1era experiencia de microondas

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA

DEPARTAMENTOS ACADMICOS

1ERA. EXPERIENCIA DE LABORATORIO DE MICROONDAS

Ing. Vctor Crdova B. 1/7

Estudio del Oscilador GUNN 1.-Objetivos: a.- Determinacin de la curva del diodo Gunn. b.- Hallar las frecuencias de corte y resonancia.

2.-Teora de DIODO GUNN Antecedentes: Es una forma de diodo usado en la electrnica de alta frecuencia. A diferencia de los diodos ordinarios construidos con regiones de dopaje P o N, solamente tiene regiones del tipo N, razn por lo que impropiamente se le conoce como diodo. Los diodos Gunn son usados para construir osciladores en el rango de frecuencias comprendido entre los 10 Gigahertz y frecuencias an ms altas (hasta Terahertz). El efecto Gun fue descubierto por el britnico J.B. Gunn en 1963. Este efecto es eficaz para la generacin de oscilaciones en el rango de las microondas en los materiales semiconductores. Gunn observ esta caracterstica en el Arseniuro de Galio (Ga As) y el Fsforo de Indio (InP). El efecto Gunn es una propiedad del cuerpo de los semiconductores y no depende de la unin misma, ni de los contactos, tampoco depende de los valores de tensin y corriente y no es afectado por campos magnticos. Cuando se aplica una pequea tensin continua a travs de una plaquita delgada de Arseniuro de Galio (Ga As), sta presenta caractersticas de resistencia negativa. Todo esto bajo la condicin de que la tensin en la plaquita sea mayor a los 3.3 voltios/cm. Ahora, si esta plaquita es conectada a un circuito sintonizado (generalmente una cavidad resonante), se producirn oscilaciones y todo el conjunto se puede utilizar como oscilador.

Este efecto slo se da en materiales tipo N (material con exceso de electrones) y las oscilaciones se dan slo cuando existe un campo elctrico. Estas oscilaciones corresponden aproximadamente al tiempo que los electrones necesitan para atravesar una plaquita de material tipo N cuando se aplica la tensin continua. Funcionamiento como resistencia negativa. El Arseniuro de Galio (Ga As) es uno de los pocos materiales semiconductores que en una muestra con dopado tipo N, tiene una banda de energa vaca ms alta que la ms elevada de las que se encuentran ocupadas parcial o totalmente.





Funcionamiento como resistencia positiva: Cuando se aplica una tensin a la plaquita (tipo N) de Arseniuro de Galio (Ga As), los electrones, que el material tiene en exceso, circulan y producen una corriente al terminal positivo. Si se aumenta la tensin, la velocidad de la corriente aumenta. Comportamiento tpico y el grfico tensin-corriente es similar al que dicta la ley de Ohm. Funcionamiento de resistencia negativa: Si a la plaquita anterior se le sigue aumentando la tensin, se les comunica a los electrones una mayor energa, pero en lugar de moverse ms rpido, los electrones saltan a una banda de energa ms elevada, que normalmente est vaca, disminuyen su velocidad y por ende la corriente.

De esta manera una elevacin de la tensin en este elemento causa una disminucin de la corriente. Eventualmente, la tensin en la plaquita se hace suficiente para extraer electrones de la banda de mayor energa y menor movilidad, por lo que la corriente aumentar de nuevo con la tensin.

La caracterstica tensin contra corriente se parece mucho a la del diodo Tunnel. La aplicacin ms comn es la del oscilador Gunn.

Guas de Onda

Una gua de onda, es un tubo conductor hueco, que generalmente es de seccin transversal rectangular, o bien circular o elptica. Las dimensiones de la seccin transversal se seleccionan de tal forma que las ondas electromagnticas se propagan dentro del interior de la gua; cabe recordar que las ondas electromagnticas no necesitan un medio material para propagarse.





Las paredes de la gua de onda son conductores y por lo tanto reflejan energa electromagntica de la superficie. En una gua de onda, la conduccin de energa no ocurre en las paredes de la gua de onda sino a travs del dielctrico dentro de la gua de onda. La energa electromagntica se propaga a lo largo de la gua de onda reflejndose hacia un lado y otro en forma de zig-zag.

Sus prdidas son menores que las de lneas de Tx y opera en un rango de frecuencia mayor a 1GHz (microondas) que es en la frecuencia donde las lneas de cables paralelos y coaxiales se vuelven inoperables. Las dimensiones principales son la base a y la altura b.

Frecuencia de corte:

Es la mnima frecuencia de operacin que posee una gua de onda. Las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte no sern propagadas por la gua de onda.

Ventajas y desventajas de una gua de onda:

Las guas de onda presentan las siguientes ventajas y desventajas con respecto a las lneas de Tx y una lnea coaxial.

Ventajas:

a)Blindaje total, eliminando prdidas por radiacin.





b)No hay prdidas en el dielctrico, pues no hay aisladores dentro. c)Las prdidas por conductor son menores, pues solo se emplea un conductor. d)Mayor capacidad en el manejo de potencia. e)Construccin ms simple que un coaxial Desventajas: a) La instalacin y la operacin de un sistema de GdO son ms complejas. b) Considerando la dilatacin y contraccin con la temperatura, se debe sujetar mediante soportes especiales. c) Se debe mantener sujeta a presurizacin para mantener las condiciones de uniformidad del medio interior. CAVIDAD RESONANTE Consideremos una gua de onda que termina en cortocircuito. Si a una distancia de media longitud de onda (en la gua) colocamos otro, la cavidad as formada permite la existencia de una onda estacionaria, de aquellas frecuencias cuyas semilongitudes de onda sean mltiplos enteros de la longitud de la gua. En otras palabras: la estructura resuena a esas frecuencias, por lo que se llama cavidad resonante.

En realidad, esta estructura totalmente cerrada no tiene aplicacin prctica y, adems, tampoco contiene una onda estacionaria ya que no hay ningn generador. Pero, si acoplamos la estructura a un generador, por ejemplo, a travs de un orificio o un bucle de hilo conductor, situados convenientemente, se podrn excitar estas ondas estacionarias.

El anlisis de la estructura conduce al clculo de los modos que permite, TEXYZ y TMXYZ. El acoplo se realizar para excitar el modo de inters. Los modos tienen tres subndices debido a que la onda estacionaria se puede propagar en las tres direcciones del espacio. La existencia de modos superiores indica que la cavidad resonar a la frecuencia fundamental y a sus armnicos.

Como la energa almacenada en la cavidad resonante depende de su volumen y las prdidas, de su superficie, con cavidades resonantes cilndricas se puede obtener valores de Q muy elevados.

Aunque esta descripcin se ha realizado pensando en ondas electromagnticas, es igualmente vlida para otros tipos de ondas. Los tubos de un rgano, por ejemplo, son cavidades resonantes sintonizados afinados a la nota correspondiente que filtran el ruido producido por el aire al rozar la lengeta, al excitar solamente la frecuencia de resonancia del tubo.

Las cavidades cilndricas de seccin circular han sido y son ampliamente utilizadas en experiencias de fenmenos optoacsticos.

Adems se utilizan en instrumentos musicales, tambin las campanas son cavidades resonantes. El cuerpo de guitarras, violines y otros instrumentos de cuerda tambin lo son.





En microondas se utilizan para realizar filtros y osciladores. El ondmetro es una cavidad resonante.

Frecuencia de resonancia:

3. Procedimiento Experimental

Fig. 3.1. Circuito a implementar. Equipos o componentes a utilizar 1 Oscilador Gunn PM 7015X 1 Fuente de alimentacion Gunn PM 7813 1 Aislador PM 7045X 1 Transicin Gua de onda/coaxial PM7195X 1 Frecuencmetro PM 7070/ab





Procedimiento: a).-Armar el circuito segn grfico 3.1. b).-Con tensiones de 0 a 10 voltios entregados al Diodo Gunn, halle la corriente en mA, y complete la tabla 3.1.

Item Tensin(voltios) Corriente(mA)

1 0

2 0.5

3 1

4 1.5

5 2

6 2.5

7 3

8 3.5

9 4

10 4.5

11 5

12 5.5

13 6

14 6.5

15 7

16 7.5

17 8

18 8.5

19 9

20 9.5

21 10

Tabla 3.1. Tabla de tensin versus corriente del diodo Gunn.

c).- Medir a y b de la gua de onda con un vernier. d).- Medir la profundidad de la gua d. e).- Hallar la frecuencia de resonancia (utilizando el frecuencmetro) para valores diferentes del valor de frecuencia de la cavidad resonante Gunn y completar la tabla 3.2.

Item Frecuencia del resonador Valor de Profundidad(d) Valores del frecuencmetro

d1 d2 fL fc fH

1 8.5 GHz

2 9 GHz

3 9.5 GHz

4 10 GHz

5 10.5

Tabla 3.2. Valores del frecuencmetro.





4.- Preguntas: 4.1. Trazar la grfica V(tensin) vs I(corriente) usando los datos de la tabla 3.1. Segn la grfica mostrada y lo explicado en clase que tipo de Dopado presente el diodo Gunn. 4.2. Hallar la potencia DC (Vdc x Idc) con los valores indicados en la tabla 3.1. y graficarlos. 4.3. Hallar la frecuencia de corte (fc). 4.4. Hallar la frecuencia de resonancia de la cavidad con los valores medidos (a,b y d).

1era experiencia de microondas

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