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República Bolivariana de Venezuela Ministerio Del Poder Popular Para La Defensa Universidad Nacional Experimental y Politécnica de la Fuerza Armada Nacional (U.N.E.F.A) Núcleo Sucre, Sede Cumaná

GENERADORES Y AMPLIFICADORES DE MICROONDAS.

6to semestre, Sección 02 ING. Telecomunicaciones

INTRODUCCIÓN.

Los principios de funcionamiento de los generadores y amplificadores que se utilizan más habitualmente en las microondas proporcionan un análisis importante para el desarrollo de la materia. El material que aquí se presenta está más enfocado a explicar las ideas básicas que a la presentación de los complejos desarrollos matemáticos que son necesarios en la modelización de estos componentes. Los conceptos que se describen no son imprescindibles para realizar las prácticas que no sean específicas de este capítulo, pero los generadores se encuentran en cualquier montaje experimental y por tanto es conveniente tener algunas nociones sobre cómo funcionan los más importantes. En dicho trabajo explicaremos: 1. Generadores y amplificadores. 2. Tipos de tubos de microondas, tipo o y tipo m. 3. El klystron, modulación de velocidad y modo de operación. 4. Diodo Gunn, osciladores Gunn 5. Osciladores de barrido: BWO, YIG. 6. El magnetrón. 7. El girotron. 8. El carcinotron, engache en fase de un oscilador.

GENERADORES Y AMPLIFICADORES:

Los generadores de microondas: son generadores críticos en cuanto a la tensión y la corriente de funcionamiento, en otras palabras se puede decir que fue el desarrollo de otro tipo de válvulas, de onda progresiva (TWT, Travelling-Wave Tube); siglas de ésta clase de tubos, las que dieron lugar a una mejor compresión de los fenómenos que tienen lugar en los haces electrónicos, sobre todo en lo que respecta a las ondas electromecánicas, daban lugar a amplificación o generación de m. Para que este acoplamiento sea efectivo es preciso reducir la velocidad de fase de la onda electromagnética lo cual se hace mediante estructuras periódicas de entre las cuales la más utilizada es la hélice; de esta forma es posible mantener una iteración continuada entre la onda electromagnética y el haz electrónico, modulado en velocidad, y consecuentemente en densidad, que va cediendo su energía, digamos cinética, a la onda electromagnética. Posteriormente también se desarrollo el tubo de onda regresiva (BWO< Backward- wave oscillator), en el cual la velocidad de fase de la onda va en dirección opuesta al flujo de energía en el circuito, que ofrecí a, además, una mayor amplitud de sintonía en frecuencia mediante control electrónico. El principio básico de funcionamiento de estos generadores es la modulación de velocidad de un haz electrónico que al atravesar una cavidad resonante, excita en ella oscilaciones electromagnéticas de la frecuencia de m, deseada.

Los amplificadores: son construidos básicamente como fuente de energía que con un procedimiento de mezcla, convierten cualquier frecuencia en una frecuencia deseada, en otras palabras le dan más potencia a los dichos generadores. Una primera clasificación de los amplificadores los divide en aquellos que manejan: -

Grandes señales (de potencia para transmisores) (Klystron, Tubo de Onda Progresiva TWT y transistorizados).

-

Pequeñas

señales

(amplificadores

de

bajo

ruido)

(amplificadores

paramétricos y los transistorizados). El Klystron se utiliza como amplificador de potencia en algunas estaciones terrestres de comunicaciones satelitales. Generalmente se utilizan 5 cavidades en un Klystron de 3 Kw de potencia. Se dispone de un cañón electrónico que emite un haz de electrones que pasa a través del espacio intermedio entre las cavidades de cada uno de los resonadores, se debe ingresar con una alta potencia de entrada; ya que para obtener 2 Kw de salida (equivalente 63 dBm) con una ganancia de 40 dB se requieren 23 dBm de ingreso. El tubo de onda progresiva TWT (Traveling Wave Tube) es la otra variante de amplificador que se utiliza en las estaciones para comunicaciones satelitales. La eficiencia, entre el 20 y 40%, es función del ancho de banda. Consiste en un generador de haz electrónico y una estructura de enfoque magnético. Una estructura en forma de hélice facilita la interacción entre el campo de microondas y el haz electrónico. La velocidad de los electrones se ajusta para que sea igual a la velocidad de fase de las microondas. Los amplificadores paramétricos se utilizan como fuente de energía una de alterna que convierten, por un procedimiento de mezcla, en la de alta frecuencia deseada. En lugar de utilizar como elemento resistivo, utilizan un elemento reactivo, como puede ser un diodo de capacidad variable, y de aquí el bajo nivel de ruido que se puede lograr. Un fundamento análogo tienen los amplificadores cuánticos MASER. Son estos amplificadores de bajo nivel de ruido los que han abierto un gran campo de operación en radioastronomía, así como el intercontinental vía satélite etc.

TIPOS DE TUBOS DE MICROONDAS, TIPO O Y TIPO M.

Todos los tubos de microondas dependen de la interacción entre un haz de electrones y un campo electromagnético soportado por un circuito de microondas. Esta interacción actúa como mecanismo de amplificación. Existen dos clases de tubos: -

En los tubos de haz lineal (linear-beam), también conocidos como 'O', el haz de electrones fluye en una dirección paralela a los campos eléctrico y magnético, atravesando toda la longitud del tubo.

-

En los tubos de campos cruzados (crossed-field), o tipo 'M', los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la dirección del haz de electrones. El haz de electrones se origina a partir de un cañón de electrones, que generalmente comprende un cátodo (la fuente de emisión), un electrodo de enfoque, un electrodo de modulación y un ánodo. Los electrones se generan por emisión termoiónica, manteniendo el cátodo a una alta tensión negativa con respecto al ánodo, que generalmente se conecta a tierra. Esta diferencia de potencial crea un campo eléctrico que acelera los electrones en su trayecto hacia el ánodo, que resulta atravesado por el haz a través de un orificio que se practica en su centro. La velocidad con la que el haz de electrones sale del ánodo.

Los electrones del haz experimentan una fuerza repulsiva de Coulomb que tiende a dispersarlos, imprimiéndoles un movimiento radial. La dispersión del haz

es despreciable si la longitud de la región de arrastre es pequeña, como sucede en los tubos klystron, pero no ocurre en los tubos de onda progresiva (TWT). En estos casos, para confinar el haz y evitar la dispersión se emplean dos posibles técnicas: -

Haz de iones neutralizados: el tubo de vacío se llena de un gas neutro. Las moléculas del gas se ionizan debido a las colisiones de los electrones. Se forman así iones de carga positiva que tienden a neutralizar la carga espacial negativa asociada al haz de electrones.

-

Haz con flujo de electrones axialmente confinado: se aplica un campo magnetostático B0, muy intenso, cuyas líneas son paralelas al haz de electrones. Por efecto de la fuerza de Lorentz, sobre los electrones con componente radial de movimiento actúa una fuerza –e(vr × B0) que hace que estos electrones realicen un movimiento helicoidal a lo largo de las líneas del campo magnético.

EL KLYSTRON, MODO DE OPERACIÓN Y APLICACIONES. El kylstron fue inventado por los hermanos russel y sigurd Varian en el año 1937, utilizado en la generación y amplificación de señales de muy altas frecuencias, siendo empleado aun en la actualidad debido a sus características como el bajo ruido y altas frecuencias que lo hacen ideal para utilizarlos en receptores de microondas y como osciladores locales de alta potencia en radares tanto militares como comerciales. El klystron consiste básicamente en tubo vacio

capaz de generar una señal de microondas utilizando el principio de modulación de la velocidad de electrones de un haz, sometidos a aceleraciones y frenados cuando a este se le aplica una señal que varía en el tiempo, esto ocurre tanto en modo de amplificador como en oscilador. Modos de operación: -

Como amplificador: se basa en un tubo electrónico con varias cavidades en la que se define un cátodo, ánodo y tubo de arrastre. La porción principal la constituye un cierto número de cavidades resonantes, todas ellas interconectadas por los tubos de arrastre. En el cañón electrónico se origina un haz de electrones que es acelerado a través de un alto voltaje aplicado al cátodo que luego pasa a través del ánodo y los tubos de arrastre hasta impactar con el colector. El cuerpo del tubo que incluye al colector se mantiene potencia a tierra. El haz de electrones emitido del cátodo, es enfocado por los electrodos donde se aplica un campo magnético intenso para evitar que estos se dispersen en las paredes del tubo. El haz de electrones, pasa a través de una cavidad resonante la cual es excitada por la señal a amplificar donde esta produce un campo magnético dirigido paralelo a la dirección en la que viajan los electrones y es la velocidad de ellos lo que se modula través de la cavidad, cuando pasa a la cavidad de salida esta produce un campo eléctrico que se transforma en la señal amplificada.

-

Como oscilador: se realiza a través de una realimentación por lazo, donde esa realimentación y extracción de las señales en las cavidades puede hacerse mediante líneas coaxiales terminadas en lazos acoplados. En el caso del oscilador de reflejo el haz de electrones en si, produce la realimentación. Aplicaciones: Gracias a sus características, el klystron tiene diversas aplicaciones y usos entre los que se encuentra radares, aceleradores de radioterapia o esterilización, estaciones de televisión, sistemas de comunicaciones, satélites, calefacción por microondas, etc.

DIODO GUNN, OSCILADORES GUNN: El diodo Gunn es un tipo de diodo usado en la electrónica de alta frecuencia. A diferencia de los diodos ordinarios construidos con regiones de dopaje P o N, solamente tiene regiones del tipo N. Existen en este dispositivo tres regiones; dos de ellas tienen regiones tipo N fuertemente dopadas y una delgada región intermedia de material ligeramente dopado. Cuando se aplica un voltaje determinado a través de sus terminales, en la zona intermedia el gradiente eléctrico es mayor que en los extremos. Finalmente, esta zona empieza a conducir esto significa que este diodo presenta una zona de resistencia negativa.

V

Los diodos Gunn son usados para construir osciladores en el rango de frecuencias comprendido entre los 10 Gigahertzy frecuencias aún más altas (hasta Terahertz).

Los diodos Gunn suelen fabricarse de arseniuro de galio para osciladores de hasta 200 GHz, mientras que los de nitruro de galio pueden alcanzar los 3 Terahertz. El dispositivo recibe su nombre del científico británico, nacido en Egipto, John BattiscombeGunn quien produjo el primero de estos diodos basado en los cálculos teóricos del profesor y científico británico CyrilHilsum. Efecto Gunn: El efecto fue descubierto por John B. Gunn en 1963. Este efecto es un instrumento eficaz para la generación de oscilaciones en el rango de las microondas en los materiales semiconductores. El efecto Gunn es una propiedad del cuerpo de los semiconductores y no depende de la unión misma, ni de los contactos, tampoco depende de los valores de tensión y corriente y no es afectado por campos magnéticos. Cuando se aplica una pequeña tensión continua a través de una placa delgada de arseniuro de galio, ésta presenta características de resistencia negativa. Si dicha placa es conectada a una cavidad resonante, se producirán oscilaciones y todo el conjunto se puede utilizar como oscilador. Este efecto sólo se da en materiales tipo N (material con exceso de electrones) y las oscilaciones se dan sólo cuando existe un campo eléctrico. Oscilador Gunn: El diodo Gunn va montado en una cavidad resonante y se emplea como componente activo para la generación de microondas. El oscilador Gunn puede entonces considerarse como un aparato que transforma una corriente eléctrica de baja intensidad en energía de microondas.

OSCILADORES DE BARRIDO: BWO, YIG. Un oscilador BWO (Backward wave ocillator) oscilador de onda hacia atrás, este produce la interacción de haz de electrones con una señal en Radio Frecuencia que se propaga por una estructura en forma de hélice, pero en dirección opuesta al haz de electrones. El oscilador BW O está constituido por un cañón de electrones, un imán que genera un campo en DC para focalizar el haz, un colector de electrones y una estructura de interacción en forma de hélice. En este modelo de oscilador la señal de potencia de salida está dirigida a lo largo de la hélice desde el colector hasta el cañón que es aquí por donde se extrae. Aunque el electrón viaja en sentido contrario a esta señal, ve la misma fase del campo de microondas a medida que pasa por cada vuelta de la hélice. Debido a que los electrones ven la misma fase en cada vuelta, se produce el empaquetamiento del haz en forma progresiva, y la interacción de este haz de paquetes con la señal de Radio Frecuencia genera una potencia creciente en la hélice. Como la señal de potencia viaja en sentido contrario la señal original que se amplifica siempre es generada por el propio tubo y por consiguiente se produce la oscilación. Un oscilador YIG: Aunque se han diseñados BWO capaces de generar potencia de hasta 10MW a 30GHZ las posibilidades de potencia de los BWO convencionales están generalmente muy por debajo de los límites de los dispositivos de estado sólido. Esto por ello que los BWO han sido superados en popularidad por otros osciladores como los de transferencia de electrones sincronizados por YIG. El oscilador YIG está formado por una resistencia negativa que produce las oscilaciones y un resonador que posee un elevado factor de calidad que proporciona una señal de gran pureza espectral. El resonador está constituido por una esfera de una forma cristalina de ferrita ( granate) de itrio y hierro (YIG) que está inmersa en un campo magnético DC.

El funcionamiento de este oscilador se puede describir como sigue: Las ferritas resuenan a frecuencias de microondas cuando están sometida a la acción de un campo magnético. Los espines magnéticos de estos materiales tienen asociado un momento dipolar magnético que precede alrededor al campo magnético aplicado a una frecuencia f0 , frecuencia de precesión giromagnética o frecuencia de Larmor, y que es proporcional al campo magnético . Cuando se aplica una pequeña señal RF perpendicular a este campo magnético, la ferrita entra en resonancia con la componente en f0 de esta señal. Este efecto es aprovechado para diseñar el oscilador. En el oscilador el campo RF tiene su origen en el ruido generado por el dispositivo activo.

EL MAGNETRÓN. El magnetrón es un dispositivo que se encarga de convertir la energía eléctrica en energía electromagnética, en forma de microondas. Hull inventó él magnetrón en 1921, y este tuvo una utilidad limitada, se empleó en laboratorios, como una fuente de señal más. Sin embargo, en mi 1940 tuvo un gran y rápido desarrollo, debido a la necesidad que hubo de obtener generadores de potencia, para la trasmisión de radares en la segunda Guerra mundial. Debido a su estructura interna se puede decir, que existen tres tipos de magnetrón. - Ánodo segmentado: este proporciona un frecuencia de operación bastante inferior a la de microondas. - Frecuencia ciclo trónica: esta trabaja con una frecuencia dentro del intervalo de microondas, su potencia de salida es muy pequeña. - Onda progresiva: se basa en la interacción de los electrones con un campo magnético, propagándose con una velocidad lineal. (También conocido como genérico de magnetrón)

En la figura muestra el esquema general de un magnetrón cilíndrico, donde se aprecian varías cavidades conectadas entre sí por pequeñas aberturas. Como consecuencia de la configuración de campos, los electrones emitidos desde el cátodo al ánodo se mueven en trayectorias curvas. Si él campo magnético es lo suficientemente intenso los electrones no llegarán al ánodo, sino que regresarán al cátodo y por consiguiente la corriente en el ánodo es nula. El voltaje vo se establece entre él cátodo y él ánodo , y el campo magnético Bo se aplica a lo largo del eje de simetría del cilindro. Cuando los valores del voltaje DC y la densidad de flujo magnético Bo son lo adecuados, los electrones siguen trayectorias cicloides en él espacio comprendido entre él ánodo y cátodo.

Aplicaciones: Dentro de las aplicaciones más importantes que tiene el magnetrón, es el orno de microondas doméstico, el cual, trabaja con una frecuencia fija de 2.450 a 915MHz. 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 plasmas. - La Destrucción de basura. - Él Proceso de minerales. Las razones por las que ha proliferado el uso de la energía de microondas imponiéndose sobre otros métodos tradicionales de calentamiento son su bajo costo, la limpieza del proceso, la carencia de polución medioambiental y en algunos casos que es él único procedimiento posible para calentar el medio o el material que se desea.

EL GIROTRON. Los orígenes del girotrón apuntan a la década de los años setenta y se considera una invención soviética. Es un dispositivo perteneciente a las familia de los TWT, concretamente a los tubos de onda rápida. La Rusia soviética desempeñó en los años sesenta y setenta del siglo pasado un papel de liderazgo en investigación de fusión nuclear –calentamiento de plasma-, así como de microondas –dispositivos de telecomunicaciones-, donde la técnica del girotrón fue desarrollada por su importancia militar en estos campos. El girotrón (forma abreviada de Gyromonotron) se puede definir como una fuente de radiación de microondas de alta frecuencia y alta potencia. Se considera el primer dispositivo generador de rayos de microondas de alta frecuencia de la historia, perteneciente a la familia de los tubos de vacío Construcción y partes de un girotrón: El cuerpo del girotrón consiste en su mayoría en una alargada cavidad de espacio vacío. El girotrón se encuentra en un electroimán. La parte inferior es

eléctricamente aislada y contiene un filamento. Para transmitir los electrones del filamento a la cavidad, es necesario un “cañón” que genere el haz de electrones. Ésta es la parte del cátodo, donde se aplica un alto voltaje de energía eléctrica (voltaje negativo, claro) que se suele situar aproximadamente entre 80 y 100 kV. Principio de funcionamiento: El gyrotrón tiene alta potencia en longitudes de onda milimétricas (decenas de MW, dependiendo de la frecuencia) porque, a diferencia de los anteriores tubos de vacío convencionales, las dimensiones del tubo en este caso pueden ser mucho mayores que la longitud de onda y no se depende de las propiedades de los materiales que conforman el tubo. Como se ha comentado anteriormente, en los tubos de haz lineal, se aceleraban y desaceleraban los electrones dentro de un campo magnético porque se pretendía conseguir una aglomeración o concentración de éstos para, posteriormente, inducir una corriente a la salida del tubo. En el caso del girotrón ocurre

algo

parecido,

solo

que

se

pretende

potenciar una

microonda

electromagnética a la salida. En este caso, el haz de electrones entra en la cavidad hueca de resonancia del tubo, que se encuentra en un campo magnético axial y la agrupación de electrones depende de un efecto relativista llamado CyclotronResonanceMaserInstability. Esto quiere decir que la velocidad del haz de electrones en un girotrón es ligeramente relativista (comparable a, pero no igual a la velocidad de la luz) Aplicación de Gyrotron: Se ha encontrado muchas aplicaciones en muchos diferentes áreas: - La comunicación. - Las aplicaciones militares (desderadar para sistemas de guía de misiles), - Ciencia (partículas elementales, aceleración, dispositivos de plasma -

termonuclear, diagnóstico). Industria (calefacción, el procesamiento de diferentes materiales, p.ej. cerámica).

-

Medicina, es decir, métodos innovadores de la terapia del cáncer, la radiación de Tera hercios de alta potencia.

EL CARCINOTRON, ENGACHE EN FASE DE UN OSCILADOR. El carcinotrón es un BWO de tipo M. La interacción entre los electrones y la estructura de onda lenta se produce en la región donde existen los campos E y B cruzados. En la figura se muestra un lineal de carcinotrón tipo M, donde se observa que la estructura de onda lenta es paralela a un electivo minado lengüeta. Si la lengüeta está a un potencial negativo, se establecerá un campo electrico DC entre la estructura de onda lenta que está a tierra y la lengüeta, la dirección del campo magnético es tal que entra en el dibujo. Los electrones que se emiten desde el cátodo y cuya trayectoria es desviada en 90° por el campo magnético interaccionan con la señal de RF en la región de la estructura de onda lenta y la señal de potencia circula en el circuito en dirección opuesta a la del haz de electrones.

La eficiencia de un carcinotrón es muy alta, del orden del 40% al 60%. Otra ventaja de este tipo de oscilador es el gran ancho de banda de sintonía (hasta un 40%) que se puede obtener modificando el voltaje de la lengueta, del ánodo o de ambos. En la figura se presenta las curvas de sintonía para un oscilador BWO tipo M tipíco variando 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 deriva de los electrones está relacionada linealmente con el campo eléctrico DC que hay en la región de interacción. Una fuente de señal estable en frecuencia es muy necesaria y tiene muchas aplicaciones en el campo de las telecomunicaciones, como por ejemplo, en los transmisores terrestres. Sin embargo, los osciladores de microondas de alta potencia tienen generalmente muy poca estabilidad en frecuencia. Para corregir este defecto se utiliza la técnica del enganche en fase del oscilador (injection phase locking). Aunque la teoría del enganche en fase es bastante complicada, en esta sección presentaremos un planteamiento simplificado. El objetivo del enganche en fase de un oscilador, que llamaremos secundario, por una fuente local de muy bajo ruido, es la reducción del ruido FM del oscilador secundario. Normalmente la potencia inyectada del oscilador local, es mucho menor que la potencia de salida del oscilador secundario que se desea controlar.

CONCLUSIÓN. Después de investigar, indagar, interpretar y realizar el trabajo se pudo llegar a las siguientes conclusiones:

-

Los generadores de microondas son generadores críticos en cuanto a la tensión y la corriente de funcionamiento.

-

El funcionamiento de los generadores es la modulación de velocidad de un haz electrónico que al atravesar una cavidad resonante, excita en ella oscilaciones electromagnéticas de la frecuencia de m, deseada.

-

Los amplificadores son construidos básicamente como fuente de energía que con un procedimiento de mezcla, convierten cualquier frecuencia en una frecuencia deseada, en otras palabras le dan más potencia a los dichos generadores.

-

Se clasificación en:



Grandes señales (de potencia para transmisores) (Klystron, Tubo de Onda Progresiva TWT y transistorizados).



Pequeñas señales (amplificadores de bajo ruido) (amplificadores paramétricos y los transistorizados).

-

los tubos 'O', el haz de electrones fluye en una dirección paralela a los campos eléctrico y magnético, atravesando toda la longitud del tubo.

-

los tubos 'M', los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la dirección del haz de electrones.

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El kylstron es utilizado en la generación y amplificación de señales de muy altas frecuencias, siendo empleado aun en la actualidad debido a sus características como el bajo ruido y altas frecuencias que lo hacen ideal para utilizarlos en receptores de microondas y como osciladores locales de alta potencia en radares tanto militares como comerciales.

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El diodo Gunn va montado en una cavidad resonante y se emplea como componente activo para la generación de microondas. El oscilador Gunn puede entonces considerarse como un aparato que transforma una corriente eléctrica de baja intensidad en energía de microondas.

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Un oscilador BWO (Backward wave ocillator) oscilador de onda hacia atrás, este produce la interacción de haz de electrones con una señal en Radio Frecuencia que se propaga por una estructura en forma de hélice, pero en dirección opuesta al haz de electrones

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El oscilador YIG está formado por una resistencia negativa que produce las oscilaciones y un resonador que posee un elevado factor de calidad que proporciona una señal de gran pureza espectral. El resonador está constituido por una esfera de una forma cristalina de ferrita (granate) de itrio y hierro (YIG) que está inmersa en un campo magnético DC.

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El magnetrón es un dispositivo que se encarga de convertir la energía eléctrica en energía electromagnética, en forma de microondas.

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El girotrón es una fuente de radiación de microondas de alta frecuencia y alta potencia. Se considera el primer dispositivo generador de rayos de microondas de alta frecuencia de la historia, perteneciente a la familia de los tubos de vacío

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El carcinotrón es un BWO de tipo M. La interacción entre los electrones y la estructura de onda lenta se produce en la región donde existen los campos E y B cruzados.

BIBLIOGRAFÍA  Teoría de líneas de trasmisión e ingeniería de microondas: Autor: José Abel Hernández Rueda (edicion UAB,Barcelona, 1999)

 Circuitos de microondas con líneas de transmisión; Autor: Javier Bará Temés (edicion upc, Mexico1994)

 Ingeniería de microondas: técnicas experimentales; Autores: José Miguel Miranda,José Luis Sebastián, Manuel Serra, José Margineda (edición pearson Educación, Madrid, 2002)