador
             • Cuando los paquetes de electrones pasan por la rejilla en el momento en que los electrones son acelerados por el voltaje de la rejilla,el resonadorpierde energiay la oscilacion cesra
               • Es por este motivo por el que el ñlinston oscila en diferesntes modos
                 • Se puede ver las pequeñas variaciones de frecuencia con el voltjae de refector para cada modo
                   • Para realizar medidas es necesario modular la señal genrada para lo aual ha modularse eñ voltaje DCdel reflector
         • Aplicaciones
           • Las buenas caracteristicas de funcionamiento ,su bajo ruido,alta potencia y relativdad bajo costo hacen que el Klystron encuentre aplicaciones en muy distintos campos
             • COmo aceleradores delineales ,los sistemas de comunicacion,los proesos insdustriales de calentamiento y los sistemas y los sistemas de radar
               • El modelo VK88252 de varian es un ejemplo del empleo del klynstron en un acelerador lineal para medicion
                 • Este modelo se caracteriza por su estructura de cinco cavidades y emplea una modulacion de pulsos para el catodo
               • en aplicaciones industriales de calentamiento la especifiacion de ancho de banda no esun requisito importante .
                 • Se utiliza el klystron de alta potencias en los que se ha optimizado su eficiencia el modelo VKP-8275 ES EL MAS UTLIZADO EN PROCESOS INSDUTRIALES DE SECADO Y CALLENTAMIENTO
               • Debido a su bajo ruido el klynstron ha sido uno de los elementos clasicos constituyentes de un radar.la posibilidad de poder alcanzar potencias de pico muy altas
                 • El modelo VKX.7809 en el intervalo 10-10.25 Ghz proporciona una potencia de 2.5KW Y el tipo VKS-8345 con 6 cavidades es capaz de proporcianr potencias de pico de 4MW

2. El diodo GUNN

   • Despues de onventar el transistor ,surgio en 1954 que un dispositivo de resistencia negativa de dos puertas utilizando semiconductores podrian tener grandes ventajas sobre los transistores
     • EL principio implicaba el calentamineto por medio deun campo electrico de electrones que estaban inicialmente en una sub-banda de mayor energia
       • Esta hecho de aleaciones con el germanio y el silicio fue el primero en utilizar los terminos ,amplificadores y osciladores por transferencia de electrones
         • Se establecio que el origen de la movilidad diferencial negativa se debia al mecanismo de Ridley Watkins e Hilsum de transferencia de electrones a los valles satelitles que hay en las bandasde conduccion
           • • En la actualidad ,la relevancia de los diodos Gunn en el diseño de osciladores de aalta frecuencia se ha acrecentado gracias a latecnologia de nitruro de galio ,ete material semicondutor de banda ancha que presenta zonas de movilidad diferencial egativa a campos elevados
               • Los semiconductores |||-V
                 • La curva de movilidad diferencial negativa de la figura que representa los electrones en el GaAs es consecuencia de la forma particular de la estructura de bandas de este semiconductor |||-V
                   • S i el seiconductor esta debilmente dopado y se encuentra a temperaturas del orden de 300k,entonces la dinamica de los electrones esta regulada por la estadistica
                     • Los mecanismos de colision mayoritarios son las interacciones con las impurezas ionizadas procedientes del dopado y con los fonones opticos polares,particulas que dan cuenta de determinadas vibraciones de red cristalina
                       • • A medida que sigue aumentando la intensidad de campo electrico aplicado ,tambien sera mayor el numero de electrones con energia suficiente para aceder a otro valles
                           • Si la densidad electronica en el valle central es n y en los vales satelitales n2 la velociada media es deriva v se puede expresar en funcion del campo electrico como
                             • • La desigualdad solo se puede cumplir si la energia de los electrones W en el valle central aumenta sensiblemente con el campo electrico
               • Oscilador GUNN en lineas coaxial y en guia de ondas
                 • La forma de la caracteristica v-E sugiere que una polarizacion DC en la region de movilidad diferencial negativa daria lugar a la generacion de potencia AC en un ciruito conectado al dispositivo semiconductor |||-V
                   • Una de las dificultades de utilizar directamente el compuesto como una resistencia negativa en AC es la aparicion de inestabilidades internas
                     • En un dispositivo de longitud finita ,el dominio se forma normalmente cerca del catodo porque esta region presenta la mayor no uniformidad debido al dañado que se produce en el cristal al formarse los contactos
                       • • Se observa entonces que en su modo mas basico ,la frecuencia del oscilador esta determinada por el tiempo de transmision del dominio
                           • De este modo se puede sintonizar la frecuencia de operacion hasta en una octava
                             • La carga presente a la cavidad se ajusta variando la penetracion y la posiciion de la sonda ,gracias a lo cual se puee buscar un buen compromiso entre un coplo optimo y una pertrbacion de campos minima
                               • • Se puede analizar en pimera aproximacion utilizando el circuito equivalente del circuito ,el acoplo entre la sonda y la cavida esta representado por un transformador
                                   • • ideal con razon de transformacion n, y el circutio externo se representa por un carga de 50 ohmios ,Aplicando el criterio de operaciones en estado estacionario
                                       • • Yc es la aditancia que modeliza la cavidad y que puede considerarse eactiva pur en ausencia de perdidas ,proporciona la frecuencia de oscilacion w
                                           • • Lo qe requiere que la admitancia del sipositivo con su embalaje resuene con la admitancia total del circuito ,utilizando el circuito equivalente ,se puede predecir la frecuenia de operacion de este oscilador
                                               • La admitancia Yl es la admitancia de cargatransformada a la posicion del plano del psrte .Esta admitancia incluyeel iris de acoplo necesario para establecerel valor correcto de Gl
                                                 • Para oscilaciones pulsadas ,se emplea diodos GUNN con materiales altamente dopadas y se aplica una señales de polarizacion moduladas por pulsos ,un tipo de diodo para pulsos capaz de producir potencias muy elevadas es el iodo LSA

3. Osciladores de onda hacia atrás (BWO)

   • La forma de operacion de un oscilador BWo se comprende mejor si primero se estudian los tubos de helice de onda progresiva .al igual que un klynstron ,en un tubo TWT tambien se produce la modulacion de la velocidad de los electrones debida al debil campo electrico
     • Mestra el esquema de un tubo de onda progresiva que consiste fundamentalmente en un haz de electrones y en una estructura e onda lenta constiruida por una helice
       • La señal aplicada se propaga por las vueltas de la helice y produce un campo electrico en el centro de la helice y dirigido a lo largo de su eje
         • El empaquetamiento cambia la fase en pi/2 y cada electron dentro del paquete encuentra un campo retardador mas intenso ,por lo que l paquete de electrones cede energia a la onda en la helice
           • En este tipo de oscilador ,la señal de potencia de salida esta dirigida a lo largo de la helice desde la figura en este tipo la señal de potencia de salida esta dirigida a lo largo de la helice con el colector hasa el extremo
             • • un instate tal que ve un campo retardado en la primera vuelta de la helice ,continuara viendo este campo a medida que avanza a lo alrgo de la helice
                 • La frecuencia a la que se produce la oscilacion es funcion de la velocidad del hazde electrones ,que depende del voltaje del haz y que a su vez esta determinada por el voltaje que se aplica entre el catodo y la helice
                   • A pesar de que se han diseñado osciladores BWO convencionales esan generalmente la potencia que genera hasta 10MW a #0Ghz , las posibilidades de potencia de los BWO convencionales estan generalmente muy por debajo de los limites de los dispositivos de estado solido
                     • LOs modles estandar de BWO permiten seleccionar una potencia de salida cuya frecuenca varia de forma contnua un voltaje de continuidad proporconal a la diferencia entre la frecuencia inicial del barrido y la frecuencia instantanea

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 constituido por una esfera de una forma cristalina de ferrita (denominada granate) de itrio y hierro (Y/G), que está inmersa en un campo magnético DC.
       • La resistencia negativa del oscilador se puede conseguir utilizando distintos elementos activos. Así, para frecuencias comprendidas en el intervalo 1-20 GHz se suele utilizar un transistor bipolar de RF, mientras que para frecuencias de 7 a 40 GHz se utiliza un FET de GaAs
         • 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 operación es más baja.
           • Los osciladores YIG pueden alcanzar frecuencias superiores a 100 GHz si se utilizan como elementos activos diodos Gunn o I/MPATT “. Los YIG basados en diodos son más inestables que los basados en transistores y tienen una eficiencia sensiblemente menor, del orden del 10%.
             • 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 f
                 • 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
                   • Esta sintonización permite un margen de frecuencias de oscilación muy amplio, pero tiene una limitación importante: al realizarse variando el campo magnético, no es posible barrer en frecuencia a altas velocidades,
                     • El granate tiene forma esférica con un diámetro del orden de 0,2 a 2 mm y una tolerancia de aproximadamente + 54m. Para aplicar la señal de RF perpendicular al campo magnético DC se puede emplear un bucle de acoplo alrededor del granate
                       • El circuito equivalente del oscilador se representa en la Figura 5,9d, donde R, y L, representan las pérdidas y la inductancia del bucle de acoplo del campo RF respectivamente. C, y £, establecen la condición de resonancia y R, las pérdidas del factor O de la esfera YIG. Para que se produzca oscilación, la parte real de la
                         • • impedancia del resonador debe ser igual a la resistencia negativa del clemento activo. Si Z. y Z son la impedancia del elemento activo y la impedancia del resunudor, respectivamente, entonces en situación de resonancia la parte real de Z es negativa y el coeficiente de reflexión.
                             • • es mayor que la unidad. Produciéndose la oscilacion Se puede obtener una variacion muy lineal de la frecuencia modificando el valor del campo mundo se precisa modular en frecuencia

5. EL MAGNETRÓN

   • Principios de funcionamiento
     • Aunque Hull [17] inventó el magnetrón en 1921, el empleo de este dispositivo permaneció limitado a los laboratorios como una fuente más de señal.
       • 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 operación 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 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,
             • El voltaje V0 se establece entre el cátodo y el ánodo, y el campo magnético B, se aplica a lo largo del eje de simetría del cilindro, Cuando los valores del voltaje DC y la densidad de flujo magnético B,
               • Si R es el radio de la trayectoria cicloidal y v la velocidad tangencial, igualando las fuerzas que actúan sobre el electrón se puede obtener la frecuencia ciclotrónica del movimiento circular, que viene dada por
                 • • y el periodo para una revolución completa se puede expresar como
                     • • 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.
                         • • siendo n un número entero que determina el modo de oscilación. Para que se produzcan las oscilaciones en la estructura, el voltaje DC del ánodo tiene que ser tal que la velocidad media de los electrones se corresponda con la velocidad de fase en la estructura
                           • Las líneas de fuerza correspondientes a este modo se muestran en la Figura 5.11b. Se observa que en el modo 7 la excitación es mayor fundamentalmente en las cavidades, y que las fases son opuestas en cavidades contiguas
                           • . La extracción de energía del magnetrón se realiza típicamente con una sonda coaxial en forma de «loop», o bien a través de una guía de onda.

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
     • Si la lengiicta está a un potencial negativo, se establecerá un campo eléctrico DC entre la estructura de onda lenta que está a tierra y la lengileta
       • 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 por el campo magnético interaccionan con la señal de RF 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 osciladores es el gran ancho de banda de sintonía (hasta un 40%) que se puede obtener modificando el voltaje de la lengileta, del ánodo o de ambos
               • La Figura 5.12b presenta las curvas de sintonía para un oscilador BWO tipo M típico variando el voltaje del cátodo y manteniendo constante el voltaje de la lengúeta.
                 • Se observa que la sintonía en frecuencia es prácticamente lineal 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. 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 u 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 magnetrón y los electrones son emitidos con una elevada velocidad radial.
           • 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 ω.
             • • A medida que avanzan los electrones a lo largo de la cámara su energía longitudinal se convierte en transversal, de manera que al llegar a la cavidad el haz avanza muy lentamente pero los electrones giran a gran velocidad
                 • La cavidad resuena a la frecuencia «, en un modo TE no fundamental, en el que la mayor parte de la energía se concentra no en el centro sino cerca de las paredes
                   • 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
                       • . Existen diseños de girotrones sintonizables que permiten generar elevadas potencias en márgenes de frecuencia de 150 a 600 GHz [20].

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