Medidas básicas de un banco de microondas

Laboratorio de Ondas
Práctica 5
Curso 2008-2009
PRÁCTICA 5: MEDIDAS BÁSICAS DE UN BANCO DE MICROONDAS
Objetivos:
medir las características fundamentales de un generador de microondas tipo
diodo Gunn y la dispersión del modo fundamental de una guía rectangular;
medida de la frecuencia con una cavidad sintonizable y medida de la longitud de
onda en la guía a partir de la onda estacionaria.
Instrumentos: osciloscopio y polímetro.
Material:
banco de microondas formado por un generador tipo diodo Gunn de frecuencia
variable entre 9 y 10 GHz y su fuente de alimentación (0-10 V), aislador,
atenuador, cavidad resonante sintonizable, guía ranurada para la medida de la
onda estacionaria con sonda desplazable, cortocircuito y bloques dieléctricos de
metacrilato y nylon.
Resumen
Medida de la característica eléctrica y de radiación de un diodo Gunn, o sea medida de
la corriente en función de voltaje y de la potencia radiada en función del voltaje,
respectivamente. Aprovechar la posibilidad de variar la frecuencia de emisión del diodo
Gunn para medir la dispersión del modo fundamental de una guía rectangular, midiendo cómo
varía la longitud de onda en la guía con la frecuencia. Repetir las medidas de dispersión para
una guía rectangular rellena de dos dieléctricos distintos. Realizar las comprobaciones
teóricas de las curvas de dispersión correspondientes y deducir la permitividad dieléctrica de
los dieléctricos empleados. Obtener las velocidades de fase y de grupo del modo fundamental
para las frecuencias estudiadas.
1. INTRODUCCIÓN
Entre los emisores de microondas, el diodo
Gunn es uno de los más empleados para generar
señales de baja potencia. La conducción eléctrica
en determinados materiales semiconductores como
el GaAs, se caracteriza por presentar una respuesta
no lineal con una región de resistencia negativa.
Esta resistencia negativa es responsable de la
aparición de oscilaciones rápidas de la corriente,
que radían ondas electromagnéticas, lo que
constituye el efecto Gunn [1]. El periodo de la
radiación
electromagnética
generada
está
relacionado directamente con el tiempo de tránsito
de los electrones en el material, por lo que
ajustando su grosor se pueden generar ondas
electromagnéticas en distintas bandas de
frecuencia. La sintonización de una frecuencia Figura 1. Característica eléctrica de un diodo
concreta se consigue ajustando el tamaño de la Gunn. La zona lineal entre los puntos a y b es
la zona de trabajo preferible (Ref. [1]).
cavidad de microondas en la que el diodo Gunn se
encuentre ubicado. La figura 1 es una curva típica
de la característica eléctrica de un diodo Gunn.
La característica eléctrica de la figura 1 se completa midiendo la potencia de la
radiación de microondas emitida. En este caso, es a partir de un determinado voltaje umbral
cuando se observa radiación de microondas, voltaje que corresponde al inicio de la región con
resistencia negativa del dispositivo.
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Una vez generada la onda electromagnética y acoplada a una guía rectangular, la
caracterización básica de esta propagación guiada es la medida de la curva de dispersión ω−β.
Esta curva de dispersión es distinta para cada modo y, en nuestro caso, mediremos la curva de
dispersión del modo fundamental TE10 de la guía rectangular:
2
⎛π⎞
β = k −⎜ ⎟
(1)
⎝a⎠
donde k es el número de ondas en el medio de la guía, k2 = ω2εμ, y a es el lado mayor de la
guía rectangular.
La medida de la frecuencia se realiza mediante una cavidad cilíndrica acoplada a la
guía rectangular y sintonizable mecánicamente. Al coincidir la resonancia de la cavidad con
la frecuencia de la onda, parte de la energía es absorbida por la cavidad y se observa una
disminución de la potencia en la guía. El fabricante de las cavidades sintonizables, destinadas
a medir la frecuencia, incluye un indicador de la frecuencia de resonancia para permitir una
utilización sencilla del dispositivo.
La medida del factor de propagación β se realiza a partir de la medida de la longitud
de onda en la guía λg: β = 2π/λg. La longitud de onda en la guía se mide mediante una guía
ranurada y la generación de una onda estacionaria, por ejemplo mediante un cortocircuito en
el extremo de la guía. La guía ranurada permite desplazar una sonda a lo largo de la guía y
detectar los vientres y nodos de la onda estacionaria. La distancia, por ejemplo, entre dos
nodos es λg/2.
Finalmente, al rellenar la guía dieléctrica con un medio dieléctrico homogéneo, la
curva de dispersión se modifica. En nuestro caso, se dispone de dos bloques dieléctricos para
medir la curva de dispersión en dos casos distintos.
2
2. MEDIDAS
2.1. CARACTERIZACIÓN DEL DIODO GUNN
El objetivo de este apartado es realizar las medidas necesarias para caracterizar
correctamente el diodo Gunn. Para ello se propone conectar la fuente de alimentación del
diodo gunn (figura 2) y utilizar el voltímetro y amperímetro de la propia fuente para medir
simultáneamente la corriente y el voltaje que alimentan el diodo Gunn.
Al mismo tiempo que se mide la característica eléctrica, o sea I(V), mediremos la señal
proporcionada por el diodo detector de microondas montado en la guía ranurada. Para ello,
deberemos encender el diodo gunn y con el voltaje máximo, se deberá comprobar que la
posición del diodo detector no se encuentra precisamente en un nodo, para lo que se deberá
desplazar la sonda arriba o abajo y buscar un vientre para tener una señal máxima (téngase en
cuenta que normalmente el voltaje proporcionado por la sonda es negativo). Dejaremos fija la
sonda en ese vientre y procederemos a medir los tres valores V-I-Vsonda para construir una
tabla y con ellos, posteriormente las gráficas del diodo Gunn.
Alimentación Gunn
Figura 2. Esquema de conexión de la alimentación del diodo Gunn para la medida de la característica I-V del
diodo Gunn, y del voltímero conectado a la sonda para la medida de la intensidad de la onda radiada.
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2.2. DISPERSIÓN DEL MODO TE10
El objetivo de este apartado es medir varios puntos de la curva de dispersión del modo
TE10. Para ello, variaremos la frecuencia de emisión del diodo Gunn entre 9 y 10 GHz
(fijarse en la escala del diodo Gunn) situando el tornillo de ajuste en varias posiciones
ditintas, por ejemplo una medida cada vuelta del tornillo. Mediremos la frecuencia de la señal
buscando la resonancia, con el tornillo de sintonización de la cavidad cilíncrica, que se
detectará como un pequeño mínimo de intensidad de la onda en la guía.. Una vez medida la
frecuencia, desplazaremos la sonda a lo largo de la guía ranurada y mediremos la distancia
entre un cierto número de nodos, el mayor número posible, y con ello determinaremos la
longitud de onda en la guía, sabiendo que la distancia entre dos nodos consecutivos es la
mitad de la longitud de onda en la guía.
Seguidamente, mediremos cómo se modifica la dispersión de la guía al rellenarla con
un medio dieléctrico homogéneo. Para ello, se dispone de dos bloques de material plástico,
uno de metacrilato y otro de nylon, ambos con una ranura para ubicar la sonda. Para realizar
las medidas se deberá proceder de la siguiente forma: medir la frecuencia de emisión del
diodo Gunn, retirar el cortocircuito, introducir uno de los dieléctricos, volver a poner el
cortocircuito y medir la longitud de onda en la guía, a continuación intercambiar los
diseléctricos y medir la longitud de onda en la guía para el segundo dieléctrico. Repetir el
procedo para distintas frecuencias en el intervalo 9-10 GHz.
3. CUESTIONES
a) Representar las curvas de caracterización del diodo Gunn en una misma gráfica,
representando en función del voltaje aplicado al diodo la corriente que circula y la
intensidad de la onda emitida. Para ello se puede tener en cuenta que la sonda es un diodo
Schottky y que su respuesta es no lineal, si bien en general es una buena aproximación para
señales pequeñas considerar que el voltaje proporcionado por el diodo es proporcional a la
intensidad de la onda [2]. Determinar el voltaje umbral del diodo Gunn y el intervalo de
voltaje de resistencia negativa constante (zona lineal de funcionamiento).
b) Representar el diagrama ω−β teórico para el modo fundamental de la guía rectangular (a =
22,86 ± 0,05 mm y situar en el mismo los puntos medidos para la guía vacía y para la guía
rellena de material dieléctrico. En este segundo caso, ajustar la curva de dispersión para
deducir el valor de la permitividad de cada uno de los materiales empleados en la práctica.
c) Deducir a partir de las medidas realizadas la velocidad de fase y la velocidad de grupo para
la frecuencia 9,5 GHz. Comprobar estos valores con los teóricos.
REFERENCIAS
[1] T.S. Laverghetta, "Solid-State Microwave Devices", apartado 4.4, Artech House 1987.
[2] P.F. Combes, J. Graffeuil y J.F. Sautereau, "Microwave components, devices and active
circuits", apartado 4.2.2, John Wiley & Sons, 1987.
[3] J.M. Miranda, J.L. Sebastián, M. Sierra y J. Margineda, "Ingeniería de microondas",
Prentice Hall, 2002.
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