Dispositivos semiconductores basados en tubos de vacío y cavidades resonantes. Martha Verónica Orozco Ramos. 14300304
7°F2
Análisis de radio frecuencias. Prof.: Romeo Covarrubias Larios.
Contenidos:
Página:
Amplificador Klystron_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _3 Klystron de dos cavidades_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 4 Klystron réflex_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 5 Magnetrón_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 6 Tubo de onda viajera_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 7 Bibliografía_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _8
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Amplificador Klystron: Son tubos de vacio de microondas de alta potencia, hacen uso del efecto del tiempo de tránsito para variar la velocidad en un haz de electrones. Debido a que son tubos de velocidad modulada se utilizan en algunos equipos de radar como amplificadores. Este tipo de amplificadores utiliza una o más cavidades especiales la cuales modulan el campo eléctrico alrededor del eje del tubo. Principio de funcionamiento 1. Los electrones emitidos desde el cátodo son acelerados por el ánodo y entran en la cavidad de entrada. 2. Los electrones pueden ser acelerados (fase positiva) o desacelerados (fase negativa) dependiendo de la fase de la entrada de microondas desde la cavidad de entrada. (Esto se conoce como modulación de velocidad.) 3. Los electrones acelerados y desacelerados se agrupan (modulación de densidad) mientras pasan a través de un campo eléctrico uniforme en la sección de interacción, y gradualmente se agrupan. 4. Los electrones agrupados se agrandan gradualmente mediante campos de microondas auto inducidos en la sección de la cavidad media. 5. Finalmente, cuando el haz de electrones agrupados pasa a través de la cavidad de salida, induce un campo eléctrico alterno fuerte, que es emitido a través de la ventana de salida como una microonda amplificada.
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Klystron de dos cavidades: Como se explicó anteriormente, los amplificadores Klystron utilizan cavidades especiales que modulan el campo eléctrico alrededor del eje del tubo. En el medio de estas cavidades, hay una rejilla que permite que los electrones pasen.
La primera cavidad junto con la primera cavidad junto con el primer dispositivo de acoplamiento se denomina “agrupador” (buncher), mientras que la segunda cavidad se denomina “colector” (cátcher). La dirección del campo cambia con la frecuencia de la cavidad “agrupadora”. Estos cambios aceleran y desaceleran alternativamente los electrones del haz que pasan a través de las rejillas. El área que esta mas allá de la rejilla es llamada “espacio de deriva” (drift space), en esta área los electrones forman racimos cuando los electrones acelerados encuentran a los electrones desacelerados. La función de la cavidad “colector” es absorber la energía del haz de electrones y la convierte en calor y radiación X. La localización se determina por el tiempo de transito de los racimos a la frecuencia de resonancia natural de las cavidades.
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Klystron réflex: Este tubo se llama un reflejo klystron porque repele el suministro de insumos o realiza la función opuesta de un klystron. En el klystron reflejo, el haz de electrones pasa a través de una única cavidad resonante. Los electrones se disparan en un extremo del tubo por un cañón de electrones. Después de pasar por la cavidad resonante se reflejan en un espejo electrodo con carga negativa para que vuelva a pasar por la cavidad (“repeller”), donde son recogidos. El haz de electrones es la velocidad modulada cuando se pasa primero a través de la cavidad. La formación de los racimos de electrones tiene lugar en el espacio de la deriva entre el reflector y la cavidad.
La tensión en el reflector debe ajustarse de forma que el agrupamiento es máxima como el haz de electrones vuelve a entrar en la cavidad de resonancia, lo que garantiza una máxima de energía trasferida desde el haz de electrones a la RF oscilaciones en la cavidad. La tensión del reflector puede variar ligeramente del valor óptimo, lo que resulta en una pérdida de potencia de salida, sino también en una variación en la frecuencia. Este efecto se considera una gran ventaja para el control automático de frecuencia en los receptores, y en la modulación de frecuencia para los transmisores. En regiones alejadas de la tensión óptima, no se producen oscilaciones se obtienen en absoluto. Aplicaciones del Klystron •
Desde UHF hasta cientos de GHz.
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Radares.
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Comunicación Satelital.
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Difusión de TV.
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Procesamiento de materiales.
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Magnetrón: También llamado de “campo cruzado”, porque en su funcionamiento se emplean tanto los campos magnéticos como los eléctricos y estos se producen en direcciones perpendiculares de modo que se cruzan. El campo que se aplica es constante a lo largo del eje del dispositivo. La alimentación se aplica en el cátodo central del dispositivo, este se calienta para suministrar electrones enérgicos tienden a moverse radialmente hacia el ánodo anillo que lo rodea por un proceso de emisión termoiónica, ya que no hay campo magnético.
El espacio abierto entre la placa y el cátodo se llama el espacio de interacción. En este espacio los campos eléctricos y magnéticos interactúan para ejercer la fuerza sobre los electrones. Dado que toda carga eléctrica en movimiento crea a su alrededor un campo electromagnético, todos los electrones en movimiento circular en las oquedades producen ondas electromagnéticas. La frecuencia no es precisamente controlable, varía con los cambios en la impedancia de carga, con cambios en la intensidad, y con la temperatura del tubo. Aplicaciones: • • •
En radares. En hornos de microondas. Metodo de calentamiento profundo (diatermia).
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Tubo de onda viajera: Tambie llamados tubos ondulantes de desplazamiento ( traveling-wave tube) son amplificadores de banda ancha. Tienen la caracteristica especial de bajo ruido, usualmente se usan como elento de amplificadores de RF. Existen dos tipos de TWT: • •
TWT de baja potencia para receptores: Se produce como un amplificador con una sensibilidad alta y de bajo ruido, su ancho de banda se encurntra en equipos de radar. Twt de alta potencia para transmisores: Se usan como preamplificadores para transmisores de alta potencia.
El TWT es capaz de ganacias mayores a 40dB con anchos de banda que exceden una octava. Etos tubos han sido diseñados para frecuancias tan bajas como 300MHz y hasta 50GHz.Es principalmente un amplificador de voltaje por lo que es idela para uso como amplificador de RF en equipos de microondas.
Como se muestra en la figura anterior, el TWT contiene un cañon de electrones que produce y luego acelera un haz de electrones a lo largo del eje del tubo. El iman circundante proporciona un campo magnetico a largo del tubo para enfocar los electrones en un haz apretado. La helice, en el centro del tubo, es un alambre enrollado que proporciona una linea de transmision de baja impedancia para la RF interna. La entrada y salida de RF se acoplan y se eliminan de la helice mediante acopladores direccionales de guia de ondas que no tienen conexión fisica con la helice.
El agupamiento del haz de electrones comienza al principio de la helice y alcanza su maxima energia en el extremo de la helice, si los electrones se aceleran, el agrupamiento ocurriria por efecto de la modulacion de la velocidad, esta seria causada por la interaccion entre los campos de ondas de desplazamiento y el haz de electrones.
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Bibliografía: http://www.radartutorial.eu/08.transmitters/Klystron.en.html http://www.toshiba-tetd.co.jp/eng/tech/klystron.htm https://es.scribd.com/document/55475815/El-Klystron https://www.illustrationsource.com/stock/image/481052/elements-of-a-magnetron-used-to-generatepower.for-radar-systems-microwave-ovens-plasma-screens-and-linear-accelerators/ http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Waves/magnetron.html https://es.wikipedia.org/wiki/Magnetr%C3%B3n http://www.radartutorial.eu/08.transmitters/Traveling Wave Tube.en.html
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