Tecnología de Microondas y Sistemas de Radar: Funcionamiento y Componentes

Magnetrón

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 corresponden 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 el 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.
• Control del envejecimiento de la válvula, es decir, verificar que 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 requiere la presencia de ciertos tipos de campos. ¿Qué campos son y cómo se 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 en 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 sea accesible al operador, evitando riesgos eléctricos.

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 que algún electrón alcance el ánodo, produciendo el comienzo de las oscilaciones propiamente dichas.

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

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

12. ¿Cómo asegurar el modo de oscilación principal (modo π) y evitar inestabilidades?

Uniendo entre sí todos los polos anódicos de orden par y, de igual forma, los 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 y reja aceleradora.
• Una cavidad agrupadora con sus rejillas, para modificar la velocidad de los electrones.
• Una cavidad captadora con sus rejillas, para frenar la agrupación de electrones formada.
• Un electrodo colector cuya misión es recoger los electrones tras su recorrido.
• Un sistema de enfoque magnético (imán) para crear un campo magnético axial.

2. Funcionamiento del Klystron

Una modulación por velocidad hace que la energía de radiofrecuencia en la cavidad agrupadora llegue concentrada a la cavidad captadora. Esta última, con su debida polarización, frena al grupo de electrones y recoge la energía cinética que pierden, resultando en la amplificación de la señal.

3. ¿Cómo mantener la oscilación en un Klystron de cavidades?

Realimentando positivamente la cavidad agrupadora con parte de la señal que llega a la captadora, mediante un cable coaxial con sondas introducidas en las cavidades.

4. Diferencias entre un Klystron de cavidades y uno Reflex

• El Klystron Reflex solo tiene una cavidad y no puede utilizarse como amplificador.
• Es una válvula de baja potencia y solo se utiliza como oscilador.

5. Efecto de la tensión del repulsor en un Klystron Reflex

Si se hace menos negativa la tensión del repulsor (manteniendo condiciones de oscilación), se cambia a un modo de oscilación superior, con lo cual la ganancia será menor y el ancho de banda aumentará.

6. ¿Cómo variar la sintonía de un Klystron Reflex?

• Eléctricamente: Variando la tensión del repulsor.
• Mecánicamente: Variando las dimensiones de la cavidad o deformando los campos magnéticos.

7. Características principales del Klystron

• Elevada ganancia.
• Estrecho ancho de banda.

8. ¿Cómo ampliar el ancho de banda en un Klystron de cavidades múltiples?

Sintonizando las cavidades intermedias a frecuencias ligeramente diferentes de la señal a amplificar, aunque esto conlleva una pérdida de ganancia.

Tubo de Ondas Progresivas (TWT)

1. Constitución de una válvula TWT

• Cátodo (dispositivo generador del haz) y filamento alimentado por CA.
• Elemento de enfoque al 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 y bobina de enfoque.
• Bucle B1 (acoplo de señal RF) y Bucle B2 (acoplo a la carga).
• Colector en contacto eléctrico con la hélice.

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

Debe ser igual a la mitad de la longitud de onda (λ/2) correspondiente a la frecuencia que se desea amplificar.

3. ¿Qué determina el paso de la hélice?

Determina la potencia de salida de la válvula.

4. ¿Qué determina el diámetro de la hélice?

Determina la banda de frecuencias que se quiere amplificar.

5. Polarización de colectores y rejilla de mando

• Colectores: Suelen estar entre 500 y 1500 V.
• Rejilla de mando: Suele estar entre 0 y 50 V.

6. Rango del número de espiras

Generalmente entre 100 y 300 espiras.

Análisis Espectral

1. Aplicación principal en sistemas de radar

La medición de potencia, frecuencia y forma del pulso.

2. Transistores para frecuencias superiores a 7 GHz

Se utilizan transistores FET y/o MESFET.

3. Amplificadores paramétricos con Varicap

Si la frecuencia de la señal de bombeo es de 5 GHz, la frecuencia de la señal a amplificar es: Fr bomb = 2 x Fr amplif; por lo tanto, 2,5 GHz.

4. Sintonía de circuitos generadores de armónicos

Si la salida es de 750 MHz usando el sexto armónico: 750 MHz / 6 = 125 MHz. El circuito serie LC debe sintonizarse a 125 MHz.

5. Inconvenientes del analizador de espectros basado en banco de filtros

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

6. Parámetros del radar apreciables en el espectro

• Frecuencia de transmisión: Frecuencia central del lóbulo principal.
• PRF: Separación en frecuencia de los 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 de ancho de pulso y PRF.
• Agilidad: Si varía o no la frecuencia de transmisión.

7. ¿Qué es el ancho de banda de un sensor?

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

8. Tratamiento de la onda electromagnética en RADAR

• Generación: Mediante el oscilador del transmisor.
• Envío: A través de la antena transmisora/receptora.
• Conversión: De energía electromagnética a tensión/corriente mediante el diodo detector.
• Transporte: A través de circuitos de radiofrecuencia (guías de ondas).

9. Modulación a bajo nivel

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

10. Observación de señales cuadradas y pulsos

• Con onda cuadrada se observa la portadora y el espectro con armónicos impares.
• En un tren de pulsos: la portadora es el centro del lóbulo; la frecuencia moduladora es la separación de armónicos; el ancho de pulso es 1/τ.
• Una relación de 13 dB entre el lóbulo principal y el lateral indica una señal perfectamente rectangular.

Elementos de Estado Sólido

1. Esquema de un modulador de estado sólido a bajo nivel

2. Frecuencia y potencia en un diodo Gunn

• La frecuencia depende de las dimensiones físicas y la tensión aplicada.
• La potencia depende de una polarización adecuada.

3. Multiplicadores de frecuencia de estado sólido

Se basan en el aprovechamiento de los armónicos generados por los elementos de estado sólido mediante el filtrado oportuno.

4. Funciones del diodo PIN

Se utiliza como elemento modulador (senoidal o pulsos), duplexor y limitador.

5. Configuraciones de transmisores de estado sólido

• Oscilador de baja frecuencia con etapas multiplicadoras y amplificadoras.
• Oscilador de alta frecuencia seguido de etapas amplificadoras.

6. Elementos osciladores por naturaleza

Son capaces de oscilar por sí mismos debido a la generación de armónicos en estructuras resonantes. Ejemplos: Diodo Gunn y Diodo IMPATT.

7. Bandas de conducción en el diodo Gunn

• La segunda banda se alcanza a los 3000 V/cm.
• Los electrones en esta banda viajan con mayor lentitud.

8. Eliminación de armónicos en el diodo Gunn

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

9. Característica del diodo Túnel

Presenta una zona de resistencia negativa en su curva tensión-corriente, utilizada para generar oscilaciones en cavidades resonantes.

Sistemas de Radiofrecuencia

1. Introducción y extracción de energía en guías de ondas

• Mediante una espira de hilo (inducción).
• Mediante una sonda paralela a las líneas de fuerza.
• Mediante ranuras en la pared de la guía.

2. Sintonía de cavidades resonantes

Se puede variar el tamaño, la forma o las características dieléctricas de la cavidad.

3. Elementos principales de un sistema de RF

• Acoplador del magnetrón y sistema duplexor (válvulas TR y ATR).
• Sección ranurada, juntas, codos y Twist.
• Acopladores direccionales, junta giratoria y antena.

4. Utilidad de los IRIS

Los iris adaptan impedancias entre la guía principal y la junta giratoria, y evitan la generación del modo de transmisión TE11 no deseado.

5. El Twist y las Cargas Artificiales

• Un Twist debe tener una curvatura gradual respecto a la longitud de onda.
• Las cargas artificiales se usan para la absorción total de la energía al final de la línea durante pruebas.

6. Acoplador direccional y T Mágica

• El acoplador direccional extrae energía que se propaga en un solo sentido.
• La T Mágica (junta híbrida) divide la potencia entre dos brazos sin que la señal pase al brazo opuesto al de entrada.

7. Conmutadores y Válvulas TR

Permiten usar una sola antena para transmitir y recibir. La válvula TR presenta impedancia cero ante señales de alta potencia (protegiendo el receptor) e impedancia característica ante señales débiles.