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a mayoría de los ingenieros de microondas entrenados en el arte de la electrónica de estado sólido han tenido poca o nula exposición a la física básica y principios de operación de la tecnología moderna de la electrónica de vacío. Como consecuencia, muchos no pueden apreciar la capacidad, eficiencia y confiabilidad de esta notable y duradera tecnología, y no aprovechan sus ventajas como una solución efectiva en costos y para aplicaciones de alta potencia cuando toman decisiones a nivel de sistema. El objetivo de este artículo es cerrar parcialmente esta brecha. No está pensado como un tutorial en el asunto; hay libros de texto disponibles para tal efecto [1], [2]. Más bien, tiene dos propósitos: Proveer al lector una vista general de la capacidad actual del estado del arte y darle a conocer las tendencias de investigación para el futuro cercano. Más información, y con mayor profundidad, se puede encontrar en [3], que contiene una excelente colección de artículos de revisión enfocados a amplios aspectos de la ciencia y tecnología de la electrónica de vacío.
Amplificadores de Tubos de Vacío
Joe X, Qiu, Baruch Levush, John Pasour, Allen Katz, Carter M. Armstrong, David. R. Whaley, Jack Tucek, Kenneth Kreischer, y David Gallagher
Traducción por Roberto S. Murphy Arteaga, INAOE, Tonantzintla, Puebla, México
_____________________________________________ Joe X. Qiu (
[email protected]) está en el Army Research Laboratory, Adelphi, MD 20783. Baruch Levush y John Pastor están con el Naval Research Laboratory, Washington, DC 20375. Allen Katz es profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación del College of New Jersey, y es el presidente de Linearizer Technology, Inc., Hamilton, Nueva Jersey 08619. Carter M. Armstrong y David R. Whaley están en la División de Dispositivos Electrónicos, L‐3 Communications, San Carlos, California 94070. Jack Tucek, Kenneth Kreischer, y David Gallagher están en Northrop Grumman Corporation, Rolling Meadows, Illinois 60008.
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paramétrico de La tecnología electrónica de de sistemas electrónicos al espacio vacío es a la vez nueva y añeja; su legado es impresionante y bien conocido. Sin embargo, se están alcanzando niveles sorprendentes de desempeño y confiabilidad con innovaciones modernas que explotan nuevos materiales, estructuras electromagné‐ ticas, técnicas de fabricación y diseños. La tecnología de electrónica de vacío ha sido, y continuará siendo, la tecnología que permite clases enteras de amplificadores de alta potencia y alta frecuencia, con las más estrictas especificaciones de uso tanto para sistemas militares como comerciales. Estos fuertes requisitos están Figura 1. Aplicaciones para los amplificadores de alta potencia en función de llevando firmemente a los potencia promedio contra frecuencia. diseñadores de sistema elec‐ trónicos al espacio paramétrico de frecuencia/potencia helicoidales de onda viajera (TWTs1) ha visto una que es el dominio natural de la tecnología electrónica mejoría de tres órdenes de magnitud en los últimos 50 de vacío. Además de una gran variedad años, y se prepara para mayor crecimiento con de aplicaciones militares y comerciales que requieren innovaciones frecuentes, como son el uso de varillas de alta potencia y alta frecuencia, los amplificadores y de soporte y varillas de soporte por depósito químico osciladores electrónicos de vacío (EV) se usan en en fase vapor (CVD2) de diamante para una remoción de calor más eficiente [7]. campos de la investigación científica como en los aceleradores de partículas de altas energías y en el calentamiento de plasmas para fusión termonuclear controlada. También son ampliamente usados en muchos sistemas médicos, como son los generadores de radio‐frecuencia (RF) compactos, y más recientemente, en espectrómetros magnéticos nucleares para experimentos de polarización nuclear dinámica [4]. Los sistemas comerciales de comunicación satelital, difusión, y hornos de microondas para uso industrial y doméstico, también dependen fuertemente de dispositivos de vacío para su desempeño confiable en altas potencias, con alta eficiencia y bajo costo. Sólo los dispositivos electrónicos de vacío pueden cumplir muchos de estos fuertes requisitos [5], [6]. La Figura 1 muestra el rango de potencia y frecuencia para aplicaciones clave. La figura de mérito, Pf2, captura la habilidad de un dispositivo para generar potencia en RF, en la cual P es la potencia promedio y f es la frecuencia de operación. La Figura 2 muestra el progreso continuo Figura 2. Siete décadas de progreso en Pf2 para varios en Pf2 que varios tipos de dispositivos electrónicos de tipos de amplificadores de potencia. vacío han alcanzado. Por ejemplo, Pf2 para tubos Diciembre 2009
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La mayoría de los ingenieros de microondas no pueden apreciar las capacidades, eficiencia y confiabilidad de la tecnología electrónica de vacío. En las últimas décadas se han logrado mejoras importantes en la confiabilidad de los amplificadores electrónicos de vacío. La vida media de operación de los principales tipos de amplificadores electrónicos de
Figura 3. Dominio de desempeño para las distintas tecnologías de alta potencia: Tubos de onda viajera (TWTs) incluyendo tipos helicoides y cavidades resonantes, módulos de potencia de microondas (un híbrido de estado sólido y TWTs), y amplificadores de potencia de estado sólido. También se muestra la tendencia común de desarrollo: mayor potencia y más alta frecuencia.
Figura 4. La figura de mérito Pf2 (f/f) para algunos amplificadores de potencia en ondas milimétricas, incluyendo el amplificador de válvulas de onda viajera (TWT), módulo de potencia de ondas milimétricas (MMPM3), klistrón, y amplificador de potencia de estado sólido (SSPA4). vacío, siempre substanciosa, es ahora notable. Por ejemplo, las aplicaciones espaciales requieren vidas IEEE microwave
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medias de servicio de más de 150,000 horas (18 años); los datos actuales para amplificadores de tubos de onda viajera para aplicaciones espaciales (TWTAs) muestran una vida media para fallo de 8 millones de horas [8]. Estas mejoras en la confiabilidad han llevado a reducciones importantes en los costos de operación de muchos sistemas. Mientras tanto, los amplificadores de potencia de estado sólido (SSPAs) han mejorado también a grandes pasos su capacidad, teniendo cada vez mayor potencia de salida y mayores frecuencias de operación, e implacablemente invadiendo el dominio tradicional de desempeño de la tecnología electrónica de vacío [9] (Figura 3). Estas mejoras han sido posibles por los avances en los dispositivos basados en materiales semiconductores de banda prohibida grande (GaN), así como en técnicas de combinación de potencia más eficientes [10], [11]. Como resultado, la ventaja en potencia de los amplificadores basados en tubos sobre los SSPAs ya no es obvia en frecuencias bajas de microondas, aunque siguen teniendo mejores eficiencias que los SSPAs. En respuesta a los retos y la demanda del mercado, la última década ha visto esfuerzos importantes por la industria de la EV para desarrollar dispositivos con mayor potencia y mayor ancho de banda en la banda milimétrica. Más de 1 kW de potencia en la banda milimétrica puede ser ahora provista con alta eficiencia y en un paquete relativamente pequeño [12]. La necesidad de mayor potencia de señal para alcanzar las razones señal a ruido requeridas para transmisiones a largas distancias y amplios anchos de banda de señal (que a su vez requiere de más altas frecuencias de operación) para acomodar volúmenes masivos de datos, es común para aplicaciones tanto militares como comerciales. Para medir la habilidad de los dispositivos para transmitir información, la figura de mérito Pf2(f/f), donde (f/f) es el ancho de banda fraccional instantáneo de un amplificador, se grafica en la Figura 4 para un número de amplificadores a o sobre 30 GHz. La alta nota de 100 kW GHz2 es alcanzada por un tubo helicoidal (TWT) con un imán permanente periódico para enfocar el haz. Hoy en día, cerca de 1 kW GHz2 puede ser alcanzado por un SSPA de 35 GHz. El valor más alto, cerca de 500 kW GHz2, para dispositivos de enfoque de solenoide, se debe a su habilidad de transmitir mayor corriente que los dispositivos con imanes permanentes periódicos. Sin embargo, los imanes solenoides son voluminosos y pesados, y requieren de una fuente de poder aparte, además de enfriamiento. Como se comentará más adelante, los esfuerzos de investigación actuales se concentran en el uso de haces espacialmente distribuidos, como es el haz laminar, que permitirían alcanzar más de 500 kW GHz2 con un imán permanente más pequeño. Diciembre 2009
Enseguida presentaremos una breve vista general de los amplificadores de tubos comúnmente usados en transmisores de alta potencia. Sólo se analizarán tres tipos de dispositivos [TWTs, incluyendo helicoidales y de tipo de cavidad acoplada, módulos de potencia de microondas (MPMs5), y klistrones], haciendo hincapié en los avances recientes en la banda milimétrica. Referencias sobre otros dispositivos de vacío se pueden encontrar en las múltiples memorias técnicas de la IEEE International Vacuum Electronics Conference, así como en los ejemplares especiales sobre electrónica de vacío de la revista IEEE Transactions on Electron Devices. Estas publicaciones contienen una cantidad significativa de artículos de países como Rusia, China, Francia, Japón, Corea del Sur, Italia y el Reino Unido.
Estado Actual de los TWTAs6 En el diseño de transmisores de alta potencia para aplicaciones aéreas, espaciales y móviles, se hace un fuerte hincapié en minimizar el consumo de potencia, el voltaje aplicado, tamaño y peso de los amplificadores. Para estas aplicaciones, para las cuales el ancho de banda instantáneo también es un requisito, la mejor selección son los TWTs, helicoidales y de cavidad acoplada. Las principales razones de la continuada dependencia en amplificadores de electrónica de vacío como son los TWTAs para aplicaciones de transpondedores espaciales y en terminales terrestres, son la alta potencia de salida y la alta eficiencia de los TWTAs. Los valores de potencia disponible típicos para comunicaciones satelitales comerciales de TWTAs y SSPA se comparan en la Figura 5. La ventaja en potencia de los TWTAs sobre los SSPAs es significativa, especialmente en las bandas de más alta frecuencia. Por otro lado, en las bandas de baja frecuencia, el manejo de potencia de los TWTAs es retado por los SSPAs. Por ejemplo, en la banda C, SSPA modulares disponibles comercialmente son capaces de producir 1.5 kW de potencia de salida, y 3.0 kW al combinar dos sistemas en fase [13]. Sin embargo, estos SSPAs son todavía relativamente ineficientes, con eficiencias menores al 20%. Comparados con un TWTA linealizado (LTWTA) que produce una potencia en RF similar, el SSPA descrito representaría $14,000.00 USD más en costos anuales de electricidad. La depresión de colector es una técnica común para mejorar la eficiencia de los TWTs [1]. Usando un colector deprimido, uno puede convertir parte de la energía cinética del haz de electrones gastado (es decir, después de su interacción con el circuito de onda lenta) a energía potencial en las fuentes de alimentación, y por lo tanto, la eficiencia global del dispositivo aumenta [1, cap. 14]. Se puede lograr una
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Sólo los dispositivos electrónicos de vacío pueben cumplir con los estrictos requisitos de un desempeño confiable. mejora adicional al usar colectores deprimidos en multietapas (MSDC7), que pueden igualar de mejor manera la distribución de energía del haz gastado. La eficiencia total de los TWTs del estado del arte con MSDC es mayor al 70% [15], mientras que los TWTA típicos presentan eficiencias entre 50‐60%. La eficiencia típica de los SSPA es de aproximadamente 25‐30% [16]. La linealidad de un amplificador de potencia es siempre de mucha importancia. Para aplicaciones en comunicaciones, los TWTAs desde siempre se han considerado dispositivos de pobre linealidad comparados con los SSPA. La creencia generalizada es que un TWTA debe operarse unos 3‐4 dB debajo de saturación para alcanzar el mismo nivel de linealidad que un SSPA. Esta aseveración es incompleta. En [16] se indica que el consumo de potencia de un TWTA es generalmente menor al de un SSPA de sólo la mitad de la potencia RF. Como resultado, para amplificadores del mismo consumo total de potencia, un TWTA tiene generalmente mayor potencia lineal disponible que un SSPA para la mayor parte de la banda de frecuencia. Los dos amplificadores presentan el mismo desempeño en linealidad únicamente para aplicaciones de baja potencia y baja frecuencia. Aún más, la linealidad de un TWTA se puede mejorar mucho más que la de un SSPA con el uso de linealización. Como resultado, una mayor parte de la potencia de RF que el TWTA pierde al operar con potencia de salida reducida está disponible como potencia lineal.
Figura 5. Potencia típica para amplificadores de alta potencia usados en comunicaciones satelitales comerciales, incluyendo amplificadores de onda viajera (TWTA), amplificadores de potencia klistrón (KPA), y amplificadores de potencia de estado sólido (SSPA). 41 IEEE microwave magazine
La ventaja en potencia de los tubos de onda viajera sobre los amplificadores de potencia de estado sólido es significativa, especialmente en las bandas de más alta frecuencia. La linealización por predistorsión es una técnica sencilla y eficiente para mejorar el desempeño de ambos TWTAs y SSPA [17]. Su efectividad en TWTAs es mayor como consecuencia de su lento transitar a saturación y su más alta no‐linealidad. Se ha demostrado que al aplicar linealización de quinto orden, se pueden alcanzar compresiones de ganancia de menos de 1 dB en saturación, de tal manera que la curva de transferencia combinada se aproxima a la de un limitador lineal ideal [18]. Como consecuencia, la necesidad de operar debajo de saturación se reduce significativamente al aprovechar las ventajas de la mayor eficiencia cerca de saturación. El efecto de la menor eficiencia al operar considerablemente debajo de saturación para lograr linealidad puede ser mitigado al rediseñar el circuito helicoidal para lograr compresión de ganancia y cambio de fase reducidos. También puede ser mitigada al reoptimizar el MSDC (ambos el diseño del colector y los voltajes comprimido) para acercarse más a la distribución de energía del haz gastado en operación muy por debajo de saturación. Esto aumenta la eficiencia del colector, y por lo tanto, la eficiencia total. Usando esta técnica, se han logrado TWTAs para bandas L y S, con potencias de salida de 200‐300 W, y eficiencias de 25‐40%, y razones de portadora de ocho tonos a intermodulación en niveles de ‐70 dBc. Este desempeño es una mejora considerable sobre sistemas de estado sólido con la misma fidelidad y el doble de eficiencia de los SSPA [19]. Recientemente, se ha investigado un nuevo régimen de operación de los TWT, hasta ahora no explorado, basado en la interacción transversal de un haz de electrones con un circuito polarizado circularmente [20]. Se predijo que un TWT transversal para banda C podría ser más eficiente y más lineal — un valor de 12 dB más pequeño para la razón de señal portadora a intermodulación— que un TWT longitudinal convencional con una potencia de saturación comparable. Este tipo de TWTAs, de ser factibles, podrían cubrir los estrictos requisitos para comunicaciones de alta tasa de datos. La última década también ha visto un gran avance en el desempeño de TWTs helicoidales. Estos dispositivos tienen aplicaciones críticas en comunicaciones de altas tasas de datos, radar de alta resolución, y electrónica militar de gran ancho de banda. Por ejemplo, en [21], se reporta un desempeño IEEE microwave
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sobresaliente para un TWT helicoidal en bandas C y X con 25 kW y 8 kW de potencia pico para aplicaciones de radar. Para aplicaciones en comunicaciones, se han demostrado TWTs helicoidales compactos (aproximadamente 1.6 kg), para la banda Ka (30 GHz) con 500 W de potencia de onda continua (cw) y eficiencia de 55%, y para banda Q (44 GHz) con 230 W de potencia cw y eficiencia de 43% [22]. Un factor de suma importancia en las mejoras de TWTs para ondas milimétricas es el uso de una metodología de diseño basada en simulaciones. Esta metodología de diseño depende fuertemente del conjunto de códigos que se han desarrollado recientemente para dispositivos electrónicos de vacío [23]‐[25]. Un TWT de cavidad acoplada usa un circuito de onda lenta que es mecánica y térmicamente más robusto que un helicoide. Una estructura de cavidad resonante es generalmente más grande en tamaño que una estructura de hélice para la misma frecuencia. Por lo tanto, puede proveer mayor potencia a la misma frecuencia u operar a mayores frecuencias que un TWT helicoidal. Un ejemplo es el TWT de cavidad acoplada Millitron, de Communication Power Industries, Inc. [26]. Puede producir 3 kW de potencia pico y una potencia promedio de 300 W en la banda W.
Estado Actual de Módulos de Potencia para Microondas y Ondas Milimétricas El MPM [27], [28] es un ejemplo de lo que Robert Symons llama Tecnología Apropiada [29]. En el caso de un amplificador de potencia compacto para microondas u ondas milimétricas, de bajo ruido y alta eficiencia, la tecnología apropiada a usarse es una etapa de amplificación de entrada de estado sólido y una etapa de salida de vacío. Esta partición de ganancia entre estado sólido y electrónica de vacío es lo que define a los MPM. Cuando éstos se casan con electrónica condicionante de potencia miniaturizada, se tiene como resultado un amplificador modular de RF de alta densidad de potencia, que puede proveer 100 W y más en la banda de microondas y sobre 50 W en la banda milimétrica. El desempeño combinado en tamaño, peso, eficiencia, ancho de banda y nivel de ruido, no puede ser alcanzado con cualquiera de las tecnologías constituyentes independientemente. Debido a su pequeño tamaño y alta eficiencia, el MPM es particularmente adecuado para aplicaciones de recursos limitados, incluyendo comunicaciones (inalámbricas), radar, y electrónica militar. Un módulo de potencia para ondas milimétricas (MMPM), como su nombre sugiere, es simplemente un MPM diseñado para operar en las bandas de frecuencia milimétricas. Se han desarrollado MMPMs para ambas bandas Ka y Q. En la Figura 6 se muestra una fotografía de un MMPM de primera generación Diciembre 2009
para banda Ka. En la unidad mostrada, un amplificador de estado sólido de arseniuro de galio (GaAs) de potencia nominal de 100 mW, maneja un TWT helicoidal compacto de aumento de potencia de bajo voltaje (cerca de 7 kV). El MMPM provee una potencia de salida de 40 W de 26 a 40 GHz (con 50 W en la banda de comunicaciones de 30‐31 GHz) en un empaque enfriado por conducción de 19.0 cm X 21.6 cm X 3.2 cm, que pesa 2.7 kg. El módulo mostrado opera con una fuente de entrada de 28 V dc, requiriendo 300 W (máx.); sin embargo, otros formatos de potencia principal, incluyendo 270 V dc y 115 V ac trifásico, son posibles. Todo el alto voltaje está autocontenido en el módulo.
Figura 6. Un módulo de potencia de microondas de 40 W para banda Ka con sus componentes/subensambles identificados. SSA: amplificador de estado sólido. TWT: tubo de onda viajera. La cubierta del módulo de potencia de microondas ha sido removida. Desde su desarrollo inicial en la década de los 90s, los MPM han visto avances importantes en desempeño y funcionalidad. MMPMs de segunda generación para bandas Ka y Q, actualmente en desarrollo por L‐3 Communications Electron Devices, proveen el doble de potencia de salida (100 W) con casi el doble de eficiencia (33%) comparados con los diseños de primera generación. Estos avances son el resultado del uso al mayoreo de modelado y simulación avanzados en el diseño de componentes [23], [24], así como de la continua progresión en la tecnología miniaturizada de TWTs de colector multietapa, y mejoras incrementales en la eficiencia del condicionamiento de potencia. Interesantemente, aunque la potencia de los MPMs y MMPMs de segunda generación se ha duplicado, su tamaño y peso no han aumentado en la misma proporción. El resultado es un aumento en densidades de potencia de RF, 1.4 veces la densidad de potencia (W/volumen) y 1.6 veces en densidades de potencia específica (W/masa), sobre el desempeño de la primera generación. Diciembre 2009
Las directrices futuras en el desarrollo de módulos de potencia apuntan hacia la evolución continua del desempeño y funcionalidad de módulos de potencia para microondas. La adición de un predistorsionador lineal miniatura [30] en la cadena RF del MPM tiene como resultado un aumento en la potencia lineal nominal de dos y media veces (sobre la operación sin el linealizador) y un aumento asociado en la eficiencia nominal de un factor de dos. Estas mejoras en el desempeño lineal son importantes para aplicaciones digitales y en comunicaciones con múltiples portadoras. Las directrices futuras en el desarrollo de MPMs y MMPMs apuntan hacia la evolución continua del desempeño y funcionalidad de los MPMs. En el dominio de la potencia‐frecuencia, ya se vislumbra operación en modo dual de gran ancho de banda cubriendo las bandas Ka y Q con sólo un MPM de un solo TWT. Al irse moviendo más alto en frecuencia, MPMs compactos para banda W, que provean 100 W para radar y comunicaciones, son vistos como los habilitadores de la explotación de aplicaciones para esta región del espectro electromagnético. La funcionalidad de los MPMs seguirá aumentando. La mayor parte de este aumento se deberá a niveles de integración más altos, como los mostrados por el transmisor MPM (MPM‐T). El MPM‐T es un ensamble de MPMs que provee enfriamiento integral, muestreado de potencia en inversa y directa, linealización, filtrado de interferencia armónica y electromagnética (EMI), control de interfaces seriales, y conversión hacia arriba opcional de la señal de entrada. El MPM‐T, por lo tanto, le provee al usuario del sistema un subensamble integral que aún así conserva todos los atributos deseables del desempeño de un MPM. Una comparación de amplificadores de estado sólido y MPMs enfriados por aire comprimido para 75‐100 W, demuestra que el MPM‐T es dos veces más pequeño, más ligero y más eficiente que un SSPA equivalente. Finalmente, y aunque sea una sorpresa para algunos, se espera que la confiablidad del MPM‐T esté a la par, si no mejor, que la un SSPA. La potencia de salida de una muestra de MPMs y MMPMs se presenta en la Figura 7.
Estado Actual de los Amplificadores Klistrón Los klistrones operan en frecuencias de UHF hasta ondas milimétricas. Tienen alta ganancia, rango dinámico, eficiencia y bajo ruido, aunque con anchos de banda relativamente angostos, comparados con TWTAs. Entre las muchas aplicaciones para los 43 IEEE microwave magazine
klistrones destaca su uso como el caballo de batalla para transmisores de alta potencia en difusión terrestre y comunicaciones satelitales. Los continuos desarrollos técnicos han reafirmado su dominio. En [31], al incorporar MSDC, la eficiencia en saturación de un klistrón de 2.4 kW, diseñado para la banda de difusión directa satelital (DBS), aumentó de 24% a 40%. Esta mejora puede resultar en ahorros de más de $10,000 USD en costos de energía por año. Esta tecnología de MSDC ha hecho posible que el klistrón GEN IV de Communications & Power Industries (CPI’s) haya capturado el 95% del mercado de amplificadores de potencia de klistrones (KPA) para enlaces satelitales de comunicaciones [32]. La potencia típica disponible para amplificadores de comunicaciones comerciales klistrón también se muestra en la Figura 5.
Figura 7. Potencia de salida promedio para una muestra de módulos de potencia de microondas (MPMs). Los diamantes representan MPMs con ancho de banda menor a 0.5 de octava; los cuadrados son MPMs con ancho de banda de una octava; los triángulos corresponden a MPMs con ancho de banda mayor a 1.5 octavas. Para muchas aplicaciones un klistrón está limitado por alto voltaje, reducido ancho de banda, y potencia decreciente en altas frecuencias. Se han desarrollado dos tecnologías notables para atacar estos puntos: El klistrón de interacción extendida (EIK8) y el klistrón de haz múltiple (MBK). En el EIK, una o más de las cavidades del klistrón son reemplazadas por estructuras que contienen más de una brecha de interacción. Comparados con los klistrones convencionales, los EIK tienen un mayor ancho de banda y un nivel de potencia mayor debido a la interacción distribuida. El desarrollo más interesante de los EIKs ha sido en la banda de frecuencia milimétrica [33]. Existen EIKs disponibles para frecuencias desde la banda Ka hasta la banda G. Por ejemplo, un EIK es capaz de entregar una potencia promedio de 400 W a 95 GHz, y 9 W (cw) a 218 GHz [34]. Los MBKs ofrecen las ventajas de menor tamaño y IEEE microwave
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peso, y mayor ancho de banda comparados con los klistrones de un solo haz. En Rusia se han desarrollado extensivamente dispositivos de múltiples haces [35]. Es muy probable que el mayor nivel de compactamiento haya sido alcanzado por ISTOK (Rusia), quienes desarrollaron un MBK para banda Ku capaz de entregar 0.4 kW de potencia pico (133 W promedio), que pesa únicamente 400 g, incluyendo el imán.
Avances en la Linealización de TWTAs de Banda Ancha Ha habido un gran progreso en la linealización de TWTAs durante los últimos cinco años. La linealización se logra todavía principalmente por medio de predistorsión, debido al mayor ancho de banda y mayores eficiencias que se pueden alcanzar con esta forma de linealización. Linealización, analógica y digital (basada en el procesamiento digital de señales) se aplica ahora a TWTAs. La linealización digital ofrece la ventaja de una corrección casi ideal de la respuesta de transferencia. Una razón de portadora de dos tonos a intermodulación de más de 50 dB se puede obtener con un TWTA a 3 dB de potencia de salida debajo de saturación.
Figura 8. Se puede usar una configuración push‐pull para minimizar la distorsión de orden par de ambos el linealizador y el tubo amplificador de onda viajera. NLG: generador no‐lineal.
Figura 9. Desempeño de un amplificador de tubo de onda viajera linealizado de banda ancha (LTWTA). Razón de portadora a intermodulación (C/I) contra reducción de potencia de saturación (OPBO).
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La limitante más importante de la linealización digital es el ancho de banda. Aunque ahora ya es posible procesar digitalmente señales con anchos de banda mayores a 1 GHz, los anchos de banda prácticos son de 100 MHz o menores, debido a las limitantes relacionadas con la complejidad, costo y consumo de potencia de los componentes digitales disponibles.
Figura 10. Razón de portadora a intermodulación (C/I) de un módulo de potencia de microondas cuádruple linealizado (L‐MMPM) contra reducción de potencia de saturación (OPBO). Ha habido un significativo progreso en la extensión del ancho de banda de la linealización analógica. No fue hace mucho que un ancho de banda de 20% se consideraba grande. Hoy en día, anchos de banda multioctava y multi GHz han sido alcanzados [36]. Para amplificadores de una octava o mayor ancho de banda, productos de distorsión de ambos órdenes, par e impar están presentes, así como intermodulación y distorsión armónica Un linealizador debe corregir ambos para alcanzar una respuesta lineal. La distorsión de orden par puede ser minimizada con una estructura push‐pull. Un enfoque es el uso de TWTs push‐pull para minimizar la distorsión de orden par del amplificador. Ya que los generadores no‐lineales que se usan para corregir distorsión por intermodulación de orden impar también producen algo de distorsión de orden par que contribuye a la distorsión global del amplificador de potencia, una arquitectura push‐pull también se tiene que usar. Este enfoque de diseño se muestra en la Figura 8, que muestra un linealizador push‐pull y un amplificador de potencia push‐pull. Si se requiere una mayor supresión se puede usar un generador no‐lineal de orden par para mitigar la no‐idealidad de orden impar. La Figura 9 muestra datos medidos de un LTWA en el rango de 10‐18 GHz. Para muchas aplicaciones de alta potencia y gran ancho de banda, no se requiere de un gran desempeño en todo el rango de operación en frecuencia, pero sí en bandas específicas. Para estas aplicaciones, linealizadores multibanda pueden proveer un mejor Diciembre 2009
Los klistrones de haces múltiples ofrecen las ventajas de voltaje de haz reducido, tamaño y peso reducidos, y un mayor ancho de banda. desempeño que un solo linealizador de ancho de banda grande. Se han desarrollado linealizadores de dos y tres bandas, y están en producción para las bandas C, X y Ku. Este enfoque usa dos o tres módulos predistorsionadores independientes, que se pueden conmutar entre amplificadores de entrada y salida comunes. Usando este enfoque, cada predistorsionador se puede alinear para lograr un desempeño óptimo para una banda específica de frecuencia. El desempeño de la razón de portadora a intermodulación alcanzado por un LTWTA experimental tetra banda se muestra en la Figura 10. Con los TWTAs en general, mientras más angosto sea el ancho de banda, más alta será la mejora que se pueda lograr con linealización, aunque se pueden
lograr mejoras sustanciales sobre amplios anchos de banda continuos de más de una octava.
Tendencias Futuras en la Investigación en Electrónica de Vacío Aplicaciones nuevas, tales como comunicaciones de datos a altas tasas, radar de alta resolución, e imágenes activas en las bandas milimétricas y submilimétricas, requieren de la disponibilidad de fuentes compactas de potencia a estas frecuencias, lo que será la fuerza de empuje de la investigación en la electrónica de vacío en el futuro cercano. Los dos programas actuales de la Agencia de la Defensa para Proyectos de Investigación Avanzados (DARPA; Defense Advanced Research Project Agency) para desarrollo de tecnologías de amplificadores en estas frecuencias son HiFIVE y Electrónica de Terahertz. HiFIVE está desarrollando amplificadores a 220 GHz, y Electrónica de Terahertz a 670, 850, y 1,030 GHz. Ambos incluyen tecnologías electrónicas de vacío. Los requisitos que van emergiendo continuarán empujando el campo de la electrónica de vacío a nuevos niveles de desempeño como resultado de los avances en áreas tales como las nuevas herramientas para el modelado y la simulación basadas en principios físicos, cátodos innovativos, y nuevas técnicas de fabricación. Haces de electrones distribuidos espacialmente, tales como las topologías de haces múltiples, y los haces laminares, apoyados en microfabricación y refinamientos en materiales, medio magnéticos, y fuentes de electrones, contribuirán a aumentar las oportunidades. Los avances en las fuentes de poder muy bien podrían ser el próximo paso importante en la reducción de dimensiones. 45 IEEE microwave magazine
Si los amplificadores electrónicos de vacío se pueden desarrollar a manera de explotar totalmente las capacidades del cátodo frío, se podrán realizar nuevas metas de desempeño en su operación.
distinta de cero. Si el campo eléctrico superficial y la distorsión de la barrera en el vacío son lo suficientemente elevados, entonces la probabilidad de tuneleo aumenta hasta niveles que permiten que una corriente suficiente en el vacío sea extraída.
Algunos ejemplos de estos esfuerzos de investigación se ofrecen en las siguientes secciones.
Cátodos Fríos para Amplificadores Electrónicos de Vacío El cátodo está en el corazón de cada amplificador electrónico de vacío para RF, proveyendo la potencia para la circuitería de intercambio de energía que convierte la energía cinética de los electrones en energía de una onda electromagnética en propagación. El único propósito del cátodo es crear un haz de electrones de alta energía que viaja en el vacío en relativa proximidad a la circuitería RF del dispositivo. La tecnología actual emplea casi exclusivamente cátodos termoiónicos —es decir, compuestos metálicos que se calientan de diversas formas hasta cerca de los 1,000 °C. A estas temperaturas, los electrones que normalmente están fijos a la red metálica del cátodo, pueden ser removidos de la superficie si sus energías térmicas exceden la barrera de potencial del vacío del cátodo. Este método de crear haces de electrones libres en el vacío se ha empleado continuamente por más de 60 años. La mecánica cuántica, sin embargo, mantiene la promesa de alterar fundamentalmente el método usado para crear haces de electrones libres en el vacío —uno que permita un revolucionario desempeño para los dispositivos que lo usan. Estos cátodos fríos no requieren de electrones con altas energías para la emisión de haces, y en su lugar se basan en el tuneleo cuanto‐mecánico a través de la barrera de potencial en el vacío, una barrera alterada por la creación de un campo eléctrico elevado en la superficie del cátodo. La Figura 11 muestra el diagrama de energía potencial de los electrones en la superficie de un cátodo termoiónico y uno frío, ambos a temperatura ambiente. En el caso del cátodo termoiónico, sin la energía adicional qe los electrones están ligados a la superficie del cátodo, y no pueden escapar al vacío. La energía adicional requerida debe provenir del calentamiento del cátodo por medios externos. En el caso del cátodo frío, no se cuenta con energía térmica adicional. En cambio, la forma de la barrera de vacío es alterada por medio de la aplicación de un campo eléctrico elevado en la superficie del cátodo. La barrera no es reducida a cero, sin embargo, y el cátodo hace uso del tuneleo cuanto‐mecánico a través de la barrera, lo que permite el tránsito de electrones a través de la zona prohibida con una probabilidad IEEE microwave
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Figura 11. Diagrama de energía para un cátodo termoiónico y un cátodo frío. El alto campo eléctrico superficial del cátodo frío distorsiona la barrera de potencial y permite tuneleo.
Figura 12. Geometría superficial del cátodo para (a) cátodo termoiónico, (b) subestructura microfabricada para un cátodo frío con una película dieléctrica para aumentar el campo, y (c) cátodo frío microfabricado con película dieléctrica y emisor cónico para aumentar el campo. Para crear los altos campos necesarios en la superficie del cátodo, se han desarrollado nuevos métodos de fabricación del cátodo que reemplazan los compuestos metálicos del cátodo termoiónico con un substrato de silicio microfabricado, en el cual se forman varias estructuras que aumentan el campo eléctrico. En la Figura 12 se comparan la geometría superficial y los valores del campo eléctrico para (a) un cátodo termoiónico, (b) un cátodo frío microfabricado con una película dieléctrica para aumentar el campo, y (c) un cátodo frío microfabricado con una película dieléctrica y un emisor cónico para aumentar el campo. La película dieléctrica aumenta el campo unas 100 veces sobre el valor del cátodo termoiónico, y los emisores cónicos Diciembre 2009
añaden un factor adicional de 10‐100 veces en la punta del cono, creando campos eléctricos que eventualmente exceden el valor de umbral para emisión de electrones en el vacío a temperatura ambiente.
Figura 13. Conceptualización de un arreglo de cátodos fríos.
Figura 14. Fotografía de un tubo de onda viajera de cátodo frío de 100 W. Los emisores cónicos de la Figura 12 (c) tienen dimensiones de micras, y típicamente, cada uno produce corrientes en el vacío de 1‐10 mA. Su reducido tamaño y el uso de técnicas de microfabricación permite la manufactura de arreglos grandes de estos emisores (104‐105) en substratos para el cátodo muy pequeños, típicamente más de un orden de magnitud más pequeños que un cátodo termoiónico capaz de producir la misma corriente total. La Figura 13 muestra la realización típica de un arreglo de cátodos fríos. A diferencia de un cátodo termoiónico, la estructura del cátodo es relativamente sencilla. La aplicación de unos 100 V a través del substrato del cátodo es suficiente para extraer un haz con corriente total. Esta sencilla implementación elimina totalmente la estructura de calentamiento del Diciembre 2009
cátodo y el soporte necesario para la operación de su contraparte térmica. El desarrollo de dispositivos para microondas usando cátodos fríos como los mostrados en las figuras 12 y 13 ha sido constante en los últimos 15 años [37]‐[41], con niveles de desempeño en aumento continuo a lo largo de este período. En el último año, un desempeño muy cercano al requerido para su uso en sistemas de microondas reales ha sido alcanzado por un TWT de cátodo frío desarrollado por L‐3 Communications Electron Devices, en San Carlos, California [42], con cátodos desarrollados por SRI International en Menlo Park, California [43]. La Figura 14 muestra una fotografía del dispositivo, incluyendo el cañón de electrones de cátodo frío y la circuitería de amplificación de RF. La potencia en RF y la eficiencia de desempeño del TWT de cátodo frío se muestra en la Figura 15 para valores de corriente variando de cero hasta el valor máximo de operación del dispositivo. El TWT demuestra operación a 100 W y 5 GHz, 22 dB de ganancia en saturación, ganancia de pequeña señal de 33 dB, corrientes de haz de hasta 0.120 A, y ciclos de trabajo de hasta 10%. Estos parámetros de operación son relevantes para algunas aplicaciones existentes en comunicaciones, enlaces de datos y radar. Si se pueden desarrollar amplificadores de electrónica de vacío como los mostrados en las figuras 14 y 15 a manera de poder explotar por completo las capacidades del cátodo frío, se podrían alcanzar nuevas metas de desempeño de operación. El cátodo frío tiene el potencial para afectar todos los aspectos de operación, incluyendo la frecuencia máxima del dispositivo, vida media y confiabilidad, tiempo de encendido rápido, máxima velocidad de modulación, tamaño, linealidad y eficiencia. Por su tamaño miniatura, los cátodos fríos hacen posible la operación a altas densidades de corriente, sin los mecanismos inherentes a los dispositivos termoiónicos que limitan el tiempo de vida; esta característica es aún más importante para los años venideros, en fuentes compactas de alta frecuencia. La operación a temperatura ambiente elimina el complicado diseño del cañón de electrones y las tecnologías de manufactura requeridas para calentar el cátodo a los 1,000 °C necesarios, limitando el aumento en temperatura y la expansión térmica diferencial del material que rodea el cañón. El encendido instantáneo también es posible con dispositivos que usan cátodos fríos. Las escalas de tiempo para el encendido de un cátodo frío desde apagado hasta totalmente encendido se reducen en varios órdenes de magnitud, ya que el cátodo termoiónico responde en escalas de tiempo de difusión térmica, de segundos, mientras que el cátodo frío responde en escalas de carga de voltaje, del orden de nanosegundos. Adicionalmente, el voltaje de encendido de estos cátodos es un orden de magnitud 47 IEEE microwave magazine
menor al del cátodo termoiónico de electrodo modulado, por lo que se reduce el requisito del voltaje de modulación y aumenta la razón de modulación, ambos en un orden de magnitud. La importancia de, y los beneficios derivados del uso del cátodo frío dependen de la aplicación en mente, aunque el potencial de esta recientemente desarrollada tecnología para cambiar los límites del desempeño de los dispositivos de vacío para RF es evidente.
Amplificadores de Haz Laminar Los amplificadores de haz laminar para ondas milimétricas ofrecen la perspectiva de mayor potencia y potencia específica (potencia de salida por unidad de peso y volumen) que lo que se puede obtener con dispositivos comparables de un solo haz, porque pueden transportar una mayor cantidad de corriente en el circuito a un voltaje dado. Esta ventaja es de particular importancia conforme aumenta la frecuencia de operación de los amplificadores electrónicos de vacío hasta 100 GHz y más, ya que las dimensiones del túnel de electrones, así como la estructura de onda lenta, se escalan de acuerdo con la longitud de onda, . En un dispositivo de un solo haz, el haz debe de tener un diámetro de /10 o menor. Las fuerzas asociadas a la carga espacial, y los efectos de la temperatura en el haz, limitan fundamentalmente la corriente que puede ser transportada por un haz con un diámetro tan pequeño, por lo tanto limitando la potencia que puede ser generada. La densidad de potencia del campo electromagnético que puede ser tolerada por la estructura y acopladores de interacciones haz‐onda también está limitada por efectos de rompimiento y calentamiento, imponiendo una limitante adicional en la potencia de salida conforme el volumen de estas estructuras disminuye con un aumento en la frecuencia. Empíricamente, la potencia de salida varía aproximadamente con 3. Para solventar estas limitantes y a la vez conservar las muchas características positivas de los amplificadores de onda lenta o de onda estacionaria, es necesario aumentar de alguna manera la sección transversal del haz y el volumen de interacción haz‐onda. Los haces laminares proveen una solución. Un ejemplo de una estructura laminar se muestra en la Figura 16. Los dispositivos de haz laminar también son atractivos porque la topología planar es relativamente simple de fabricar. Esto es particularmente importante a frecuencias milimétricas y de terahertz, donde las muy pequeñas dimensiones y tolerancias pueden ser logradas mediante técnicas litográficas de microfabricación tales como litografía, galvanoplastia, y moldeado y grabado profundo con iones reactivos. Sin embargo, el exitoso desarrollo e implementación de dispositivos de haz laminar también presenta IEEE microwave
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Los amplificadores para ondas milimétricas de haz laminar ofrecen la perspectiva de una mayor potencia de la que se puede alcanzar con dispositivos de un solo haz. algunos retos difíciles, que hasta ahora han severamente limitado la realización de esta tecnología. De hecho, se ha buscado tener amplificadores de haces laminares por más de 50 años [44], pero, en general, todavía se tienen que demostrar como una alternativa práctica a los dispositivos de un solo haz. Hay una cantidad de razones para explicar este difícil desarrollo. De entrada, y posiblemente la más fundamental, es que la ventaja del haz laminar sólo es válida si se puede mantener una corriente de electrones de aproximadamente el mismo valor que el equivalente de un solo haz, y esto es muy difícil como consecuencia de las inestabilidades en el potencial del haz laminar, efectos de borde y fallas en la uniformidad. Un alto grado de uniformidad para ambos, el haz y el campo de RF, es necesario a lo largo del ancho del haz para lograr una fuerte y eficiente interacción haz‐onda. Adicionalmente, los circuitos para interacción con el haz laminar son intrínsecamente de sobre‐modo, y los errores de fabricación o fallas pequeñas en la alineación del haz con respecto a la circuitería puede causar la excitación de modos no deseados. En consecuencia, dos obstáculos mayores que tienen que ser remontados para que los amplificadores de haz laminar puedan alcanzar su pleno potencial son: 1) La formación y transporte del haz con la suficientemente alta perveancia y uniformidad, y 2) el diseño y fabricación de circuitos de interacción adecuados, y la ejecución de ambos con un alto grado de precisión. La mayor parte de la investigación sobre haces se ha enfocado en el transporte magnético, utilizando imanes permanentes periódicos [45], [46]. Una configuración así es relativamente ligera y compacta, y el transporte estable del haz se puede lograr en una longitud relativamente grande. La principal desventaja del enfoque por imanes permanentes periódicos es que impone un valor mínimo del voltaje para lograr la estabilidad del haz, que por lo general es mucho más alto que lo deseable desde el punto de vista del sistema. La alternativa de enfoque magnético usando un campo uniforme o solenoidal puede proveer una magnitud de campo significativamente más alta (y por lo tanto, mayor enfoque), usando imanes permanentes en lugar de imanes periódicos, pero esta técnica usualmente se ha evitado debido a las inestabilidades potenciales [47].
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Figura 15. Potencia medida para un tubo de onda viajera de cátodo frío y datos del desempeño en eficiencia.
Figura 16. Estructura de onda viajera de cavidad acoplada y haz laminar, con vista expandida de una celda. Para determinar la mejor técnica de transporte para un haz laminar, estas consideraciones de estabilidad tienen que ser combinadas con la ecuación de la envolvente del haz, que determina la magnitud del campo magnético requerida para balancear las fuerzas extrusivas de la carga espacial y la temperatura del haz. Para dispositivos de haz laminar de voltajes relativamente bajos (