19. Otros Generadores, Atenuadores (1119).docx

CASA CASA CRISTIAN DAVID, 1119  

OTROS GENERADORES ATENUADORES

……………………………………………………………………………………………………………………………………………… OTROS GENERADORES DE SEÑAL Las limitaciones en potencias de los osciladores BWO estándar y el pequeño rango de sintonía que permita a klystron hace en aplicaciones específicas donde se requiera una alta potencia de microondas se utilice mayoritariamente otro tipo de generadores, en particular los magnetrones, carcinotrones y giratrones. En todos estos dispositivos existen campos electrónicos y magnéticos constantes que son perpendiculares entre sí y por ese motivo se les denomina genéricamente tubos de campos cruzados (cross- field tubes) o de tipo 𝑀. En estos dispositivos del campo magnético constante no sólo emplea para focalizar el haz de electrones, sino que juega un papel importante en el proceso de interacción con la señal RF. EL MAGNETRON Principios de funcionamiento Aunque Hull inventó el magnetrón en 1921, el empleo de este dispositivo permaneció limitado a los laboratorios como una fuente más de señal. Sin embargo, a partir de 1940 el magnetrón tuvo un rápido desarrollo debido a la necesidad urgente de generadores de potencia de microondas para los transmisores de radar durante la Segunda Guerra Mundial. Según su estructura interna se puede considerar que hay tres tipos de magnetrones. El primero se denomina el ánodo segmentado, y proporciona una frecuencia de operación bastante inferior a la de microondas. El segundo tipo es el denominado de frecuencia ciclotrónica, que, si bien funciona frecuencia dentro del intervalo de microondas, su potencia de salida es muy pequeña (aproximadamente 1 W a 3 GHz) y su eficiencia muy baja (10%). El tercer tipo se denomina de onda progresiva, y su operación se basa en la interacción de los electrones con un campo electromagnético propagándose con una velocidad lineal. Este último tipo es el más interesante y es del que se refiere cuando se emplea el término genérico de magnetrón. La figura muestra el esquema general de un magnetrón cilíndrico, donde se aprecian varias cavidades conectadas entre sí por pequeñas aberturas (gaps). Como consecuencia de la configuración de campos, los electrones emitidos desde el cátodo al ánodo se mueven en trayectorias curvas. Si el campo magnético se lo suficientemente intenso de los electrones no llegarán al ánodo, sino que regresarán al cátodo y por consiguiente en la corriente del ánodo es nula. El voltaje 𝑉0 se establece entre el cátodo y el ánodo, y el campo magnético 𝐵0 se aplica lo largo del eje de simetría del cilindro. Cuando los valores de voltaje DC y la densidad de flujo magnético 𝐵0 son los adecuados, los electrones siguen trayectorias cicloides en el espacio comprendido entre el ánodo y el cátodo, tal cual como se muestra en la figura A. La posibilidad de que un electrón se aproxime al ánodo y se vuelva al cátodo depende de los valores relativos de 𝐵0 y 𝑉0 . Esta condición es la denominada condición del corte del magnetrón. Sí 𝑅 es el radio de la trayectoria cicloidal y 𝑣 la velocidad tangencial, igualando las fuerzas que actúan sobre el electrón se puede obtener la frecuencia ciclótrónica del movimiento circular, que viene dada por.

𝑤=

𝑣 𝑒𝐵 = 𝑅 𝑚

Y el periodo para una revolución completa se puede expresar como. 𝑇=

2𝜋 2𝜋𝑚 = 𝑤 𝑒𝐵

Figura.- Diagrama de magnetrón.

Figura. - Magnetrón: a) trayectoria cicloides de electrones, b) líneas de fuerza para el modo de operación π Al ser la estructura cerrada sobre sí misma, solamente serán posibles las oscilaciones si el cambio total de fase alrededor de la estructura es un múltiplo entero de 2𝜋 radiantes. Por consiguiente, si hay 𝑁 cavidades en la estructura del ánodo, el cambio de fase entre dos cavidades adyacentes será. ∅𝑛 =

2𝜋𝑛 𝑁

Siendo 𝑛 un número entero que determina el modo de oscilación. Para que se produzca las oscilaciones en la estructura, el voltaje DC del ánodo tiene que ser tal que la velocidad media de los electrones se corresponda con la velocidad de fase en la estructura. Los magnetrones funcionan normalmente en el modo 𝜋 (modo fundamental), es decir, ∅𝑛 = 𝜋 . Las líneas de fuerzas correspondiente a este modo se muestran en la figura B. Se observa en el modo 𝜋 la excitación es mayor fundamentalmente en las cavidades, y que las fases son opuestas en cavidades contiguas. El cambio sucesivo del campo en cavidades contiguas se puede considerar como una onda viajando a lo largo de la superficie de la estructura de cavidades. Para que haya una transferencia de energía desde los electrones al campo, estos tienen que ser frenados por el campo cuando pasan de una a otra cavidad del ánodo. La extracción de energía del magnetrón se realiza típicamente con una sonda coaxial en forma de ≪ 𝑙𝑜𝑜𝑝 ≫ , o bien a través de una guía de onda. Aplicaciones Los magnetrones de onda continua proporcionan potencias de salida desde unos pocos varios hasta 10kW. Su aplicación más importante y extendida está en los hornos de microondas domésticos. La mayoría funcionan en las frecuencias fijas de 2.450 o 915 𝑀𝐻𝑧, aunque para otras aplicaciones específicas se han diseñado magnetrones a otras frecuencias distintas. Entre otras aplicaciones se puede mencionar la eliminación de humedad, la generación de plasma, la destrucción de basura, el proceso de minerales, etc. Las razones por las que ha proliferado el

uso de la energía de microondas impidiéndose sobre otros métodos tradicionales de calentamiento con su bajo coste, la limpieza del proceso, la carencia de polución medioambiental y en algunos casos que es el único procedimiento posible para calentar el medio o el material que se desea. El magnetrón utilizado en un horno de microondas doméstico proporciona una potencia inferior a 1000 W, mientras que los magnetrones utilizados en hornos comerciales suministran potencias mayores de 2000 W. Otra aplicación donde el magnetrón juega un papel importante es en la generación de plasmas. En este caso, las microondas se utilizan para excitar gas a una presión parcial para generar una descarga de plasma. Además, los magnetrones de onda continua, existen magnetrones pulsados, que proporcionan muy altas potencias de pico de salida (en el intervalo de kilovatios a megavatios) durante una duración corta. El intervalo de frecuencias en el que funciona este tipo de magnetrones es de 1 a 5 𝐺𝐻𝑧 . Aunque su utilización principal se centra en el radar, también se emplea en algunas de las aplicaciones que se han mencionado para los magnetrones de onda continua (CW). EL CARCINOTRON El carcinotrón es un BWO de tipo 𝑀. La interacción entre los electrones y la estructura de onda lenta (hélice) se produce en la región donde existen los campos 𝐸 y 𝐵 cruzados. En la figura A se muestra un modelo lineal de carcinotrón tipo 𝑀, donde se observa que la estructura de onda lenta es paralela a un electrodo denominado lengüeta (en inglés solé.). Si la lengüeta está en una potencia negativo, se establecerá un campo electrónico DC entre la estructura de onda lenta que se está a tierra y la lengüeta. En la figura A, la dirección del campo magnético es tal que entra en el dibujo. Los electrones se emiten desde el cátodo y cuya trayectoria es desviada en 90° por el centro magnético interaccionan con la señal del RF en la región de la estructura de onda lenta y la señal de potencia circula en dirección opuesta a la del haz de electrones.

Figura. - Estructura de un carcinotrón tipo M (a) y curvas de sintonía de un BWO tipo M (b). La eficiencia de un carcinotrón es muy alta, del orden del 40% al 60%. Otra ventaja de este tipo de osciladores es del gran ancho de banda de sintonía (hasta un 40%) que se puede obtener modificando el voltaje de la lengüeta, del ánodo de ambos. La figura B presentan las curvas de sintonía para un oscilador BWO tipo 𝑀 típico variado el voltaje del cátodo y manteniendo constante el voltaje de la lengüeta. Se observa que la sintonía en frecuencia es prácticamente lineal con el voltaje del cátodo. Esto es consecuencia de que la velocidad de deriva de los electrones está relacionada linealmente con el campo electrónico DC que hay en la región de interacción. EL GIRATRÓN A diferencia de los dispositivos basados en estructuras de onda lenta, el giratrón es un generador de onda rápida en el que los electrones se mueven a velocidades relativistas. Este generador presenta una ventaja clave: utiliza modos de orden Superior y gracias a ello sus dimensiones físicas son muy superiores a la longitud de onda. Debido a esta característica es posible fabricar con relativa facilidad giratrones que operen a frecuencia extremadamente altas, pues la precisión requerida en la mecanización de las piezas no es tan difícil de conseguir como la que exigiría un tubo convencional. Por otra parte, en los tubos convencionales la reducción de las dimensiones a medida que aumenta la frecuencia de oscilación da lugar a que disminuya el área efectiva disponible para el haz, lo cual limita la potencia máxima de salida que se puede conseguirse. El giratrón consiste esencialmente en un cañón de electrones que excita una cavidad resonante de forma similar a como ocurre en un klystron, con la diferencia fundamental de que un cañón es de tipo de un magnetrón y los electrones son emitidos con una elevada velocidad radial. Una vez emitidos entran a velocidades relativas en una cámara de comprensión adiabática en forma de guía circular de sección variable. En esta cámara son sometidos a un campo magnético DC axial y no uniforme, cuya intensidad aumenta a lo largo del eje haz. Este campo, generado por un solenoide, hace que el haz sea hueco y muy estrecho; y fuerza a los electrones del haz a describir trayectorias en espiral con una frecuencia de giro igual al su frecuencia ciclótrónica 𝜔𝑐 .

𝜔𝑐 =

𝑞𝐵0 𝑚0 / √1 − 𝑣 2 /𝑐 2

Donde 𝐵0 es el campo aplicado del solenoide, 𝑣 la velocidad de los electrones. A medida que avanzan los electrones a lo largo de la cámara su energía longitudinal se convierte en transversal, de manera que al llegar a la cavidad el haz avanza muy lentamente, pero los electrones giran a gran velocidad. La cavidad resuena la frecuencia 𝜔𝑐 en un modo TE no fundamental, en el que la mayor parte de la energía se concentra no en el centro sino cerca de las paredes. Los electrones sufren un empaquetamiento azimutal que se origina como consecuencia de la dependencia relativista de la masa de los electrones con una velocidad, y que permite transferir grandes cantidades de energía del haz al modo resonante de la cavidad. Los giratrones es actuales pueden generar potencias en modo continuo de más de 100 𝑘𝑊 a frecuencias superiores a los 100 𝐺𝐻𝑧, y han alcanzado potencias de picos superiores a 1 𝑀𝑊. En la actualidad son objetos de un elevado interés debido entre otros motivos a que han conseguido un gran éxito en aplicaciones de calentamiento por ECR (resonancia electrónica ciclotrónica) de plasmas sometidos a campos magnéticos elevados, como los que utilizan en los tokamacs. Existen diseños de giratrones sintonizables que permiten generar elevadas potencias en márgenes de frecuencia de 150 a 600 𝐺𝐻𝑧.

ATENUADORES El atenuador es uno de los componentes básicos de un banco de microondas. En términos genéricos puede definirse como un elemento de circuito que produce una reducción en la amplitud de la onda que se propaga por la línea. Puede definirse en términos del cociente de la potencia de entrada y la de salida, o bien en términos de los campos correspondientes. 𝐴 = 10 log10

𝑃𝐼𝑁 𝐸𝐼𝑁 = 20 log10 𝑃𝑂𝑈𝑇 𝐸𝑈𝑇

En general, el atenuador produce también un cambio en la fase. pero en la mayoría de los problemas de microondas no es necesario tenerlo en cuenta. Existen distintos dispositivos que proporcionan una atenuación fija o variable de potencia. La estructura y el tipo de atenuador varían según el tipo de línea empleado para la transmisión de la señal. Los atenuadores utilizados para niveles de potencia bajos pueden estar basados en materiales dieléctricos recubiertos con películas resistivas. No obstante, también es posible atenuar campos utilizando conductores de altas pérdidas, o bien conductores recubiertos con láminas resistivas. En estos casos se pueden atenuar señales de muy potencia, pues los conductores disipan el calor generado con mayor facilidad que los dieléctricos y presentan unas pérdidas menos sensibles con respecto a la temperatura. Un atenuador se emplea fundamentalmente para regular la potencia de una señal que se propaga por un sistema de transmisión. También es muy útil para evitar las fluctuaciones en la señal de salida de un generador cuando en el sistema hay ondas reflejadas, o bien simplemente

para reducir las reflexiones de una carga fuertemente desacoplada en amplios márgenes de frecuencia. ATENUADORES EN LINEAS COAXIALES Numerosos atenuadores en línea coaxial se basan esencialmente en una sección de línea en la que se emplea algún material con pérdidas. En la Figura se puede ver un ejemplo ilustrativo de este tipo de atenuadores. En este diseño la disipación de potencia se consigue sustituyendo el conductor interno por una barra resistiva del mismo diámetro, o bien recubriendo este conductor con una lámina resistiva. Los compuestos de níquel-cromo son muy populares en estas aplicaciones como materiales disipativos.

Figura. –Atenuadores en línea coaxial: a) de lámina resistiva, b) de disco resistivo, c) atenuador en T y d) modelo circuital equivalente de un atenuador en T de 3dBacoplado a un sistema de 50 Ohm. También son muy utilizados los diseños de la Figura, en donde se emplea un disco resistivo que cubre a sección de la línea. Este tipo de atenuadores presenta generalmente mayores pérdidas por reflexiones que el anterior y por tanto tiene mayores limitaciones en términos de ancho de banda y frecuencia máxima de operación. Los diseños de las Figuras B se combinan en el atenuador en T que se muestra en la Figura C. Un atenuador en T presenta la ventaja de que puede alcanzar elevadas atenuaciones en tamaños muy reducidos. Es muy utilizado en bandas de frecuencia entre 1-26 GHz, y se puede modelizar con precisión mediante un sencillo circuito equivalente de resistencias como se muestra en la figura D. En particular, los valores de las resistencias en el circuito de la figura corresponden a un atenuador de 3 dB acoplado a un sistema de 50 Ω. ATENUADORES RESISTIVOS EN GUÍAS DE ONDA Uno de los atenuadores variables para guía de onda rectangular más sencillos que existen consiste en una sección de guía en la que se inserta por el centro de la cara ancha una lámina resistiva paralela al plano E, tal y como se muestra en la Figura A. Generalmente la lámina

resistiva adopta formas de cuña o formas escalonadas para minimizar reflexiones, y está construida a partir de un material dieléctrico de aproximadamente 1 mm de espesor que se recubre de una mezcla de grafito y adherente. Cuando se calienta la lámina a temperaturas próximas a 100° C, el adherente se volatiliza dejando una película bastante uniforme de grafito sobre el dieléctrico. Los valores de la resistencia dependen fundamentalmente de la duración del proceso de calentamiento. El vidrio es muy utilizado como sustrato en este tipo de diseños, debido no sólo a que es un material económico sino también a que con él pueden fabricarse fácilmente sustratos con caras muy bien pulidas, gracias a lo cual se pueden crecer láminas resistivas de gran uniformidad y con una gran repetibilidad. No obstante, este material presenta el inconveniente de su fragilidad. Dependiendo de la penetración de la lámina en el interior de la guía se disipará en ella una mayor o menor potencia por efecto Joule, produciéndose así la correspondiente atenuación. Mediante una geometría adecuada de la lámina que permita una transición progresiva de la impedancia se pueden obtener valores muy bajos de VSWR en el sistema de transmisión principal. Hay que tener en cuenta que el acoplo de impedancias a la guía de ondas debe ser independiente de la temperatura en los márgenes de potencia que admita el sistema de transmisión, y tampoco debe ser sensible a las variaciones de humedad. Se puede establecer un valor de atenuación determinado con una gran precisión si la lámina, en lugar de girar sobre un pivote (como en el diseño de la Figura A), se introduce en la guía por medio de unos soportes de material dieléctrico; tal y como se indica en la Figura B. Debido a que el campo es máximo en el centro de la cara ancha de la guía, la atenuación introducida será tanto mayor cuanto más cerca del centro se encuentre la lámina disipativa.

Figura. – Atenuadores resistivos en guía de onda EL ATENUADOR DE CORTE El atenuador de corte fue uno de los primeros atenuadores que se diseñaron para utilizarlos como referencia o estándar en los métodos de calibración de otros atenuadores. Los primeros estudios teóricos se atribuyen a H.A. Wheeler, aunque desafortunadamente nunca se llegaron a publicar. Los trabajos de Wheeler establecieron las bases de la teoría de modos evanescentes

en guías de onda que él mismo desarrolló varios años después. Modo evanescente es aquel que no transporta energía, es decir la potencia media es cero. Para estudio el principio de operación del atenuador de corte utilizaremos una guía rectangular de dimensiones 𝑎 y 𝑏 rellena completamente con un dieléctrico de permitividad 𝜀𝑟 excepto una sección de longitud 𝑑. Si por la guía se propaga únicamente el modo fundamental 𝑇𝐸10 y se comparan las frecuencias de corte 𝑓𝑐10𝑑 de las secciones Ι y ΙΙΙ de guía llenas de dieléctrico, con la de la sección ΙΙ 𝑓𝑐10𝑎 que está vacía se tiene, 𝑐

𝑓𝑐10𝑑 = 2𝑎 0𝜀 , √ 𝑟

𝑐

𝑓𝑐10𝑎 = 2𝑎0

Se observa que al rellenar completamente una guía con un dieléctrico se reduce la frecuencia de corte, lo que permite que se propaguen señales de frecuencia más baja. Si la frecuencia de la señal que se propaga por la guía satisface la relación 𝑓𝑐10𝑑 ≤ 𝑓 ≤ 𝑓𝑐10𝑎 entonces el modo 𝑇𝐸10 se propaga por las secciones Ι y ΙΙΙ y es evanescente en la sección de corte ΙΙ. Por consiguiente, utilizando notación fasorial, las ecuaciones del campo en el dieléctrico 𝐸𝑑 y en el espacio libre 𝐸𝑎 se puede escribir como 𝐸𝑑 = 𝐸𝑑+ 𝑒 −𝑗𝛽𝑧 ,

𝐸𝑎 = 𝐸𝑎+ 𝑒 −𝑗𝛼𝑧

donde 𝛽 = √𝑘 2 − 𝑘 𝑐 2 𝛼 = √𝑘 𝑐 2 − 𝑘 0 2

Figura. – Estructura de un atenuador de corte con la distribución del campo eléctrico. El campo 𝐸𝑎 corresponde a un modo evanescente y por tanto no se propaga a lo largo del eje z. Los campos en la sección ΙΙ están localizados en las proximidades de la frontera dieléctricoaire (posición 𝑧 = 0 en la figura 6.3) La amplitud de estos campos disminuye en forma exponencial con la distancia a esta frontera, como se muestra en la figura. Se puede considerar que un modo evanescente tiene una constante de fase compleja, lo que implica que la

impedancia del modo es también compleja. Sustituyendo las ecuaciones de los campos del modo fundamental de la guía rectangular se obtiene la impedancia del modo en la sección Ι, 𝑍Ι . 𝑍1 ≜ 𝑍𝑇𝐸10 | = − Ι

𝐸𝑦 | 𝐻𝑥 𝑇𝐸

10 Ι

=

𝜇𝜔 𝛽

Análogamente, este modo tendrá en la sección ΙΙ una impedancia 𝑍2 que será imaginaria pura, 𝑍1 =

𝜇𝜔 𝑗𝛼

Debido a las discontinuidades existentes en la guía, en las posiciones 𝑧 = 0 y 𝑧 = 𝑑, en la sección ΙΙ se producirán múltiples reflexiones. En general, los campos en la guía dependen de la coordenada 𝑥. Sin embargo, los campos eléctrico y magnético del modo fundamental en el centro de la cara ancha de la guía son transversales a la dirección de propagación. De esta forma puede imponerse la continuidad de los campos totales en las dos fronteras dieléctrico-aire para 𝑥 = 𝑎⁄2 de manera análoga a como se hace con una onda plana. 𝑧=0

𝐸1+ + 𝐸1− = 𝐸2+ + 𝐸2−

𝑧=0

𝐸1+ 𝑍1

𝑧=𝑑

𝐸2+ 𝑒 −𝑎𝑑 + 𝐸2− 𝑒 −𝑎𝑑 = 𝐸3+

𝑧=𝑑

𝐸2+ 𝑒 −𝑎𝑑 𝑍2

−

𝐸1− 𝑍1

=

−

𝐸2+ 𝑍2

−

𝐸2− 𝑒 −𝑎𝑑 𝑍2

𝐸2− 𝑍2

=

𝐸3+ 𝑍2

El valor de la atenuación introducida por la sección ΙΙ en corte se determina calculando la relación |𝐸1+ ⁄𝐸3+ |. Esta relación puede obtenerse a partir de las ecuaciones planteadas anteriormente. El resultado en dB es 𝐸1+ 1 [(𝑍1 +𝑍2 )2 𝑒 𝑎𝑑 − (𝑍1 −𝑍2 )2 𝑒 −𝑎𝑑 ]| 𝑑𝐵 𝐴 ≜ 20 log10 | + | = 20 log10 | 𝐸3 4𝑍1 𝑍2 En la ecuación se observa que la atenuación no aumenta sistemáticamente con 𝑑. De hecho, el campo en la sección ΙΙΙ es la suma de la onda transmitida directamente a la sección ΙΙΙ más infinitas ondas procedentes de las múltiples reflexiones que hay en la sección ΙΙ, y que pueden o no sumarse en fase. No obstante, para valores suficientemente grandes de 𝑑 el factor que tiene el término exp(−𝛼𝑑) se hace despreciable, y en estas circunstancias se obtiene un aumento sistemático de la atenuación con la longitud de la sección de corte. Aunque este modelo de atenuador de corte es interesante desde el punto de vista conceptual, en la práctica su validez está limitada por despreciarse la generación de modos de orden superior, así como por no considerarse la influencia de los cambios de temperatura y humedad. Estos cambios modifican las características del dieléctrico y pueden originar alteraciones sustanciales de la atenuación introducida. EL ATENUADOR DE PISTON El atenuador de corte no permite modificar la longitud de la sección de corte, y por tanto no es posible variar la atenuación introducida. Para superar este inconveniente se diseñaron numerosos modelos utilizando fundamentalmente guías circulares. Estos nuevos atenuadores se denominan ≪de pistón≫, por su estructura cilíndrica de longitud variable. Se muestra un diseño representativo de este tipo de componentes. En este diseño se excita energía en una

cavidad resonante con mayor o menor potencia, dependiendo de la longitud de la sección en guía circular que se encuentra en corte. La energía almacenada en la cavidad es posteriormente extraída con una sonda coaxial. El análisis del atenuador de pistón es completamente similar al que se ha realizado para el de corte en guía rectangular. Sin embargo, se aprecian mejor las ventajas de utilizar guía circular si se estudia detalladamente el coeficiente de atenuación para el modo evanescente. Para el modo fundamental 𝑇𝐸11 , el coeficiente de atenuación se puede obtener como: 𝑃11 2 𝑓 2 𝛼 = 54.575√( ) − ( ) 𝑑𝐵⁄𝑚𝑚 2𝜋𝑎 𝑐0 La atenuación es prácticamente independiente de la frecuencia, ya que el primer término de la raíz es el dominante. En efecto, para una guía circular de 2 cm de radio, si diferenciamos el coeficiente 𝛼 con respecto a la frecuencia se obtiene |

𝑑𝛼 |= 𝑑𝑓

54.575 𝑓 2 𝑐0 2 √0.00021 − ( ) 𝑐0

54.575 2 𝑓 =( ) 𝑑𝐵⁄𝑚𝑚 /𝐻𝑧 𝑐0 𝛼

Si 𝑓 = 500𝑀𝐻𝑧 la variación de 𝛼 es del orden de 2,08 × 10−11. En estos cálculos hay que tener en cuenta que el diámetro efectivo utilizado en la ecuación anterior difiere del diámetro físico debido a la penetración del campo electromagnético en el metal. Un atenuador de pistón de los que se utilizan en los métodos de calibración proporciona valores típicos de hasta 150 dB para desplazamientos de 55 mm de la línea coaxial de salida. Los atenuadores de pistón exigen una mayor precisión en el mecanizado, un cuidadoso diseño para posibilitar el desplazamiento de la línea coaxial de salida sin fugas apreciables y un cálculo preciso del acoplo de la cavidad a las líneas de salida y entrada. Sin embargo, la precisión con la que se puede determinar la atenuación introducida, el gran margen dinámico y la escala uniforme de atenuación son ventajas que hacen que el atenuador de pistón sea un elemento muy útil en los métodos de calibración.

Figura. – Estructura de un atenuador de pistón

EL ATENUADOOR DE LÁMINA GIRATORIA El atenuador de lámina giratoria (rotary vane) es uno de los atenuadores que mejores prestaciones ofrece en términos de precisión, y normalmente se emplea como referencia estándar para calibrar otros atenuadores. Este atenuador consta de tres láminas resistivas situadas en tres secciones separadas, tal como se muestra a continuación. Las láminas en las secciones inicial y final del atenuador son fijas y están situadas en un plano que es perpendicular al campo eléctrico incidente. La lámina de la sección central puede girar en torno al eje de la guía y proporciona la atenuación deseada. Supongamos que la amplitud del campo eléctrico incidente sea 𝐸 y que la lámina central forma un ángulo 𝜃 con respecto al plano de las láminas de las secciones inicial y final. A la entrada de la sección central el campo se puede descomponer en dos componentes: una perpendicular (𝐸 cos 𝜃) y otra paralela (𝐸 sin 𝜃) a la lámina resistiva, según se indica en la figura B. La lámina resistiva elimina la componente paralela del campo y a la salida de esta sección central solo existe la componente perpendicular. Este campo a la salida se puede descomponer a su vez en otras dos componentes: una perpendicular (𝐸 𝑐𝑜𝑠 2 𝜃) y otra paralela (𝐸 cos 𝜃 sin 𝜃) a la lámina de la sección de salida, como se muestra en la figura C. La lámina resistiva de la sección de salida eliminará la componente paralela sin modificar de forma apreciable la perpendicular. Por consiguiente, si 𝐴0 es la atenuación residual que el atenuador introduce cuando las tres láminas resistivas están situadas en el mismo plano, la atenuación total en dB introducida por el atenuador cuando está girado un ángulo 𝜃 será, 𝐸

𝐴 = 20 log10 𝐸𝑐𝑜𝑠2 𝜃 + 𝐴0 = 40 log10 (sec 𝜃) + 𝐴0

𝑑𝐵

Por tanto, la atenuación introducida al girar la lámina de la sección central un ángulo 𝜃 es 𝐴 − 𝐴0 dB.

Figura. – Atenuador de lámina giratoria. a) Estructura y componentes del campo a la entrada (b) y la salida (c).

El atenuador de lámina giratoria tiene importantes ventajas: la atenuación es prácticamente independiente de la frecuencia, no introduce casi ningún cambio en fase, su sensibilidad con la temperatura es muy pequeña y la adaptación de impedancias es muy buena en cualquier posición. Su mayor inconveniente reside en que, para valores grandes de la atenuación, una pequeña modificación en la posición angular 𝜃 da lugar a una gran variación en el valor de 𝐴. Para conseguir una precisión mejor que ±0.001 dB para atenuaciones de hasta 60 dB es necesario fijar el ángulo de giro 𝜃 de la lámina central con una exactitud en torno a ±0.01°. En un atenuador de lámina giratoria existen varias fuentes de error que pueden disminuir drásticamente su precisión. Entre las más comunes destacan: mal alineamiento de las láminas resistivas de las tres secciones, las reflexiones internas, la excentricidad en el giro de la lámina central, las fugas por las juntas rotatorias, etc. Es posible determinar el factor de atenuación cuando las láminas del atenuador no están perfectamente alineadas, sino que forman un pequeño ángulo ±𝜉, según se muestra en la figura a continuación.

Figura. – Vista frontal de un desalineamiento entre láminas es un atenuador de lámina giratoria. En estas circunstancias se produce un incremento de la atenuación con respecto al valor dado por la ecuación: ∆𝐴 = 20 log10

𝑐𝑜𝑠 2 𝜃 𝑐𝑜𝑠 2 𝜉 cos(𝜃 − 𝜉)cos(𝜃 + 𝜉)