Oscilador de Diodo Gunn: ¿Qué es? (Teoría y Principio de Funcionamiento)

¿Qué es un Oscilador de Diodo Gunn?

Un Oscilador de Diodo Gunn (también conocido como osciladores Gunn o dispositivo de transferencia de electrones oscilador) son una fuente económica de potencia de microondas y constan de un diodo Gunn o dispositivo de transferencia de electrones (TED) como su componente principal. Realizan una función similar a los Osciladores Klystron Reflex. En los osciladores Gunn, el diodo Gunn se coloca en una cavidad resonante. Un oscilador Gunn está compuesto por dos componentes principales: (i) un sesgo DC y (ii) un circuito de sintonización.

Cómo funciona un Diodo Gunn como Oscilador

Sesgo DC

En el caso del diodo Gunn, a medida que aumenta el sesgo DC aplicado, la corriente comienza a aumentar en la etapa inicial, lo que continúa hasta alcanzar el voltaje umbral. Después de esto, la corriente continúa disminuyendo a medida que el voltaje aumenta hasta que se alcanza el voltaje de ruptura. Esta región, que se extiende desde el pico hasta el punto de valle, se llama la región de resistencia negativa (Figura 1).

Esta propiedad del diodo Gunn junto con sus propiedades temporales lo hacen comportarse como un oscilador siempre que fluya un valor óptimo de corriente a través de él. Esto se debe a que, la propiedad de resistencia negativa del dispositivo anula el efecto de cualquier resistencia real existente en el circuito.

Esto resulta en la generación de oscilaciones sostenidas mientras esté presente el sesgo DC, evitando el crecimiento de las oscilaciones. Además, la amplitud de las oscilaciones resultantes estará limitada por los límites de la región de resistencia negativa, como se evidencia en la Figura 1.

Circuito de Sintonización

En el caso de los osciladores Gunn, la frecuencia de oscilación depende principalmente de la capa activa media del diodo Gunn. Sin embargo, la frecuencia resonante puede ser sintonizada externamente, ya sea mecánica o eléctricamente. En el caso de un circuito de sintonización electrónico, el control puede lograrse mediante el uso de un guía de ondas o cavidad de microondas o diodo varactor o esfera YIG.

Aquí, el diodo se monta dentro de la cavidad de tal manera que cancela la resistencia de pérdida del resonador, produciendo oscilaciones. Por otro lado, en el caso de la sintonización mecánica, el tamaño de la cavidad o el campo magnético (para esferas YIG) se varía mecánicamente, por ejemplo, mediante un tornillo ajustable, para sintonizar la frecuencia resonante.

Estos tipos de osciladores se utilizan para generar frecuencias de microondas que van desde 10 GHz hasta algunos THz, según lo determinado por las dimensiones de la cavidad resonante. Generalmente, los diseños de osciladores basados en coaxial y microstrip/planar tienen un factor de potencia bajo y son menos estables en términos de temperatura. Por otro lado, los diseños de circuitos estabilizados por guía de ondas y resonador dieléctrico tienen un mayor factor de potencia y pueden hacerse térmicamente estables, bastante fácilmente.

La Figura 2 muestra un oscilador Gunn basado en un resonador coaxial que se utiliza para generar frecuencias que van desde 5 a 65 GHz. Aquí, a medida que se varía el voltaje Vb, las fluctuaciones inducidas por el diodo Gunn viajan a lo largo de la cavidad para reflejarse desde su otro extremo y regresar a su punto de partida después de un tiempo t dado por

Donde, l es la longitud de la cavidad y c es la velocidad de la luz. A partir de esto, se puede deducir la ecuación para la frecuencia resonante del oscilador Gunn como

donde, n es el número de medias ondas que pueden caber en la cavidad para una frecuencia dada. Este n varía de 1 a l/ctd donde td es el tiempo que tarda el diodo Gunn en responder a los cambios en el voltaje aplicado.

Las oscilaciones se inician cuando la carga del resonador es ligeramente superior a la máxima resistencia negativa del dispositivo. A continuación, estas oscilaciones crecen en términos de amplitud hasta que la resistencia negativa promedio del diodo Gunn se iguala a la resistencia del resonador, después de lo cual se pueden obtener oscilaciones sostenidas. Además, estos tipos de osciladores de relajación tienen un gran condensador conectado a través del diodo Gunn para evitar que el dispositivo se queme debido a las señales de gran amplitud.

Por último, es importante destacar que los osciladores de diodo Gunn se utilizan extensivamente como transmisores y receptores de radio, sensores de detección de velocidad, amplificadores paramétricos, fuentes de radar, sensores de monitoreo de tráfico, detectores de movimiento, detectores de vibración remota, tacómetros de velocidad de rotación, monitores de contenido de humedad, transceptores de microondas (Gunnplexers) y en el caso de abridores de puertas automáticas, alarmas antirrobo, radares policiales, LAN inalámbricas, sistemas de evitación de colisiones, frenos antibloqueo, sistemas de seguridad peatonal, etc.

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