Estamos entrando rápidamente en circuitos que funcionan con microondas, ondas en la banda de los gigahertz e incluso los terahertz, las llamadas ondas T. Pues muchos miran atrás al mundo de las válvulas con cierto desdén, pensando que nunca sería posible desarrollarlos. una tecnología para microondas que utiliza válvulas. No es verdad. Existen válvulas para la cocina de microondas y algunas incluso se utilizan hoy en día, como te comentamos en este interesante artículo.
Las válvulas todavía encuentran hoy en día una buena gama de aplicaciones, con especial énfasis en aquellas que pueden funcionar a frecuencias muy altas, en la banda de los microondas.
Así, tenemos como ejemplo, las válvulas de klystron, gyrations, magnetrons y un tipo importante, que tal vez muchos no conozcan, que es la válvula de ondas progresivas o traveling wave tube, abreviado como TWT.
Para entender cómo funcionan estas válvulas, comencemos por el principio de funcionamiento de las válvulas comunes.
La válvula común
En la figura 1 tenemos la estructura básica de una válvula triodo común, como las que se utilizan en la mayoría de equipos antiguos, así como en los modernos que aún emplean este tipo de componente.
En él tenemos un cátodo que es calentado por un filamento emitiendo así electrones. Una placa o ánodo está polarizado positivamente para atraer electrones.
Entonces se establece un flujo de electrones entre el cátodo y la placa, lo que significa una corriente.
En la válvula triodo se inserta un electrodo llamado rejilla a través del cual pueden pasar los electrones. Sin embargo, si esta rejilla está polarizada con una tensión determinada puede controlar el flujo de electrones entre el cátodo y la placa, es decir, la corriente a través de la válvula.
Si la rejilla es negativa, los electrones emitidos por el cátodo son repelidos y se corta la corriente. Si la rejilla es positiva, atrae electrones, ayudándolos a pasar a la placa. La corriente es intensa, como se muestra en la figura 2.
En esta válvula podemos controlar la corriente entre el cátodo y la placa mediante una tensión aplicada a la red. Esta tensión puede ser una señal, que proporciona a la válvula capacidad de amplificación, como se muestra en la figura 3.
Este es el principio según el cual las válvulas funcionan como amplificadores en dispositivos convencionales. Sin embargo, al igual que ocurre con los semiconductores, existe un factor que limita su capacidad para operar con señales de alta frecuencia: el tiempo de tránsito.
Los electrones necesitan una cierta cantidad de tiempo para recorrer la distancia entre el cátodo y la placa.
Así, si la frecuencia de la señal es muy alta, cuando la rejilla se vuelve positiva, en el semiciclo positivo de la señal, y el haz de electrones puede pasar, comienza su movimiento, pero cuando llegan a la rejilla, la señal ya invierte su polaridad y no pasan. No hay corriente. Como resultado, la señal no se amplifica.
Asimismo, al no haber ganancia a una frecuencia muy alta, una válvula con esta topología no puede funcionar como un oscilador a una frecuencia muy alta. En la práctica, estas válvulas no pueden oscilar más allá de unos pocos cientos de megahertz.
Esta fue una limitación importante que llevó a que en la Segunda Guerra Mundial se intentara crear otro tipo de válvulas como las Magnetrón, por ejemplo, para poder generar señales en la banda de las microondas a altas potencias.
Sin embargo, un tipo importante de válvula, que incluso se utilizó en el Apolo 11 en comunicaciones, fue la válvula de ondas progresivas o TWT, que se muestra en la figura 4.
La Válvula de ondas progresivas
Como hemos visto, el principal factor que limita el funcionamiento de las válvulas habituales en la amplificación de señales de muy alta frecuencia es la velocidad a la que se propaga la señal a través de ella.
Inventado en 1942 por Rudolf Kompfner, tiene la estructura básica, que se muestra en la figura 5.
La válvula de ondas progresivas consta entonces de un tubo alargado en cuyo interior se montan varios electrodos. Tenemos entonces un cátodo que se calienta mediante un filamento que emite un haz de electrones. Se trata entonces de un cañón, como los que se encuentran en los tubos de rayos catódicos comunes. Una tensión aplicada al ánodo acelera los electrones hacia el extremo opuesto del tubo. Se aplica un campo magnético, procedente de imanes, alrededor del tubo para concentrar los electrones en un haz.
Los electrones emitidos por el cañón luego se concentran en un electrodo colector ubicado en el otro extremo del tubo. El impacto del haz de electrones contra este colector hace que estos se reflejen, haciéndolos regresar al circuito.
En el interior del tubo, en el camino del haz de electrones para que lo atraviese, hay una hélice de alambre, normalmente de cobre. La señal de RF a amplificar se aplica a la hélice en un punto cercano al extremo emisor del tubo. La señal normalmente se aplica a la hélice a través de una guía de ondas o bobina colocada en un extremo, formando así un camino de señal unidireccional, a través de un acoplador direccional.
Al controlar la tensión de aceleración, la velocidad de los electrones que fluyen a través del tubo se establece para que sea similar a la velocidad de la señal de RF que viaja a través de la hélice. La señal en esta bobina provoca que se conduzca un campo magnético dentro de la hélice, a través de la cual fluyen los electrones. Dependiendo de la fase de la señal, los electrones se aceleran o desaceleran a medida que pasan por los bucles. Esto hace que el haz de electrones se "agrupe", en un efecto técnicamente conocido como "modulación de velocidad". El patrón resultante de densidad electrónica en el haz es el mismo que el de la señal de RF original.
Pero como el haz va pasando por la hélice al moverse y esta señal varía, provoca una inducción en la hélice que se suma a la señal original, amplificando. El resultado es que cuando llega al otro extremo del tubo, la señal tiene una ganancia de potencia. Un segundo acoplador direccional, ubicado cerca del colector, recibe la señal amplificada de la señal de entrada proveniente del extremo opuesto del circuito de RF. Los atenuadores colocados a lo largo del circuito de RF evitan que la onda reflejada regrese al cátodo.
Los TWTs de hélices de alta potencia generalmente utilizan una varilla cerámica de óxido de berilio que sostiene la hélice y, en algunos casos, como colector de electrones para el TWT debido a sus especiales propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas.
Aplicaciones
Las válvulas de ondas progresivas pueden generar señales de microondas con potencias que alcanzan más de 100 kW. Se pueden utilizar en equipos de radar, links de satélites y transmisores de alta potencia para aplicaciones científicas, en frecuencias de 4,5 a 18 GHz.