AMPLIFICADORES DE RF DE ALTA POTENCIA CON VÁLVULAS DE VACÍO Febrero 20013 Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria Santander – España [email protected] http://personales.unican.es/perezvr

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SECUENCIA 1. Introducción 2. Aplicaciones de generación y amplificación en alta potencia 3. Tecnologías en amplificadores de Alta Potencia 4. Válvulas de vacío. Conceptos básicos 5. Válvulas de rejilla Triodos Tetrodos 6. Tubos de haz electrónico lineal. Klystron Tubo de salida inductiva (klystrodo) Tubo de onda progresiva (TWT) 7. Tubos de campo cruzado Magnetrón

2

INTRODUCCION No hay una definición precisa de los términos alta y baja potencia En este trabajo consideraremos que la “alta potencia” se tiene cuando es necesario elegir entre más de una posible tecnología para implementar los amplificadores que proporcionen la potencia necesaria.

En estas sesiones trataremos principalmente de los dispositivos de alta potencia basados en válvulas de vacío

3

Aplicaciones actuales en que es necesario utilizar dispositivos capaces de generar o amplificar altas potencias

4

Radiodifusión sonora y de televisión

5

Transmisores de radiodifusión sonora y televisión

Transmisor Toshiba de 10 kw x 2 en VHF 6 6

Comunicaciones espaciales

7

Calentamiento industrial

Calentamiento inductivo Entre otras cosas, se  emplea en fundición  de metales

Oscilador de RF para fundición de  metales, de 250 kw. Puede fundir 100  kg de metal en 15 minutos

Calentamiento dieléctrico Se emplea, entre otras cosas, para la  deshidratación de alimentos, fabricación de  resinas...

Oscilador para precalentamiento  de resinas sintéticas de 300 w

8

9

Calentamiento inductivo

2400/1600 kw

10

80 kw, 27 MHz

11

Calentamiento industrial

Horno de microondas de 300 kw para  cocimiento continuo de alimentos y secado

Magnetrón para hornos domésticos 12

Radar

13

Radar

14

Medicina

Radiología Radioterapia Diatermia ....

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Rayos X - Tubo de Crookes (c.1900)

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Tubo de rayos X (c.1917)

17

Tubo de rayos X de ánodo fijo

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Tubo de raxos X de ánodo rotatorio

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Rayos X

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Radioterapia

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Diatermia

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Diatermia por onda corta

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Diatermia por onda corta

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Algunas Aplicaciones en Alta Potencia

Aceleradores de partículas

Gyrotrón – 1Mw 140 GHz

Ciclotrón utilizado en  terapia de cáncer

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Aceleradores de partículas

La imagen es de un Klystron utlizado en aceleradores de  partículas, capaz de suministrar  potencias superiores a 250 kw pulsante.

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Sincrotrón

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TECNOLOGIAS EN AMPLIFICADORES DE ALTA POTENCIA

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Arquitectura de transmisores modulados en FI

Modulador

Procesado de señal y amplificacion

Conversor ascendente

Amplificadores de baja potencia

Amplificadores de alta potencia

A la línea de transmisión y antena

EXCITADOR

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Modulación en FI La señal en banda base se modula a una frecuencia intermedia y se  procesa, por ejemplo, corrección de retardo de grupo.

La señal modulada pasa a un conversor ascendente que la traslada a  la banda del canal de RF a transmitir.

La señal de RF se amplifica hasta una potencia del orden  de 50 a 100 w dependiendo del diseño del transmisor. Esta sección del transmisor suele designarse como excitador

30

Para un amplificador dado, el producto ganancia‐ancho de  banda es constante.

G2

B2 G1 B1

G1B1 = G2B2 = Constante 31

Amplificación de potencia: Dos tecnologías Estado Sólido (Transistores): Adecuado hasta potencias del orden de 5 a 10 KW. Para potencias elevadas es necesario combinar la salida de varios amplificadores (a veces muchos) Válvulas de vacío Adecuado para potencias desde 100w o menos hasta 100 kw o más 32

Combinación de potencia (coherente)

5W

Amp.

100 W Combinador 2x1

5W

20 W

Amp.

200 W

100 W

Divisor 1x4

Combinador 2x1 5W

Amp.

100 W Combinador 2x1

5W

Amp.

400 W

200 W

100 W

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Combinación de señales coherentes e incoherentes Señales en fase Señales con distinta fase

34

Arquiectura de la amplificación de potencia en transmisores de estado sólido

35

Dispositivos amplificadores de estado sólido:

VHF: MOSFET Potencias hasta de 15 a 20 Kw

UHF: LDMOS Potencias hasta de 15 a 20 Kw.

Estas potencias se consiguen combinando las salidas de múltiples amplificadores. 36

Combinadores

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Combinador – 60 Kw

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Señal COFDM en el dominio del tiempo

La señal tiene características de ruido blanco La relación entre la potencia pico y la potencia promedio es del orden de 7 dB a 10 dB 40

Hay que tener en cuenta que en transmisión digital la relación entre la potencia pico y la potencia promedio puede ser hasta de 8 a 10 dB. Esto incide en la potencia pico y el voltaje pico que deben soportar la línea de transmisión y la antena

41

Relación potencia pico a potencia efectiva en OFDM

42

Relación entre potencia pico y potencia promedio en 8VSB

43

Tecnología de tubos de vacío: arquitectura básica A línea de transmisión y antena Enfriamiento

Del codificador de canal

Excitador

Estado sólido W  10 a 100 w

Amplificador de potencia

Filtro de máscara

Un tubo o dos en paralelo W  10 a >100 Kw 44

Consumo de potencia en transmisores de tubos y de estado sólido

45 Gerald W. Collins. Fundamentals of Digital Television Transmitters. John Wiley, 2001

Costo relativo de transmisores de tubos vs estado sólido

46 Gerald W. Collins. Fundamentals of Digital Television Transmitters. John Wiley, 2001

Alternador de Alexanderson

47

Otras consideraciones

Altura sobre el nivel del mar Consumo de energía Temperatura. Potencia reflejada (ROE). Costo comparativo de refacciones comparado con tecnología de tubos de vacío. MTBF

48

Válvulas de vacío Conceptos básicos

49

Emisión de electrones u otros iones en sólidos. Los sólidos, y también los líquidos, pueden emitir electrones o iones  en alguna de las formas siguientes:

Emisión termoiónica. Emisión fotoeléctrica. Emisión secundaria. Emisión por campo. Emisión radioactiva. Desintegración radioactiva. 50

Definiciones Electrón volt (eV). Es la energía ganada por un electrón acelerado a  través de un potencial de 1 volt y equivale a 1.6  10‐19 J. Potencial de excitación.  Es la energía, expresada en eV, que debe  proporcionarse a un átomo o molécula para producir una  transición de un estado dado a otro de mayor energía interna. Potencial de ionización. Es la menor energía, expresada en eV,  que debe proporcionarse a un átomo o molécula bien sea en  estado normal o excitado, para liberar un electrón. Ionización. En general, un ion es una partícula elemental, o un  grupo de partículas, con carga eléctrica total positiva o negativa. 

51

Carga de espacio. Un grupo de cargas libre en el espacio  constituye una carga de espacio o carga espacial. El movimiento de una carga espacial da lugar a una corriente  espacial, cuya densidad es igual al producto de la densidad  volumétrica de carga por la velocidad normal al área.

Electrones libres en metales.  En los metales, los electrones  están, por lo general, débilmente ligados a los átomos y, en  sólidos o líquidos, pueden pasar fácilmente de un átomo a otro. 

52

Función de trabajo en electrón volts para diversos metales Tungsteno 4.52 Platino 5.0 Tantalio 4.1 Molibdeno 4.3 Plata 4.1 Bismuto 3.7 Estaño 3.8 Hierro 3.7 Zinc 3.4 Aluminio 3.0 Calcio 3.4 Litio 2.35 Titanio 2.4 Carbón 4.5 Cobre 4.0 Torio 3.0 Magnesio 2.7 Níquel 2.8 Sodio 1.82 Mercurio 4.4 Calcio 2.5 Bario 2.0 Tungsteno toriado 2.63 Oxido de níquel 0.5a 1.5

53

Diodo 1905

54

Cátodo Caldeo indirecto:  El metal del cátodo es de función de trabajo baja  (óxidos metálicos o tungsteno toriado) Tiene forma de un cilindro hueco en cuyo interior  está el filamento calefactor. La densidad de corriente de emisión termoiónica  es alta. La distribución de potencial es uniforme.

Caldeo directo: El cátodo es el propio filamento, alimentado con  c.a. Generalmente son de tungsteno o tungsteno  toriado. La distribución de potencial es variable, con lo que  la emisión termoiónica fluctúa con la frecuencia de  la fuente de alimentación e introduce zumbido en  55 la corriente de placa.

El cátodo

Para conseguir emisión termoiónica es necesario calentar, en el  vacío, un metal de baja función de trabajo a una temperatura  elevada, por debajo de su punto de fusión El calentamiento se realiza haciendo circular una corriente  eléctrica a través de un filamento metálico. Los electrones  desprendidos forman una nube termoiónica alrededor de éste.

56

Densidad de corriente electrónica debida a la emisión termoiónica 

J s  AT 2 e



W kT

57

Saturación de la corriente de ánodo debida al  efecto de la carga de espacio.

Corriente de ánodo Richardson-Dusham

V2 > V1

Voltaje de ánodo, V1

Temperatura 58

59

Filamento de tungsteno (cátodo de caldeo directo)

60

Filamentos de tungsteno (cátodos de caldeo directo)

61

Cátodo de óxido de caldeo indirecto

62

Válvulas de rejilla Triodo Tetrodo

63

Estructura del triodo Placa

Reja de control

Filamento Cátodo

64

65

Audion de Lee de Forest (1908)

66

Triodo de alta potencia c.1940

67

Elementos de un tríodo de potencia

68

69

Triodo de 8 kw enfriado por aire forzado 70

Parámetros básicos

Factor de amplificación

Resistencia de placa

Transconductancia



rp 

gm 

v p vg

v p i p i p v g

  g m rp 71

A

V VG VG

VBB

72

73

Curvas de  corriente constante

74

75

K

G Placa

P

Reja Cátodo

76

Osciladores con triodo

Hartley

Colpitts

77

Osciladores con triodo (2)

Hartley y Colpitts con acoplamiento capacitivo

78

Amplificador básico con triodo

AV 

 RL

rp  RL

79

Amplificador con triodo y carga sintonizada

80

Alimentación del filamento para reducir el zumbido

81

Observación importante

En todas las válvulas de potencia, bien sean de caldeo directo  o indirecto el voltaje de filamento nunca debe exceder el  recomendado por el fabricante.

Un aumento de voltaje del 5%, reduce la vida de la válvula  en un 50%.

En la práctica el voltaje que se aplica al filamento es del  orden de un 5% menor del nominal.

Esto es válido para todos los tipos de válvulas. 82

Sellos vidrio metal o cerámica metal

83

Funcionamiento en clase A

84

Funcionamiento en clase B

85

Funcionamiento en clase C

86

Amplificador modulado en clase C con tríodo

87

Algunos inconvenientes de los triodos Tamaño:  Las dimensiones deben ser significativamente menores que λ/4 a la frecuencia de  funcionamiento.

Tiempo de tránsito La separación interelectródica, principalmente entre cátodo y reja en relación  inversa a la frecuencia. Esto limita su funcionamiento a frecuencias superiores a  unos 300 MHz.

Neutralización La capacidad interelectródica entre placa y reja produce retroalimentación que  puede causar la oscilación del tubo y requiere ser neutralizada.

Ruido Es causado, principalmente por emisión secundaria en la placa 88

Circuitos típicos de neutralización

89

Triodos de electrodos planos (triodos plano o planares) Pueden funcionar a frecuencias hasta de varios GHz a potencias hasta de 2 kw. Se usaron en las sondas espaciales Pioneer y funcionaron más de 30 años.

90

91

Triodos para calentamiento industrial

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Triodos para calentamiento inductivo

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TETRODOS

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Placa

Reja pantalla Reja de control

Cátodo Filamento

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Curvas de placa del tetrodo

100

Corriente de pantalla en un tetrodo

101

Tetrodo de haz de potencia

102

Curvas de placa de un tetrodo de haz de potencia tipo GU‐13 103

Estructura interna de un tetrodo

104

Tetrodos de potencia 10 kw en TV

300 w en HF

105

Tetrodos utilizados en transmisores de TV en las bandas de VHF y UHF

Cortesía de Thomson Tubes Electroniques

106

Tetrodo montado en cavidad

107

Algunos circuitos “clásicos” Modulación en reja

108

Modulación en pantalla

109

Modulación en placa

110

Amplificador modulado, clase C, con tetrodo

111

El circuito del tetrodo se realiza de modo que quede un nodo de  corriente al final de un circuito de un cuarto de longitud de onda (/4).  El tetrodo, en un amplificador, es parte del circuito resonante de un  cuarto o tres cuartos de longitud de onda. Asimismo, sus dimensiones  geométricas juegan un papel importante y condicionan los voltajes y  corrientes de RF. 

El voltaje de ánodo se limita a un máximo del orden de 30 KV y, por  consecuencia, para conseguir un rendimiento elevado es necesario que el  cátodo tenga un área grande.

112

El aumento del área del cátodo puede conseguirse de dos formas:  aumentando el diámetro del cátodo o su altura. El aumento del  diámetro del cátodo tiene dos efectos sobre sus parámetros eléctricos:

Disminución de la frecuencia de resonancia en el modo TE11. Si esta  frecuencia es muy cercana a la frecuencia nominal o a su primer  armónico, es muy difícil, sino imposible, amortiguar las oscilaciones  parásitas.

Aumento de las capacidades parásitas del tubo.

113

En el circuito de salida, en el espacio entre la reja pantalla y el cátodo, los  voltajes y corrientes de RF pueden expresarse mediante las siguientes  ecuaciones:

V ( x)  Vmax cos x  Psal R L cos x Vmax I ( x)  J sen x Zc Donde,  = 2/ x = Distancia desde el extremo superior del tubo. RL= Impedancia de carga a la que está conectado el tubo. Vmax = Voltaje sobre el eje del tubo en x = 0. Zc = Impedancia caracterísitca del espacio entre el ánodo y la reja pantalla. J  = Constante que depende de la geometría del tubo y del tipo de cátodo. 114

Diacrodo

Las distribuciones de corriente y voltaje en el espacio entre el ánodo y la  reja pantalla no son uniformes y, por consecuencia, la distribución de  potencia tampoco es uniforme, teniéndose la potencia máxima en la  parte superior. El diseño del diacrodo combina en un tetrodo las capacidades y ventajas  de una tecnología avanzada con el concepto desarrollado por la empresa  RCA hace muchos años, en sus triodos de doble terminación y muy alta  potencia. El diacrodo es, en realidad, un tetrodo de doble terminación, en el que  las variaciones en las pérdidas son proporcionales al cuadrado de la  altura del cátodo. Por tanto, la idea es obtener la misma altura  equivalente del cátodo, poniendo en paralelo dos medios tetrodos 

115

116

117

Distribución de corriente y voltaje en un tetrodo y un diacrodo

118

Estructura interna de un diacrodo

119

Principales tipos de diacrodos

Diacrodo enfriado por aire

Diacrodo enfriado por agua

120

121

TUBOS DE HAZ ELECTRONICO

122

Los tubos de haz electrónico basan su funcionamiento en la  interacción de un haz electrónico con un campo electromagnético

Klystron (1937) Klystrodo o IOT Magnetrón (finales de los veintes) Tubo de onda progresiva Amplificador de campo cruzado (CFA) Girotrón (hasta 2 Mw a frecuencias de 20 a 250  GHz)

123

Avances en la potencia de dispositivos amplificadores

124

Estado del Arte

Potencia promedio (W)

1.0E+07

Klystron Gyrotron

1.0E+06

CFA

Gridded Tube

1.0E+05 1.0E+04

Helix TWT

1.0E+03

CCTWT

Si BJT

1.0E+02 Silicon-intensified tube

1.0E+01

MESFET Phemt

1.0E+00

Impatt

1.0E-01 1.0E-02 0.1

1.0

10.0

100.0

1000.0

Frequencia GHz

125

Mejoras en la fiabilidad (Tiempo medio entre fallos o MTBF)

126

TUBOS DE HAZ LINEAL Klystron Klystrodo (IOT) Tubo de onda progresiva (TWT) Girotrón

127

KLYSTRON

128

Oskar y Agnessa Arsenyeva-Heil: Inventores del klystron. “A New Method for ProducingShort, Undamped Electromagnetic Waves of High Intensity.” Alemania 1935

129

Tubo de Heil 130

En occidente la invención se atribuye a William Hansen y a los hermanos Russell y Sigurd Varian en Estados Unidos en 1937, independientemente de Heil 131

Russell y Sigurd Varian

Klystron primitivo de dos cavidades 132

Cavidad de entrada

Cavidad intermedia

Imanes de confinamiento del haz electrónico Cavidad de salida

Cañón electrónico

Colector Haz Electrónico

Cátodo +

Tubo de arrastre

Anodo Señal de entrada

Señal de salida

133

134

135

Primer klystron de 1 MW

136

Klystron para banda S

137

138

Klystron medium power

139

140

Respuesta del conjunto de cavidades Respuesta individual de cada cavidad

f1

f2

f3

Frecuencia

Ancho de banda del conjunto

141

Klystron de colector escalonado (Depressed collector klystron)

142

Klystron empleado en  radioterapia

143

800 kw 500 MHz Sincrotrón

144

Transmisor de TV-UHF de 60 Kw

145

146

Klystron E3746 (Toshiba)

Operation Frequency 5712 MHz Peak Output Power Power Efficiency Pulse Duration Pulse Repetition Gun Voltage Beam Perveance Beam Current

50 MW 47 % 2.5

usec (typical)

50 pps 350 kV 1.53 uA/V1.5 317 A

Solenoid Focus .

-

3-Cell Traveling-wave . Output

-

147

Klystron Reflex

148

Klystron Reflex

149

Klystron Reflex

150

TUBO DE SALIDA INDUCTIVA  (IOT O KLYSTRODO)

151

Circuito de enfriamiento del colector

Colector

Circuito de enfriamiento del cuerpo del tubo

Espacio al vacío en el interior del colector

Tubo de arrastre Anodo Cañón electrónico

152

Filamento calefactor

Entrada de RF del excitador Choke de RF

Cátodo (-30 KV) Placa para ajuste de sintonía de la cavidad

Reja de control (-30 KV) Cavidad de entrada

Choke de RF

Placa para ajuste de sintonía de la cavidad

Cavidad de entrada

Anodo (conectado a tierra) Haz electrónico hacia el colector

153

Piezas polares

Electrodos de enfoque

Líneas del campo magnético Cátodo

Reja

Tubo de arrastre

Haz electrónico

Anodo

Bobina magnética

154

Trayectoria helicoidal de los electrones Líneas de flujo

La fuerza sobre los electrones se dirige radialmente hacia el centro

155

Thales

CPI 156

IOT

Klystrodo 157

Cátodo de IOT

158

Rejilla de grafito pirolítico de IOT

159

IOT montado en carro con el excitador incorporado

Lazo de acoplamiento de salida Manivela para ajuste de sintonía de la cavidad de salida Bobina de enfoque Circuito de enfriamiento para la cavidad de salida y el cañón electrónico Cavidad de entrada Parte de la cavidad de entrada de pequeño diámetro Excitador de estado sólido

Cavidad primaria de salida Acoplamiento de banda ancha Cavidad secundaria de salida

Stub de ajuste para la señal de entrada Carro de soporte

160

161

Colector 1 Anodo

Tubo de arrastre

Colector 3

Tubo de salida

Cátodo

Electrodo de enfoque

Ventana cerámica Piezas polares Fundas de refrigeración

Colector 2

162

163

TUBOS DE ONDA PROGRESIVA (TWT)

164

Estructura del tubo de onda progresiva

1. Cañón electrónico

4. Atenuador

7. Tubo de vacío

2. Entrada de RF

5. Hélice

8. Colector

3. Imanes

6. Salida de RF 165

Estructura del tubo de onda progresiva

166

TWT

167

Hélice de TWT

168

TWT – Estructura interna

169

Aletas del colector de un TWT

170

Modulación del haz en un TWT

171

Diagrama funcional del TWT

172

200 w

173

174

TWT de 50 kw

175

176

Antena transmisora/receptora

Blanco Rango o alcance

Transmisor y receptor

177

Sección transversal de radar (σ) Densidad de flujo de potencia incidente sobre el blanco

SB 

Ptx  Gtx 4 d 2

La potencia reflejada por el blanco en dirección a la antena transmisora es: Área de intercepción de la antena receptora:

PB  S B  

2 Arx   Grx 4

watt

La potencia antes de la antena receptora (suponiéndola cosituada con la transmisora es:

Pr (iso ) 

Potencia recibida

PtxGtxGrx 2 Prx  4 3 r 4

S B   Ptx  Gtx    2 4 d 2 4 d 2





watt 178

TWT de la sonda Galileo

179

180

TUBOS DE CAMPO CRUZADO Magnetrón Amplificador de campo cruzado (CFA)

181

MAGNETRON Hasta mediados de los setenta los transmisores de radar sólo  utilizaron tubos de vacío. Los primeros sistemas sólo magnetrones y  luego también TWT y klystrons. También se usaron triodos y tetrodos  a frecuencias por debajo de 600 MHz

Siguen siendo los dispositivos más utilizados en radar y se usan  también en calentamiento industrial, para deshidratación de alimentos  y es el elemento universal en los hornos domésticos de microondas

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Magnetrón Es un oscilador de microondas de alta potencia en que la energía potencial de una nube electrónica cercana al cátodo se convierte en energía de RF en  una serie de cavidades resonantes. Es, básicamente, un diodo oscilador de geometría cilíndrica

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Uno de los primeros magnetrones desarrollados durante  la Segunda Guerra Mundial

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Magnetrón coaxial primitivo

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50 Kw 3.2 GHz

F. E. Terman. Applied Electronics. McGraw—Hill 1954

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Trayectorias electrónicas en el magnetrón

F. E. Terman. Applied Electronics. McGraw—Hill 1954

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Los magnetrones son: Simples (básicamente diodos) Pequeños Robustos De bajo costo comparados con otros tubos de MW

Su frecuencia de oscilación depende de su geometría y varía  ligeramente con la temperatura ambiente (del refrigerante) y con la  temperatura del tubo. A veces se emplea AFC.

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Tipos de ánodos

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Sintonía del magnetrón

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Magnetrón de sintonía inductiva

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Magnetrón de ánodo dividido

El magnetrón de ánodo dividido tiene una característica de resistencia  negativa y es un variante del magnetrón básico, capaz de generar  mayor potencia que éste.

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Magnetrón de ánodo  dividido 5J29 (150 w)

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Magnetrón coaxial (desarrollado c. 1960) Es un magnetrón con una cavidad anular en forma de aletas, de Q  elevada y estrechamente acoplada a las aletas del ánodo dentro del  cilindro interno. Es más estable en frecuencia que el magnetrón  normal.

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Pueden no resultar adecuados cuando:

•Es necesario un control de frecuencia preciso •Es necesario cambiar de banda de frecuencia •Se requiere gran estabilidad en la frecuencia de  oscilación •Es necesaria transmisión coherente •Es necesario transmitir pulsos codificados o  conformados •Es necesario que la potencia de señales espurias sea la  mínima posible

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Métodos de acoplamiento

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Magnetrón típico utilizado en radar

202

Magnetrón usado en hornos domésticos de microondas

203

Magnetrón usado en aplicaciones médicas

204

Magnetrón 3 Mw

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Magnetrón miniatura para funcionamiento pulsante en banda Ka

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Sputtering Magnetron

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TWT Efficiency

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