13.11: Tubos de Microondas

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Para aplicaciones de frecuencia extremadamente alta (por encima de 1 GHz), las capacitancias interelectrodos y los retardos de tiempo de tránsito de la construcción de tubos de electrones estándar se vuelven prohibitivos. Sin embargo, parece que no hay fin a las formas creativas en que se pueden construir los tubos, y se han realizado varios diseños de tubos de electrones de alta frecuencia para superar estos desafíos.

Se descubrió en 1939 que una cavidad toroidal hecha de material conductor llamado resonador de cavidad que rodeaba un haz de electrones de intensidad oscilante podría extraer energía del haz sin interceptar realmente el haz mismo. Los campos eléctricos y magnéticos oscilantes asociados con el haz “resonaron” dentro de la cavidad, de manera similar a los sonidos de los automóviles itinerantes resonando en un cañón al borde de la carretera, permitiendo que la energía de radiofrecuencia sea transferida desde el haz a una guía de ondas o cable coaxial conectado al resonador con un lazo de acoplamiento. El tubo se llamaba tubo de salida inductivo, o IOT:

Dos de los investigadores instrumentales en el desarrollo inicial del IOT, un par de hermanos llamados Sigurd y Russell Varian, agregaron un segundo resonador de cavidad para la entrada de señal al tubo de salida inductivo. Este resonador de entrada actuó como un par de rejillas inductivas para alternativamente “manchar” y liberar paquetes de electrones por el espacio de deriva del tubo, por lo que el haz de electrones estaría compuesto por electrones que viajaban a diferentes velocidades. Esta “modulación de velocidad” del haz se tradujo en el mismo tipo de variación de amplitud en el resonador de salida, donde se extrajo energía del haz. Los hermanos Varian llamaron a su invención un klystron.

Otro invento de los hermanos Varian fue el tubo klystrón reflejo. En este tubo, los electrones emitidos por el cátodo calentado viajan a través de las rejillas de la cavidad hacia la placa repelente, luego son repelidos y regresan de la manera en que llegaron (de ahí el nombre reflex) a través de las rejillas de la cavidad. En este tubo se desarrollarían oscilaciones autosostenidas, cuya frecuencia podría cambiarse ajustando el voltaje del repelente. De ahí que este tubo funcionara como un oscilador controlado por voltaje.

Como oscilador controlado por voltaje, los tubos Klystron Reflex sirvieron comúnmente como “osciladores locales” para equipos de radar y receptores de microondas:

Inicialmente desarrollados como dispositivos de baja potencia cuya salida requería una mayor amplificación para el uso del transmisor de radio, el diseño de klystron reflex se refinó hasta el punto en que los tubos podían servir como dispositivos de potencia por derecho propio. Desde entonces, los klystrons reflejos han sido reemplazados por dispositivos semiconductores en la aplicación de osciladores locales, pero los klystrons de amplificación continúan encontrando uso en transmisores de radio de alta potencia y alta frecuencia y en aplicaciones de investigación científica.

Un tubo de microondas realiza su tarea tan bien y tan rentable que continúa reinando supremo en el ámbito competitivo de la electrónica de consumo: el tubo de magnetrón. Este dispositivo forma el corazón de cada horno de microondas, generando varios cientos de vatios de energía RF de microondas utilizada para calentar alimentos y bebidas, y haciéndolo en las condiciones más extenuantes para un tubo: encendido y apagado en tiempos aleatorios y por duraciones aleatorias.

Los tubos de magnetrón son representativos de un tipo de tubo completamente diferente al IOT y el klystron. Mientras que estos últimos tubos utilizan un haz de electrones lineal, el magnetrón dirige su haz de electrones en un patrón circular por medio de un fuerte campo magnético:

Una vez más, los resonadores de cavidad se utilizan como “circuitos de tanque” de frecuencia de microondas, extrayendo energía del haz de electrones que pasa inductivamente. Como todos los dispositivos de frecuencia de microondas que utilizan un resonador de cavidad, al menos una de las cavidades del resonador está golpeada con un bucle de acoplamiento: un bucle de alambre que acopla magnéticamente el cable coaxial a la estructura resonante de la cavidad, permitiendo que la potencia de RF sea dirigida fuera del tubo a una carga. En el caso del horno microondas, la potencia de salida se dirige a través de una guía de ondas a la comida o bebida a calentar, actuando las moléculas de agua dentro como diminutas resistencias de carga, disipando la energía eléctrica en forma de calor.

El imán requerido para el funcionamiento del magnetrón no se muestra en el diagrama. El flujo magnético corre perpendicular al plano de la trayectoria circular del electrón. Es decir, desde la vista del tubo que se muestra en el diagrama, se está mirando directamente a uno de los polos magnéticos.