AMPLIFICADORESDiseño de un amplificador:

-máxima ganancia de potencia.-mínima figura de ruido.-ganancia estable sin oscilaciones.-ROE (VSWR) cercana a la unidad a la entrada y salida.-respuesta en frecuencia lineal en cierta banda de frecuencia.-insensibilidad a cambios en los parámetros S y de polarización.

Conceptos básicos de redes de 2 puertos: Ganancia, Estabilidad, Ruido.

*Para que exista adaptación de impedancias Zin=Zs* Factor de desadaptación: consideramos como coeficiente de transmisión

M=4R s R¿

|Zs+Z¿|;P¿=M Pava

En redes lineales pasivas recíprocas y sin pérdidas se puede tomar: M=M 1=M 2=M L

Ganancia de Potencia: relación entre potencia en la entrada y la disipada en la carga.

GP=GLG¿

Ganancia de Transductor: relación entre la potencia en la carga y la disponible en la fuente.

GT=PL

PAVA , S

Ganancia de Potencia disponible: relación de potencias disponibles entre la carga y la fuente.

Ga=PAVA , LPAVA , S

Coeficiente y VSWR en amplificadores:

Γ=Z−ZCZ+ZC

= Z−1Z+1

VSWR=1+|Γ|1−|Γ|

=1+√1−M S

1−√1−M S

Coeficientes de Reflexión:

Γ S=V 1

+¿

V 1−¿=

ZS−1Z S+1

¿¿

Γ L=

V 2+¿

V 2−¿=

ZL−1ZL+1

¿¿

V 1−¿=S11V 1

+¿+S12V2

+¿¿¿¿ V 2−¿=S21V 1

+¿+S22V2

+¿¿¿ ¿

Γ¿=V 1

−¿

V 1+¿=

S11−∆ Γ L1−S22Γ L

¿¿

Γ out=

V 2−¿

V 2+¿=

S22−∆ Γ S1−S11ΓS

¿¿

∆=S11 S22−S12S21

Donde:

M S=(1−|Γ S|

2) (1−|Γ¿|2)

|1−Γ S Γ¿|2 M L=

(1−|Γout|2) (1−|Γ L|

2 )|1−Γout Γ L|

2

GP=(1−|Γ L|

2 )|S21|2

1−|S11|2+|Γ L|

2 (|S22|2−|∆|2 )−2ℜ {Γ L (S22−∆S11¿) }ESTABILIDADSe puede determinar a partir de los parámetros S, las mallas de adaptación y las terminaciones del circuito. Un dispositivo puede ser absolutamente estable o potencialmente estable.

Condiciones de estabilidad: la potencia reflejada en los puertos del amplificador debe ser menor que la

potencia incidente. |Γ ¿|<1 ;|Γ out|<1

Definimos el parámetro K:

K=1−|S11|

2−|S22|2+|∆|2

2|S21 S12| Estabilidad absoluta K>1 ; no estabilidad absoluta K<1

*Usando adaptación de impedancias conjugadas la ganancia de potencia está dada:

GP=G=Gmax=|S21S12|(K−√K2−1 ) Donde |S21S12|=¿figura de mérito del dispositivo

Entonces se puede decir que si un dispositivo no es absolutamente estable (K<1) entonces no se puede usar adaptación de impedancias conjugadas.

CIRCULOS DE ESTABILIDAD: separan las zonas de estabilidad e inestabilidad en los planos Γs con Γout.

Condiciones necesarias y suficientes para estabilidad absolutaK>1|∆|<1|S11|<1|S22|<1

RUIDO: movimiento aleatorio de portadores en un dispositivo que produce señales de voltajes y corrientes que varían aleatoriamente en el tiempo. Produce dos tipos de ruido:

1. Ruido Térmico2. Ruido Shot

AMPLIFICADORES DE MICROONDASUna primera clasificación de los amplificadores los divide en aquellos que manejan:-Grandes señales (de potencia para transmisores) (Klystron, Tubo de Onda Progresiva TWT y transistorizados).-Pequeñas señales (amplificadores de bajo ruido) (amplificadores paramétricos y los transistorizados).AMPLIFICADOR CON KLYSTRONSe utiliza como amplificador de potencia en algunas estaciones terrestres de comunicaciones satelitales. Se utilizan 5 cavidades en un Klystron de 3 Kw de potencia. Se dispone de un cañón electrónico que emite un haz de electrones que pasa a través del espacio intermedio entre las cavidades de cada uno de los resonadores. La primera cavidad sirve para ingresar la señal de microondas a ser amplificada, mientras que la segunda se usa para extraer la señal ya amplificada. La señal de entrada excita la primera cavidad creando un campo eléctrico el cual modula a su vez el haz de electrones. La velocidad de los electrones es proporcional al campo resultante en la cavidad. En la última cavidad se genera un campo eléctrico como función de la velocidad de los electrones que se transforma en una corriente de microondas de salida.Para obtener una elevada ganancia el haz de electrones se enfoca mediante cavidades intermedias y mediante un tubo que actúa como focalizador magnético constituido por un imán permanente corto o un solenoide largo. La frecuencia de resonancia del amplificador se ajusta mediante unos tornillos de sintonía disponibles en las cavidades. Dado que la densidad del haz de electrones determina la potencia de salida y que los electrones interceptados en el colector producirán calor que es preciso disipar, la capacidad de transferencia de calor del tubo determinará la potencia manejable por el Klystron. En la práctica el colector es una estructura grande y hueca enfriada por aire.Los Klystron, en las denominadas bandas C y Ku, tienen las siguientes características generales:

en la banda de 5925 a 6425 kHz tienen una potencia de salida de 150 a 3400 watts con ganancias de 50 a 40 dB y anchos de banda de 23 a 45 MHz respectivamente;en la banda de 14 a 14,5 GHz la potencia es de orden de 1500 a 200 watts con una ganancia de 40 dB y ancho de banda de 100 MHz.Como se observa, al Klystron se debe ingresar con una alta potencia de entrada; ya que para obtener 2 Kw de salida (equivalente 63 dBm) con una ganancia de 40 dB se requieren 23 dBm de ingreso. En la misma figura se muestra un diagrama a bloques del amplificador con Klystron donde se disponen de etapas previas con amplificador a transistores para obtener los 23 dBm a partir de la señal proveniente del up-converter.

AMPLIFICADOR CON TWTEl tubo de onda progresiva TWT (Traveling Wave Tube) es la otra variante para comunicaciones satelitales. El TWT es un amplificador de gran ancho de banda (hasta una octava) y una ganancia de potencia de 25 a 50 dB. La eficiencia, entre el 20 y 40%, es función del ancho de banda.Consiste en un generador de haz electrónico y una estructura de enfoque magnético. Una estructura en forma de hélice facilita la interacción entre el campo de microondas y el haz electrónico. La velocidad de los electrones se ajusta para que sea igual a la velocidad de fase de las microondas.El cañón electrónico consiste en:

-Calefactor y cátodo, cuya superficie de emisión de electrones es mucho mayor que el área del haz lo cual permite trabajar con menor densidad de electrones en un orden de 15 a 50 veces.-Electrodo de enfoque que rodea al cátodo y regula el campo eléctrico y-Ánodo para acelerar y concentrar el haz de electrones lo cual actúa sobre la ganancia del amplificador.-Colector de electrones, es una estructura que desacelera el haz en varias etapas de tensión positiva para restar energía cinética y disminuir la disipación de calor.

Los TWT típicos en general funcionan con una tensión de colector inferior al ánodo y cátodo. La amplificación propiamente dicha se produce en la estructura de enfoque e interacción. En la medida que la onda a amplificar viaja en la estructura de hélice el campo electromagnético modula la velocidad de los electrones en ondas periódicas aproximadamente en fase con el campo. La mayoría de los electrones desaceleran y entregan energía al campo produciendo la amplificación. Se caracteriza a este proceso por una ganancia proporcional a la longitud de la zona de interacción. La estructura de onda lenta es una hélice de alambre de tungsteno o molibdeno sujeta a una varilla de cerámica (óxido de aluminio o berilio) que la aíslan de la estructura metálica envolvente. La selección de materiales influye en la capacidad de potencia de salida y la eficiencia del TWT.

En las estaciones de comunicaciones por satélite se recurre al Klystron o al TWT debido a las exigencias de potencia de emisión. En cambio, en los enlaces terrestres se recurre exclusivamente a amplificadores de potencia de estado sólido con transistores. El TWT tiene prestaciones inferiores al Klystron en cuanto hace a la linealidad de fase. El nivel de ruido es menor en el TWT, -64 dBm/kHz con respecto a - 58 dBm/kHz en el Klystron.

AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO PARAMÉTRICOEn el lado recepción se recurre a amplificadores con transistores o paramétricos. El principal requerimiento para el amplificador del receptor es el bajo ruido interno. Existen amplificadores paramétricos sin enfriar con temperatura de ruido de 50 °K. Con amplificadores a transistores FET se han obtenido temperaturas de ruido de 80 a 300 °K sin enfriamiento.El amplificador paramétrico utiliza una reactancia no lineal (reactancia que varía en función de una señal apropiada). El diodo varactor actúa como una resistencia negativa ante la presencia de la señal lo cual produce la amplificación. La señal que varía la resistencia se llama señal de bombeo.En un diodo varactor la resistencia de pérdida de los elementos en serie Rs es proporcional al ruido térmico del amplificador y de reducirse Rs mejora el factor de ruido. El valor de Rs disminuye cuando se enfría el conjunto con las mejoras introducidas en el diseño del diodo y los materiales. El amplificador paramétrico consiste en 3 señales: la señal de bombeo proveniente de un oscilador con diodo Gunn de frecuencia superior a la señal a amplificar; la señal a amplificar y la señal complementaria que se produce al mezclarse ambas señales precedentes. En condiciones ideales toda la potencia de la señal de bombeo se transfiere a la señal a amplificar; esto ocurre cuando la frecuencia de la señal de bombeo es el doble de la otra señal y cuando ambas están en fase.En el diodo varactor se dispone entonces de 2 señales: una senoidal que corresponde a la RF a amplificar y otra rectangular que es la señal de bombeo. Cuando la tensión del capacitor es máxima la carga también lo es y equivale a Q=C.V. Si en este momento se produce un salto en el valor de la capacidad C (mediante la tensión de bombeo) el valor de V se incrementa para mantener constante la carga. Cuando el valor de Q es cero se vuelve al valor original de C (mediante la tensión de bombeo).A cada paso de bombeo se obtiene una pequeña amplificación de la tensión proporcional a la variación de la capacidad.El amplificador paramétrico donde la frecuencia de bombeo es el doble de la frecuencia de resonancia del circuito se denomina degenerado. En la práctica, como el valor de corriente que

circula por la juntura del diodo varactor es muy pequeña, el circuito se encuentra libre de ruido y su figura o número de ruido NF (Noise Figure) es muy baja. Para lograr dicha condición es necesario que la polarización del diodo varactor sea inversa.

AMPLIFICADOR A TRANSISTORESLos amplificadores más interesantes por la relación entre el costo, consumo, tamaño, reproductividad y distorsiones son los realizados mediante transistores SSPA (Solid State Power Amplifier). El semiconductor silicio es útil en transistores bipolares hasta los 3000 MHz, mientras que el Arseniuro de Galio (As Ga) se utiliza por encima de dicha frecuencia en la configuración de transistor de efecto de campo (FET).En los amplificadores de potencia de estado sólido el nivel máximo de potencia de salida es de 10 watts en las bandas de 4/6 GHz y de 2,5 w en 11/14 GHz. Tienen por ello una potencia de salida limitada frente a los amplificadores tradicionales usados en estaciones terrenas. En los amplificadores de bajo ruido se selecciona la configuración FET con barrera Schottky que permite una figura de ruido muy reducida. Por ejemplo, en estaciones terrenas con 4 etapas donde la primera se enfría termoeléctricamente mediante celdas Peltier a -40 °C se logran valores de 0,6 dB a 4 GHz con ganancia de 14 dB.En estaciones para comunicaciones terrestres no se recurre al enfriamiento termoeléctrico y la figura de ruido se encuentra cerca de 4 dB. La tecnología es Circuitos Integrados de Microondas Híbridos HMIC con 2 a 4 etapas en cascada. En la figura se observa un amplificador de potencia de 3 etapas para trabajar en la banda de 2 GHz. Se dispone, tanto del diagrama en bloques de las etapas como del esquema circuital en película delgada.