Tecnologia allo stato solido: l’evoluzione del settore RF

Grazie alla continua riduzione dei costi di fabbricazione, la tecnologia allo stato solido sta per introdurre significativi cambiamenti anche nel settore RF, a lungo dominato da soluzioni di tipo tradizionale. Scopriamo in questo articolo come la tecnologia basata sul nitruro di gallio (GaN) stia per comportare cambiamenti significativi nelle applicazioni RF di elevata potenza

Introduzione

Le applicazioni RF di alta potenza, in particolare quelle operanti ad elevate frequenze (bande UHF, VHF e frequenze superiori al gigahertz) stanno per subire radicali cambiamenti e miglioramenti grazie alla disponibilità, a costi accessibili, della tecnologia a semiconduttore basata sul nitruro di gallio (GaN). I principali settori che potranno a breve beneficiare di questa promettente tecnologia allo stato solido sono quello della cottura del cibo (forni a microonde), dell’illuminazione, il settore biomedicale (radioterapia oncologica), le applicazioni automotive e i trasmettitori di onde elettromagnetiche ad alta frequenza.

Il magnetron

Numerose applicazioni RF di elevata potenza sono ancora oggi basate sul magnetron, il cuore degli attuali forni a microonde. Il magnetron è un particolare tipo di valvola termoionica ad alta potenza (in pratica un tubo a vuoto), in grado di produrre un’abbondante quantità di energia sotto forma di microonde. Le onde elettromagnetiche con valori di frequenza elevati (dell’ordine di alcune decine di gigahertz) presentano la caratteristica di possedere una buona propagazione anche a notevoli distanze e sono in grado di trasmettere la propria energia ai corpi irradiati. Ne consegue che le due principali applicazioni del magnetron (in Figura 1 è visibile un esemplare sezionato, con evidenziate le cavità di risonanza interne) sono rappresentate dagli apparecchi per la cottura e il riscaldamento dei cibi e dai trasmettitori ad alta frequenza.

Figura 1: sezione di un magnetron

Klystron e TWT

Anche se in grado di generare agevolmente una potenza considerevole (qualche unità o decina di kilowatt, più che sufficienti per irradiare a decine di chilometri di distanza), il magnetron presenta alcuni limiti con riferimento alle applicazioni radar. Rispetto a un normale tubo a vuoto, nel magnetron il fascio di elettroni è costretto a seguire un percorso a spirale dal catodo verso l’anodo, tramite l’applicazione di un campo magnetico esterno. Il magnetron opera dunque come un oscillatore in cui la frequenza di uscita può essere cambiata modificando la frequenza di risonanza della cavità. Quest’ultima, a sua volta, può essere determinata elettronicamente (agendo sul flusso di elettroni) oppure meccanicamente (inserendo degli opportuni profili meccanici nella parte interna delle cavità di risonanza, con l’effetto di alterare l’induttanza del circuito risonante). In Figura 2 possiamo osservare un dettaglio delle cavità di risonanza e della struttura interna del magnetron. [...]

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