laboratoriomicroondas_part1

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA

GUIA DE LABORATORIO

PARA LAS EXPERIENCIAS

DE MICROONDAS

PARTE I

ING. ARMANDO ALBERTO

CAJAHUARINGA CAMACO

CONTENDIDO

PROLOGO

FUNDAMENTOS DE LINEAS DE TRANSMISION Y

GUÍAS DE ONDA PARA ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS……………………......... 1

L1 CURVAS CARACTERISTICAS DEL OSCILADOR GUNN………………………… 12

L2 EXPLORAR EL CAMPO FRENTE A UN PLANO DE

CORTOCIRCUITO Y UNA TERMINACION DE GUIA DE ONDA……………………… 19

L3 SINTONIZACION MECANICA Y

MODULACION DEL OSCILADOR GUNN………………………………………………... 26

ANEXOS

Oscilador Gunn 737 01

Instrucciones de Servicio…………………………………………………………………. 38

Unidad de alimentación Gunn con medidor SWR 737 021


Línea de Medición Ranurada 737 111


PROLOGO

Los experimentos en el presente sistema de formación tienen por finalidad lograr diversos

objetivos de formación en paralelo:

(a) La comprensión de los efectos físicos que son de importancia en la tecnología de

microondas (por ejemplo, la difracción y la interferencia de las ondas electromagnéti-

cas, el efecto Gunn).

(b) La adquisición del conocimiento de la función de los componentes y sistemas impor-

tantes en la tecnología de microondas y los principios detrás de los métodos de reali-

zación de estas funciones mediante la explotación de fenómenos físicos (por ejem-

plo, la función de un acoplador direccional de guía de onda en los circuitos de micro-

ondas en la representación de "caja-negra" y la realización del acoplador direccional

que usa los efectos de acoplamiento electromagnético a través de agujeros).

(c) Adquisición de habilidades en las técnicas de medición y los principios para determi-

nar las propiedades de dispositivos de microondas (por ejemplo: medición del coefi-

ciente de reflexión con el principio de reflectómetro).

(d) Familiarizarse con las técnicas actuales de diseño de los distintos componentes y el

uso de estos en las aplicaciones prácticas (por ejemplo: aprender a instalar correc-

tamente un aislador de ferrita de guía de ondas en un circuito de microondas, el fun-

cionamiento de un transformador de tornillo deslizante para la adaptación de una

carga). Los componentes para la realización de experimentos con los objetivos antes

mencionados están todos diseñados en tecnología de guía de onda. La configuración

de placa placa-paralela (unidad MTS 7.4.3) son particularmente adecuados, porque

se pueden desmontar fácilmente y son extremadamente robustos.

Un discrepancia, sin embargo, había que considerar en el diseño de este sistema de for-

mación: por un lado, la tecnología de guía de onda es la más adecuada de todas las tec-

nologías con propósitos de experimentación, por otro lado, en el campo de los circuito de

radiofrecuencia, las tecnologías, con pocas excepciones, son cada vez más superadas

por la de circuitos integrados de microondas (MMIC) utilizando la tecnología de línea de

microcintas o coplanares. El resultado de esta discrepancia es el concepto de sistema de

enseñanza y entrenamiento basada principalmente en la tecnología de guías de onda, en

los que se dan a los fenómenos físicos y sus principios fundamentales de los elementos

técnicos y métodos de medición, se les da prioridad, independientemente del aspecto

físico de la línea de transmisión (guía e onda, línea coaxial, línea de microcinta, etc.).

Así, por ejemplo, el conocimiento ganado en experimentos con el oscilador Gunn usando

tecnología de guía de onda, permitirá a los estudiantes comprender un oscilador realiza-

do con tecnología de microcinta, ya que los principios fundamentales de la interacción de

los diversos elementos semiconductores y el circuito de resonancia, es la mismo. Con la

ayuda de un elemento de guía de onda sumamente especializada tal como el acoplador

direccional cruzado, los estudiantes llegaran a familiarizarse con efectos importantes en

los campos eléctricos, por ejemplo, acoplamiento a través de pequeñas agujeros; ade-

más, el comportamiento de “caja-negra” del acoplador direccional cruzado es típico de

una gran clase de distintos acopladores direccionales (híbridos en la tecnología de línea

de microcinta, acopladores de línea coaxial, etc.).

El grupo objetivo para este sistema de enseñanza y entrenamiento son estudiantes que

tienen una amplia variedad de niveles de conocimiento previo y/o experiencia. Así, el sis-

tema se aplica igualmente en la enseñanza de las ciencias a nivel universitario y en las

escuelas técnicas. Se puede suponer que la forma en que la mayoría de los experimen-

tos se presentan y se llevan a cabo es adecuada para las necesidades de aprendizaje de

este amplio grupo objetivo, pero que el contenido y la interpretación de los resultados del

experimento en el marco de una "estructura teórica" deben ser tratados de manera dife-

rente en cada caso. Por esta razón, este manual contiene a veces incluso material avan-

zado. Este está dirigido a estudiantes de nivel universitario, y se puede omitir cuando se

trabaja a través de experimentos.

Los principios teóricos de los experimentos que son de carácter general, se pueden en-

contrar en los libros de texto sobre el tema. Sin embargo, en la descripción del experi-

mento, también se encuentran algunos de los principios teóricos para facilitar a los estu-

diantes la aplicación de unas representaciones generales que se encuentran en los libros

de texto sobre los conocimientos específicos y necesarios para cada experimento.

Este manual está estructurado de la siguiente manera: En las descripciones de los expe-

rimentos individuales, los principios teóricos necesarios se discuten primero. Esto es se-

guido por una lista de los equipos necesarios y una descripción detallada de los pasos de

experimento individual (procedimiento de experimento). Los experimentos son evaluados

utilizando una lista de preguntas. Cada experimento incluye una sección con su propia

bibliografía o, si es suficiente, una referencia a la bibliografía de otro experimento. Para

poder facilitar la evaluación y proporcionar ideas para evaluar los resultados, en la lista de

preguntas se incluyen tablas a ser llenadas y diagramas.

¡Importante!

Instrucciones de Seguridad

¡Lea antes de la puesta en funcionamiento!

Debido al bajo nivel de potencia del oscilador Gunn (típicamente, 10 mW) no hay absolu-

tamente ningún peligro para las personas que llevan a cabo el experimento, incluso para

los experimentos con radiación en el espacio libre. Sin embargo, las siguientes reglas

deben ser observadas especialmente en vista de los últimos experimentos con fuertes

fuentes de RF:

Es imperativo evitar mirar al interior de una apertura que está radiando, aun para los

experimentos con radiación en el espacio libre. Esto se aplica a guía de onda abierta,

por ejemplo, y especialmente a todos los tipos de antena.

Desconecte la fuente de voltaje de alimentación cuando realice modificaciones para

configurar experiencias en los cuales se deben de intercambiar secciones de guía de

onda.

Elementos activos en los componentes de microondas pueden destruirse por descarga

electrostática. ¡Los detectores y varactores están especialmente en riesgo! ¡NO LOS

TOQUE! Descargue cualquier cable largo antes de conectarlos a estos componentes.

Esto se lleva a cabo mediante la conexión del cable a la fuente de alimentación. Compo-

nentes que operan con fuertes imanes permanentes, como por ejemplo, los aisladores y

circuladores, deben de mantenerse a una distancia de materiales conductores magneti-

zables. Evite sacudir o golpear a los equipos. Las superficies de las bridas deben ser tra-

tadas con cuidado. Cada cierto tiempo las partes mecánicas móviles deberán ser cuida-

dosamente engrasadas. No permita ningún aceite o grasa en los contactos eléctricos o

en la guía de onda.

A pesar de la pasivación de las superficies, las superficies de aluminio todavía están suje-

tas a ligeras oxidaciones. Los tornillos de rápido cierre del oscilador Gunn son particular-

mente propensos a la oxidación. Si se observa cualquier alteración a su funcionamiento,

un desmontaje y montaje de sus componentes puede resultar útil. Por otra parte, el aflojar

y luego ajustar los componentes del oscilador Gunn también podría ayudar (vea las co-

rrespondientes hojas de instrucciones de los componentes).

1

FUNDAMENTOS DE LINEAS DE TRANSMISION Y GUÍAS DE ONDA PARA ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

F1. TIPOS Y USOS DE LAS LINEAS DE TRANSMISION

Las líneas de transmisión cumplen varias funciones en la tecnología de la radiofrecuen-

cia:

(a) Sirven en la transmisión de señales de radiofrecuencia entre ubicaciones remotas.

Ejemplos: radio enlace entre un transmisor y un remoto sistema de antena, cable de

banda ancha para la distribución de la señal de un sistema receptor satelital a suscrip-

tores y cables submarinos. Las líneas de transmisión y los radio enlaces direccionales

en el espacio libre son frecuentemente considerados alternativas potenciales en esta

función, y como un medio para la transmisión de las comunicaciones.

(b) Ellos también sirven como elementos de circuitos (en lugar condensadores e inducto-

res) y como líneas de interconexión para la realización de circuitos de microondas

pasivo (por ejemplo, filtros de líneas de transmisión).

En general, las líneas de transmisión pueden considerarse como estructuras para guiar

las ondas electromagnéticas de un punto a otro, idealmente sin pérdidas. Para esta fun-

ción una variedad de tipos de líneas de transmisión son convenientes. En algunos otros

tipos de línea de transmisión, sin embargo, la propagación de la onda depende de la con-

dición de que las dimensiones de la sección transversal de la línea sean mucho más

grandes que un medio de la longitud de onda en el espacio libre (/2). Esto conduce al

resultado de que en el rango de frecuencias mayores a 1 GHz hay un número más gran-

de de tipos de líneas de transmisión disponibles que para bajas frecuencias. Esto se de-

be a que únicamente en altas frecuencias, la dimensión /2 resulta en secciones trans-

versales “manejables”.

La Fig. F.1b muestra una selección de algunos tipos de líneas de transmisión disponibles.

La línea coaxial y la de 2 alambres (Fig. F.1a) están caracterizados por el hecho de que

ellos poseen dos conductores metálicos, los cuales están aislados uno del otro. Aquí, los

llamados modos transversales electromagnéticos (ondas TEM) pueden propagarse, quie-

nes no presentan frecuencias de corte (finito). Por lo tanto, ellos también pueden ser

usados para cualquier baja frecuencia deseada (incluida DC). La Fig. F.1b muestra varios

tipos de líneas de transmisión planares, los cuales también tienen dos conductores sepa-

rados uno del otro. Estas cintas conductoras pueden ser fácilmente fabricadas mediante

un material conductor metálico evaporizado en el vacío, sobre un conveniente material

para el sustrato y la subsiguiente estructuración fotolitográfica. Esta es la razón por el

cual tales líneas de transmisión planares son preferidos para la realización de circuitos

integrados de microondas (MIC: microwave integrated circuits).

Los tipos de líneas de transmisión en la Fig. F.1c son varios tipos de guías de onda, es

decir, “tubos huecos” consistentes en una sola superficie conductora. Las ondas en las

guías de onda pueden propagarse únicamente para frecuencias de oscilación mayores a

una cierta frecuencia de corte (es decir, longitudes de onda más pequeñas que el doble

del ancho geométrico lineal de la guía de onda). Mientras que el rango de frecuencia para

2

el funcionamiento de un “solo modo” es alrededor de una octava para guías de ondas

rectangulares y circulares; es considerablemente más grande en el caso de guías de on-

da acanaladas (Fig. F.1c, a la derecha).

El hecho que algunas líneas de transmisión pueden ser realizadas sin ningún metal con-

ductor se muestra en la Fig. F.1d. Las guías de onda dieléctricas mostradas, se basan en

el principio de la reflexión total de las ondas electromagnéticas en las superficies de fron-

tera entre los aisladores con permeabilidades relativas de valores “altos” a “bajos”.

La Fig. F.2 ilustra la conclusión extraída de las anteriores líneas de transmisión, además

de su función de transmitir señales sobre “largas” distancias, pueden también ser usadas

como elementos de circuitos para la realización de circuitos de microondas (como filtros).

Fig. F.1 Diversos tipos de líneas

para ondas electromagnéticas.

1) = metal conductor,

2) = aislador

(a) Coaxial y línea de 2 alambres

(mellizos)

(b) Estructuras de líneas planares:

Línea de microcinta, línea co-

planar, línea ranurada.

(c) Guías de onda: Rectangular,

circular y acanalada.

(d) Guías de onda dieléctrica: con

superficie de forma redondeada

y rectangular; guía de onda de

fibra óptica.

Fig. F.2 Ejemplos del uso de secciones de

línea de transmisión para la realización de

componentes de microondas.

(1) Filtro pasaban da en tecnología de

cable coaxial.

(2) Filtro pasaban da en tecnología de

guías de ondas.

(3) Filtro pasabanda en tecnología de

línea de microcinta.

3

F2. FUNDAMENTOS ELEMENTALES DE LA TEORÍA DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

La propagación de ondas sobre varios tipos de líneas de transmisión (Fig. F.1) puede

describirse en una forma más general, a pesar de sus diferentes implementaciones físi-

cas. Para poder clarificar la representación general de la propagación de una onda en

una línea acotada, podemos comenzar con una simple línea de 2 alambres, sobre el cual

el voltaje y la corriente pueden ser claramente definidos para cualquier punto. Luego, la

descripción hallada para esta simple línea es aplicada como un “modelo” general para la

propagación de ondas sobre cualquier línea homogénea (guías de onda huecas, guías de

ondas de superficie).

La Fig. F.3a muestra la estructura de líneas de transmisión homogéneas, el cual es sim-

bólicamente representado por dos pares de líneas dobles. El estado electromagnético

sobre esta línea puede describirse por el valor instantáneo del voltaje (, ) y la corrien-

te (, ) dependiente de la variable de tiempo y variable espaciales.

Inicialmente consideraremos el caso en el cual una sola onda se propaga sobre la línea

de transmisión en la dirección +x. Con = 2 ƒ como la frecuencia angular y como la

longitud de onda en la guía de onda y bajo la suposición que la atenuación sobre la línea

es despreciable, lo siguiente se aplica:

(, ) = − 2

(F.1)

La Fig. F.3a muestra la distribución espacial del voltaje, para t = 0 y un subsiguiente ins-

tante del tiempo en = . Con = 2

, se sigue de la Ec. (F.1), que la velocidad

de fase está dado por:

=

=

= (F.2)

Correspondiente al voltaje (, ), existe una corriente (, ), el cual tiene la misma de-

pendencia espacial y temporal que (, ), y cuya amplitud está relacionado con el valor

pico del voltaje y la impedancia característica de la onda ℤ:

(, ) =(,)

(F.3)

Como es bien conocido, en la descripción del proceso, los cuales son armónicos en el

tiempo, uno puede hacer uso de las amplitudes complejas. Así, por ejemplo, un voltaje

AC de la forma () = ( + ) es descrito por una correspondiente amplitud

compleja = con la siguiente relación:

() = (F.4)

Los números complejos están ahora especialmente enfatizados por un subrayado. Si-

guiendo esta notación compleja y de acuerdo a las Ec. (F.1) y Ec. (F.3) se tendrá las si-

guientes representaciones fasoriales para (, ):

() = ()() (F.5)

4

La Fig. F.3b muestra la distribución de corriente para los instantes de tiempo = 0 y

= .

Donde

() = y () = −

= −. (F.6)

De forma análoga para la corriente (, ):

() = ()() (F.7)

Donde

() =

y () = () = −. (F.8)

Las Fig. F.2c y Fig. F.2d muestran la dependencia espacial de las magnitudes de ()

y de () también como las fases () y () de las amplitudes de voltaje y corrien-

tes complejas. En las Ec. (F.6) y Ec. (F.8) se ha introducido la siguiente constante de fa-

se:

Figura F.3 Propagación

de ondas sobre una línea

de transmisión.

a) Dependencia espacial

del voltaje (x,t) para

dos diferentes puntos

en el tiempo (momen-

tos)

b) Dependencia espacial

de la corriente (x,t)

para dos diferentes

puntos en el tiempo.

c) Dependencia espacial

de la magnitud U(x) y

fase ΦU(x) de la am-

plitud compleja (fasor)

del voltaje.

d) Dependencia espacial

de la magnitud I (x)

fase ΦI(x) de la ampli-

tud compleja (fasor)

de la corriente.

5

=

=

(F.9)

como un segundo parámetro para caracterizar la propagación de la onda en una línea

acotada.

F3. CAMPOS ELECTROMAGNETICOS EN PLACA

METALICA (CORTOCIRCUITO)

Después de la descripción de una sola onda, ahora consideraremos el caso en el que

existe un cortocircuito en el extremo ( = 0) de la línea de transmisión (ver Fig. F.3). A las

distribuciones de las ondas de voltaje y de corriente propagándose en la dirección de +

se les asignará el índice “+” (ver Fig. F.4a) y a las que se propaguen en la dirección

− se les asignara el índice “-“. Como el voltaje total en el plano = 0 debe ser cero

(¡cortocircuito!) para cualquier tiempo, existirá una onda reflejada propagándose a lo largo

de –, el que deberá “cancelar” el voltaje de la onda incidente, en el plano = 0.

(, ) = (, ) + (, )

= cos( − ) − cos( + ) = 2. . sin . sin

(F.10)

La onda reflejada de corriente está relacionado a (, ) a través de (−ℤ), debido al

cambio en la dirección de propagación, pero de idéntica definición ha y así se sigue

que (ver Fig. F.4b):

(, ) = (, ) + (, )

=

cos( − ) +

cos( + )

=.

. Cos . Cos

(F.11)

Considerando la característica de espacio-tiempo de los voltajes y corrientes totales; ob-

tenemos los resultados presentados en las Fig. F.4c y Fig. F.4d. Los nodos (nulos) y má-

ximos de las distribuciones de e están en posiciones que no cambian respecto al

tiempo. Los nodos del voltaje están desplazados por /4 con respecto a los nodos de

la corriente. Más aún existe un desfasaje de ± /2 entre el voltaje y la corriente. Esto

significa que muestra sus valores extremos exactamente cuándo (para todo ) es cero

y viceversa. Si estas relaciones son representadas de nuevo por la magnitud y fase de

los fasores, obtendremos los resultados mostrados en las Fig. F.4e y Fig. F.4ƒ.

6

F4. PROPAGACION DE ONDAS EN LA G.O. RECTANGULARES

Por una guía de onda generalmente

lo conocemos como un “tubo hue-

co” en el cual pueden propagarse

las ondas electromagnéticas. Una

guía de onda rectangular como se

muestra en la Fig. F.5 es una forma

especial de una guía de onda.

Esta guía de onda rectangular es el

objeto de una serie de experimen-

tos y deberá por lo tanto ser anali-

zado en términos analíticos. Esto,

también, debido a que muchos re-

sultados hallados para guías de onda rectangulares también se aplican a otras guías de

Figura F.4 Ondas estacio-

narias en una línea de trans-

misión cortocircuitada en un

extremo.

a) Curva de la onda de vol-

taje incidente (, ) y

de la onda de voltaje re-

flejada (, ) para el

instante t = T/8.

b) i+(x, t) y i–(x, t) para t =

T/8

c) Distribución del voltaje

total (, ) = (, ) +

(, ) para 4 diferentes

momentos.

d) (, ) = (, ) + (, )

e) Dependencia espacial de

la magnitud |U (x)| y fa-

se ΦU (x) del fasor voltaje

f) Dependencia espacial de

la magnitud | I (x) | y fa-

se ΦI(x) del fasor corrien-

te.

Fig. F5 Guía de onda de rectangular

7

onda de diferente sección transversal (por ejemplo, circular). Existen diversas aproxima-

ciones usadas para explicar la propagación de ondas en una guía de onda rectangular.

La primera aproximación incluye una reflexión en Zig-Zag de una onda plana uniforme

(TEM planos) en las superficies laterales (x = 0, a) de una guía de onda. Para ilustrarlo, la

Fig. F.6a, presenta el caso donde una onda plana uniforme ( perpendicular al plano de

incidencia) está incidiendo sobre una superficie metálica (idealmente, buen conductor)

para un ángulo . A partir de esta onda incidente se originan otras superficies de fase, a

saber, uno para los máximos positivos (signo “+”), otra para los cruces por cero y otra

para los mínimos negativos (signo “-“). Debido a que el campo eléctrico total deberá anu-

larse en la superficie metálica, se invierte su polaridad para la amplitud de la onda refleja-

da.

Fig. F.6 Explicación de la propagación de ondas mediante una reflexión en zig-zag de la

onda plana uniforme en las paredes laterales ubicadas en x = 0 y x = a.

Las superficies de fase correspondientes a las ondas reflejadas, también se muestran en

la Fig. F.6a. La superposición de los campos eléctricos de las ondas incidentes y refleja-

da resulta en un campo nulo en la superficie metálica, para cualquier tiempo. A través de

esta superposición, sin embargo, el campo también desaparece en otros planos, los que

están orientados paralelos al plano metálico. Un plano de este tipo localizado lo más cer-

ca a la superficie metálica está a una distancia de:

8

=

(F.12)

Esta relación puede ser fácilmente deducida de la Fig. F.6.

Uno puede ahora asumir una segunda placa de metal justo a una distancia “a” de la pri-

mera placa de metal de acuerdo a la Ec. (F.12). Más aún, placas de metal “superior” e

“inferior” pueden establecerse perpendiculares a las líneas de campo – , sin ninguna

“perturbación” del campo. Así, la guía de onda rectangular mostrada en la Fig. F.5 es

obtenida (ancho a, altura < ).

Como la distancia “a” está ahora predeterminada a un valor fijo, el ángulo α deberá de-

terminarse para una frecuencia dada (y así, para la longitud de onda en el espacio libre

= /) de manera que la Ec. (F.12) se cumpla. Vemos que la Ec. (F.12) para

> 2 no se cumplirá ( > 1). De esta manera obtenemos una frecuencia críti-

ca inferior (frecuencia de corte) para la propagación de las ondas:

=

,=

(F.13)

Por encima del valor de , es decir > , inicialmente dará como resultado ángulos

“muy pequeños” debido a = /2 (lado izquierdo de la Fig. F.6c) y para las “al-

tas” frecuencias de > > el ángulo tiende más y más hacia /2 y así la dirección

de propagación de la onda plena uniforme procede progresivamente a ser paralelo a la

dirección longitudinal de la guía de onda.

La velocidad de fase en la guía de onda es la velocidad con el cual la fase del campo

total viaja (por ejemplo, cero para el punto A) en la dirección longitudinal. Para determi-

narlo, una ecuación será deducida con la ayuda de la Fig. F.6b. Si los frentes de onda de

la onda plana uniforme son desplazados por en el período , entonces y de acuerdo

a la figura, el punto A es desplazado = /. Consecuentemente, lo siguiente se

aplica para la velocidad de fase (con c como la velocidad de la luz = 3 x 108 m/s)

=

=

=

puede ser expresado de acuerdo a la Ec. (F.12) por /, obteniéndose así:

=

=

( ⁄ ) (F.14)

Debido a que las Ec. (F.2) y Ec. (F.9) son válidas para todos los tipos de onda, uno puede

también calcular la longitud de onda en la guía de onda y la constante de la fase de

:

=

=

( ⁄ )=

( ⁄ ) (F.15)

9

=

=

− ( ⁄ ) (F.16)

Las líneas de campo resultante de la superposición de las dos ondas planas uniformes se

muestran en la Fig. F.7.

Una aproximación completamente diferente para la explicación de la propagación de on-

das en una guía de onda rectangular se muestra en la Fig. F.8.

Fig. F.8 Para la explicación de la propagación de ondas en guía de onda rectangulares con la

ayuda de un “modelo” consistente de secciones de líneas de transmisión TEM.

a) Línea de transmisión de cintas en la dirección longitudinal

b) Stub paralelo cortocircuitado.

c) Modelos circuitales.

Fig. F.7 Líneas de campo de la

onda fundamental (modo TE10)

en la guía de onda rectangular.

a) Líneas de los campos E y H

b) Distribución de la densidad

de corriente sobre las pare-

des de metal.

10

Para esto la guía de onda rectangular (Fig. F.8a) es representado por el “esqueleto de

línea” en la Fig. F.8b (ver también las líneas punteadas en la Fig. F.8a). La estructura en

la Fig. F.8b pueden considerarse como una línea de transmisión de cinta corriendo en la

dirección longitudinal, el cual está conectado a un stub en paralelo a una distancia de .

Para < < /4 los sectores serie representan inductores, y los stubs en paralelo,

para /2 < 3/4 , pueden ser descritos como circuitos resonantes paralelos, donde la

frecuencia de resonancia, de este circuito resonante, es para la frecuencia ƒ = /

para el cual /4 = /2 se cumple (línea de transmisión cortocircuitada de /4 ).

Para /4 > /2 (ver Fig. F.8c, derecha superior) el circuito resonante presenta un

comportamiento inductivo. El circuito equivalente de la línea de transmisión resultante

únicamente contiene inductancias. Tal estructura de la línea de transmisión es un “divisor

de voltaje inductivo” sobre el cual no es posible ninguna propagación de onda. Para fre-

cuencias más altas, cuando /4 > /2 (ver Fig. F.8c, derecha inferior), el circuito re-

sonante paralelo es capacitivo. El circuito equivalente resultante de la línea de transmi-

sión contiene inductancias serie y capacitares paralelos, por lo que es posible la propa-

gación de ondas.

Una descripción matemática de la propagación de la onda es obtenida usando una solu-

ción rigurosa de las ecuaciones de Maxwell más las condiciones de frontera en las super-

ficies metálicas. Aquí, únicamente los resultados de este análisis son reproducidos.

El campo eléctrico tiene únicamente una componente cartesiana, oscila en la dirección y

está dado por:

(, ) =

(F.17)

Se puede observar que es dependiente no solo de la coordenada de propagación ,

sino también de la coordenada transversal . Debido a que las componentes tangencia-

les del campo eléctrico deben desaparecer en la superficie (de un ideal) conductora, por

lo que:

( = , ) = ( = , ) ≡

=

=

− ( ⁄ )

La intensidad del campo es máximo para = /2 en el centro de la guía de onda y así:

=

, donde representa un voltaje introducido arbitrariamente.

El correspondiente campo magnético tiene tanto componente transversal (, ) como

componente longitudinal (, ).

La componente transversal está en fase con y también tiene la misma dependen-

cia espacial, por lo que tendremos:

11

(, ) = −

(F.18)

La relación de a (− ) es la misma en cada punto de la sección transversal z = cons-

tante y dado por la impedancia de onda:

(,)

(,)=

= (F.19)

Para la componente longitudinal uno obtiene:

(, ) =

(F.20)

El cual está desfasado en /2 con respecto a las componente transversales de y , en

contraste con estos, posee su máximo valor (magnitud en las paredes laterales de metal

en x = 0 y x = a. Las dependencias espaciales de los componentes del campo en las Ec.

(F.17) a Ec. (F.20) están en concordancia con las líneas de campo mostradas en la Fig.

F.7.

El tipo de onda considerado hasta ahora es referido como modo TE10. Aquí, se designa

“TE” para el campo eléctrico transversal y el “1” significa que el número de semiondas en

la dirección – x es 1. En la dirección y el ampo es constante (índice 0). Para altas fre-

cuencias los modos de órdenes superior denominados TEnm y TMnm pueden propagarse.

Características de estos modos pueden tomarse de la literatura dado en la bibliografía.

De acuerdo a la Fig. F.9 tanto el modo TE20 como el modo TE10 son capaces de propa-

garse a partir de la frecuencia de = 2. Cuando exista una relación de / = 2,

por lo que un rango de una “octava de frecuencia está disponible para funcionamiento de

un solo modo.

Fig. F.9. Rango de existencia para varios tipos de ondas de propagación en la guía de

onda rectangular (a = 2b)

12

L1 CURVAS CARACTERISTICAS DEL OSCILADOR GUNN

1. INTRODUCCION

La potencia de microondas, es decir, potencia electromagnética en el rango de frecuen-

cia de GHz, puede ser generada usando diferentes fenómenos físicos. Algunos ejemplos

de estos son los osciladores con tubos de vacío, tales como el klystrón y el magnetrón, u

osciladores con semiconductores, tales como oscilador con FET, el oscilador GUNN y el

oscilador Impatt. A continuación se describirá algunos simples experimentos para cono-

cer el funcionamiento de un oscilador a diodo Gunn, a través de sus curvas característi-

cas: IG - VG, f - VG, P - VG.

2. EFECTO GUNN

En algunos materiales semiconductores, tales como el arseniuro de galio (GaAs), la movi-

lidad1 de los electrones disminuye por encima de un valor umbral ETH de la intensidad de

campo eléctrico (ver figura 1.1, lado izquierdo). Así, cuando la intensidad de campo eléc-

trico se incrementa, cada vez más electrones se “transfieren” a un estado en el cual su

“masa efectiva” crece por lo que su velocidad disminuye. Para intensidad de campo con

E > ETH los electrones tienen una movilidad diferencial negativa, es decir, un incremento

en la intensidad de campo resulta en una disminución de la velocidad de difusión (“drift”).

Cuando la intensidad de campo eléctrico en un bloque con GaAs dopado homogénea-

mente (¡sin capa de barrera!) es mayor que el valor umbral ETH, se produce, la “inestabi-

lidad de la carga espacial” como consecuencia de la movilidad diferencial negativa.

Mientras que cualquier exceso aleatorio local o deficiencia de electrones desaparecerán

por sí mismo cuando se presenta una movilidad diferencial positiva, este exceso o defi-

ciencia se incrementará bajo una movilidad diferencial negativa. En el lado derecho supe-

rior de la Fig. 1.1, se asume un exceso de electrones. El incremento resultante del au-

1 Movilidad de los electrones: que es igual al cociente de la velocidad de difusión entra la intensidad de campo eléctri-co E.

13

mento de la intensidad de campo en el lado del ánodo produce una disminución de la

velocidad de difusión , en el lado del ánodo, relativo a la velocidad de difusión en el

lado del cátodo (disminución de la intensidad de campo). Esto causa una zona de racimo

(“bunching”) que genera una capa enriquecida de portadores (capa de acumulación). Un

efecto análogo ocurre ante una deficiencia aleatoria de electrones, en cuyo caso ocurre

una capa empobrecida o capa de agotamiento (ver figura 1.1; lado derecho y central).

Cuando las capas empobrecidas y enriquecidas se aproximan una al otro, ellos se atraen

uno al otro y se desplazan juntos a través del diodo en la forma de un “dominio” (ver Fig.

1.1, lado derecho inferior). El campo en el interior del dominio puede ser tan alto que el

campo exterior cae por debajo del valor umbral ETH. Así, ningún dominio nuevo se forma-

ra hasta que el existente haya desaparecido en el ánodo.

Si el diodo Gunn, no estuviera conectado a un resonador (circuito sintonizado), la fre-

cuencia de la potencia de microondas generada sería determinada por el tiempo que le

toma a los dominios (velocidad aproximada de 107 cm/s) pasar a través del diodo (tiempo

de tránsito). Si, por lo contrario, el diodo Gunn funciona dentro de un resonador, la fre-

cuencia del resonador se “impondrá” sobre la del diodo Gunn. Existen diversos modos de

operación (modo retardado, modo de hacer cola, modo LSA).

El modo de dominio retardado es brevemente descrito aquí, como un ejemplo. Ocurre

cuando la frecuencia del resonador es menor a la frecuencia de tránsito. En el momento

en que el dominio alcanza el ánodo, el valor momentáneo del voltaje del diodo (= voltaje

de polarización + voltaje de RF) es menor que el valor umbral. La formación de un nuevo

dominio es retardada hasta que el voltaje excede el valor umbral, así “impondrá” la fre-

cuencia de oscilación del resonador a la del elemento Gunn.

3. CAVIDAD RESONATE PARA EL DIODO GUNN

Uno de los muchos posibles tipos de resonadores en la tecnología de microondas es el

resonador de cavidad rectangular. En la Fig. 1.2, lado izquierdo, muestra una cavidad

rectangular encerrado en todos sus lados por paredes metálicas. Similar a un circuito

resonante conformado por una inductancia y capacitancia, oscilaciones de los campos

eléctricos variables a una cierta frecuencia (=frecuencia de resonancia ) pueden tam-

bién existir en una cavidad resonante.

En este caso la energía es almacenada alternadamente en el campo eléctrico y el campo

magnético. Mientras que un circuito resonante (ideal) tiene una sola frecuencia de reso-

nancia, una cavidad resonante tiene un número infinito de tipos de oscilación y frecuen-

cias de resonancia. La Fig. 1.2 (izquierdo) muestra los campos eléctricos y magnéticos

para el tipo de oscilación con la frecuencia de resonancia más baja (resonancia TE101) y

para tres diferentes instantes de tiempo, separados a intervalos de un cuarto del período

= 1/

Una vista lateral de la cavidad resonante y las variaciones de la intensidad de campo

eléctrico como una función de la coordenada Z se muestra en el medio de la Fig. 1.2. La

frecuencia de resonancia de este tipo de oscilación es calculado (dieléctrico el aire) de

acuerdo a la fórmula:

14

=

√∈

+

con en GHz; a, s en cm (1.1)

Detalles más específicos sobre cavidades resonantes se tratarán en experimentos poste-

riores.

IZQUIERDA: Oscilación TE101

en un resonador de cavidad

rectangular.

MEDIO: Dependencia de la

intensidad de campo eléc-

trico E con la coordenada

longitudinal z para la reso-

nancia TE101.

DERECHA: Dos posibles configu-

raciones para el oscilador Gunn.

Configuración B se usará en esta

experiencia.

Fig. 1.2 Diseño básico del oscilador Gunn.

Las oscilaciones electromagnéticas de la cavidad resonante son atenuadas debido a las

pérdidas que ocurren en las paredes metálicas. Después de instalar el elemento Gunn, el

cual transforma la potencia DC en potencia de microondas, suficiente potencia de micro-

onda es alimentado dentro del resonador para compensar las pérdidas en las paredes y

para lograr una oscilación continua y sostenida. Para obtener un oscilador de microonda,

el resonador deberá también tener una “abertura” a través del cual la potencia puede ser

alimentada a una “carga”. En este caso, el elemento Gunn deberá generar no sólo sufi-

ciente potencia de microondas para compensar las pérdidas en las paredes, sino también

la mayor cantidad de potencia generalmente requerida por la carga.

El conformar un oscilador Gunn a partir de una cavidad resonante requiere:

1) Que el diodo Gunn sea acoplado al resonador.

2) Que la carga sea acoplada al resonador.

15

La Fig. 1.2, lado derecho, muestra dos posibles configuraciones. En la configuración (B),

el diodo Gunn es acoplado al resonador usando un poste metálico, y la carga es acopla-

da usando abertura (agujero o ranura, diafragma). Del bosquejo de la distribución del

campo eléctrico longitudinal en la configuración (B), vemos que los planos del eje del pos-

te y la abertura pueden ser considerados como planos de corto – circuito para el propósi-

to de estimar la frecuencia de resonancia. En la configuración A (Fig. 1.2, superior dere-

cho) el poste metálico cumple ambas funciones, es decir el acoplamiento del resonador

al elemento Gunn como también a la carga.

En el presente experimento un oscilador construido de acuerdo a la configuración (B) es

usado. En contraste a esto, en el experimento L3 se experimentará con un oscilador sin-

tonizado mecánicamente de acuerdo a la configuración (A).

OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA

1. Caracterizar el funcionamiento del oscilador a diodo Gunn mediante las curvas de

IG-VG, f - VG, VD - VG.

2. Familiarizarse con el uso del frecuencímetro de absorción para medir frecuencias de

las señales que se propagan en la guía de onda.

EQUIPOS REQUERIDOS 1 oscilador Gunn 73701

1 unidad básica 737021

1 detector coaxial 73708

1 aislador de ferrita 73706

1 transición GO/coaxial 737035

1 frecuencímetro 73716

1 osciloscopio

2 cables coaxiales con conectores BNC

PROCEDIMIENTO

1. Visualmente estudie el diseño del oscilador, viendo la hoja de especificaciones del

dispositivo, en el que se muestra sus partes.

1.1 Desarme el oscilador Gunn aflojando los tornillos. Retire la lámina metálica (plano de

corto circuito), el diafragma y la pieza recta de guía de onda, del oscilador Gunn.

1.2 Considere la cavidad resonante y compárelo con el de la Fig. 1.2 (lado derecho). De-

termine el ancho de la guía de onda “a” y la distancia “s” (mostrado en la Fig. 1.2,

configuración (B)) del eje del poste al plano de la brida (en donde está ubicado el dia-

fragma)

1.3 Vuelva a ensamblar las partes del oscilador Gunn desarmado, es decir, vuelva a co-

nectar el plano de cortocircuito y la guía de onda recta en el módulo Gunn.

2. Curvas características del oscilador Gunn, con todas sus partes.

16

2.1 Ensamble y configure el circuito como en la Fig. 1.3, con el oscilador con todas sus

partes. No encienda la unidad básica.

2.2 Conecte la unidad básica al oscilador Gunn usando el cable coaxial. Fije la perilla

giratorio del voltaje de alimentación al diodo Gunn, UG = 0 V.

2.3 Conecte la salida del detector cuadrático con la entrada a un canal del osciloscopio.

Establezca el acoplamiento del canal en DC y el rango de medición para mediciones

de aproximadamente 2 a 100 mV.

2.4 Encienda la unidad de la fuente de alimentación del Gunn. Incremente el voltaje de

alimentación VG de 0 a 10V en pasos de 0.5 V. Al mismo tiempo lea la corriente DC,

IG y entre este resultado en la columna 2 de la tabla 1.1, hasta que se observe una

señal DC negativa de VD (proporcional a la potencia de microondas del oscilador

Gunn). Registre el valor de VD y la frecuencia de resonancia para la máxima absor-

ción, registre estos valores en las columnas 3 y 4 de la Tabla 1.1. Después de cada

medición de frecuencia, retire al frecuencímetro de la condición de resonancia para

no alterar la medición de VD. En el osciloscopio, mantener siempre la menor escala

de amplificación vertical que permita ver la señal DC de VD.

3. Curvas características del oscilador Gunn, sin el diafragma.

3.1 Remover el diafragma retirando los 4 tornillos y vuelva a conectar el oscilador con la

guía de onda recta y la placa de cortocircuito.

3.2 Repita los experimentos como los indicados en el paso 2.4 y llene los resultados en

las columnas correspondientes de la Tabla 1.1.

4. Curvas características del oscilador Gunn, sin la placa de cortocircuito.

4.1 En el circuito anterior, reinserte el diafragma y retire la placa del cortocircuito.

4.2 Repita los experimentos como los indicados en el paso 2.4, y registre los resultados

en las columnas correspondientes de la Tabla 1.1.

Fig. 1.3 Circuito para la experiencia del paso 2.

17

TABLA 1.1 DATOS PARA GRAFICAR SUS CURVAS CARACTERISTICAS

TODOS SUS COMPONENTES SIN DIAFRAGMA SIN CORTOCIRCUITO

VG

(V)

IG

(mA)

(GHz)

VD

(mV)

IG

(mA)

(GHz)

VD

(mV)

IG

(mA)

(GHz)

VD

(mV)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0

9.5

10.0

PREGUNTAS

1. Aproximadamente calcule la frecuencia del oscilador de acuerdo a la Ec. (1.1), espe-

cificado para la frecuencia de resonancia del resonador de cavidad rectangular. Para

esto use el dato geométrico determinado en el experimento del paso 1.2. Aquí asumi-

rá una resonancia TE101 con “planos de corto circuitos efectivos” para la ubicación en

el eje del poste y el diafragma. Ver Fig. 1.2 derecha inferior, también.

2. Asumiendo que la capa activa en el GaAs tiene un espesor de 10 um, determine del

valor del voltaje umbral VTH (voltaje por encima del cual la movilidad diferencial llega

a ser negativa), el valor umbral de la intensidad de campo eléctrico ETH en KV/cm. La

caída de voltaje fuera de la capa activa puede ser ignorado aquí, y asumir una distri-

bución espacial homogénea de la intensidad del campo.

3. Asumiendo una velocidad del dominio de 107 cm/s, determine la frecuencia de tránsito

del elemento Gunn.

4. Grafique las curvas características para cada caso.

18

5. Explique las diferencias de las respuestas obtenidas en el experimento de los pasos

② (con diafragma y plano de corto), ③ (sin diafragma pero con placa de cortocircui-

to) y ④ (sin placa de cortocircuito, pero con diafragma).

6. ¿Se comporta como un VCO el oscilador Gunn? ¿Porque?

7. ¿Cuál es el rango de frecuencias para el que solo se propaga el modo dominante?

BIBLIOGRAFIA

Simples trabajos introductorios

[1] S. Y. Liao: Microwave Devices and Circuits. Prentice Hall, New Jersey, 1980

[2] H. V. Shurmer: Microwave Semiconductor Devices. Oldenbourg, Munich, 1971

[3] B. G. Bosch, R. W. H. Engelmann: Gunn-Effect Electronics. Pitmann Publishing, Lon-

don, 1975

[4] K. Kurokawa: Microwave Solid State Oscillator Circuits. In: M. Howes, D. Morgan

(Eds.): Microwave Devices, Device Circuit Interactions, Wiley, London 1976.

[5] J. E. Carroll: Hot Electron Microwave Generators. Edward Arnold, London 1970

[6] F. Sterzer: Transferred Electron (Gunn) Amplifiers and Oscillators for Microwave Ap-

plications. Proceedings IEEE, 59, 1155-1163 (1971).

Monografias originales

[7] C. P. Jethwa and R. L., Gunshor: An Analytical Equivalent Circuit Representation for

Waveguide-mounted Gunn Oscillators. IEEE Trans. Microwave Theory Tech.,

MTT-20, 565- 572 (1972)

[8] J. F. White: Simplified Theory for Post Coupling Gunn Diodes to Waveguides. IEEE

Trans. Microwave Theory Tech., MTT-20, 372-378 (1972)

19

L3 SINTONIZACION MECANICA Y MODULACION DEL OSCILADOR GUNN

1 FUNDAMENTO DE LA SINTONIZACION MECANICA

El oscilador Gunn usado en todos los experimentos realizados con este sistema de en-

trenamiento ya ha sido investigado experimentalmente en el experimento 1: curvas carac-

terísticas del oscilador Gunn.

En el ensamblado del oscilador Gunn, sus configuraciones basicas, para la cavidad

resonante, se muestran en la Fig. 2.1.

Aquí, el espacio del resonador en el

que se genera la oscilación con una

distribución de campo E(z) como el

mostrado en la Fig. 2.1, es formado

por el volumen delimitado entre el dio-

do Gunn y el diafragma. Cuando el

diodo Gunn es alimentado con un vol-

taje fijo, permite que el resonador osci-

le a una frecuencia fija determinado por

las dimensiones geométricas. Para

poder tener la posibilidad de llevar a

cabo una corrección fina a la frecuen-

cia del oscilador durante su funciona-

miento, el oscilador Gunn es equipado

con un tornillo dieléctrico para sintoni-

zación como se muestra en la configu-

ración básica de la Fig. 2.1a. Cuando

el tornillo de sintonización penetra pro-

fundamente dentro del resonador, la

energía almacenada en el campo eléc-

trico es incrementable por lo que la

frecuencia de resonancia disminuirá

para mantener el “balance” con la

energía del campo magnético.

La Fig. 2.1 muestra las diferentes con-

figuraciones para el oscilador Gunn:

(a) Configuración básica, con volu-

men del resonador entre el diodo Gunn

① y el diafragma ③ (ver también la

distribución de campo E(z), placa de

cortocircuito ② tornillo dieléctrico de

sintonización ④ (Pre establecido por el fabricante)).

Fig. 2.1 Diversas configuraciones de la cavidad resonante de un oscilador Gunn

20

(b) Configuración con un tornillo dieléctrico de sintonía ajustable ⑤ para variar la

frecuencia.

(c) Configuración modificada, con el volumen del resonador entre el corto desplaza-

ble y el elemento Gunn (ver distribución de campo E(z)).

El tornillo de sintonización de la configuración (a) no debe ser ajustado durante la realiza-

ción del experimento. Para ser capaz de investigar sistemáticamente los efectos de la

profundidad de penetración del tornillo dieléctrico sobre la frecuencia de oscilación en

estos experimentos, el tornillo dieléctrico de sintonización “fijo” deberá ser reemplazado

por la “unidad de sintonización dieléctrica”. Con esta unidad es posible realizar una posi-

ción precisa de la profundidad de penetración usando un tornillo con micrómetro (ver Fig.

2.1b).

Para poder lograr una frecuencia de oscilación sintonizable, variando las dimensiones del

espacio resonador, se usará la configuración de la Fig. 2.1c en lugar de las configuracio-

nes Fig. 2.1a y Fig. 2.1b. Para ello, el diafragma es removido primero, para que no se

forme un resonador en el área a la derecha del elemento Gunn (ver Fig. 2.1c). El volumen

del resonador esta entonces localizado en el espacio entre el corto desplazable y el diodo

Gunn. De nuestra investigación de la resonancia TE101 resulta la frecuencia del oscilador.

=

√∈

+


Aquí a = 22.86 mm, es el ancho de la guía de onda, S es la distancia entre la posición del

corto desplazable y la posición del elemento Gunn; es ajustable y de acuerdo a la Ec.

(2.1), la frecuencia de oscilación también.

2 FUNDAMENTO DE LA MODULACION

Una fuente de microonda modulada en amplitud es requerida para realizar algunos expe-

rimentos del laboratorio de microondas. Esta fuente genera el necesario campo electro-

magnético a frecuencia de microondas para una carga conectado en el circuito de micro-

ondas. Sólo a través de la modulación es posible realizar una detección selectiva en fre-

cuencia de la señal recibida y demodulada y así lograr una supresión efectiva del ruido.

Para el diseño de una fuente de microonda modulada existen dos opciones mostradas en

las Fig. 2.5 y Fig. 2.6.

1. Modulación directa del oscilador Gunn.

2. Modulación indirecta, con un externo modulador a diodo PIN.

2.1 MODULACIÓN DIRECTA DEL OSCILADOR GUNN

La modulación directa del oscilador Gunn es una forma de realizar la modulación sin

equipo adicional pero también sin los mejores resultados. Como se sabe (de los resulta-

dos de la primera experiencia del oscilador Gunn) la potencia de microondas emitida (y el

espectro emitido) es fuertemente dependiente del voltaje del diodo Gunn. Más aun, están

sujetas a considerables tolerancias de los fabricantes de osciladores Gunn. Debido a

21

esta dependencia con el voltaje al diodo Gunn, la potencia de microondas emitida presen-

ta discontinuidades o irregularidades.

En otro experimento se muestra que en el caso de modulación de amplitud del voltaje del

oscilador Gunn, y cuando el punto de operación (voltaje de alimentación) está en las

proximidades de una discontinuidad, una ligera variación en el voltaje al diodo Gunn con-

duce a una considerable variación en la potencia emitida y por ello a una señal demodu-

lada de gran tamaño. Sin embargo, si el punto de trabajo es seleccionado cerca de una

discontinuidad (aproximadamente 4 V), una de las consecuencias es que el espectro emi-

tido contiene muchos diferentes componentes de frecuencia. Pero debido al hecho de

que todas las componentes de un circuito de microondas están diseñadas a una frecuen-

cia de 9.4 GHz, y normalmente tienen un ancho de banda muy angosto, los resultados de

las mediciones para este caso son con frecuencia insuficientes y requieren explicación.

Las Fig. 2.2 y Fig. 2.3 proporcionan ejemplos de los espectros emitido por el oscilador

Gunn para voltajes VG de 4 V y 8 V respectivamente. El espectro más puro (modoTE101 a

9.4 GHz y modo TE202 a 18.8 GHz) se obtienen generalmente para un voltaje Gunn supe-

rior a los 8 V.

Así mismo, la potencia de microonda emitida sólo cambia muy ligeramente en el rango de

voltajes Gunn más altos (7 V < VG < 10 V), cuando el voltaje Gunn es variada (caracterís-

tica plana). Esto produce una señal demodulada muy pequeña. Esto significa que en el

rango donde el diodo Gunn emite un espectro puro (para VG ≥ 8V), la modulación directa

es posible únicamente para una desviación de amplitud muy pequeña.

Debido a que no existe un modulador con diodo PIN en el circuito de la Fig. 2.3, en estos

experimentos el punto de trabajo es establecido alrededor de los 4 V para generar una

señal modulada con más fuertes variaciones de amplitud, a pesar de las desventajas que

conlleva.

Si se cuenta con un modulador a diodo PIN, es altamente recomendable que lo use (ver

procedimiento del paso 4) ya que con ello se logrará mejores resultados de las medicio-

nes.

Fig. 2.2 Espectro emitido para VG = 4 V

22


En forma abreviada, el procedimiento para una modulación directa interna de oscilador

Gunn, consiste en superponer una señal pulso rectangular a la tensión VG de alimenta-

ción al oscilador. El esquema para la configuración de este experimento se muestra en la

Fig. 2.6

Como resultado de los pasos anteriores, el voltaje DC al diodo Gunn será superpuesto

por una señal de onda cuadra con una frecuencia de 976 Hz y una amplitud de 300 mV.

Ver Fig. 2.4.

Fig. 2.4 Característica principal del voltaje Gunn emitida por la unidad básica (a través de

la salida “GUNN”) para una modulación interna. VG constituye el voltaje de alimentación

establecida usando el potenciómetro giratorio VG de la sección “GUNN POWER

SUPPLY” de la unidad básica.

2.2 MODULACION INDIRECTA CON EXTERNO MODULADOR A DIODO PIN

El esquema para la configuración de este experimento se muestra en la Fig. 2.7. El osci-

lador Gunn genera una potencia de onda continua, es decir, su potencia de salida es

constante en el tiempo. La modulación es realizada por un modulador externo a diodo

PIN. Dependiendo de su voltaje de control se tendrá altos valores de sus coeficientes de

reflexión y transmisión. Para poder prevenir que cualquier reflexión indeseada llegue al

oscilador Gunn, este es aislado del resto del circuito por un aislador de ferrita. La unidad

que consiste del oscilador Gunn, el aislador y el modulador a diodo PIN, constituye una

configuración típica de uso frecuente en aplicaciones prácticas y es conocido por su fácil

manejo.

23

De este modo se evita las desventajas de la modulación directa realizada a través de la

alimentación del diodo Gunn (sujeto a la discontinuidad), el cual es fuertemente depen-

diente de la tolerancia del fabricante. La señal modulada externamente es considerable-

mente mejor que la modulación directa debido a que en este caso, las variaciones de

amplitud dependen únicamente del voltaje de control del modulador PIN. Como el diodo

Gunn puede funcionar para un punto de trabajo fijo, el espectro de microonda emitido no

es afectado por la modulación. Información adicional puede obtenerse de la hoja de ins-

trucción para el modulador PIN.

Si dispone de un modulador a diodo PIN, le recomendamos usarlo en la modulación para

obtener mejores resultados de las mediciones. El modulador PIN puede ser modulado

internamente o externamente. Para modulación externa necesitará de un generador de

funciones adicional.


1. Realizar la sintonización del oscilador Gunn a otra frecuencia diferente a 9.4 GHz,

usando dos métodos diferentes.

2. Realizar una modulación interna y externa para el oscilador a diodo Gunn y entender

el funcionamiento del diodo PIN.

3. Familiarizarse con el uso de la línea ranurada para medir la longitud de onda de la

guía de onda ( ) y calcular, indirectamente, la frecuencia de oscilación de la señal

que se propaga en la guía de onda.

I) SINTONIZACION DEL OSCILADOR GUNN

EQUIPOS REQUERIDOS

1 Unidad Básica 737 020

1 Oscilador Gunn 737 01

1 Unidad de sintonía dieléctrica 737 015

1 Aislador de Ferrita 737 06

1 Modulador a diodo PIN 737 05

1 Línea de medición ranurada 737 111

1 Detector en versión coaxial 737 03

1 Placa de cortocircuito 737 29

1 Cortocircuito desplazable 737 10

EQUIPO ADICIONAL REQUERIDO

3 Cables coaxiales con conectores BNC/BNC 501 022

2 Bases de soporte 301 21

2 Soportes para componentes de guías de onda 737 15

24

1 Varilla de soporte 301 26

1 Osciloscopio digital (opcional) 75 292

1 Registrador de XY (opcional) 575 663

Fig. 2.5 Configuración para la experiencia, de acuerdo a la Fig. 2.1 (b), con el oscilador

① con diafragma. a) Circuito de microondas. b) Diagrama funcional del circuito de mi-

croondas.

PROCEDIMIENTO

1. SINTONIA DEL OSCILADOR USANDO UNA UNIDAD DE SINTONIA DIELEC-

TRICA.

1.1 Ensamble el circuito para mediciones de acuerdo a la Fig. 2.5.

1.2 Altere la estructura del oscilador Gunn reemplazando el tornillo de sintonía dieléctri-

ca “fija” por la “unidad de sintonía dieléctrica” (737 015). En esta unidad, establecer

el tornillo micrómetro a 0 mm y luego insertarlo dentro del módulo Gunn tal que la

varilla de teflón justo hace contacto con la pared “superior”.

25

1.3 Encienda la fuente de alimentación del Gunn y establezca el voltaje VG de 8…10V.

También conecte el modulador PIN a la unidad básica.

1.4 Determine la frecuencia de la señal de microondas generada, en función de la pro-

fundidad de penetración “t” (mm) del tornillo de sintonía dieléctrico. Lo siguiente se

aplica para la profundidad de penetración:

t = 10 mm – Valor en la escala del tornillo micrómetro.

Varíe la profundidad de penetración de 0 a 10 mm en pasos de 2 mm. Desplace la

posición de la sonda de línea ranurada para determinar la longitud de la guía de

onda /2 es el resultado de la distancia de dos mínimos consecutivos en el pa-

trón de ondas estacionarias. Registre el valor de en la Tabla 2.1.

Tabla 2.1 Sintonía dieléctrica Tabla 2.2 Sintonía mecánica

Profundidad de penetración

t (mm)

(mm)

(GHz)

(mm)

(mm)

()

(mm)

(mm)

() (mm)

0 10

2 12

4 14

6 16

8 18

10 20

2. SINTONIA MECANICA CON CORTOCIRCUITO MOVIL


2.2 Después, configure el oscilador Gunn:

(a) Reemplazar la unidad de sintonía dieléctrica con el tornillo dieléctrico de sinto-

nía “fija”

(b) Retirar el diafragma, es decir, afloje los tornillos de conexión y retire el diafrag-

ma.

(c) Retire la placa de cortocircuito de la parte posterior del oscilador Gunn, luego

conecte el cortocircuito móvil y ajústelo al oscilador usando los dos tornillos lar-

gos.

2.3 Encienda la fuente de alimentación del oscilador Gunn y establezca el voltaje VG

entre 8…10V.

2.4 Conecte al oscilador: el modulador PIN, la línea de medición ranurada, el detector

cuadrático y un cortocircuito fijo en el otro extremo. Conecte el oscilador, modulador

PIN y detector cuadrático a la unidad básica.

26

2.5 Determine la frecuencia de la señal de microondas como una función del cortotocir-

cuito móvil. Para ello, varié la distancia del plano de cortocircuito al plano del poste

del diodo Gunn, cambiando en pasos de 2 mm en el rango de 10 a 20 mm. La dis-

tancia S entre la posición del poste del diodo Gunn y el cortocircuito móvil (ver Fig.

2.1c) está dado por la expresión:

S (mm) = X (mm) + 4.9

Desplace la sonda de la línea ranurada para cada distancia S del cortocircuito móvil

y determine la distancia entre dos mínimos (nulos) consecutivos (= /2) del pa-


Fig. 2.6 Configuración para la experiencia, de acuerdo a la Fig. 2.1c, con el oscilador ①

sin diafragma. a) Circuito de microondas. b) Diagrama funcional del circuito de microon-

das.

PREGUNTAS PARA EL INFORME FINAL

1.1. Determine la respectiva frecuencia de oscilación () correspondiente a cada

particular profundidad de penetración () del paso 1.4 (oscilador con tornillo de

27

sintonización dieléctrico) usando los medidos y el conocido ancho de la guía de

onda . La siguiente relación puede serle de utilidad:

=

−

=

1.2. Compare los valores medidos de en el paso 2.3 con la particular distancia S del

corto móvil al eje del poste del diodo Gunn. Use la columna preparado para S en la

Tabla 2.2.

1.3. Tomando la anchura de la guía de onda en consideración, calcula teóricamente la

frecuencia del oscilador correspondiente a las varias posiciones del cortocircuito mó-

vil y registre estos valores en la Tabla 2.2 (columna 5).

II) MODULACION DEL OSCILADOR GUNN

EQUIPOS REQUERIDOS


1 Transición de GO a coaxial 737 035





1 Atenuador variable 737 09








1 Conector coaxial BNC tipo T.

PROCEDIMIENTOS

3. MODULACIÓN DIRECTA DEL OSCILADOR GUNN

3.1 Arme el circuito para el experimento de acuerdo a la Fig. 2.7.

3.2 Conecte el oscilador Gunn a la salida “GUNN” en la sección “GUNN POWER


28

3.3 En la sección “MODULATION” de la unidad básica, establezca el conmutador bas-

culante a “GUNN INT”.

3.4 Establezca el voltaje Gunn a aproximadamente 8 V (soporta hasta 10 V) usando la

perilla de control VG, de la sección “GUNN POWER SUPPLY” de la unidad básica.

3.5 Configure los amplificadores verticales del osciloscopio en acoplamiento DC, y sus

valores de escalas de amplitud al mínimo valor que permita ver la señal en cada

canal. En un canal se deberá ver la señal moduladora (sale del conector T) y en el

otro canal, la señal demodulada (muy pequeña). Mida los valores DC de cada se-

ñal.

Fig. 2.7 Esquema de conexión para la modulación directa del oscilador Gunn. El conmu-

tador es establecido a “GUNN INT” en la sección “MODULATION” de la unidad básica.

3.6 Ahora, con acoplamiento en AC para cada canal, aumente la amplitud de las esca-

las verticales, hasta que se pueda apreciarlos adecuadamente en el osciloscopio.

La base de tiempo debe ser tal que permita ver cuatro o cinco periodos.

3.7 Dibuje las formas de onda de la señal modulada y demodulada, en ellas deberán

estar indicados si sestan en fase o no. Mida las amplitudes pico-pico y los anchos

de los pulsos. Calcule el ciclo de trabajo de la señal moduladora. Registre sus resul-

tados en la Tabla 2.3

TABLA 2.3 DATOS EXPERIMENTALES DE LA SEÑAL MODULADORA Y DEMODULADA

Señal Vdc (V) Amplitud

Pico-pico (V)

Ancho de pulso en ALTO (mS)

Ancho de pulso en BAJO (mS)

Ciclo de trabajo (%)

Frecuencia

(Hz)

Moduladora

Modulada

29

4. MODULACION EXTERNA DEL OSCILADOR GUNN

4.1 Ensamble el circuito de la experiencia, como se muestra en la Fig. 2.8, y sin encen-

der la fuente de alimentación de la unidad básica, establezca la perilla de VG a 10 V.

4.2 Conecte el modulador a diodo PIN al conector BNC etiquetado como “PIN” de la

unidad básica, en la sección “MODULATOR” y fije el conmutador a la posición

“GUNN INT”; establezca el atenuador a 10 dB.

4.3 Encienda la fuente de la unidad básica.

Fig. 2.8 Esquema de conexión para modulación con un modulador externo con diodo PIN

y señal de modulación interna. Establezca el conmutador a “PIN INT” en la sección

“MODULATOR” de la unidad básica.

4.4 Con acoplamiento en DC para los amplificadores de los canales del osciloscopio,

(cerciórese de estar configurado para cable X1) mostrar las dos señales, con las re-

ferencias de sus ejes en la referencia central del osciloscopio. Muestre 4 o 5 perio-

dos de la señal moduladora.

4.5 En esta experiencia, la señal moduladora es que alimenta a la unidad moduladora a

diodo PIN, y la señal demodulada (o envolvente) es la salida del detector cuadráti-

co.

4.6 Mida los valores de las características de la señal modulada y demodulada. Re-

gístrelos en la Tabla 3.2.

4.7 Dibuje las formas de onda (en un mismo eje) mostrando si están o no en fase.

30



Pico-pico (V)




Frecuencia

(Hz)

Moduladora

Modulada

5. MODULACION CON EL DIODO PIN Y SIN EL AISLADOR

5.1 Retire el aislador del circuito de la Fig. 3.8 y muestre el voltaje que alimenta al osci-

lador Gunn. Usted probablemente observará picos transitorios de muy corta dura-

ción (SPIKES) superpuestos a la señal DC, similar a los mostrados en la Fig. 3.9. El

origen de estos transitorios son las fuertes reflexiones de la señal de microondas

durante la fase del bloqueo del modulador PIN. Las señales reflejadas llegan al os-

cilador Gunn y a través de un mezclado se genera indeseables voltajes spikes que

no pueden eliminarse.

Figura 3.9 Voltajes spikes en la tensión que alimenta al Gunn, sin aislador.


1. Grafique las frecuencias de sintonía mecánica y teórica versus distancia del corto

móvil, en una misma gráfica, para comparación. Determine el porcentaje de error e%.

2. De la guía de componentes de microondas, determine la designación comercial de la

guía de onda para la banda X. Indique los valores estándares de a y b en mm.

3. Determine el rango de frecuencias en la que se propaga únicamente el modo domi-

nante, para la guía de onda del laboratorio.

4. Determine la potencia de una señal modulada, aplicada a una carga de impedancia

ℤ = 50 . La envolvente es una señal rectangular de valor mínimo, Vm = 0.5 V y el

valor máximo, VM = 2.0 V; de un periodo de 1.25 ms y ciclo de trabajo de 40 %.

5. Usando las gráficas de la señal modulada con diodo PIN, indique la operación fun-

cional del diodo PIN en el circuito de microondas.

6. Comente sus resultados.

2

L2 EXPLORAR EL CAMPO FRENTE A UN PLANO DE CORTOCIRCUITO Y UNA TERMINACION DE GUIA DE ONDA

1. LINEA RANURADA Como se demostrará con particular cuidado en el posterior experimento sobre medición

del coeficiente de reflexión, una reflexión al final de la línea de transmisión tiene el efecto

de formar una distribución espacial de máximos y mínimos de la intensidad de campo

total a lo largo de la línea (ver: Fundamentos Básicos). Basado en la relación de los valo-

res de amplitud (máximo/mínimo) y de la ubicación de estos valores extremos, se puede

evaluar la magnitud y fase del coeficiente de reflexión.

Fig. 2.1 Principio de la línea de medición ranurada

(vista despiezada)

① Ranura en la guía de onda.

② Sonda para campo eléctrico = antena de varilla

corta.

③ Diodo detector cuadrático

3

Si para este propósito, se desea medir la intensidad de campo a lo largo de la línea de

transmisión (línea ranurada), deberá de tomar en consideración lo siguiente:

a) El campo electromagnético en la guía de onda deberá permanecer tan libre como sea

posible de perturbaciones. Este requerimiento se cumple si hacemos una ranura “an-

gosta” en el centro del lado ancho de la guía de onda (ver la Fig. 2.1 y compárelo con

la figura inferior de la Fig. F.7B).

b) Establecido una ranura en la guía de onda, su impedancia ℤ, ver Ec. (F.18), se verá

ligeramente alterado. Esto puede ser compensado con un pequeño incremento en el

ancho “a” de la guía de onda, en la región de la ranura.

c) Una sonda corta (“dipolo eléctrico”) como el mostrado en la Fig. 2.1, proporciona un

voltaje a su salida, el cual es proporcional a la componente transversal de la intensidad

de campo eléctrico ||. A la salida del detector (de ley cuadrática) uno obtiene un vol-

taje:

= . || (2.1)

En la Ec. (2.1), K es una constante con la dimensión

.

2. TERMINACION DE GUIA DE ONDA PARA

PROPAGACION LIBRE DE REFLEXIONES

Insertando un material absorbente en forma de cuña, la potencia de la onda incidente es

completamente absorbida (aproximadamente). Esto en consecuencia suprime la reflexión

casi en su totalidad.

3. RELACION DE ONDAS ESTACIONARIAS (ROE)

La relación de onda estacionaria (S, para VSWR = Voltaje Standing Wave Ratio; ROE en

español) para los campos eléctricos electromagnéticos ( = + ) se define como:

≝

=

||

|| (2.2)

y || =

(2.3)


1. Graficar la distribución de la magnitud del campo eléctrico transversal a lo largo del eje

de la guía de onda para = 0 y = = 50 Ω., carga adaptada (terminación de

carga).

2. Medir directamente la ROE y calcular la magnitud del coeficiente de reflexión para

≠ .

EQUIPO REQUERIDO

4

1 Oscilador Gunn 73701 1 Modulador a diodo PIN 73705

1 Unidad básica 1 Línea de medición ranurada 73711

(fuente para el Gunn 1 Detector coaxial 73703

con medidor de SWR) 737020 1 Placa de corto circuito 73729

1 Aislador de ferrita 73706 1 Terminación de guía de onda 73714

ACCESORIOS REQUERIDOS

3 Cables con conectores BNC, de 2 m c/u 501022

2 Soportes para componentes de guía de onda 73715

2 Bases para soportes de los componentes de guía de onda 30121

PROCEDIMIENTO

3 Monte el circuito para la experiencia, como se especifica en la Fig. 2.2.

4 Medición con placa de cortocircuito.

4.1 Coloque la placa de cortocircuito en el extremo abierto de la línea ranurada.

5

4.2 Fije la perilla “ZERO” totalmente anti horario, la ganancia (V/dB) a 25; el conmutador

a “PIN INT”; el selector de ganancia a “50 Ω”. Encienda la fuente de alimentación de

la unidad básica y fije VG entre 8V y 10 V (sugerencia: primero increméntelo hasta 10

V y luego ajustarlo al valor deseado).

4.3 Coloque la sonda de la línea ranurada a su posición más extrema en la dirección de

la placa de cortocircuito. Empezando desde allí desplace la sonda hasta la posición

del primer valor máximo del voltaje del detector. Use la perilla “ZERO” para fijar el

máximo a O dB en la escala del medidor de aguja, y manténgalo durante toda la ex-

periencia (incluido para el procedimiento del paso 3).

Fig. 2.2 Montaje para la

experiencia.

a) Esquema físico.

b) Esquema funcional.

6

De no lograr lo indicado, girar la perilla de “ZERO” totalmente anti horario y aumente

un paso más de ganancia y repita el proceso. Anote la posición del máximo.

4.4 Desplace la posición de la sonda (incrementando la distancia de la placa de cortocir-

cuito a la sonda) en pasos de 2 mm, es decir, en posiciones | – | = mm.

Registre los valores (dB negativos) del voltaje del detector en la segunda columna

de la Tabla 2.1.

() = |(| − |)|

= |()|

Finalice la medición después de exceder la posición del segundo máximo.

4.5 Desplazando la posición de la sonda determine la distancia (mm) de las posicio-

nes de dos ceros consecutivos (valores mínimos). Registre los resultados en la últi-

ma línea de la Tabla 2.1 (sugerencia: incrementando hasta dos pasos adicionales en

la escala de ganancia (V/dB) cuando se está cerca del mínimo, permitirá determinar

con más precisión su ubicación).

Nota: Si valores negativos (deflexión negativa) ocurre en el indicador de aguja para

un rango establecido entre 0 u 50 dB, el voltaje VG deberá ser cambiado para valores

entre 7 y 9V hasta que desaparezca el valor negativo.

5 MEDICION CON TERMINACION DE GUIA DE ONDA

PARA PROPAGACION LIBRE DE REFLEXIONES

5.1 Apague la fuente del oscilador Gunn y remplace la placa de cortocircuito con una

terminación de guía de onda libre de reflexiones (carga adaptada).

5.2 Desplace la sonda en posiciones con paso de 2 mm en la misma posición como en el

experimento del paso 2.4 (ver también Tabla 2.1). Lea el voltaje del detector y regis-

tre estos resultados en la Tabla 2.2.

6 MEDICION DE LA ROE PARA UNA CARGA ARBITRARIA

6.1 Usando una terminación de carga y un paralelepípedo de color negro (muestra de

grafito), confeccionar una impedancia de carga para la guía de onda, ≠ =

.

6.2 Apague la fuente del oscilador Gunn y remplace la carga adaptada por la carga con-

feccionada. Desplace la sonda hasta ubicar un máximo. Con la perilla “ZERO” posi-

cione la aguja en la escala inferior para ROE = 1 (0 dB en la escala superior).

6.3 Desplace la sonda, alejándose de la carga, hasta ubicar un mínimo. Lea directamen-

te el valor de la ROE de la carga y regístrelo en la Tabla 2.3. Calcule el valor de ||.

7

Table 2.1

Posición de la sonda

|x-x0| en mm

Lectura (dB)

|(| − |)|

|(| |)|

| − |

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

Distancia entre ceros

Δx(mm) = --------------- g = ------------- mm

Tabla 2.2

Position de la sonda

|x-x0| en mm

Lectura (dB)

|(| − |)|

|(| |)|

| − |

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

Nota: Vmax es el valor del voltaje máximo de la onda estacionaria frente a la placa de cortocircuito.

Tabla 2.3

ROE = __________ || = ____________

8


1. Determine la longitud de onda de la onda propagándose en la guía de onda, en

mm, a partir de la distancia entre ceros consecutivos.

2. Basados en el resultado para , determinado en la pregunta anterior, y conocido el

ancho de la guía de onda a = 22.8 mm, calcular la longitud de onda en el espacio li-

bre y la frecuencia de oscilación de los campos.

3. Calcular los valores numéricos de la velocidad de fase y la constante de fase ,

de acuerdo a las Ec. (F.14) y Ec. (F.16) y también el ángulo (ver Fig. F.6) de

acuerdo a la Ec. (F.12).

4. Basado en las resultantes de la pregunta 3, pruebe la validez de la ecuación.

=

(Ver Fig. F.6)

5. ¿Cuál es la frecuencia de corte de la onda TE10 en la guía de onda rectangular, y

a partir de que frecuencia el modo TE20 es capaz de propagarse? Para responder,

vea también la Fig. F.9.

6. Basado en los valores mostrados en los instrumentos de medición determinados ex-

perimentalmente en el punto 2.4, calcule la relación de los voltajes respectivos (in-

tensidades de campo) al valor máximo y regístrelos en la tercera columna de la Tabla

2.1.

7. De acuerdo a la Fig. F.4e la distribución de voltaje (distribución de la intensidad de

campo ) es

|(| − |)|

=

| − |

Registre los valores resultantes de esta ecuación en la cuarta columna de la Tabla

2.1 y compare estos valores con los de la tercera columna. Discuta las posibles cau-

sas, si ocurre desviaciones entre los valores de las últimas dos columnas.

8. Usando los valores de las mediciones observadas y determinadas experimentalmen-

te en el paso 3.2, calcule la relación de los voltajes respectivos (intensidades de

campo) al valor máximo y regístrelos en la tercera columna de la Tabla 2.2.

9. Discuta los resultados obtenidos en la pregunta anterior.

10. Calcule teóricamente las ubicaciones de los máximos y mínimos del campo eléctrico

electromagnético y compárelos con los obtenidos experimentalmente. Comente sus

resultados.

11. Calcule teóricamente las ubicaciones de los máximos y mínimos del campo magnéti-

co electromagnético.

9

BIBLIOGRAFIA

1. T.A. Johnk: Engineering Electromagnetic Field and Waves. Wiley & Sons, New York,

1975.

2. Altmann: Microwave Circuits, Van Norstrand, 1964.

3. F.E. Gardiol: Introduction to Microwaves, Artech House, Dedham, 1984.

4. M. Sucher, J. Fox: Handbook of Microwave Measurements, Polytechnic Press,

Brooklyn (NY), 1963.

5. C.G. Montgomery: Techniques of Microware Measurements, Mc Graw Hill, New

York, 1947.

6. R.E. Collin: Field theory of Guided Waves, Mc Graw Hill, New York, 1947.

7. R.F. Harrington: Time Harmonic Electromagnetic Fields, Mc Graw Hill, New York,

1960.

8. S.F. Adam: Microware theory and Applications. Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1969.

10

L3 SINTONIZACION MECANICA Y MODULACION DEL OSCILADOR GUNN

7 FUNDAMENTO DE LA SINTONIZACION MECANICA

El oscilador Gunn usado en todos los experimentos realizados con este sistema de en-

trenamiento ya ha sido investigado experimentalmente en el experimento 1: curvas carac-

terísticas del oscilador Gunn.

En el ensamblado del oscilador Gunn, sus configuraciones basicas, para la cavidad

resonante, se muestran en la Fig. 3.1.

Aquí, el espacio del resonador en el

que se genera la oscilación con una

distribución de campo E(z) como el

mostrado en la Fig. 3.1, es formado

por el volumen delimitado entre el dio-

do Gunn y el diafragma. Cuando el

diodo Gunn es alimentado con un vol-

taje fijo, permite que el resonador osci-

le a una frecuencia fija determinado por

las dimensiones geométricas. Para

poder tener la posibilidad de llevar a

cabo una corrección fina a la frecuen-

cia del oscilador durante su funciona-

miento, el oscilador Gunn es equipado

con un tornillo dieléctrico para sintoni-

zación como se muestra en la configu-

ración básica de la Fig. 3.1a. Cuando

el tornillo de sintonización penetra pro-

fundamente dentro del resonador, la

energía almacenada en el campo eléc-

trico es incrementable por lo que la

frecuencia de resonancia disminuirá

para mantener el “balance” con la

energía del campo magnético.

La Fig. 3.1 muestra las diferentes con-

figuraciones para el oscilador Gunn:

(d) Configuración básica, con volu-

men del resonador entre el diodo Gunn

① y el diafragma ③ (ver también la

distribución de campo E(z), placa de

cortocircuito ② tornillo dieléctrico de

sintonización ④ (Pre establecido por el fabricante)).

Fig. 3.1 Diversas configuraciones de la cavidad resonante de un oscilador Gunn

11

(e) Configuración con un tornillo dieléctrico de sintonía ajustable ⑤ para variar la

frecuencia.

(f) Configuración modificada, con el volumen del resonador entre el corto desplaza-

ble y el elemento Gunn (ver distribución de campo E(z)).

El tornillo de sintonización de la configuración (a) no debe ser ajustado durante la realiza-

ción del experimento. Para ser capaz de investigar sistemáticamente los efectos de la

profundidad de penetración del tornillo dieléctrico sobre la frecuencia de oscilación en

estos experimentos, el tornillo dieléctrico de sintonización “fijo” deberá ser reemplazado

por la “unidad de sintonización dieléctrica”. Con esta unidad es posible realizar una posi-

ción precisa de la profundidad de penetración usando un tornillo con micrómetro (ver Fig.

3.1b).

Para poder lograr una frecuencia de oscilación sintonizable, variando las dimensiones del

espacio resonador, se usará la configuración de la Fig. 3.1c en lugar de las configuracio-

nes Fig. 3.1a y Fig. 3.1b. Para ello, el diafragma es removido primero, para que no se

forme un resonador en el área a la derecha del elemento Gunn (ver Fig. 3.1c). El volumen

del resonador esta entonces localizado en el espacio entre el corto desplazable y el diodo

Gunn. De nuestra investigación de la resonancia TE101 resulta la frecuencia del oscilador.

=

√∈

+


Aquí a = 22.86 mm, es el ancho de la guía de onda, S es la distancia entre la posición del

corto desplazable y la posición del elemento Gunn; es ajustable y de acuerdo a la Ec.

(3.1), la frecuencia de oscilación también.

8 FUNDAMENTO DE LA MODULACION

Una fuente de microonda modulada en amplitud es requerida para realizar algunos expe-

rimentos del laboratorio de microondas. Esta fuente genera el necesario campo electro-

magnético a frecuencia de microondas para una carga conectado en el circuito de micro-

ondas. Sólo a través de la modulación es posible realizar una detección selectiva en fre-

cuencia de la señal recibida y demodulada y así lograr una supresión efectiva del ruido.

Para el diseño de una fuente de microonda modulada existen dos opciones mostradas en

las Fig. 3.5 y Fig. 3.6.

3. Modulación directa del oscilador Gunn.

4. Modulación indirecta, con un externo modulador a diodo PIN.

8.1 MODULACIÓN DIRECTA DEL OSCILADOR GUNN

La modulación directa del oscilador Gunn es una forma de realizar la modulación sin

equipo adicional pero también sin los mejores resultados. Como se sabe (de los resulta-

dos de la primera experiencia del oscilador Gunn) la potencia de microondas emitida (y el

espectro emitido) es fuertemente dependiente del voltaje del diodo Gunn. Más aun, están

sujetas a considerables tolerancias de los fabricantes de osciladores Gunn. Debido a

12

esta dependencia con el voltaje al diodo Gunn, la potencia de microondas emitida presen-

ta discontinuidades o irregularidades.

En otro experimento se muestra que en el caso de modulación de amplitud del voltaje del

oscilador Gunn, y cuando el punto de operación (voltaje de alimentación) está en las

proximidades de una discontinuidad, una ligera variación en el voltaje al diodo Gunn con-

duce a una considerable variación en la potencia emitida y por ello a una señal demodu-

lada de gran tamaño. Sin embargo, si el punto de trabajo es seleccionado cerca de una

discontinuidad (aproximadamente 4 V), una de las consecuencias es que el espectro emi-

tido contiene muchos diferentes componentes de frecuencia. Pero debido al hecho de

que todas las componentes de un circuito de microondas están diseñadas a una frecuen-

cia de 9.4 GHz, y normalmente tienen un ancho de banda muy angosto, los resultados de

las mediciones para este caso son con frecuencia insuficientes y requieren explicación.

Las Fig. 3.2 y Fig. 3.3 proporcionan ejemplos de los espectros emitido por el oscilador

Gunn para voltajes VG de 4 V y 8 V respectivamente. El espectro más puro (modoTE101 a

9.4 GHz y modo TE202 a 18.8 GHz) se obtienen generalmente para un voltaje Gunn supe-

rior a los 8 V.

Así mismo, la potencia de microonda emitida sólo cambia muy ligeramente en el rango de

voltajes Gunn más altos (7 V < VG < 10 V), cuando el voltaje Gunn es variada (caracterís-

tica plana). Esto produce una señal demodulada muy pequeña. Esto significa que en el

rango donde el diodo Gunn emite un espectro puro (para VG ≥ 8V), la modulación directa

es posible únicamente para una desviación de amplitud muy pequeña.

Debido a que no existe un modulador con diodo PIN en el circuito de la Fig. 3.3, en estos

experimentos el punto de trabajo es establecido alrededor de los 4 V para generar una

señal modulada con más fuertes variaciones de amplitud, a pesar de las desventajas que

conlleva.

Si se cuenta con un modulador a diodo PIN, es altamente recomendable que lo use (ver

procedimiento del paso 4) ya que con ello se logrará mejores resultados de las medicio-

nes.


13


En forma abreviada, el procedimiento para una modulación directa interna de oscilador

Gunn, consiste en superponer una señal pulso rectangular a la tensión VG de alimenta-

ción al oscilador. El esquema para la configuración de este experimento se muestra en la

Fig. 3.6

Como resultado de los pasos anteriores, el voltaje DC al diodo Gunn será superpuesto

por una señal de onda cuadra con una frecuencia de 976 Hz y una amplitud de 300 mV.

Ver Fig. 3.4.

Fig. 3.4 Característica principal del voltaje Gunn emitida por la unidad básica (a través de

la salida “GUNN”) para una modulación interna. VG constituye el voltaje de alimentación

establecida usando el potenciómetro giratorio VG de la sección “GUNN POWER


8.2 MODULACION INDIRECTA CON EXTERNO MODULADOR A DIODO PIN

El esquema para la configuración de este experimento se muestra en la Fig. 3.7. El osci-

lador Gunn genera una potencia de onda continua, es decir, su potencia de salida es

constante en el tiempo. La modulación es realizada por un modulador externo a diodo

PIN. Dependiendo de su voltaje de control se tendrá altos valores de sus coeficientes de

reflexión y transmisión. Para poder prevenir que cualquier reflexión indeseada llegue al

oscilador Gunn, este es aislado del resto del circuito por un aislador de ferrita. La unidad

que consiste del oscilador Gunn, el aislador y el modulador a diodo PIN, constituye una

configuración típica de uso frecuente en aplicaciones prácticas y es conocido por su fácil

manejo.

14

De este modo se evita las desventajas de la modulación directa realizada a través de la

alimentación del diodo Gunn (sujeto a la discontinuidad), el cual es fuertemente depen-

diente de la tolerancia del fabricante. La señal modulada externamente es considerable-

mente mejor que la modulación directa debido a que en este caso, las variaciones de

amplitud dependen únicamente del voltaje de control del modulador PIN. Como el diodo

Gunn puede funcionar para un punto de trabajo fijo, el espectro de microonda emitido no

es afectado por la modulación. Información adicional puede obtenerse de la hoja de ins-

trucción para el modulador PIN.

Si dispone de un modulador a diodo PIN, le recomendamos usarlo en la modulación para

obtener mejores resultados de las mediciones. El modulador PIN puede ser modulado

internamente o externamente. Para modulación externa necesitará de un generador de

funciones adicional.


4. Realizar la sintonización del oscilador Gunn a otra frecuencia diferente a 9.4 GHz,

usando dos métodos diferentes.

5. Realizar una modulación interna y externa para el oscilador a diodo Gunn y entender

el funcionamiento del diodo PIN.

6. Familiarizarse con el uso de la línea ranurada para medir la longitud de onda de la

guía de onda ( ) y calcular, indirectamente, la frecuencia de oscilación de la señal

que se propaga en la guía de onda.

III) SINTONIZACION DEL OSCILADOR GUNN

EQUIPOS REQUERIDOS



1 Unidad de sintonía dieléctrica 737 015



1 Línea de medición ranurada 737 111


1 Placa de cortocircuito 737 29

1 Cortocircuito desplazable 737 10





15




Fig. 3.5 Configuración para la experiencia, de acuerdo a la Fig. 3.1 (b), con el oscilador

① con diafragma. a) Circuito de microondas. b) Diagrama funcional del circuito de mi-

croondas.

PROCEDIMIENTO

6. SINTONIA DEL OSCILADOR USANDO UNA UNIDAD DE SINTONIA DIELEC-

TRICA.


6.2 Altere la estructura del oscilador Gunn reemplazando el tornillo de sintonía dieléctri-

ca “fija” por la “unidad de sintonía dieléctrica” (737 015). En esta unidad, establecer

el tornillo micrómetro a 0 mm y luego insertarlo dentro del módulo Gunn tal que la

varilla de teflón justo hace contacto con la pared “superior”.

16

6.3 Encienda la fuente de alimentación del Gunn y establezca el voltaje VG de 8…10V.

También conecte el modulador PIN a la unidad básica.

6.4 Determine la frecuencia de la señal de microondas generada, en función de la pro-

fundidad de penetración “t” (mm) del tornillo de sintonía dieléctrico. Lo siguiente se

aplica para la profundidad de penetración:

t = 10 mm – Valor en la escala del tornillo micrómetro.

Varíe la profundidad de penetración de 0 a 10 mm en pasos de 2 mm. Desplace la

posición de la sonda de línea ranurada para determinar la longitud de la guía de

onda /2 es el resultado de la distancia de dos mínimos consecutivos en el pa-


Tabla 3.1 Sintonía dieléctrica Tabla 3.2 Sintonía mecánica

Profundidad de penetración

t (mm)

(mm)

(GHz)

(mm)

(mm)

()

(mm)

(mm)

() (mm)

0 10

2 12

4 14

6 16

8 18

10 20

7. SINTONIA MECANICA CON CORTOCIRCUITO MOVIL


7.2 Después, configure el oscilador Gunn:

(d) Reemplazar la unidad de sintonía dieléctrica con el tornillo dieléctrico de sinto-

nía “fija”

(e) Retirar el diafragma, es decir, afloje los tornillos de conexión y retire el diafrag-

ma.

(f) Retire la placa de cortocircuito de la parte posterior del oscilador Gunn, luego

conecte el cortocircuito móvil y ajústelo al oscilador usando los dos tornillos lar-

gos.

7.3 Encienda la fuente de alimentación del oscilador Gunn y establezca el voltaje VG

entre 8…10V.

7.4 Conecte al oscilador: el modulador PIN, la línea de medición ranurada, el detector

cuadrático y un cortocircuito fijo en el otro extremo. Conecte el oscilador, modulador

PIN y detector cuadrático a la unidad básica.

17

7.5 Determine la frecuencia de la señal de microondas como una función del cortotocir-

cuito móvil. Para ello, varié la distancia del plano de cortocircuito al plano del poste

del diodo Gunn, cambiando en pasos de 2 mm en el rango de 10 a 20 mm. La dis-

tancia S entre la posición del poste del diodo Gunn y el cortocircuito móvil (ver Fig.

3.1c) está dado por la expresión:

S (mm) = X (mm) + 4.9

Desplace la sonda de la línea ranurada para cada distancia S del cortocircuito móvil

y determine la distancia entre dos mínimos (nulos) consecutivos (= /2) del pa-


Fig. 3.6 Configuración para la experiencia, de acuerdo a la Fig. 2.1c, con el oscilador ①

sin diafragma. a) Circuito de microondas. b) Diagrama funcional del circuito de microon-

das.


1.4. Determine la respectiva frecuencia de oscilación () correspondiente a cada

particular profundidad de penetración () del paso 1.4 (oscilador con tornillo de

18

sintonización dieléctrico) usando los medidos y el conocido ancho de la guía de

onda . La siguiente relación puede serle de utilidad:

=

−

=

1.5. Compare los valores medidos de en el paso 2.3 con la particular distancia S del

corto móvil al eje del poste del diodo Gunn. Use la columna preparado para S en la

Tabla 3.2.

1.6. Tomando la anchura de la guía de onda en consideración, calcula teóricamente la

frecuencia del oscilador correspondiente a las varias posiciones del cortocircuito mó-

vil y registre estos valores en la Tabla 3.2 (columna 5).

IV) MODULACION DEL OSCILADOR GUNN

EQUIPOS REQUERIDOS


1 Transición de GO a coaxial 737 035





1 Atenuador variable 737 09








1 Conector coaxial BNC tipo T.

PROCEDIMIENTOS

8. MODULACIÓN DIRECTA DEL OSCILADOR GUNN

8.1 Arme el circuito para el experimento de acuerdo a la Fig. 3.7.

8.2 Conecte el oscilador Gunn a la salida “GUNN” en la sección “GUNN POWER


19

8.3 En la sección “MODULATION” de la unidad básica, establezca el conmutador bas-

culante a “GUNN INT”.

8.4 Establezca el voltaje Gunn a aproximadamente 8 V (soporta hasta 10 V) usando la

perilla de control VG, de la sección “GUNN POWER SUPPLY” de la unidad básica.

8.5 Configure los amplificadores verticales del osciloscopio en acoplamiento DC, y sus

valores de escalas de amplitud al mínimo valor que permita ver la señal en cada

canal. En un canal se deberá ver la señal moduladora (sale del conector T) y en el

otro canal, la señal demodulada (muy pequeña). Mida los valores DC de cada se-

ñal.

Fig. 3.7 Esquema de conexión para la modulación directa del oscilador Gunn. El conmu-

tador es establecido a “GUNN INT” en la sección “MODULATION” de la unidad básica.

8.6 Ahora, con acoplamiento en AC para cada canal, aumente la amplitud de las esca-

las verticales, hasta que se pueda apreciarlos adecuadamente en el osciloscopio.

La base de tiempo debe ser tal que permita ver cuatro o cinco periodos.

8.7 Dibuje las formas de onda de la señal modulada y demodulada, en ellas deberán

estar indicados si sestan en fase o no. Mida las amplitudes pico-pico y los anchos

de los pulsos. Calcule el ciclo de trabajo de la señal moduladora. Registre sus resul-

tados en la Tabla 3.1



Pico-pico (V)




Frecuencia

(Hz)

Moduladora

Modulada

20

9. MODULACION EXTERNA DEL OSCILADOR GUNN

9.1 Ensamble el circuito de la experiencia, como se muestra en la Fig. 3.8, y sin encen-

der la fuente de alimentación de la unidad básica, establezca la perilla de VG a 10 V.

9.2 Conecte el modulador a diodo PIN al conector BNC etiquetado como “PIN” de la

unidad básica, en la sección “MODULATOR” y fije el conmutador a la posición

“GUNN INT”; establezca el atenuador a 10 dB.

9.3 Encienda la fuente de la unidad básica.

Fig. 3.8 Esquema de conexión para modulación con un modulador externo con diodo PIN

y señal de modulación interna. Establezca el conmutador a “PIN INT” en la sección

“MODULATOR” de la unidad básica.

9.4 Con acoplamiento en DC para los amplificadores de los canales del osciloscopio,

(cerciórese de estar configurado para cable X1) mostrar las dos señales, con las re-

ferencias de sus ejes en la referencia central del osciloscopio. Muestre 4 o 5 perio-

dos de la señal moduladora.

9.5 En esta experiencia, la señal moduladora es que alimenta a la unidad moduladora a

diodo PIN, y la señal demodulada (o envolvente) es la salida del detector cuadráti-

co.

9.6 Mida los valores de las características de la señal modulada y demodulada. Re-

gístrelos en la Tabla 3.2.

9.7 Dibuje las formas de onda (en un mismo eje) mostrando si están o no en fase.

21



Pico-pico (V)




Frecuencia

(Hz)

Moduladora

Modulada

10. MODULACION CON EL DIODO PIN Y SIN EL AISLADOR

10.1 Retire el aislador del circuito de la Fig. 3.8 y muestre el voltaje que alimenta al osci-

lador Gunn. Usted probablemente observará picos transitorios de muy corta dura-

ción (SPIKES) superpuestos a la señal DC, similar a los mostrados en la Fig. 3.9. El

origen de estos transitorios son las fuertes reflexiones de la señal de microondas

durante la fase del bloqueo del modulador PIN. Las señales reflejadas llegan al os-

cilador Gunn y a través de un mezclado se genera indeseables voltajes spikes que

no pueden eliminarse.

Figura 3.9 Voltajes spikes en la tensión que alimenta al Gunn, sin aislador.


1. Grafique las frecuencias de sintonía mecánica y teórica versus distancia del corto

móvil, en una misma gráfica, para comparación. Determine el porcentaje de error e%.

2. De la guía de componentes de microondas, determine la designación comercial de la

guía de onda para la banda X. Indique los valores estándares de a y b en mm.

3. Determine el rango de frecuencias en la que se propaga únicamente el modo domi-

nante, para la guía de onda del laboratorio.

4. Determine la potencia de una señal modulada, aplicada a una carga de impedancia

ℤ = 50 . La envolvente es una señal rectangular de valor mínimo, Vm = 0.5 V y el

valor máximo, VM = 2.0 V; de un periodo de 1.25 ms y ciclo de trabajo de 40 %.

5. Usando las gráficas de la señal modulada con diodo PIN, indique la operación fun-

cional del diodo PIN en el circuito de microondas.

6. Comente sus resultados.

ANEXOS

38

Oscilador Gunn 737 01

Instrucciones de Servicio

Fig. 1

Antes de utilizar el equipo, lea las instrucciones de servicio detenidamente!

Uso correcto

El oscilador Gunn sirve para generar potencia de microondas para propósitos didácticos.

1. Instrucciones de seguridad

Se debe evitar mirar directamente en el extremo emisor de la guía de ondas.

El oscilador Gunn se puede desarmar en 4 componentes, según lo requiera el expe-

rimento, por medio de cierres rápidos y con los tornillos moleteados incluidos en el

suministro.

No está permitido desarmar el oscilador en más partes.

Durante la operación del equipo, se debe observar que todas las piezas del oscilador

estén fijadas firmemente, es decir que los tornillos moleteados deben estar siempre

bien apretados.

La alimentación de corriente continua del oscilador Gunn se debe realizar únicamen-

te por medio de equipos de suministro de energía LD. Con ellos se excluye la posibi-

lidad de trocar la polaridad. La presencia de sobretensiones, incluso en forma de un

transitorio de tensión muy breve, causará el daño del diodo Gunn.

39

Fig. 2: Componentes del oscilador Gunn

① Módulo de diodo Gunn con:

② Espigas metálicas (incluyen el diodo Gunn)

③ Tornillo de sintonía dieléctrica

④ Conector hembra BNC

⑤ Pared posterior de la carcasa

⑥ Diafragma perforado

⑦ Adaptador

2. Descripción

El equipo MTS 7.4.1 incluye un oscilador Gunn ya montado (ver fig. 1) para la frecuencia

fija de 9,40 GHz. El oscilador ha sido diseñado especialmente de acuerdo con los reque-

rimientos del sistema de experimentación.

a) El equipo puede ser desmontado por el usuario en cuatro partes, de tal manera que

se puedan realizar modificaciones parciales con otros fines experimentales. Las cua-

tro partes componentes, enlazadas mediante elementos de conexión rápidos, son las

siguientes: módulo diodo Gunn, la pared posterior, un diafragma con abertura y una

adaptador (ver fig. 2).

b) Empleando el cursor de cortocircuito en la unidad de aprendizaje MTS 7.4.6 se pue-

de transformar el oscilador en uno de sintonía mecánica, para un rango de frecuencia

de 8,5 a 12,4 GHz.

En la unidad MTS 7.4.2 se describe detalladamente el funcionamiento del oscilador Gunn

y se realizan aplicaciones prácticas. El funcionamiento está basado en la de-atenuación

dentro de la cavidad resonante empleando el diodo Gunn.

El circuito de c.c. (fig. 3) recorre el interior del conductor (polo negativo) del conector

coaxial BNC hembra, el interior del conductor del filtro de paso bajo coaxial y la parte su-

40

perior de la barra metálica hacia el diodo Gunn, y desde allí a través de la parte inferior

de la barra metálica hacia la estructura de la cavidad. La disipación de calor del diodo

Gunn se lleva a cabo mediante la parte inferior de la barra metálica hacia la carcasa.

La estructura del filtro de paso bajo se puede observar en la fig. 3. Este filtro impide que

una parte de la potencia de microondas generada en el diodo Gunn fluya a través del

circuito de c.c.

Está compuesto de dos segmentos de línea en cascada, las cuales poseen impedancias

características de línea muy diferentes y son aproximadamente iguales a l/4 de la fre-

cuencia de operación de 9,40 GHz. De este modo se consigue que la señal de microon-

das en la juntura entre la línea coaxial y la guía de ondas casi se cortocircuite.

Antes de que el oscilador sea suministrado se ha sintonizado la frecuencia con precisión

mediante el ajuste de la profundidad de inmersión del tornillo de sintonía dieléctrico. Por

lo tanto el usuario no está autorizado para ajustar posteriormente la profundidad de in-

mersión.

Fig. 3 Circuito de c.c. del oscilador Gunn

① Diodo Gunn

② Par te inferior y superior de la espiga

metálica

③ Pasabajo

④ Conductor interior del conector hembra

BNC

⑤ Conductor exterior del conector hembra

BNC

3. Datos técnicos

Tensión de c.c. de operación del diodo Gunn: 8 hasta 10 V

Corriente continua de operación: 115 hasta 150 mA

Frecuencia de la señal de microondas: 9,40 (± 0,002) GHz

Potencia de microondas: 6 dBm

Supresión de las señales armónicas: 30 dB

Supresión de las señales no armónicas: 50 dB

Eficiencia del oscilador: aprox. 1%

Pérdidas de potencia: aprox. 1 W

41

Unidad de alimentación Gunn con medidor SWR 737 021


¡Antes de poner el equipo en funcionamiento, lea detenidamente las instrucciones

de servicio!

Uso correcto

La Unidad de alimentación Gunn con medidor SWR forma parte de los sistemas modula-

res de entrenamiento MTS 7.4 (Tecnología de microondas) y MTS 7.6 (Tecnología de

antenas). La unidad sólo está diseñada para el uso en demostraciones o en prácticas de

laboratorio.

Descripción

Para el funcionamiento del oscilador Gunn, N° Cat. 737 01, y del modulador PIN, N°. Cat.

737 05, se requieren tensiones de control y tensiones continuas. El equipo descrito a con-

tinuación sirve para generar dichas tensiones, así como para la evaluación cuantitativa de

la señal de microondas demodulada. Además, el aparato posee diversas salidas y entra-

das para experimentos de modulación y con curvas características. Se suministra como

equipo de sobremesa de 19". El equipo se incorpora a los siguientes sistemas, de acuer-

do con la Fig. 1:

Fig. 1 Vista del panel frontal de la unidad de alimentación Gunn con medidor SWR.

A la unidad de alimentación Gunn se le denomina, también, Unidad Básica. Esta unidad

tiene las siguientes secciones, rotuladas en el panel frontal:

I: GUNN POWER SUPPLY

II: MODULATION

III: POWER & SWR METER

IV: VIDEO

42

Elementos del panel frontal

① Interruptor de alimentación ⑮ Ajuste de offset análogo amplificador de vídeo

② Hembrillas para la alimentación Gunn ⑯ Entrada amplificador de vídeo

③ Salida para registrador, X ⑰ Selector TTL/Analog

④ Salida para registrador, Y ⑱ Salida amplificador de vídeo

⑤ Corrección de punto cero ⑲ Medidor dB/SWR

⑥ Entrada de modulación Gunn ⑳ Amplificación variable medidor SWR

⑦ Salida para señal de radar Doppler

Selector de modulación

⑧ Salida modular PIN

Ajuste de amplitud para modulación EXT-PIN

⑨ Entrada para modulación PIN, externa

Ajuste punto de operación para modulación EXT-PIN

⑩ Selector de impedancia de entrada de EXT

Conmutador de rango de medición I /U

⑪ Ajuste de ganancia

Ajuste de la tensión Gunn UG

⑫ Entrada de amplificador Lock-In

LED de control UG

⑬ Salida de amplificador Lock-In

Voltímetro/amperímetro

⑭ Corrección de punto cero

LED de control IG

(I) GUNN-POWER-SUPPLY

La tensión continua, necesaria para la operación del oscilador Gunn, se ajusta al punto

óptimo de trabajo del elemento Gunn, por medio del potenciómetro de 10 pasos . La

unidad de alimentación Gunn, ajustable entre –10 V y 0 V, es a prueba de cortocircuito

permanente. En el instrumento de medición , se pueden leer alternadamente la co-

rriente Gunn y la tensión Gunn. Esto permite el registro punto a punto de la característica

Gunn, así como el control del punto de operación ajustado. La escala válida para cada

caso se indica mediante los LEDs incorporados y . Por medio del conmutador bas-

culante , se conmuta entre la corriente Gunn IG y la tensión Gunn UG.

Para el registro de las características por medio del registrador XY, se dispone de 2 hem-

brillas ③ y ④ (marcadas X, Y). La conversión de la corriente Gunn en la tensión reque-

rida por el registrador XY, se realiza por medio de un convertidor de corriente-tensión,

cuyo factor de conversión tiene un valor de aprox. 1 V/100 mA.

Por medio de un amplificador de diferencia se evalúan las diferencias de tensión, como

las que se presentan en el radar Doppler, y se transmiten a la hembrilla OUT / DOPPLER

RADAR ⑦.

43

El oscilador Gunn se puede modular externamente a través de su tensión de alimenta-

ción. Para este fin, la unidad de alimentación posee una entrada de modulación ⑥, mar-

cada con MOD IN /GUNN EXT.

(II) MODULACIÓN

El módulo MODULATION incorporado en la unidad de alimentación genera una señal (de

reloj) pulsátil, que se emplea para la modulación del modulador PIN, N° Cat. 737 05, y

para el control, del POWER & SWR METERs (III). Con el conmutador basculante se

puede modular el Modulador PIN, conectado a la hembrilla ⑧, o bien por medio de la

señal interna de reloj, o por medio de una señal externa alimentada a la hembrilla ⑨.

Para facilitar una modulación interna, sin tener que emplear el modulador PIN, se debe

ajustar el conmutador basculante a la posición GUNN-INT. De este modo, la tensión

Gunn es modulada en amplitud por la señal de reloj.

(III) POWER & SWR METER

La señal de microondas demodulada por el detector o por la sonda de campo E, se ali-

menta a un amplificador de medición, selector de fase y de frecuencia (detector Lock-In u

homodino). El amplificador posee una capacidad dinámica de máximo 60 dB, lo que co-

rresponde a una ganancia de 1 000 000. La estructura básica de un amplificador Lock In,

se muestra en la Fig. 2.

Fig. 2 Estructura básica de un amplificador Lock In

En la Fig. 2, significan:

① Filtro pasabanda ⑥ Oscilador de sincronización

② Amplificador ⑦ Elemento de microonda que se

③ Rectificador de sincronización ⑧ Modulador PIN

④ Filtro pasabajo ⑨ Oscilador Gunn

⑤ Medidor

44

Formas de la señal

A: señal débil, con mucho ruido

B: señal fuerte que se puede detectar, con mucho ruido

C: señal útil con componente de DC constante en el tiempo

D: las componentes perturbadoras de AC se filtran en banda angosta

Los elementos 1...6 de la Fig. 2 pertenecen al receptor homodino; los componentes 7...9,

al arreglo de microondas.

Mediante el convertidor de sincronización, el instrumento POWER & SWR METER del

oscilador de sincronización es selectivo en frecuencia y en fase, es decir, la componen-

te de DC se presenta sólo para la parte de la señal de entrada, cuya frecuencia sea exac-

tamente igual a la frecuencia de reloj, y tendrá su valor máximo únicamente cuando no

exista desfase entre la señal de reloj y la señal útil.

Debido al escaso ancho de banda del amplificador Lock-In, también es posible evaluar

cuantitativamente las señales de detector débiles, de ruido muy fuerte. La visualización

de la potencia relativa de microondas en dB se realiza en el instrumento de medición ⑲.

La escala se ha construido de acuerdo con la ley del cuadrado del detector. Una segunda

escala permite determinar la relación de onda estacionaria SWR. La señal de salida se

puede tomar en la hembrilla AMP OUT ⑬, lo que posibilita la evaluación directa de los

resultados de medición con la interface CASSY o con el registrador XY.

(IV) VIDEO

Se dispone de un amplificador de vídeo, construido como canal de recepción separado

del amplificador de medición, que le suministra a la hembrilla de salida ⑱ una señal ana-

lógica o una señal TTL, dependiendo de la posición del conmutador basculante ⑰. Con

el elemento de ajuste ⑮ se puede variar la componente de DC de una señal análoga. El

amplificador, al que se tiene acceso en este campo, es de banda ancha. Con él se puede

amplificar señales externas modula-das (como fuente de modulación se pueden emplear

equipos del programa TPS 7.2 "Sistemas de transmisión", o generadores de función o

generadores de patrones de imagen, etc.)

DATOS TÉCNICOS

Tensión de la red: 230 V/50 Hz conmutable internamente a 115 V, cable de cone-

xión con enchufe con puesta a tierra.

Consumo de potencia: aprox. 20 VA

Dimensiones: 500 x 300 x 150 mm (b x p x h) incluida la carcasa de 19"

Peso: aprox. 6 kg.

I. GUNN POWER SUPPLY

Tensión Gunn: –10 V ≤ UG ≤ 0 V ajustable con potenciómetros de 10 pasos,

a prueba de cortocircuitos

45

Corriente Gunn: máx. 200 mA

Visualización: 0...10 V selección de escala mediante LED

0...200 mA selección de escala mediante LED

Mec. medición: Cl. 1,5 con escala con espejo y corrección de cero

Salidas BNC: ② GUNN, para alimentación de DC del oscilador Gunn, ③ X e Y④

para registro de características con registrador XY, DOPPLER RADAR

⑦ para experimentos con el radar Doppler

Entrada BNC: MOD IN ⑥ para la modulación externa del oscilador Gunn. Señal de

entrada máx. ±10 V. Ancho de banda 10 kHz

II. MODULATION

Selector en:

PIN-EXT: fuente de modulación ext., tensión diodo PIN ajustable

con y , a prueba de cortocircuitos, 10 mA, offset DC

0...900 mV ajustable

PIN-INT: Oscilador sincronización interno, señal rectangular 0/750

mV, 10 mA, 976 Hz.

GUNN-INT: Modulación interna de tensión Gunn con oscilador de

sincronización, señal rectangular – 350 mV...0 V, 976 Hz

Offset DC: 0...1 V ajustable con OP .

Salida BNC PIN ⑧ para modulación interna, por medio del oscilador de sincro-

nización, o modulación externa, según la posición del conmutador

cm

Entrada BNC EXT ⑨ para modulación externa del modulador PIN, entrada máx.

de tensión ± 10 V, ancho de banda 5 MHz; impedancia de entrada,

según posición de conmutador ⑩, 50 Ω o 1 kΩ (High)

III. POWER & SWR METER

Principio: Detección Lock-In con sincronización interna por medio de oscila-

dor de reloj

Entrada: INPUT ⑫ polarizada DC, 10 kΩ, BNC

Rango dinámico: 0...55 dB ajustable en 12 pasos ⑪, 5 dB adicional a través de

amplificación variable ⑳.

Precisión: ± 0,3 dB en todos los rangos

Sensibilidad: 1 µVRMS para deflexión máxima

Frecuencia media: 976 Hz

Ancho de banda: 10 Hz

46

Visualizaciones: potencia en dB calibrada para detectores según la ley del cuadra-

do. Escala para +0,5 dB...–20 dB. Escala lineal 0...100 %. 0 dB

corresponden a 100 %. Escala SWR 1,00...5.

Mec. medición: Cl.1,5 con escala con espejo y corrección de punto cero

Salida: AMP OUT ⑬, salida DC para medición de tensión 0...+10 V.

IV. VIDEO

Entrada: :INPUT ⑯ 50 Ω, BNC, conjunta para ANALOG y TTL

Salida: :Para conmutador selector ⑰

:ANALOG: Ancho de banda 4 MHz, señal de salida máx. 5 Vpp.

Ganancia aprox. 100, Offset ⑮ ajustable –1,5 V...+1,5 V

: TTL: Nivel TTL

47

Línea de Medición Ranurada 737 111


¡Por favor, lea este manual cuidadosamente antes de colocar la unidad en funcio-

namiento!

Descripción

La línea de medición se emplea para análisis de ondas estacionarias, verificación de

condiciones de adaptación o para la determinación de impedancias desconocidas. Está

construida en tecnología de guía ondas, basado en el estándar internacional de banda X

(tipo de guía de ondas R100).

Características

Brida con cierres rápidos. La compatibilidad con la brida comercial UBR 100 permite la

conexión de componentes de guía ondas de tipo comercial. Con transductor de despla-

zamiento incorporado para la fácil representación gráfica de las formas de los campos en

la guía de ondas (gráficas SWR). Escala integrada en mm, con vernier, para mediciones

cuantitativas punto a punto.

48

Construcción

La Fig. A es una vista lateral, mientras que la Fig. B muestra una vista superior. El cuerpo

de aluminio estable, con la superficie pasivada garantiza una operación mecánica esta-

ble. Este es un requisito para resultados de medición confiables. El uso de los absorbedo-

res de ferrita reduce la excitación de los modos no deseados en la sonda de medición.

Longitud: 183 mm, rango de desplazamiento: 70 mm, resolución del desplazamiento: 0.1

mm

① Cierre de apertura rápida

② Línea ranurada con escala en mm

③ Etapa con escala de vernier y conector coaxial hembra (tipo N)

④ Conector BNC hembra "IN". Aquí se conecta la tensión de servicio para el transductor de

desplazamiento.

⑤ Conector BNC hembra "X", señal de salida para el transductor de desplazamiento.

⑥ Conector hembra N unido a la sonda de medición, que detecta la señal de microondas

Atención

• Evite golpear el equipo.

• No introduzca herramientas u otros objetos en la ranura del dipolo de medición ni en el

transductor de desplazamiento.

• La tensión de alimentación para el transductor de desplazamiento no debe sobrepasar

de 10 V DC (en la hembrilla "IN").

49

• Para obtener una relación lineal entre la tensión de salida del transductor de des-

plazamiento y la posición s de la sonda, las resistencias de entrada del registrador XY

o de la interface del PC conectados deberán ser superiores a 100 k Ohm.

Conexiones

Puesta en servicio

La línea de medición se utiliza preferentemente junto con la Fuente de alimentación Gunn

con medidor SWR 737021. Este último indica directamente la relación de ondas estacio-

narias en la escala correspondiente. Ajuste una tensión Gunn de 8...10 V. Realice el mon-

taje experimental como se indica.

Arreglo experimental

73701 Oscilador Gunn

73705 Modulador PIN

50

737111 Línea de medición con detector coaxial

737021 Placa de cortocircuito, de accesorios

La relación entre la tensión de salida del transductor de desplazamiento (conector BNC

"X" en la cara posterior) y el punto s de la sonda de medición en la guía de ondas está

definida mediante la siguiente ecuación lineal:

= −

− ( − ) +

Los valores aproximados son:

80 mm comparar con la escala en mm, desplazándose hasta el tope derecho.

10 mm comparar con la escala en mm, desplazándose hasta el tope izquierdo.

10.00 V = Vx para . Se puede ajustar con 737021 variando la tensión de UG.

0.1 V = Vx para . El valor puede diferir. Para gráficas más exactas eventual-

mente se deberá corregir:

A partir de estos valores se puede deducir la siguiente expresión:

() = . ( − . ) +

Atención

Mueva lentamente la plataforma móvil. Los desplazamientos rápidos pueden conducir a

retardos de la señal de salida del amplificador Lock-In (737021). Esto puede ocasionar

distorsiones en las formas de las curvas. La figura muestra una curva SWR típica. La

distorsión en las semiondas sinusoidales es causada por modos mayores, no deseados,

situados a unos 25 dB por debajo del modo fundamental (H10). Observe que la distancia

entre dos mínimos es de unos 22 mm, lo que constituye una buena aproximación a la

teoría. /2 = 22.25 mm para f = 9400 MHz.

laboratoriomicroondas_part1

Documents

onda en los circuitos

los mtodos

los resultados

prologo los experimentos

en los que se dan

los distintos componentes

los componentes para

experimento en