Tecnologías asociadas

Como ya se ha explicado, aparte de la necesidad de validar la tecnología de los amplificadores de alto rendimiento, es necesario desarrollar componentes adicionales, si se pretende que los sistemas de estado sólido superen, en todas sus características fundamentales, a los sistemas basados en tubos de vacío. El reto más importante que hay que superar para alcanzar este objetivo consiste en desarrollar combinadores de bajas pérdidas que permitan combinar un número elevado de amplificadores, con una eficiencia y operatividad similar o superior a la que ofrecen las otras tecnologías. En esta tesis se han planteado tres posibles soluciones que este autor engloba en el concepto novedoso de Combinadores Matriciales, es decir que tienen sus entradas en paralelo en una o varias filas y columnas y siempre en una única etapa. Esas tres posibles soluciones son las siguientes:

Combinación por transformación de impedancias

Esta técnica de combinación se basa en sumar la potencia de múltiples amplificadores mediante la transformación de la impedancia de salida de los amplificadores en una impedancia mayor, de tal forma que al sumar todas las ramas en paralelo la impedancia resultante sea la deseada. Técnicamente, se realiza mediante líneas de transmisión con una impedancia adecuada, que se unen en un punto de suma, en el cual la impedancia resultante es la deseada. Dichas líneas de transmisión pueden ser impresas en sustratos, coaxiales o a base de guías de onda.

La principal ventaja de este tipo de combinadores es que la tecnología está muy desarrollada, son sencillos de diseñar y existen multitud de fabricantes que pueden suministrar sus componentes. En la figura 5.6. se muestra un ejemplo de amplificadores de 150 kW (pulsado) desarrollados por la empresa AREVA (Francia): En el recuadro se ha superpuesto un combinador como el que va dentro de la estructura de la fotografía. Las dificultades aparecen cuando se requiere combinar grandes cantidades de amplificadores en una sola etapa, ya que geométricamente se hace difícil diseñar estos combinadores con muchas ramas de entrada, lo que provoca tener que ir combinando en diferentes etapas y de esta forma se van acumulando pérdidas y reduciendo la eficiencia global del sistema. Este es el sistema que han utilizado los SSPA de alta potencia de RF para aceleradores, construidos con anterioridad a esta tesis [5] y que, o bien habría de ser optimizado o bien sustituido por sistemas de combinación más eficientes.

Figura 5.6. Sistema de RF de estado sólido de hasta 150 kW con combinador coaxial de varias etapas

La solución que se propone desde esta tesis es el desarrollo de combinadores coaxiales de tipo matricial, es decir con un elevado número de ramas simétricas en una sola etapa. Este desarrollo queda fuera del alcance esta tesis por las limitaciones que ofrece, habiendo sido descartado para una primera etapa de combinadores matriciales.

Combinación por cavidad resonante

Técnicamente, este tipo de combinadores consisten en una cavidad resonante, sintonizada a la frecuencia deseada, con múltiples entradas de potencia mediante acopladores de campo, eléctrico o magnético , que inyectan energía en fase y a la frecuencia de resonancia que, a su vez, se almacena combinada en la cavidad. Dicha energía se extrae mediante otro acoplador capaz de extraer toda la potencia que entra en la cavidad y transmitirla a una línea de transmisión. La principal ventaja de este tipo de combinadores es que se puede alcanzar una alta densidad de entradas de potencia, con lo que se consigue combinar una gran cantidad de amplificadores en una sola etapa, reduciendo de manera muy efectiva las pérdidas de combinación. Por tanto, mejorando la eficiencia global del sistema. Aun así, el sistema sigue teniendo la limitación del tamaño de la propia cavidad resonante ya que el tamaño de los acopladores limita el número máximo de entradas. La dificultad de este tipo de combinadores es que es una tecnología muy novedosa en fase experimental y por tanto, no existen fabricantes en la industria que ofrezcan este tipo de componentes. Tan solo existen dos prototipos en centros de investigación (uno de ellos el de esta tesis). Otra característica importante es que al aislamiento presente, entre las ramas de entrada, es equivalente a la potencia reflejada en cada rama, para un determinado número de entradas. Esto provoca que ambos términos se cancelen de modo que no existe pérdida de potencia teórica por el acoplamiento entre las ramas y la cavidad. Esta tecnología es más ventajosa cuanto mayor sea el número de entradas, lo que la hace muy apropiada para su uso con amplificadores de estado sólido. Un prototipo de este nuevo sistema de combinación se ha desarrollado en el marco de esta tesis. Este nuevo sistema ya se encuentra en fase de ensayos. Tal como se puede ver en la figura 5.7., se han realizado varios diseños preliminares con distintos tipos de cavidades resonantes.

Figura 5.7. Modelos preliminares de combinador matricial, desarrollados en el marco de esta tesis

En la figura 5.8.se muestra el prototipo del prototipo elegido para los primeros ensayos de validación. Se trata de un combinador de cavidad, con capacidad para acoger hasta 200 ramas de 1 kW cada una, que ya ha sido ensayado con hasta 20 ramas de baja potencia para la validación de sus características geométricas y la optimización del diseño de los acopladores de potencia.

Un aspecto muy importante a tener en cuenta en este tipo de diseños de SSPA, ya sea para 16 kW o para 200 kW, es el hecho de que si se desea disponer de la interesante posibilidad de operar el amplificador en modo degradado, es decir, con varios módulos básicos estropeados, es necesario prever una potencia instalada total que supere ese margen. Otro aspecto complementario es que hay que procurar que los transistores trabajen nominalmente en un nivel de potencia óptimo, que no es necesariamente el mismo que el máximo.

En la figura 5.9. se muestra el resultado de la simulación de frecuencia de resonancia para el prototipo de 20 entradas combinadas. Este diseño es de muy alta sensibilidad a las tolerancias geométricas, por lo que se ha previsto un émbolo de ajuste de frecuencias de tipo experimental, que tiene como objetivo permitir una ajuste de frecuencia de resonancia, para compensar los posibles errores de fabricación.

Figura 5.9. Simulación de resonancia del combinador de cavidad (frecuencia central 175 MHz)

Por otra parte, una vez decidido el número de antenas de entrada de potencia, se pueden manejar parámetros como el ancho de banda, el factor de calidad o las pérdidas, a base de modificar la forma geométrica de la cavidad. En la figura 5.10.se muestra el efecto que, aumentar la altura (longitud) de la cavidad del combinador, tiene sobre el factor de calidad y la potencia disipada en la cavidad.

5.10. Estudio de sensibilidad geométrica del modelo del combinador de cavidad

Combinación en onda viajera

Esta técnica de combinación se basa en inyectar la potencia de múltiples amplificadores en una estructura de transmisión de potencia, de tal forma que el campo electromagnético se interfiera de forma constructiva, sumando la potencia inyectada a la que ya se encontraba propagándose por la estructura. Técnicamente este tipo de combinadores consisten en una línea de transmisión, con múltiples acopladores formando anillos radiales que se van disponiendo longitudinalmente. La estructura está diseñada para que la energía se propague en dirección a la carga que se quiere alimentar, evitando que la nueva energía añadida se propague en la dirección contraria. La ventaja de este tipo de combinador es que las pérdidas son extremadamente bajas

y no existe limitación geométrica en cuanto a sus dimensiones con lo que teóricamente podría tener infinitas entradas para combinar. La dificultad es que es un diseño conceptual y hay ciertos aspectos técnicos que todavía deben resolverse. Esta investigación se explica en el capítulo 7 como uno de los trabajos futuros que se proponen. En la figura 5.11. se muestra el primer boceto conceptual desarrollado, en el que se puede observar que se disponen 4 grupos de antenas separadas por 1/4 de longitud de onda. El objetivo es poder combinar un número determinado de entradas por cada unidad de longitud del combinador. Las simulaciones realizadas muestran un resultado prometedor. Se trata de una tecnología novedosa y muy poco estudiada que se propone desde esta tesis, para una segunda generación de combinadores de RF para amplificadores de estado sólido

.Figura 5.11. Diseño conceptual del combinador de onda viajera

5.1.3El prototipo de SSPA de 16 kW