Magnetrón, Klystron, TWT y Sistemas de Radiofrecuencia

MAGNETRON

1. Constitución de un magnetrón

Cátodo cilíndrico rodeado de una estructura anódica dotada de cavidades resonantes. El número de cavidades es siempre par y sus dimensiones son las correspondientes a la frecuencia de oscilación. Mediante una sonda o por medio de una ranura en una de las cavidades se extrae toda la energía ya que las cavidades están fuertemente acopladas. Para disipar calor el bloque anódico puede estar tallado con aletas exteriores o planos radiales. Para evitar peligro de descargas el ánodo se pone a potencial de tierra no accesible al operador. Un potente imán crea en todo el magnetrón un campo magnético axial.

2. ¿Qué es el campo de corte de un magnetrón?

Es el campo magnético suficiente para devolver los electrones al cátodo antes de que lleguen al ánodo.

3. ¿Cuándo se producen los modos de oscilación de orden superior en un magnetrón?

Cuando se producen variaciones en los campos de polarización del magnetrón.

4. ¿Qué precauciones hay que tener con el magnetrón?

Caldeo del cátodo antes de empezar a transmitir. Envejecimiento de la válvula, es decir que ya haya estado funcionando en condiciones de pleno rendimiento. No operar con el magnetrón sin el imán permanente que produce el campo magnético axial. El circuito de radiofrecuencia debe tener aisladores a la salida del magnetrón que lo protejan de posible energía reflejada.

5. El magnetrón para su funcionamiento requiere la presencia de ciertos tipos de campos. ¿Qué campos son y como se producen o que los producen?

Campo electrostático entre cátodo y ánodo, campo de polarización. Campo magnético en sentido axial establecido por el imán. Campo electromagnético creado por las cavidades resonantes.

6. ¿Qué es el enfoque de un magnetrón?

Es un mecanismo que tiende a mantener los electrones activos sincronizados con los campos del espacio ánodo cátodo de tal manera que estos electrones llegan a entregar la máxima energía a las oscilaciones.

7. ¿Qué es el arrastre de frecuencia?

Es la variación de la frecuencia de oscilación del magnetrón por variaciones relacionadas con la carga.

8. ¿Qué dos razones avalan la importancia del magnetrón dentro de los transmisores de microondas?

Pueden generar hiperfrecuencias a altas potencias. Solidez de su estructura mecánica.

9. ¿Por qué se pone el ánodo de un magnetrón a potencial de tierra?

Para que no sean accesibles al operador.

10. ¿Qué es la tensión de inestabilidad de un magnetrón?

Es el valor de la tensión que hace inestable la nube de carga espacial y permite el paso de algún electrón alcance el ánodo con lo que se produce el comienzo de las oscilaciones propiamente dichas.

11. ¿Qué es la tensión umbral en un magnetrón?

Es la mínima que hace que el aporte de energía de los electrones al campo sea el preciso para reponer las pérdidas.

12. ¿Qué hacemos para asegurarnos el modo de oscilación principal o en π y que no se produzcan inestabilidades que nos cambien el modo de oscilación?

Unir entre sí todos los polos anódicos de orden par y de igual forma de orden impar por medio de ligaduras, de esta forma se asegura que todos los segmentos alternativos estén al mismo potencial.

13. ¿Qué es el empuje de frecuencia?

Es la variación de la frecuencia de oscilación del magnetrón por variaciones relacionadas con la corriente.

KLYSTRON

1. Constitución del Klystron

Cátodo emisor de electrones, controlado por un elemento de enfoque. Reja de control. Reja aceleradora. Una cavidad agrupadora con sus rejillas, para modificar la velocidad de los electrones de forma que cuando lleguen a la cavidad capturadora lleguen agrupados. Una cavidad captadora con sus rejillas, para frenar la agrupación de electrones que ha formado la cavidad agrupadora. Un electrodo colector cuya misión es recoger los electrones una vez que ha hecho el recorrido. Un sistema de enfoque magnético, se emplea un imán para crear un campo magnético axial a lo largo de todo el Klystron.

2. Funcionamiento del Klystron

Una modulación por velocidad hace que la energía de radiofrecuencia que tenemos en la cavidad agrupadora, llegue concentrada a la cavidad captadora, ésta con su debida polarización frenara al grupo de electrones, y recogerá toda la energía cinética que pierden estos al ser frenados, de lo cual resultará la amplificación de la señal.

3. En un Klystron de cavidades como oscilador. ¿Qué hacemos para mantener la oscilación?

Realimentar positivamente con parte de la señal que llega a la captadora, la cavidad agrupadora, mediante un cable coaxial en el que sus extremos son sendas sondas que se introducen en las cavidades.

4. ¿Cuáles son las diferencias entre un Klystron de cavidades y uno Reflex?

El Klystron reflex solo tiene una cavidad y no se puede utilizar como amplificador. Es una válvula de baja potencia y solo se puede utilizar como oscilador.

5. En un Klystron reflex, si se hace menos negativa la tensión del repulsor, y las tensiones son las correctas para que oscile, ¿qué le ocurre a la ganancia y al ancho de banda del Klystron?

Que cambiamos de modo de oscilación superior, con lo cual la ganancia será menor y el ancho de banda aumentará.

6. ¿Cómo se puede variar la sintonía de un Klystron reflex?

Eléctricamente variando la tensión del repulsor. Mecánicamente variando las dimensiones, deformando la cavidad o deformando los campos magnéticos.

7. ¿Cuáles son las características principales del Klystron?

Elevada ganancia. Estrecho ancho de banda.

8. ¿Cómo mejoramos (ampliamos) el ancho de banda de un amplificador Klystron de cavidades múltiples?

Sintonizando las cavidades intermedias a frecuencias ligeramente diferente de la señal a amplificar, aunque así se pierde ganancia.

TUBO DE ONDAS PROGRESIVAS (TWT)

1. Constitución de una válvula TWT

Cátodo dispositivo generador del haz. Filamento alimentado por CA. Elemento de enfoque a potencial del cátodo. Rejilla de mando que regula la intensidad del haz. Ánodos A1 y A2. Hélice, órgano fundamental del TWT. Bobina central acoplada a la hélice central. Bobina e enfoque o imagen. Bucle B1 de acoplamiento de la señal de radiofrecuencia. Bucle B2 de acoplamiento de la señal a la carga. Colector en contacto eléctrico con la hélice.

2. ¿Qué medida debe tener la longitud de una espira de una válvula TWT?

La longitud de una espira debe ser igual a la mitad de la longitud de onda correspondiente a la frecuencia que se quiere amplificar.

3. ¿Qué determina el paso de la hélice de una válvula TWT?

La potencia de salida de la válvula.

4. ¿Qué determina el diámetro de la hélice de una TWT?

La banda de frecuencias que se quiere amplificar.

5. ¿Sobre que tensión suelen estar polarizados los colectores de una válvula TWT? ¿ y la rejilla de mando?

500 – 1500. 0 – 50.

6. ¿Cuál es el rango de número e espiras de una válvula TWT?

Entre 100 y 300 espiras.

ANALISIS ESPECTRAL

1. ¿Cuál es la principal aplicación de un analizador de espectros en un sistema de radar?

La medición de potencia, frecuencia y forma del pulso.

2. Para frecuencias superiores a 7 Ghz, ¿Qué tipo de transistores se utilizan?

FET y/o MESFET.

3. En los amplificadores paramétricos con Varicap, si la frecuencia de la señal de bombeo es de 5 Ghz, ¿Cuál es la frecuencia de la señal a amplificar?

Fr bomb = 2 x Fr amplif; 2,5 Ghz.

4. ¿Cuáles son los inconvenientes que presenta un analizador de espectros basado en un banco de filtros?

La gran cantidad de filtros necesarios. La imposibilidad de que todos los filtros tengan idéntica respuesta en amplitud.

5. La inspección del espectro de un radar nos permite conocer una serie de parámetros del propio radar. Decid que parámetros y como se aprecian.

Frecuencia de transmisión: frecuencia central del lóbulo principal. PRF: separación en frecuencia del os armónicos de las bandas laterales. Ancho de pulso: ancho del lóbulo lateral o medio lóbulo central. Discriminación: relacionada con el ancho del pulso. Exploración o seguimiento: según características, ancho e pulso y PRF. Agilidad o pseudoagilidad: si varía o no la frecuencia de transimisión. PRF variable: si varía la PRF.

6. ¿Qué es el ancho de banda de un detector o sensor?

Es el rango de frecuencia donde se producen los efectos esperados en dicho sensor.

7. Hablando de RADAR, explicar que hay que hacer con la onda electromagnética que se envía al espacio y es devuelta por un blanco.

Hay que generarla, lo conseguimos con el oscilador del transmisor. Hay que enviarla al espacio en la dirección deseada, lo conseguimos con la antena transmisora y receptora, aunque puede ser la misma. Hay que convertir la energía de la onda electromagnética en tensión/corriente con la que trabajan los circuitos del receptor, se consigue con el diodo detector. Hay que transportar la energía desde el transmisor a la antena y desde la antena al receptor, esto lo conseguimos con los circuitos de radiofrecuencia.

8. ¿Que es la modulación a bajo nivel?

Es aquella en la que se hace la modulación antes de las etapas amplificadoras.

9. En la modulación de radiofrecuencia, si la señal moduladora es una onda cuadrada, ¿Qué se observará en el analizador de espectros?

La frecuencia de la portadora y a ambos lados de ella, el espectro de la señal moduladora con todos los armónicos impares.

10. En la modulación de radiofrecuencia, si la señal moduladora es un tren de pulsos, mediante la observación del espectro de la señal, se puede que:

La frecuencia de la portadora es: i. La frecuencia central del lóbulo. La frecuencia de la moduladora es: i. La separación de las frecuencias armónicas de las bandas laterales. El ancho del pulso es: i. El ancho de un lóbulo lateral o ½ del lóbulo central es igual a 1/λ. ¿Qué significa que la relación entre e lóbulo principal y el primer lateral sea de 13 dB? i. Que la señal es perfectamente rectangular.

ELEMENTOS DE ESTADO SOLIDO

1. Dibuja e esquema en bloques de un modulador de estado sólido a bajo nivel

2. ¿De que depende la frecuencia de oscilación y la potencia de salida de un diodo Jun?

La frecuencia de oscilación viene determinada por las dimensiones físicas del mismo y de la tensión aplicada. La potencia depende de la polarización adecuada.

3. ¿Cuál es el principio de funcionamiento de los multiplicadores de frecuencia de estado sólido?

El aprovechamiento de los armónicos que generan los elementos de estado sólido, mediante el filtrado oportuno.

4. ¿Para que funciones utilizamos el diodo Pin?

Elemento modulador por señal senoidal o pulsos. Duplexor. Limitador.

5. ¿Cuáles son las diferentes configuraciones que puede tomar un transmisor que utilice elementos de estado sólido?

Oscilador a baja frecuencia, varias etapas multiplicadoras de frecuencia y amplificadoras de potencia, seguido de la válvula amplificadora. Oscilador de alta frecuencia, seguido de etapas amplificadoras y válvula amplificadora.

6. ¿Que y cuales son los elementos osciladores por naturaleza?

Aquellos que son capaces de oscilar por si mismos, debido a la gran cantidad de armónicos que generan y pueden introducirse dentro de una estructura resonante que filtren la frecuencia de oscilación. El diodo Gun y el diodo Impatt.

7. Hablando del diodo Gunn, su segunda banda de conducción difiere de la primera en dos puntos importantes. ¿Qué puntos son?

Solo la alcanzan cuando se aplican 3000 v/cm. Los electrones que alcanzan energía suficiente viajan con más lentitud.

8. ¿Cómo se consiguen eliminar los armónicos que produce un diodo Gunn?

Se introduce en una cavidad resonante con una frecuencia de resonancia próxima a la frecuencia del diodo.

9. ¿En que se basan los circuitos multiplicadores de frecuencia de estado sólido?

En que los circuitos trabajan con osciladores controlados por cristal de baja frecuencia, y un elemento generador de armónicos, produce armónicos de la frecuencia base del cristal. Mediante filtros adecuados, seleccionamos la frecuencia adecuada.

10. ¿Cuál es la característica principal del diodo Tunel?

Que en su característica de tensión corriente, tienen una zona de resistencia negativa y esa zona es la que se utiliza para generar la oscilación dentro de una cavidad resonante.

SISTEMAS DE RADIOFRECUENCIA

2. ¿De que formas podemos introducir o sacar energía en una guía de ondas? • Colocando una espira de hilo, para que las líneas de campo induzcan en ella corrientes • Mediante una sonda colocada paralelamente a las líneas de fuerza • Mediante ranuras en la pared 1. ¿De que formas puedo variar la sintonía de una cavidad resonante? • Variar el tamaño de la cavidad • Variando la forma de la cavidad • Variando las características de la cavidad 2. ¿Cuales son las aplicaciones más frecuentes en RADAR de las cavidades resonantes? • Oscilador de microondas • Duplexores • Equipo repruebas o de mantenimiento 3. ¿Cuáles son los elementos o componentes principales de un sistema de radiofrecuencia? • Acoplador del magnetrón • Sistema duplexor, válvula TR y ATR • Sección ranurada • Juntas • Codos • Acopladores direccional • Junta giratoria • Twist • Antena 4. En el acoplamiento de una junta giratoria con la guía ondas principal por un extremo, y con otra sección de guía onda flexible que va a la antena, hay varios IRIS. ¿Qué utilidad tiene cada uno de ellos? • Los iris de la sección recta tanto de la principal como de la salida a antena son para adaptar impedancias de la guía principal a la junta giratoria y el iris de de la junta giratoria es para impedir que se genere en ella el modo de transmisión TE11. 5. ¿Qué característica debe tener un TWIST? • que la curvatura se produzca gradualmente en una longitud que sea grande respecto a la longitud de onda de guía. 6. ¿Para que utilizamos las cargas artificiales en un sistema de radiofrecuencia? • Se colocan al final de la línea de transmisión para la total absorción de la energía que se transmite 7. En un atenuador de cable coaxial, ¿a que será proporcional la atenuación que produzca? • A la longitud del material resistivo 8. ¿Qué es un acoplador direccional y para que lo utilizamos? • Dispositivos que permiten distinguir la energía que discurre en un sentido en la guía de ondas de lo que lo hace en otro. Lo utilizamos para extraer una porción de la energía que se propaga en un sentido determinado y solo en este. 3. ¿Cuál es la característica principal que define a una “T” mágica o junta híbrida? • Sea cual fuere el brazo por el qu se introduce la onda incidente, ésta no irá al brazo opuesto, y su potencia se repartirá entre los dos brazos restantes en partes iguales si estos son simétricos y tienen la misma impedancia de carga. 4. ¿Para que se emplean los conmutadores TR? • Para poder utilizar solo una antena tanto para la transmisión como para la recepción 5. ¿Qué es una válvula TR? • un dispositivo cuya misión consiste en cambiar la impedancia que presenta la línea de transmisión donde esta insertado en función de la potencia de la señal que se transmita de modo que cuando la señal tiene un valor elevado la válvula presenta una impedancia cero, y cuando el nivel de energía es bajo presenta una impedancia igual a la impedancia característica de la línea de transmisión.