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Gunnplexer & Microonde

gunnplexer

Il sistema Gunnplexer è una combinazione di un oscillatore a microonde (basato sul diodo Gunn) con un mixer (diodo Schottky). Ci sono alcune variazioni sul tema, ma ogni Gunnplexer ha almeno questi componenti. Nei Gunnplexer che operano a 10 GHz e frequenze superiori, l’intero sistema a microonde è incorporato in una guida d’onda, e l’antenna di solito di tipo a corno completa il sistema.

La figura riportata più avanti mostra un tipico layout fisico ed uno schema di principio, anche se specifiche configurazioni possono variare rispetto a questo layout. John B. Gunn ha studiato originariamente questa diodo fonte di microonde nel 1960.

gunnScheme

Quando viene aumentata la tensione applicata, la corrente continua a salire fino ad un punto chiamato tensione di soglia. Se la tensione applicata viene aumentata oltre questo punto, la corrente inizia a diminuire e continua a farlo fino al raggiungimento della tensione di breakdown. La porzione della curva dove la tensione e la corrente si muovono in direzioni opposte è chiamata la regione a resistenza negativa.

graficoGunn

Se il dispositivo viene inserito in un circuito risonante e sollecitato con una tensione continua in questa regione, darà luogo ad una emissione RF.
Tipici livelli di potenza sono 5 o 10 mW, ma sono disponibili anche dispositivi da 100mW. La migliore tensione di funzionamento è circa tre volte la tensione di soglia. Possono essere progettati e realizzati diodi Gunn con frequenze fino a circa 100GHz. Come in ogni oscillatore free-running sono necessari per un buon funzionamento stabilità meccanica, carico costante, tensione costante e temperatura stabile.
In termini pratici, un diodo Gunn free-running da 10 GHz in una cavità ben progettata, ad una temperatura stabile e carico stabile, può mantenere frequenza stabile entro qualche kilohertz per diversi minuti.
Il ricevitore per un Gunnplexer è basato su un diodo mixer. È possibile utilizzare lo stesso diodo Gunn come diodo mixer, e questo viene fatto in alcuni applicazioni molto economiche , ma per comunicazioni su distanze ragionevoli, è necessario un diodo mixer separato.
Un diodo Schottky ad alta sensibilità di tipo barriera è la scelta migliore. Viene posizionato nella guida d’onda in modo che intercetti energia che viene trasmesso e anche l’energia che viene ricevuta. Il diodo mixer miscela i segnali in uscita e in entrata e produce il segnale differenza che costituisce il segnale ricevuto dal Gunnplexer.

Microwave Transceiver basato su Gunnplexer

Il transceiver che è stato realizzato consiste in un Gunnplexer alimentato da una tensione continua stabilizzata da 8-9V. Nella nostra realizzazione è stato utilizzata un pacco di batterie da 1,5V collegate ad un riduttore di tensione di tipo 7808 che genera 8V stabilizzati. Il terminale del diodo mixer del Gunnplexer è stato collegato ad un connettore BNC in modo da poter utilizzare il dispositivo anche come ricevitore.
Il segnale RF generato dal Gunnplexer ha una frequenza di circa 10GHz che corrispondono ad una lunghezza d’onda di 3cm.

f = 10GHz
λ = 3cm

transceiver
Schema del transceiver con alimentazione stabilizzata sul diodo Gunn e segnale di output prelevato sul diodo mixer

 

transceiver2
Nella figura sopra si vede il transceiver con la guida d’onda frontale ed il connettore BNC per il segnale di output. A destra viene mostrato l’interno del transceiver con la sezione di alimentazione basata su 8 pile da 1,5V, per una tensione di 12V che viene ridotta e stabilizzata a 8V da un convertitore 7808

Microwave Receiver basato su Gunnplexer

Il Receiver che è stato realizzato consiste in un Gunnplexer sul quale viene prelevato e portato su di un connettore BNC il segnale presente sul diodo mixer. Il segnale viene letto da un millivoltmetro digitale come mostrato in figura.
In particolare il ricevitore che rileva tali microonde è sensibile solo la componente del campo elettrico incidente parallelamente al suo asse. Se l’angolo tra il campo elettrico incidente (di ampiezza E0) e l’asse del ricevitore è θ, allora la componente parallela del campo ha un’ampiezza E0cosθ. Poiché l’intensità di un’onda è proporzionale al quadrato della sua ampiezza, l’intensità misurata dal ricevitore è correlata alla intensità I0 dell’onda incidente dalla seguente relazione :

= I0cos²θ

receiver

Attenuazione del Fascio e Onde Stazionarie

OndeStazionarie

Con il setup che si vede nella figura sopra è stata misurata l’intensità del fascio uscente dal Gunnplexer del Transceiver. Va tenuto presente che tra Receiver e Transceiver si forma una onda stazionaria dovuta alla interferenza tra l’onda trasmessa e quella riflessa da Receiver.

attenuazioneFascio
Andamento della intensità misurata dal Receiver

Dal grafico che riporta l’andamento della intensità si rileva un periodo spaziale di circa 15mm, cioè l’intensità presenta un massimo relativo quando il Receiver si trova ad una distanza multipla di questa quantità, sapendo che l’onda stazionaria ha i massimi corrispondenti a λ/2, si deduce correttamente che la lunghezza d’onda ha un valore di 30mm.

L’intensità segue un andamento decrescente come è logico attendersi, la diminuzione della intensità non segue però l’andamento  di un emettitore isotropo, ma diminuisce più lentamente a causa del guadagno della antenna horn posta in uscita al Gunnplexer.

Profilo Spaziale del Fascio

Utilizzando lo stesso setup utilizzato per la misura della attenuazione del fascio è possibile, muovendo il Receiver lateralmente, lasciando quindi inalterata la sua distanza dal transceiver, valutare l’andamento spaziale del fascio di microonde.

profiloFascio
Profilo del fascio emesso dal Transceiver misurato ad una distanza di 25mm

Il profilo del fascio segue approssimativamente un andamento gaussiano con una FWHM di circa 40mm ad una distanza di 25mm. Considerando che l’apertura della guida d’onda è di 20mm si può dedurre una divergenza spaziale di circa 30°.

Attenzione

Il fascio di microonde generato dal gunnplexer può provocare danni all’occhio. Mai guardare direttamente l’interno del gunnplexer quando acceso.

Riferimenti

Alcune idee per questo esperimento sono state prese dal sito www.diyphysics.com

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