Departamento de Ingeniera Electrica

Facultad de Ingeniera

Universidad de Concepcion

Concepcion, Chile.

Informe N1Laboratorio De Microondas.

Nombre: Pablo Riquelme J.

Profesor: Vladimir Chtcherbakov.

Ayudante: Francisco Jara, Francisco Poblete.

12 de octubre de 2013

Asignatura 2013Ingeniera Civil en Telecomunicaciones

Indice

1. Resumen 1

2. Fundamentos Teoricos 1

3. Desarrollo 23.1. Descripcion Actividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.2. Problemas y Observaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.3. Set-Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

4. Resultados 64.1. Medicion con Analizador de Espectro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64.2. Caracterizacion de Cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74.3. Medicion con Power Meter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

5. Preguntas Propuestas 7

6. Conclusion 9

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1. Resumen

En el siguiente laboratorio se realiza un reconocimiento del equipamiento utilizado en micro-ondas, reconociendo los diferentes dispositivos activos y pasivos. En los pasivos tenemos las guade ondas, aislador de ferrita, equipos de mediciones y dentro de los activos el oscilador Klystronel cual se centra gran parte de la experiencia, desde su montaje hasta su funcionamiento, esteultimo punto es relevante para conocer los distintos modos de operacion en las diferentes me-diciones realizadas en voltaje, potencia y frecuencia respectivamente utilizando los equipos demediciones como herramientas para lograr los objetivos propuestos.

2. Fundamentos Teoricos

Un poco de historia, el Klystron es una valvula de vaco de electrones en la cual se produceuna modulacion inicial de velocidad impartida a los electrones. Fue inventado en 1937 por loshermanos Russell y Sigurd Varian quienes estudiaban y trabajaban en la universidad estadou-nidense de Stanford.[1]

El Klystron reflex que se utiliza en este laboratorio, consiste en un catodo, un electrodo deenfoque que tiene el potencial del catodo, una lnea coaxial o una cavidad reentrante que sirvetambien como anodo, y un electrodo repeledor cuyo potencial es moderadamente negativo res-pecto al catodo. El catodo esta de tal modo conformado respecto del electrodo de enfoque y elanodo que se da lugar a la formacion de un haz que atraviesa la discontinuidad del resonadory avanza hacia el repeledor. Dado que el repeledor es negativo respecto del catodo, devuelvelos electrones hacia el anodo. Estos electrones devueltos atraviesan por segunda vez la discon-tinuidad del resonador, a continuacion en la Figura 1, se observa las diferentes partes de estedispositivo activo.

Figura 1: Representacion de las partes de un oscilador Klystron Reflex.

1 Pablo Riquelme J.

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Ademas, cabe resaltar que el Klystron posee ciertos modos de operacion que seran estudiadosen la realizacion de este laboratorio. Un esquema de los modos se muestra en la Figura 2, dondese aprecian las variaciones que se produce en la potencia en funcion del voltaje en el reactor.

Figura 2: Modos de operacion de un oscilador Klystron.

As, para el desarrollo optimo de la experiencia se utilizo, las respectivas conversiones depotencia, ya sea para realizar mediciones y la adquisicion de datos, dentro de las cuales seencuentra mW y dBm respectivamente, es decir las ecuaciones utilizadas para la conversion sonlas siguientes

Relacion(dB) = 10 log

(Pout[W ]

1[W ]

); Relacion(dBm) = 10 log

(Pout[W ]

1[mW ]

)

3. Desarrollo

3.1. Descripcion Actividad

Si bien es cierto la experiencia se divida a grandes rasgos en tres partes, las cuales solo dosse trabajaron con el mismo Setup, en cambio en el ultimo se realizaron ciertas variaciones.

En la primera parte, una vez realizado el armado, se encenda la fuente del Klystron y seesperaban ciertos minutos hasta que se alcanzara cierta temperatura optima de trabajo parasu utilizacion, entonces se procedio a realizar el aumento de voltaje del reflex, hasta registrarciertas variaciones de potencia en el instrumento analizador de espectros.

Una vez realizado esto se caracteriza el cable con el cual conecta el adaptador de gua deonda a coaxial respectivamente, para esto se utiliza el mismo Setup implementado, el cual seconecta en serie con otro cable cualquiera, se realiza la medicion de potencia entre ambos y luegode manera independiente con el cable nuevo. As a partir de las diferencia de potencia se obtienela atenuacion del cable utilizado en la experiencia.

Finalmente, en la tercera actividad se modifica el Setup, cambiando el adaptador de guade onda por el montaje termistor, el cual ira conectado por medio del cable previamente carac-terizado, esto con el fin de realizar la medicion de potencia con el instrumento Power Meter,luego de forma analoga se varia el voltaje del reflector, con la salvedad que esta vez se mide lafrecuencia con el instrumento Medidor de Frecuencia HP.

2 Pablo Riquelme J.

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3.2. Problemas y Observaciones

En el transcurso de las actividades los diversos problemas que surgiero y observaciones, sonlas siguientes

Saber identificar los colores de los cable del reflector Klystron antes de realizar la conexiona la fuente correspondiente y la ubicacion de cada uno de estos.

Espera que la fuente Klystron alcance el punto optimo de trabajo antes de realizar unamedicion con el instrumento asignado.

los cable estan sometidos a una atenuacion, por lo tanto al realizar una medicion con elequipo los valores obtenido tiene que tener en cuenta esto previamente.

verificar que el atenuador de aspa rotatoria no se encuentre en cero para que las reflexionesexistentes no danen la fuente u otro equipamiento.

considerar la calibracion y antiguedad del equipo con el que se esta trabajando, para efectosde mediciones de alta precision.

3.3. Set-Up

Todo el equipamiento utilizado durante la experiencia, es mostrado a continuacion

3 Pablo Riquelme J.

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(a) (b)

Figura 3: (a) Fuente Klystron modelo GM4561, (b) Oscilador Klystron modelo VA297.

(a) (b)

Figura 4: (a) Soporte de gua de onda Philips PP4000X, (b) Montaje termistor modelo PhilipsPM7201X.

(a) (b)

Figura 5: (a) Gua de onda, (b) aislador de ferrita modelo PM7045X.

4 Pablo Riquelme J.

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(a) (b)

Figura 6: (a) Power meter Modelo Philips PM7841, (b) Medidor de frecuencia HP.

(a) (b)

Figura 7: (a) Carga de gua de onda para banda X, (b) Analizador de espectro modelo HP B560B.

Figura 8: Setup parcial utilizado en el laboratorio.

5 Pablo Riquelme J.

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4. Resultados

4.1. Medicion con Analizador de Espectro

A continuacion se presentan los datos obtenidos en las mediciones de frecuencia en funcionde la variacion de tension en la fuente, visualizando esto a traves de la Figura 9 mostrada acontinuacion

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200102

101

100

101Modos de Operacin

Tensin [V]

Pote

ncia

[dBm

]

(a)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10Modos de Operacin

Tensin [V]Fr

ecue

ncia

[GHz

](b)

Figura 9: (a) Modos de operacion de la potencia, (b) Modos de operacion de la Frecuencia.(Modos representados del 1 al 4 desde izquierda a derecha respectivamente.)

Como se puede observar en la Figura 9 hay una cada muy grade en potencia en el modo4, comportamiento que no es concordante con lo teorico, vease Figura 2 parte superior, lo quenos dice que la tendencia de los modos debiera ser creciente. Con respecto a la frecuencia elfenomeno es concordante con lo teorico, vease Figura 2 parte inferior, pues no presenta mayorescambios, es decir permanece constante.

Luego, continuando con el analisis experimental es utilizando como instrumento de medidael analizador de espectros, donde los datos son registrados en la Tabla 1, es decir

Tabla 1: Modos de operacion del oscilador Klystron

Modo Voltaje del Reflector [V] Potencia [mW] Frecuencia [GHz] Atenuacion [dB]1 11.34 0.2 9.356 102 41 0.79 9.36 103 93 0.95 9.36 104 182.3 0.01 9.34 0.5

Notar que esta actividad se realizo en un orden diferente por lo tanto se las mediciones serealizaron con un cable caracterizado. De la Tabla 1 cabe destacar que los 3 primeros modos sonobtenidos ajustando la tension de la fuente de poden Klystron en el rango de 0 100[V ] y elmodo 4 se encontro en el rango de 100 200[V ], el cual vara considerablemente con respecto alos otros en atenuacion y potencia, no es el caso en la frecuencia que practicamente se mantieneconstante en toda la medicion.

6 Pablo Riquelme J.

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4.2. Caracterizacion de Cables

En la caracterizacion del cable, se midio en primera instancia cuando ambos cables estabanconectados en serie, el cual fue calculado en 35[dB], a continuacion se realizo la caracterizaciondel cable utilizado de referencia el cual fue calculado en 19[dB], luego al realizar la restarespectiva se obtiene 35 (19) = 16[dB], resultado que estable que el la atenuacion delcable utilizado como referencia en la experiencia es de 16[dB].

4.3. Medicion con Power Meter

Luego, en la realizacion de la actividad con el analizador de espectros, se procedio a medircon el tester y ajustar el voltaje en la fuente, ya que los modos ya estan definidos en la actividadanterior, donde en la Tabla 2 se muestra estos resultados

Tabla 2: Modos de operacion del oscilador Klystron

Modo Voltaje [V] Frecuencia [GHz] Atenuacion [dB]1 11.34 9.371 102 41 9.364 103 93 9.364 104 182.3 9.340 0.5

Notar que en la Tabla 2, los modos utilizados son los mismos, en base a la tension y frecuen-cia obtenida de la medicion efectuada en la actividad anterior, no hay mucha discrepancia alcomparar estos resultados.

5. Preguntas Propuestas

1. Por que es necesario esperar que la fuente de poder del oscilador Klystronalcance cierta temperatura de operacion para comenzar a utilizarlo?

Es sabido que la fuente del oscilador Klystron de poder trabaja con una tecnologa de tubosal vaco, la cual fue una tecnologa importante dentro de la ciencia pero fueron desplazadosrapidamente con la aparicion de los transistores, aunque en algunas aplicaciones se siguenusando. Ademas los tubos por funcionamiento y estructura toman varios segundos o hastavarios minutos para que se calienten, es decir que alcancen una cierta temperatura yfuncionen dentro de su tolerancia operacional.[2]

2. Encuentre al menos 2 aplicaciones pasadas o actuales del reactor Klystron ydescriba brevemente su utilizacion en dicha aplicacion.

Una aplicacion del Klystron es en Aceleradores industriales.El TH 2157 A es una fuente de radiofrecuencia especialmente disenado por Thales paraaceleradores industriales. Integra tecnologas de ultima generacion para el tamanomas pequeno y un mejor rendimiento. Extremadamente compacto y un peso de solo

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35[kg], es facil de manejar y ofrece una relacion de tiempo de actividad a tiempo deinactividad mejorada.Este Klystron es especialmente adecuado para los aceleradores industriales dedicadasa la procesion en lnea como contenedor y la inspeccion de la carga. El tamano reducidodel tubo y centrandose iman significa que el klistron se puede colocar cerca de laseccion de aceleracion, la reduccion de las perdidas de transmision RF y la mejora dela ergonoma de los equipos. Este klistron cinco integrado - cavidad opera en posicionvertical. Colector y el cuerpo son refrigerados por agua.[3]Este producto se ha disenado, desarrollado y fabricado en una ISO 9001: V2000 e ISO14001 planta de produccion certificada.

Alta potencia emitida en impulsos Confinamiento haz electromagnetico por solenoide La mejor relacion precio / rendimiento Alta fiabilidad, larga vida

Otra Aplicacion de Klistron es que producen potencia de microondas muy superiora la desarrollada por el estado solido. En los sistemas modernos, se utilizan de UHF(100deMHz) a traves de cientos de gigahertz.

Un ejemplo viviente es CloudSat es un satelite de la NASA encargado de la obser-vacion de la Tierra, que fue lanzado en un cohete Delta II el 28 de abril de 2006. Seutiliza un radar hecho con un Klystron para medir la altitud y las propiedades de lasnubes, y agrego importante informacion sobre la relacion entre las nubes y el climacon el fin de ayudar a resolver las preguntas sobre el calentamiento global.[4]

3. Que son los modos de operacion del Klystron?

Un Klystron se dice que oscila en diferentes modos. Estos modos estan presentes cuandose producen 6 las oscilaciones mas potentes, esto es, cuando el tiempo de transito delos electrones en la region reactor-resonador es igual a n + 3

4ciclos de la frecuencia del

resonador, donde n es un entero incluyendo el cero y esto se debe a que esta directamenterelacionado con el voltaje del reactor.

4. Describa que es y como funciona el Montaje Termistor.

Un termistor es un sensor resistivo de temperatura. Su funcionamiento se basa en la va-riacion de la resistividad que presenta un semiconductor con la temperatura. El terminotermistor proviene de Thermally Sensitive Resistor. Existen dos tipos de termistor:

NTC (Negative Temperature Coefficient) coeficiente de temperatura negativo

PTC (Positive Temperature Coefficient) coeficiente de temperatura positivo

Cuando la temperatura aumenta, los tipos PTC aumentan su resistencia y los NTC ladisminuyen.Es decir, corresponden a dispositivos que aprovechan la variacion de resistividad que pre-sentan los semiconductores en funcion de la temperatura, debido a la variacion en laconcentracion de portadores [1].

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Usualmente, los termistores se fabrican a partir de oxidos semiconductores, tales como eloxido ferrico, el oxido de nquel, o el oxido de cobalto.Sin embargo, a diferencia de los sensores RTD, la variacion de la resistencia con la tempe-ratura es no lineal. Para un termistor NTC, la caracterstica es hiperbolica. Para pequenosincrementos de temperatura, se daran grandes incrementos de resistencia.

6. Conclusion

En primera instancia es posible afirmar que los valores teoricos son muy analogos a los obte-nidos en la experiencia practica. Ademas en la primera actividad se contrarrestaron los distintosmodos de operacion que posee el Klystron en donde ademas se confirmo que a medida que seefectua un cambio en la tension en el reflector se van encontrando los distintos modos de ope-racion que posee este importante dispositivo en microondas. A pesar de esto tambien es posibleobservar de las mediciones tomadas que la potencia no se presenta constante, como dice la teora.

En segundo lugar, se comprobo que la atenuacion presentada en los cables de conexion pre-senta una atenuacion relevante, lo que nos dice que por mas simetricos que estos nos parezca esfiable tal afirmacion sin antes efectuar la caracterizacion correspondiente.

En tercer lugar, cabe resaltar lo analogos de los resultados obtenido en la dos actividadesmas importantes realizadas y que a pesar de que hubo un cambio de equipamiento y formas demedicion, los resultados se mantuvieron muy proximos entre s.

Finalmente, se obtuvo gran experiencia en el armado de Setup y utilizacion del equipo demicroondas ademas se relaciono lo aprendido en la teora con la comparacion de estos conceptosy datos en la practica.

Referencias

[1] Termistor, Wikipedia, la enciclopedia libre. http://es.wikipedia.org/wiki/Termistor

[2] Klystron, Wikipedia, la enciclopedia libre. http://en.wikipedia.org/wiki/Klystron

[3] Thales group, Aplications. http://www.thalesgroup.com/Portfolio/Security/Klystron_for_industrial_accelerators/

[4] Website, Microwave Tubeshttp://microwavetubes.iwarp.com/Applications_of_Klystron.html

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A. Anexo

Los distintos parametro no mencionados en el Setup, se muestran a continuacion, es decir

Especificaciones Fuente de Poder Klystron GM 4561

10 Pablo Riquelme J.

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Especificaciones Tecnicas de Reflector Klystron VA 297

Especificaciones Tecnicas Aislador de Ferrita PM 7045X

Especificaciones Tecnicas Atenuador de Aspa Rotatoria

11 Pablo Riquelme J.

ResumenFundamentos TericosDesarrolloDescripcin ActividadProblemas y ObservacionesSet-Up

ResultadosMedicin con Analizador de EspectroCaracterizacin de CablesMedicin con Power Meter

Preguntas PropuestasConclusin