Un artículo para analizar las ventajas de los transmisores a estado sólido frente a los antiguos magnetrones … y derribar algunos mitos.
¿Es usted de los que cree a pie juntillas lo que las firmas le «meten por los ojos» en una atorrante propaganda? A lo largo de la historia, hemos visto cómo la propaganda masiva ha logrado vendernos productos como el New Coke (que a nadie satisfizo) o el cinturón Ab Force (ese que te prometía abdominales perfectos sin hacer ejercicios, solo con impulsos eléctricos en la barriga), que alardeaban de ser revolucionarios; pero que la práctica demostró que no servían o simplemente no eran tan buenos como se esperaba. Google+, los autos Tesla de Elon Musk y muchas otras iniciativas no resultaron tan buenas como se publicitaban o que simplemente no tuvieron la acogida que se esperaba. Remedios milagrosos que se propagandizaron a sí mismos en Cuba, como las pulseras de cobre, el noni y la moringa, que parecían «el remedio de la Magdalena» y la gente esperaba que fueran la «fuente de la eterna juventud» y claro, no lo fueron. En fin, como decimos en Cuba —mucha gente cree que el chicharrón es carne de puerco.
Hoy, en el ámbito de la electrónica de alta potencia para radares, nos encontramos ante un debate similar. Por un lado, tenemos el magnetrón, una tecnología probada y con décadas de historia, respaldada por una industria consolidada (y que aún son mayoría en el mundo). Por otro, los amplificadores de potencia de estado sólido (SSPA, siglas en inglés de Solid State Power Amplifier), una tecnología más moderna que promete mayor fiabilidad, calidad y rendimiento.
¿Cuáles son las ventajas atribuidas a los SSPA?
Veamos qué nos aseguran los fabricantes de estos dispositivos semiconductores, los fabricantes de transmisores y los fabricantes de radares meteorológicos.
- Los transmisores con SSPA son más eficientes energéticamente.
- Los transmisores con SSPA permiten Duty Cycle más altos.
- Los transmisores con SSPA permiten una mayor sensibilidad.
- Los transmisores con SSPA permiten mayores frecuancias de repetición.
- Los tranmisores con SSPA tienen tiempos de vida incríblemente altos.
Vayamos por partes, como diría Jack El Destripador.
Los transmisores con SSPA son más eficientes energéticamente.
Cierto. Solo que eso no es todo. Digamos que esa no es la pregunta correcta.
Bueno, veamos los números en una tabla comparativa entre un transmisor de radar que usa un magnetrón convencional (no coaxial) y un SSPA que usa transistores de nitruro de Galio (GaN), que son los más usados en la actualidad. Rl sistema a magnetrón radia pulsos de 1 microsegundos con 500 kW de potencia pico. El SSPA radia pulsos de 5 kW de potencia pico y 100 microsegundos de duración. Mostramos los ranfgos en los que está la eficiencia en la etapa final de salida del transmisor y la eficiencia global, que cuenta desde la fuente de corriente continua que alimenta a todo el transmisor hasta la potencia de Radiofrecuencias que pone en la antena.
En ambos casos los blancos son irradiados con LA MISMA POTENCIA PROMEDIO (500 W). Es decir, ambos radares tienen la misma eficacia para detectar y medir blancos.
Como pueden ver sí, los transmisores a SSPA son más eficientes. Hasta aquí lo que suelen propagandizar los fabricantes.
| Parámetro | Magnetrón (500 kW, 1 μs) | SSPA GaN (5 kW, 100 μs) |
| Eficiencia Etapa Final | 40%−48% | 45%−53% |
| Eficiencia Global (CC → RF) | 32%−42% | 36%−44% |
Pero a mí, que soy curioso se me ocurre prguntar más cosas. Tanto uno como el otro requiern de enfriamiento y ventilación y eso también demanda una cierta potencia y si hablamos de potencia pongamos los números también.
El transmisor no es un ente aislado, en el radar necesita enfriamiento. Los radares con transmisor a magnetrón requieren un split o un aire de ventana que enfríe la habitación y una turbinita que echa aire directo al magnetrón. Los SSPA necesitan en cambio un sofisticado sistema de refrigeración denominado CHILLER. Más abajo les doy una comparación entre un chiller y un aire de ventana o de split. De momento, agreguemos a la tabla la eficiencia de cada tipo de transmisor teniendo en cuenta la refrigeración.
| Parámetro / Componente | Magnetrón Convencional | SSPA GaN (Chiller Líquido) |
| Potencia RF Promedio Emitida | 500 W | 500 W |
| Consumo Eléctrico del Transmisor | ~1,430 W | ~1,250 W |
| Calor Total Disipado | ~930 W (Aire) | ~750 W (Líquido) |
| Consumo del Sistema de Climatización | ~350 W (Split, COP ~3.1) | ~360 W (Chiller, COP ~2.1) |
| Consumo Eléctrico Total del Sitio | ~1,780 W | ~1,610 W |
| Eficiencia Wall-Plug Final (RF / Total) | 28 % – 30 % | 31 % – 33 % |
Ya ven que los números casmbian. Mi lector me dirá —bueno ¿y qué? los SSPA siguen siendo más eficientes. OK, solo quiero que mi lector anote que requieren un chiller y más abajo hablamos.
Los transmisores con SSPA permiten Duty Cycle más altos
El Duty Cycle o Tiempo Útil es el % del periodo de repetición que está ocupado por el pulso (el resto del período el radar está «a la escucha»). En los sistemas a magnetrón es 0.1% (pulsos de 1 microsegundos , períodos de 1 milisegundo). En los sistemas a SSPA es de 10% (pulsos de 100 microsegundos para el mismo periodo de 1 milisegundo). Eso es un hecho, lo que es una falacia es lo que tratan de deducir como consecuencia de eso, lean una argumentación típica de un fabricante.
Pues no, los sistemas a magnetrón NO TIENEN ninguna limitación con la frecuencia de repetición. El RD-200SX de Camagüey puede usar frecuencias de repetición tan altas como 1500 Hz. En los radares meteorológicos no suelen usarse frecuencias de repetición más altas que 1000-1200 Hz, ni en los sistemas a magnetrón, tampoco en los SSPA. El problema es que ya a 1000 Hz el alcance mácximo del radar es de solo 150 km, sea cual sea la tecnología del transmisor.
Los SSPA radian pulsos muy largos y eso es una DESVENTAJA porque empeora la resolución. Están obligados a hacerlo porque la potencia pico es muy baja (5 kW versus los 500 kW de los magnetrones), luego para lograr la misma potencia promedio (500 W) que se logra con los magnetrones están obligados a usar pulsos muy largos. La resolución del radar (en distancia) depende de la duración del pulso. En los magnetrones esta es de 150 metros, en los SSPA es de 15 km. Para resolver este PROBLEMA, en los sistemas a SSPA se usa la técnica de compresión de pulsos que permite delimitar pulsos de 1 microsegundos, en cada uno de los cuales se radia con una frecuencia ligeramente diferente, de modo que en la recepción se pueda discernir cada uno de ellos, igualando la resolución de los sistemas a magnetrón, manteniendo un pulso largo de 100 microsegundos. Las desventajas de usar Compresión de Pulsos las expliqué en el siguiente artículo de este blog: Transistores vs. Válvulas en los Radares.
Por todo lo dicho, la afirmación no es cierta, por muy conveniente que sea para los fabricantes y vendedores.
Los transmisores con SSPA permiten una mayor sensibilidad
No es cierto. La sensibilidad depende de la potencia promedio conque se irradien los objetos y de la sensibilidad del receptor. Ya vimos que la potencia promedio es la misma: 500 W para el ejemplo típico anterior. Los receptores de los radares a magnetrón y de los radares a SSPA no difieren en nada, ambos logran la misma señal mínima discernible, en el orden de -110 dBm.
Los transmisores con SSPA permiten mayores frecuancias de repetición
No es cierto, dentro de los límites razonables (por la limitación del alcance máximo) con ambos tipos de transmisores se consiguen frecuencias de repetición de 1000-2000 Hz. De hecho los radares NEXRAD no usan frecuencias tan elevadas (alrededor de 1000 Hz es lo estándar, o más bajo), ni antes que eran a klistrón ni ahora con los transmisores SSPA.
Los radares insignia de la innovación tecnológica en la Meteorología (S-Pol , de NCAR y CHILL-SCU de la Universidad Estatal de Colorado) usan pulsos de 1 microsegundo, frecuencias de repetición de 1000 Hz, tanto antes cuando eran a klistrón como ahora que son de SSPA. La potencia pico de estos radares con SSPA sigue siendo de 1 MW (contra los 5-10 kW de los radares comerciales). NO USAN COMPRESIÓN DE PULSOS.
Los trasmisores con SSPA tienen tiempos de vida increíblemente altos
Es cierto que los magnetrones tienen un tiempo de vida limitado. En Cuba a nosotros, los magnetrones rusos MI-503 nos duran más de 8 mil horas. Los magnetrones coaxiales duran más de 50 mil horas y los SSPA prometen 100 mil horas pero … los sistemas reales de radares con SSPA garantizan tiempos mucho menores. Ciertamente, los transistores de GAN pueden llegar a tener un tiempo de vida de 1 millón de horas; pero estos transistores están en un contexto de un radar real.
El tiempo de vida del radar va a depender del tiempo de vida de diversos componentes: el sistema de enfriamiento en primer lugar (chiller), las fuentes de alimentación, el modulador (que enciende y apaga a los transistores para formar los pulsos de 100 microsegundos), los combinadores (los que permiten sumar las potencias de los diferentes módulos de transistores GaN), las protecciones y circuitos de monitoreo.
Los fabricantes no son bobos, te muestran siempre los mejores valores, que son ciertos, pero que atañen solo a una parte del sistema. No crea todo lo que lee en los prospectos de los fabricantes, es cierto lo que escriben; pero no es toda la verdad.
El enfriamiento: el talón de Aquiles
El héroe griego creía ser inmortal, hasta que Paris lo mató de un flechazo en su único punto mortal: el talón. Comparemos el sistema de enfriamiento/ventilación de los sistemas a magnetrón con el de los SSPA. Los dos equipos que, en apariencia, hacen lo mismo: enfriar. Sin embargo, un chiller industrial y un aire acondicionado doméstico son herramientas con filosofías de diseño radicalmente diferentes, como un tractor y un automóvil deportivo. Ambos tienen motor y ruedas, pero sirven para misiones distintas.
Para serles claro: un aire acondicionado doméstico nunca podría reemplazar a un chiller industrial en un radar SSPA, y viceversa. La siguiente comparativa multilateral le mostrará por qué.
Cuando el fabricante/vendedor de los radares SSPA te habla de mantenimiento reducido o nulo, no se refiere al equipo de enfriamiento; pero sin él, el radar SSPA no funciona. No todo lo que brilla es oro —dice el refrán y yo les agrego —hay que analizar el entorno en que va a operar el equipo. Les puedo transmitir una experiencia de 45 años trabajando con viejos sistemas de radar a magnetrón diseñados en los años 70.
En Cuba, país con altas temperaturas y alta humedad ambiental, en los duros años 90 (Período Especial), los siete viejos radares (RC-32B de Mitsubishi y MRL-5 de Electromash) trabajaron larguísimos periódos sin aire acondicionado en la sala de equipos, incluso, en algunos radares el ventilador del magnetrón no funcionaba o funcionaba mal y los radares siguieron trabajando sin que esto incidiera apreciablemente en su rendimiento.
No es magia, ni propaganda comunista, ahora les expico las diferencias térmicas entre los dos sistemas:
Magnetrón: Su ánodo es un enorme bloque macizo de cobre. Ese bloque actúa como un gigantesco disipador de calor inercial. Aunque el ventilador o la turbina fallen, la masa térmica del cobre puede almacenar calor durante varios minutos (y disiparlo si la convección dentro del armario funciona), permitiendo que el equipo funcione tal vez con un corrimiento de frecuencia y un ligero descenso de la potencia. Incluso sin aire acondicionado, si el cuarto tiene una mínima convección, el magnetrón sigue «vivo».
SSPA (GaN): La unión (junction) del transistor donde se genera el calor mide menos de 1 milímetro cuadrado. Genera una densidad de calor de ~5 a 10 W/mm². No tiene masa térmica. Si el flujo de agua o el disipador fallan, la temperatura pasa de 25°C a 250°C en menos de 200 microsegundos. El transistor se funde o se agrieta instantáneamente sin posibilidad de reparación en campo a no ser que tenga una protección térmica ultrarápida.
Veamos quienes fabrican y dan servicio a los chillers. El mercado se divide en dos grandes grupos: gigantes de la climatización industrial y fabricantes especializados en defensa y entornos críticos.
Entre los gigantes tenemos: Carrier (EE.UU.), Trane Technologies (Irlanda/EE.UU.), Johnson Controls (Irlanda/EE.UU.), Daikin Industries (Japón), Mitsubishi Electric (Japón). Tienen presencia (para servicio técnico) en casi todos los países, incluyendo América Latina.
Entre los especializados en defensa y entornos críticos: Advanced Cooling Technologies (ACT) / Tekgard® (EE.UU.), Filtrine (EE.UU.), Mydax (EE.UU.), Laserchill Defence (Australia), General Air Products (EE.UU.). Estos no suelen tener presencia en muchos países, se enfocan en la calidad de sus equipos y delegan el servicio en especialistas locales de otras firmas.
Conclusión: La tecnología no es neutral, depende del terreno
A lo largo de este recorrido hemos desmontado cinco mitos que la industria repite como verdades universales. Lo hemos hecho no desde la teoría, sino desde la experiencia de más de 45 años operando radares en el Caribe, donde el aire acondicionado no es un lujo y los cortes de luz no son una excepción.
El SSPA es una tecnología impresionante… en el entorno para el que fue diseñada: salas blancas con temperatura controlada, redes eléctricas estables, y un presupuesto que permite contratar servicio técnico especializado. Pero cuando ese SSPA se instala en un cuarto de bloques con techo de zinc, sin chiller, sin agua desionizada y con un técnico que debe improvisar, sus ventajas se desvanecen y sus desventajas se agravan.
El magnetrón, en cambio, es un artefacto tosco, ineficiente y ruidoso, pero también es un superviviente. No exige agua ultrapura, ni bombas de precisión, ni filtros de 5 micras. Soporta que le corten la luz y se encienda de golpe. Soporta que le pongan un ventilador de pie cuando el turboventilador se quema. Soporta 40 °C en el cuarto de equipos sin protestar. Y, lo más importante, no tiene zona muerta: ve la tormenta desde que nace a 150 metros de la antena hasta que se pierde en el horizonte.
La pregunta no es «¿qué tecnología es mejor?», sino «¿qué tecnología es mejor para dónde y con qué recursos?». Si usted opera en un país con infraestructura de primer mundo, el SSPA es una evolución natural. Si opera donde la infraestructura es lo que se puede improvisar, el magnetrón no es un paso atrás; es la opción racional.
Por eso, en LADETEC no vendemos humo. Vendemos criterio. Y el criterio, después de todo lo analizado, dice que la tecnología adecuada es la que funciona cuando todo lo demás falla. Si desea preguntar algo escríbame a [email protected]
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