Generazione di microonde
Corso di Componenti e Circuiti a Microonde
Ing. Francesco Catalfamo
11 Dicembre 2006
Indice
Generazione di potenza a microonde
Bassa e media potenza: dispositivi a stato solido
Alta potenza: klystron e magnetron
Eccitazione in guida d’onda
Fino ad ora si è considerata la propagazione, la riflessione e la
trasmissione di onde guidate in assenza di sorgenti, ma ovviamente le
guide d’onda e le linee di trasmissione devono essere accoppiate ad un
generatore o ad altre sorgenti di potenza.
Per linee TEM o quasi-TEM, esiste solitamente un solo modo propagante
che può essere eccitato da una data sorgente.
Nel caso delle guide d’onda, è possibile eccitare vari modi propaganti, con
i modi evanescenti che immagazzinano energia.
L’eccitazione in guida d’onda può avvenire mediante linee di
alimentazione a probe, a spira o mediante accoppiamento con aperture.
Eccitazione in guida d’onda
Una probe di corrente
uniforme in una guida
d’onda rettangolare.
Applicazione della teoria delle immagini ad un anello
(spira) nella parete terminale di una guida d’onda.
Eccitazione in guida d’onda
Varie configurazioni di guide d’onda e linee di trasmissione che sfruttano l’accoppiamento
mediante apertura: (a) accoppiamento tra due guide d’onda mediante un’apertura nella
parete comune; (b) accoppiamento di una cavità mediante un’apertura in un muro trasverso;
(c) accoppiamento tra due linee in microstriscia mediante un’apertura nel comune piano di
massa; (d) accoppiamento da una guida d’onda ed una stripline mediante apertura.
Dispositivi a stato solido
I dispositivi allo stato solido per la generazione di segnali si classificano
in due categorie, a seconda che siano dispositivi a due porte caricati,
oppure dispositivi ad una porta, detti spesso impropriamente diodi.
Fra i diodi a microonde più significativi vi sono i diodi Gunn, detti anche
TED (Transferred Electron Devices) e i dispositivi ad effetto di tempo di
transito (TTD, Transit Time Diodes).
I diodi Gunn (TED) non contengono alcuna giunzione pn, ma nelle forma
più semplice sono costituiti da una sbarretta di GaAs oppure di InP o di
GaSb di lunghezza e drogaggio opportuni.
Il diodo Gunn sfrutta, per l’innesco di oscillazioni, la caratteristica
velocità campo comune a molti materiali semiconduttori composti, ossia
la presenza di una zona a mobilità differenziale negativa.
Dispositivi a stato solido
Curve velocità-campo degli elettroni per alcuni semiconduttori
utilizzati nel campo delle microonde e onde millimetriche.
Dispositivi a stato solido
Tale caratteristica rende possibile la creazione di dipoli di carica, detti
domini, che viaggiano nel campione a velocità costante, dando così luogo
alla presenza di oscillazioni periodiche dominate dal tempo di transito
attraverso la struttura.
Le oscillazioni si sviluppano quando il diodo è sottoposto ad una
polarizzazione continua opportuna.
Un altro dispositivo basato su una caratteristica, questa volta esterna
(tensione-corrente) a resistenza differenziale negativa è il diodo tunnel,
diodo pn molto drogato che presenta una caratteristica VI a conduttanza
differenziale negativa tra 0.1 e 0.3 V circa.
Inserito in un circuito opportuno il diodo tunnel fornisce l’innesco di
oscillazioni e genera potenza a microonde con caratteristiche di basso
rumore ma anche di bassissima potenza (limitata dalla bassa escursione di
tensione e di corrente).
Dispositivi a stato solido
I dispositivi ad effetto di transito (TTD) si basano sul ritardo che i
portatori di carica subiscono in una regione del dispositivo in cui questi
viaggiano a velocità circa costante (regione di tempo di transito).
Tale tempo di transito ritarda la corrente esterna del dispositivo rispetto
alla tensione di pilotaggio in modo tale che ai morsetti il dispositivo
risulta attivo.
Per illustrare il fenomeno, si pensi ad un dispositivo costituito da un
resistore collegato ad un blocco di ritardo in grado di ritardare la corrente
ai morsetti di 180°.
Sottoposto ad una tensione sinusoidale, il resistore fornisce una corrente
i(t) sinusoidale che diventa ai morsetti esterni, dopo il ritardo:
i(t-T/2) = − i(t)
per una sinusoide di periodo T.
Dispositivi a stato solido
Pertanto il dispositivo nel suo complesso fornisce una corrente positiva
uscente, ossia si comporta come un generatore.
Fra i TTD si possono distinguere due categorie, a seconda di come sono
generati i portatori che subiscono poi il ritardo:
1.
Generazione attraverso iniezione di una barriera di potenziale: si
hanno i cosiddetti diodi BARITT (BARrier Injection Transit
Time) formati da un campione di semiconduttore drogato
terminato da due giunzioni metallo-semiconduttore; il
semiconduttore fornisce la regione di ritardo. Sono dispositivi a
potenza relativamente bassa ma anche a basso rumore.
Dispositivi a stato solido
2.
Generazione attraverso valanga: si hanno i diodi IMPATT e
TRAPATT, che sfruttano le oscillazioni prodotte da insiemi di
cariche generati per effetto valanga da una giunzione pn
polarizzata inversamente e ritardati da una regione nella quale le
cariche viaggiano a velocità costante (ossia presentano saturazione
di velocità). Per quanto il meccanismo di funzionamento di tali
dispositivi sia complesso, l’innesco di oscillazioni avviene
comunque in condizione opportune di polarizzazione continua. Si
tratta di dispositivi ad alta potenza ma anche ad alto rumore,
causato dalla presenza di fenomeni di valanga.
Dispositivi a stato solido
Caratteristica comune di tutti i dispositivi per la generazione di segnali è
che la potenza disponibile generata da tali oscillatori segue in frequenza
2
l’andamento approssimato:
⎛ f ⎞
Pdisp ( f ) ≈ ⎜ 0 ⎟
⎝ f ⎠
ove f0 è una frequenza caratteristica tipica di ogni dispositivo.
Al crescere della frequenza la potenza disponibile diminuisce quindi come
il quadrato della frequenza stessa, rendendo sempre più difficile la
realizzazione di sorgenti ad alta potenza (di carattere elettronico) nel campo
delle onde millimetriche.
La generazione di segnali può essere infine realizzata mediante dispositivi a
due porte (transistori) connessi in modo da formare un oscillatore.
I dispositivi utilizzati sono in sostanza gli stessi che si impiegano negli
amplificatori, ossia i dispositivi ad effetto di campo (MESFET, HEMT) e i
dispositivi bipolari (BJT, HBT).
Dispositivi a stato solido
Si può in generale concludere che la generazione di segnali con mezzi
elettronici è comunque in pratica confinata a frequenze dell’ordine dei
100 GHz, che del resto comprendono la maggior parte delle bande di
frequenza impiegate nei sistemi di comunicazione.
Dispositivi a due terminali coprono tipicamente tutta la banda, mentre i
transistori bipolari (a giunzione o a eterogiunzione) sono confinati a
frequenze inferiori a circa 20 GHz; frequenze superiori possono essere
generate da oscillatori a FET.
Dispositivi a stato solido
Caratteristica potenza-frequenza per alcuni dispositivi
per la generazione dei segnali a microonde.
Dispositivi a stato solido
Caratteristiche di rumore di alcuni dispositivi per
la generazione di segnali a microonde.
Modulazione di velocità
La velocità finita degli elettroni e la corrente indotta che essi producono
negli elettrodi di fronte ai quali si muovono – fenomeni che nei tubi
normali producono effetti dannosi – sono sfruttati quali effetti utili nei tubi
a microonde (klystron e magnetron).
Per rendersi conto di come detti effetti possano essere utilizzati, è
opportuno esaminare il fenomeno di induzione in un conduttore prodotto
da una carica in movimento.
Si consideri una carica negativa Q (ad esempio un gruppetto di elettroni)
che si muova con velocità costante nella direzione x, di fronte al sistema
di conduttori A, B collegati da un filo conduttore; essa desta una carica
positiva q nel conduttore più vicino e negativa nell’altro.
La carica q indotta in A varia da istante ad istante perché varia la distanza
tra Q e A; nel conduttore AB circola perciò una corrente i che ad ogni
istante ha il valore i = dq/dt.
Modulazione di velocità
In figura è mostrato come varia
la carica q di A durante lo
spostamento di Q da sinistra
verso destra ed il contemporaneo
andamento di i = dq/dt.
Se A, B ed il filo che li collega
fossero conduttori perfetti, alla
corrente i non corrisponderebbe
alcuna dissipazione di energia;
se invece nel tratto c’è una
resistenza, si ha dissipazione di
energia la quale non può che
essere fornita dalla carica Q in
movimento e di conseguenza
questa dovrà diminuire la sua
velocità.
A
i
B
x
Q
+
a
b
Carica di A
x
q
Corrente in AB
i
x
Interazione fra cariche in moto e conduttori.
Modulazione di velocità
Un caso molto interessante è quello in cui il sistema AB fa parte di un
circuito oscillatorio; in conseguenza della carica variabile indotta, questo
entra in oscillazione a spese della diminuzione di velocità di Q.
L’oscillazione naturalmente è smorzata, a meno che non giungano ad ogni
periodo, nel momento più opportuno, nuove cariche che, a spese della
diminuzione di velocità, apportino l’energia necessaria per il
mantenimento della oscillazione.
La massima diminuzione di velocità, e quindi la massima cessione di
energia al circuito, si ha se il periodo e la fase delle oscillazioni sono tali
che mentre Q si avvicina al piano a da sinistra, la tensione di A sia
negativa (e quindi si opponga al moto di Q, decelerandolo) e sia nulla
allorché Q attraversa il piano a; che A sia positivo e B negativo quando Q
si trova tra a e b; infine che B sia positivo allorché Q si allontana da b
verso destra.
Modulazione di velocità
In queste condizioni la carica Q in ogni istante si muove in un campo
elettrico antagonista e perciò perde velocità; la conseguente diminuzione
di energia corrisponde ad energia acquistata dal circuito oscillatorio.
Più in generale, tutte le volte che una carica si muove entro un campo
elettrico che tenda a rallentarla, la carica diminuisce la sua velocità
cedendo energia al campo elettrico; viceversa se il campo elettrico ha
direzione e verso tali da accelerare la carica, questa aumenta la sua
velocità, e quindi la sua energia, a spese del campo elettrico.
Un’interessante applicazione dell’interazione tra campi elettrici ed
elettroni è il sistema per modulare in velocità un fascio di elettroni, che
costituisce la base del funzionamento dei klystron.
Supponiamo che al posto della carica Q che si muove nella direzione x,
esista un fascetto di elettroni di velocità e densità costante, diretto secondo
l’asse x e, inoltre, fra A e B sia disposto un generatore di oscillazioni.
Modulazione di velocità
Se la velocità del fascio è scelta opportunamente, fra gli elettroni che
successivamente sfilano di fronte ad AB, ve ne saranno alcuni che
arrivano all’istante opportuno per ricevere continuamente energia, ma ve
ne saranno altri che invece sono continuamente sottoposti ad un campo
antagonista e cedono energia diminuendo la propria velocità; ve ne
saranno poi altri che si vengono a trovare in condizioni intermedie.
In definitiva la velocità degli elettroni del fascio risulta variata fra un
massimo e un minimo con la stessa legge delle oscillazioni: il fascio
risulta così, come suol dirsi, modulato in velocità.
Contemporaneamente il generatore cede energia agli elettroni la cui
velocità aumenta e ne riceve da quelli che sono decelerati, ma mediamente
in un periodo l’energia spesa è nulla (a parte le perdite).
Klystron
Il Klystron(1) è il prototipo dei tubi a modulazione di velocità; in esso i
circuiti risonanti fanno parte del tubo stesso e sono costituiti da risonatore
a cavità di tipo rientrante.
Essi sono essenzialmente risonatori cilindrici in cui una parte, B, della
base superiore è ravvicinata alla base inferiore, A; allorché il risonatore è
in oscillazione il campo elettrico alternativo nella zona compresa tra B ed
A è uniforme, come fra le armature di un condensatore piano.
Risonatore a cavità usato nei
klystron (sezionato).
B
ε
A
(1)
Il termine Klystron deriva dal verbo greco χλυζειν che significa “sollevare flutti, onde”.
Klystron
Nel klystron il disco B e la
parte della base inferiore ad
esso prospiciente hanno la
struttura
di
griglia
e
costituiscono gli elettrodi del
comando di velocità.
Un cannone elettronico, non
visibile in figura, dirige un
fascio di elettroni di velocità
V contro le griglie A e B,
tenute allo stesso potenziale
continuo dell’anodo del
cannone elettronico.
Risuonatore a cavità
(modulatore)
A
B
V
Griglie
x
Tubo di scorrimento
Spira di eccitazione
Particolari del sistema di modulazione di
velocità in un klystron.
Klystron
Il risonatore a cavità è in oscillazione, eccitato da un elettrodo immerso
nella cavità, collegato ad un generatore tramite cavo coassiale.
Il fascio che ha attraversato le griglie ed entra nel cosiddetto tubo di
scorrimento è modulato in velocità, cioè gli elettroni che lo compongono
hanno una velocità alternativamente maggiore e minore di V, col ritmo
impresso dalla oscillazione del risonatore a cavità.
Nel tubo di scorrimento gli elettroni mantengono la velocità acquistata;
accade però che gli elettroni accelerati tendono a raggiungere gli elettroni
che li hanno preceduti e che sono stati decelerati.
Ne risulta che gli elettroni, usciti uniformemente dalla griglia B, tendono a
raccogliersi a gruppetti, uno per ogni periodo dell’oscillazione modulante;
la modulazione di velocità si traduce dunque, entro il tubo di scorrimento,
in una modulazione di densità del fascio elettronico.
Klystron
Naturalmente gli elettroni veloci sopravanzano poi gli elettroni lenti e il
gruppetto si disfà; ma un altro se ne forma più lontano perché i medesimi
elettroni più veloci raggiungono quelli lenti entrati nel tubo di scorrimento
in un periodo precedente.
Si sfrutta la formazione dei gruppetti di elettroni (cioè la trasformazione
della modulazione di velocità in modulazione di densità) per prelevare
potenza dal fascio di elettroni.
Precisamente si dispone un risonatore a cavità, identico al modulatore,
colle griglie situate là dove si forma il primo gruppetto di elettroni.
Questo gruppetto transitando attraverso le griglie C e D cede energia al
risonatore, riducendo la propria velocità.
Dopo ciò gli elettroni hanno finito il loro compito; essi proseguono la loro
corsa e vengono raccolti da un elettrodo che, come la placca di un
ordinario triodo, li rimette in circolazione.
Klystron
Modulatore
Collettore
A
D
B
C
V
x
Cavi coassiali
Struttura schematica di un klystron
Magnetron
Il magnetron è un tipo di valvola termoionica (tubo a vuoto) ad alta
potenza destinata alla produzione di microonde coerenti.
Il magnetron è costituito da una camera con sezione circolare circondata
da lobi, in cui è stato effettuato il vuoto.
Al centro è collocato un filo mantenuto incandescente, il catodo, e ad un
potenziale elettrico negativo molto elevato, costante o impulsivo.
Parallelamente all'asse della camera è mantenuto un campo magnetico
prodotto da un magnete permanente.
Magnetron sezionato
Magnetron
Gli elettroni emessi per effetto termoionico dal filamento tendono a
muoversi verso le pareti della camera, mantenute a potenziale zero e
costituiscono l'anodo.
La presenza del campo magnetico però causa una curvatura nella loro
traiettoria per effetto della forza di Lorentz, portandoli a seguire un
percorso a spirale.
Sul perimetro della camera sono ricavate delle aperture opportunamente
spaziate e comunicanti con delle cavità.
Gli elettroni, raggiungendo il bordo delle cavità si riuniscono in fasci che
vibrano e producono un campo elettromagnetico ad alta frequenza.
Una parte di questo campo è prelevato da una speciale antenna connessa
ad una guida d'onda (un tubo metallico in grado di convogliare le
microonde), e da questa inviato al carico utilizzatore, che sia la camera del
forno a microonde oppure una antenna trasmittente.
Magnetron
Nell'immagine a destra è rappresentato
il moto che un elettrone uscente dal
filo centrale avrebbe in assenza di
campo magnetico (blu) e quello che
assume all'interno del magnetron
(rosso).
I punti gialli rappresentano le linee del
campo magnetico viste in sezione.
In marrone è rappresentata l'antenna.
Le frecce verdi rappresentano i campi
elettrico (freccia corta) e magnetico
(freccia circolare) che si instaurano nel
circuito RLC equivalente alla cavità.
Sezione schematica di un magnetron
Magnetron
La dimensione delle cavità determina la frequenza di risonanza e quindi la
frequenza delle onde radio prodotte.
Questa frequenza non è molto precisa né modificabile.
Questo non è un problema nelle applicazioni tipiche del magnetron, quali
il radar e la cottura dei cibi.
Ove sia richiesta precisione si usano altri dispositivi, per esempio il
Klystron.
La potenza irradiata dipende dalla tensione applicata e dalle caratteristiche
costruttive del tubo.
Magnetron
Nel forno a microonde la guida d'onda si collega con la camera di cottura
attraverso una finestra chiusa da un materiale trasparente alle microonde,
che ha la funzione di proteggere il magnetron dalla sporcizia.
Le microonde vengono quindi assorbite da diversi materiali tra cui l'acqua
contenuta nei cibi, trasformandosi in calore. Se le onde non vengono
assorbite subiscono una riflessione.
Le onde stazionarie che si creano, dissipano la loro energia innescando un
arco di plasma in prossimità dell'antenna del magnetron, distruggendola.
Per questo motivo è importante non fare funzionare il forno a vuoto, e se
si devono scaldare piccole quantità di materiale è opportuno collocare
all'interno della camera anche un bicchiere contenente acqua.
