SISTEMA DE TREINAMENTO EM MICROONDAS MT Manual de Operação Versão 1.0

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1 SISTEMA DE TREINAMENTO EM MICROONDAS MT-9000 Manual de Operação Versão 1.0

2 SISTEMA DE TREINAMENTO EM MICROONDAS MT-9000 CONTEÚDO 1. Sistema de Treinamento em Microondas MT Introdução 3 Descrição dos componentes 3 Acessórios 6 2. Fonte de Alimentação da válvula Klystron 7 Especificações Técnicas 7 Painel de Controle Frontal 8 3. Medidor de VSWR 10 Especificações Técnicas 10 Painel de Controle Frontal 11 Teoria de Operação e Instruções Experiências Experiência 1 Estudo das características da válvula Reflex Klystron e determinação de sua faixa de sintonia eletrônica Experiência 2 Determinação de freqüência e comprimento de onda em um guia retangular operando no modo TE 10 Experiência 3 Determinação de Coeficiente de Onda Estacionária e Coeficiente de Reflexão Experiência 4 Medida de uma impedância desconhecida usando Carta de Smith Anexo I Cuidados ao montar a válvula Klystron 30 2

3 SISTEMA DE TREINAMENTO EM MICROONDAS MT-9000 INTRODUÇÃO O Sistema de Treinamento em Microondas MT-9000 consiste de uma seleção de componentes de precisão em guia de onda, gerador de sinal de microondas usando válvula Klystron e respectiva Fonte de Alimentação, bem como equipamentos para medidas, como Detector, Frequencímetro e Medidor de SWR. A associação desses componentes e equipamentos permite a realização de experiências práticas que ilustram conceitos de microondas constantes do currículo de instituições de ensino. Neste manual, são apresentadas quatro experiências que podem ser realizadas usando o Sistema de Treinamento em Microondas MT Essas experiências permitem estudar as características da válvula Reflex Klystron, determinar freqüência e comprimento de onda em um guia retangular operando no modo TE 10, medir Coeficiente de Onda Estacionária e Coeficiente de Reflexão e medir impedâncias desconhecidas usando Carta de Smith. DESCRIÇÃO DOS COMPONENTES Os componentes do Sistema de Treinamento em Microondas MT-9000 são relacionados a seguir. Medidor de SWR -SWR Meter NV103 1 unidade Fonte de Alimentação da Klystron - Klystron Power Supply NV102 1 unidade Válvula Reflex Klystron Reflex Klystron Tube 1 unidade Montagem da Klystron, Klystron Mount NV203 1 unidade Curto Móvel Precision Movable Short - NV235 1 unidade 3

4 Atenuador Variável de 20 db Variable attenuator - NV206 1 unidade Seção Fendida Slotted Section - NV207 1 unidade Sonda Sintonizável Tunable probe NV208 1 unidade Montagem do Detector Detector Mount NV209 1 unidade 4

5 Frequencímetro Frequency Meter NV205 1 unidade Sintonizador Deslizante S.S. Tuner NV220 1 unidade Isolador Isolator NV204 1 unidade Terminação Casada Matched Termination NV212 1 unidade Conjunto de suportes para guia de onda - Wave guide stand set 1 conjunto com 4 unidades 5

6 ACESSÓRIOS 1 Ventoinha de refrigeração para válvula Klystron Cabos de alimentação Cabos BNC 1 CD de demonstração 1 Manual 1 Bloco de Carta de Smith 1 Microfone Philips 6

7 FONTE DE ALIMENTAÇÃO DA VÁLVULA KLYSTRON A Fonte de Alimentação da Klystron é uma fonte de alimentação regulada a estado sólido, no estado da arte, para operação de válvulas Klystron de baixa potência como as 2K25, 723 AB, RK 5976, 726 etc. Ela integra uma variedade de características proprietárias: 1. Tensões reguladas de alimentação do feixe e do refletor. 2. Medidor digital a LED para tensão e corrente de feixe e tensão de refletor 3. Compacta e confiável 4. Construção modular para fácil manutenção Adicionalmente à modulação AM e FM da corrente do feixe, é disponibilizada uma entrada para modular externamente a alimentação da Klystron com um sinal com a forma de onda desejada. A fonte de alimentação da Klystron utiliza componentes de qualidade e construção robusta. Um manuseio cuidadoso do instrumento fornecerá anos de serviço livre de problemas. O equipamento é dividido em duas partes a unidade de alta tensão e a unidade de modulação, o que a torna de fácil operação pelo usuário. ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS Alimentação do Feixe : Tensão : VDC, Variável Corrente : 50 ma Regulação : 0,5 % para 10% de variação I/P Ondulação : < 5 mv rms Alimentação do Refletor : -18V to -270V DC Variável Regulação : 0.25%, para 10% de variação I/P Alimentação do Filamento : 6.3 VDC (ajustável no painel traseiro) Proteção de sobre-carga de corrente : 65 ma Modulação : AM (Quadrada) FM (Dente de serra) Faixa de Freqüência HZ Hz Amplitude Vpp 0-60 Vpp Externo Através de sinal modulador externo Mostrador : Mostrador digital para: 1. Tensão de feixe 2. Corrente de feixe 3. Tensão de Refletor Seletor de Modulação : CW/AM/FM/EXT Medidor de painel com 3 ½ Dígitos : 2V 7

8 Seletor do medidor : Tensão de Feixe (V)/ Corrente de Feixe (I)/ Tensão de Refletor (REP) Conectores : a. Soquete de 8 Pinos b. BNC para Modulação Externa Tensão de alimentação : 110/220 V AC ± 10%, 60 Hz Dimensões (mm) : 345 x 283 x 153 PAINEL DE CONTROLE FRONTAL \ (1) Liga/Desliga: Botão de pressionar para fornecer potência ao instrumento. (2) Mostrador a LED com 3 ½ Dígitos : para monitorar a tensão do feixe (volts), tensão do refletor (volts) e corrente do feixe (ma). Tensão do Feixe : 240 V a 420 V DC Tensão do refletor : -10V a -270 V DC Corrente do Feixe : 0 a 50 ma (3) Chave seletora do medidor : Para seleção do modo do Mostrador em V mostra a tensão do Feixe (volts), I mostra a corrente do Feixe (ma) e REP mostra a tensão do Refletor (Volts). (4) HT : Chave LIGA/DESLIGA da saída. (5) Tensão do Feixe: Potenciômetro de ajuste, varia a tensão de 240 a 420 V DC. (6) Tensão do refletor: Potenciômetro de ajuste, varia a tensão de -10V a -270V DC. 8

9 (7) Soquete de 8 pinos : Pino 8 1 = Tensão de Feixe Pino 8 5 = Tensão do Refletor Pino 2 7 = Tensão do Aquecedor (8) Modulação Externa : Entrada de sinal externo de modulação. (9) Modulação FM : O potenciômetro de freqüência controla a freqüência de a varredura do sinal modulante ( Hz). O potenciômetro de amplitude controla a amplitude ou varredura do sinal modulante (0 60Vpp). (10) Modulação AM : O potenciômetro de freqüência controla a freqüência ou (do) sinal modulante tipo onda quadrada ( Hz). O potenciômetro de amplitude controla a amplitude ou (do) sinal modulante tipo onda quadrada (0 110Vpp). (11) Chave Seletora de Modulação : Para seleção do tipo de modulação. Modo CW Nenhum sinal de modulação é aplicado à tensão do feixe. Modo AM Um sinal modulador de onda quadrada é aplicado à tensão do feixe. Modo FM Uma modulação em varredura é aplicada à tensão do feixe. Modo EXT Permite modular a corrente de feixe através de um sinal externo aplicado ao conector BNC de entrada de modulação externa. (12) Soquete para microfone : Este soquete permite conectar um microfone para modulação por sinal de áudio. Painel de Controle Traseiro (1) Chave seletora Ext./Audio : Se a chave estiver na posição EXT. pode-se aplicar qualquer sinal modulante no conector BNC EXT MOD. do painel frontal. Se a chave estiver na posição Áudio, pode-se conectar um microfone para modulação de sinal no soquete para microfone no painel frontal. (2) FM O/P : Para observar o sinal dente de serra usado na modulação FM. (3) Botão Heater Adjust : Esse botão permite alterar a alimentação do aquecedor do catodo da válvula Klystron, quando necessário. Esse botão vem lacrado por uma cobertura. Importante: Antes de ligar a válvula Klystron à fonte de alimentação leia o Anexo I Cuidados ao montar a válvula Klystron. 9

10 MEDIDOR DE VSWR O Medidor de VSWR modelo NV 103 SWR é um voltímetro sintonizado de alto ganho e baixo ruído operando em freqüência fixa. Foi projetado para realizar medidas de ondas estacionárias em conjunto com detector apropriado e uma linha fendida ou seção de guia de onda fendido. Ele pode ser usado como detector de nulo em circuitos ponte e como indicador de freqüência fixa. Ele é calibrado para indicar diretamente SWR ou db quando usado com detectores com lei quadrática, como diodos a cristal. Ele tem escalas expandidas para leitura precisa de pequenos incrementos. Ele é ajustável para operação de 980 Hz a 1020 Hz para evitar harmônicas da freqüência de linha. ESPECIFICAÇOES TÉCNICAS Sensibilidade : 0.1 µv para deflexão de fundo de escala e impedância de entrada de 200 Ω. Nível de Ruído : Menor que 0.02 µv. Faixa : 0 60 db em passos de 10 db. Entrada : Cristal não polarizado, alta/baixa impedância Cristal polarizado, (200 Ω e 200 KΩ) Escalas de Medida : Normal: SWR 1-4, SWR 3-10, db 0-10, Expandido: SWR 1-1,3, db 0-2. Controle de Ganho : Ajusta o nível de referência, faixa variável de 0-10dB (aprox.) Conector de entrada : BNC (F) Freqüência de entrada : 1000Hz ± 10% Tensão de Alimentação : 110 V AC ± 10%, 60 Hz Dimensões (mm) : 300 x 222 x

11 PAINEL DE CONTROLE FRONTAL (1) Liga/Desliga : Botão de pressionar para fornecer potência ao instrumento. (2) Medidor Calibrado em SWR & db : Medidor, para medir SWR e ganho. (3) Ganho/COARSE : Controle para ajustar o ponteiro do medidor em fundo de escala ou em qualquer outra leitura conveniente. Ganho/FINE : Controle para ajuste fino do medidor em fundo de escala ou em qualquer outra leitura conveniente (0.8dB) (4) Chave de faixa : Atenuador com sete posições em passos de 10 db. (5) Cristal : Chave seletora de impedância de entrada alta ou baixa, i.e. Detector a cristal com impedância de 200 KΩ ou de 200 Ω. (6) Chave Seletora do Medidor : Chave de três posições. NORMAL seleção da escala normal, EXPAND seleção da escala expandida e -5 db seleção da escala de -5dB. (7) Entrada : Conector BNC (Fêmea) para conexão do sinal a ser medido. Painel de Controle Traseiro (1) Chave seletora CRO/Speaker : Se a chave estiver na posição CRO, o sinal detectado e amplificado pode ser visto num osciloscópio por meio do conector BNC localizado abaixo dessa chave. Se a chave estiver na posição Speaker, podem-se realizar experiências com áudio. Nota: No modo áudio, não realize qualquer medida no Medidor de SWR. Esse modo é apenas para observações de áudio. (2) Conector BNC : Esse conector fornece uma saída de sinal detectado amplificada, para conexão com osciloscópio. 11

12 TEORIA E INSTRUÇÕES DE OPERAÇÃO Equipamento Auxiliar Necessário Para medida de SWR, necessita-se dos seguintes equipamentos : 1. Gerador de sinal O gerador de sinal deve cobrir a faixa de freqüência desejada e ter sua amplitude modulada na freqüência de operação do medidor de SWR. Geralmente, utiliza-se modulação por onda quadrada para reduzir ao mínimo os efeitos de harmônicas e de modulação em freqüência. Em qualquer aplicação é necessário minimizar a interação entre o oscilador e a carga. Nesses casos um dispositivo de isolação pode ser usado. 2. Cabos ou guias de onda Cabo ou guia de onda usado para conectar o gerador de sinal à seção fendida, casado com a impedância da fonte na faixa desejada de freqüências. 3. Seção Fendida A seção fendida deve cobrir a faixa de freqüências desejada e ser equipada com um indicador ou escala de precisão. 4. Detector O detector deve ser um dispositivo de lei quadrática (saída proporcional à potência de RF de entrada), como Barretter ou diodo a cristal operando com baixos níveis de sinal. O Barretter obedece a lei quadrática quando operando em baixo nível de sinal, mas em geral não se pode dizer o mesmo em todos os casos de diodos a cristal. No entanto, a sensibilidade do diodo a cristal é melhor que a de Barretter, de modo que diodos a cristal são largamente usados em detectores para medidas de SWR. 5. Cargas conhecidas Varias terminações são necessárias (i. e., curto circuito fixo e móvel) para estabelecer pontos de referência e auxiliar na calibração do arranjo de teste. Técnicas de Medidas Basicamente, a medida do SWR (Standing Wave-Ratio) ou Coeficiente de Onda Estacionária consiste em conduzir o carro da sonda até uma posição de máximo da tensão e ajustar o ganho do medidor de SWR para obter uma leitura de 1.0. O carro da sonda é então conduzido até um mínimo da tensão e o SWR é indicado diretamente na escala. Mas existem alguns outros casos, especialmente em projeto e desenvolvimento, onde é necessário o conhecimento completo da impedância do equipamento de terminação. Isso pode ser obtido medindo-se o SWR e a fase curva da onda estacionária. Geralmente, a impedância característica da carga é obtida medindo-se a posição de um mínimo de tensão. Essa posição é comparada com a posição deslocada do mínimo de tensão quando uma carga conhecida substitui a carga em teste num ponto de referência da linha fendida. A distância entre esses dois mínimos é marcada na Carta de Smith e a componente reativa da carga é determinada. Por conveniência, a carga conhecida é usualmente um curtocircuito ou placa curto-circuitante conectado no plano de referência, que é o plano de conexão da carga desconhecida a ser medida. Penetração da sonda do detector Uma regra geral de trabalho em linhas fendidas é que a penetração da sonda de amostragem deve ser mínima. A potência extraída pela sonda de amostragem causa distorção na curva 12

13 da onda estacionária. Esse efeito usualmente torna-se maior à medida que a penetração da sonda de amostragem aumenta, e pode ser explicada considerando-se a sonda como uma admitância em paralelo com a linha fendida. A impedância da onda estacionária varia ao longo da linha, do valor máximo, que ocorre no ponto de máxima tensão, até um mínimo, na tensão mínima. A admitância em paralelo introduzida pela sonda abaixa essa impedância, fazendo com que o valor medido de SWR diferente de seu valor verdadeiro e deslocando tanto o máximo como o mínimo de sua posição neutra. O deslocamento será maior na tensão máxima que na tensão mínima. Além de absorver potência e afetar a curva da onda estacionária, a sonda também causará reflexões na linha. Os sinais refletidos vão viajar em direção ao gerador de sinal. Se o gerado de sinal não estiver casado, esses sinais refletidos retornam em direção à carga e vão causar erros adicionais em medidas de SWR baixo. Uma exceção para a regra de usar mínima penetração da sonda ocorre quando se deseja examinar em detalhe o mínimo de tensão na medida de SWR elevado. Para essa finalidade, uma penetração maior da sonda pode ser tolerada porque o mínimo de tensão corresponde a um ponto de baixa impedância na linha. Porém uma penetração substancial da sonda só pode ser tolerada no ponto de mínimo de tensão. Precauções quando são usados detectores a cristal Sempre que um detector a cristal com um resistor de carga casada é usado, a chave seletora de entrada deve ser ajustada pra a posição CRYSTAL K Ohms para se obter uma resposta de lei-quadrática precisa. Com o diodo a cristal sem carregamento resistivo selecione a impedância de entrada que fornece máxima sensibilidade. Usualmente, a posição CRYSTAL 200 Ohms dará a melhor sensibilidade. Contudo, alguns diodos a cristal podem fornecer saída mais elevada na posição CRYSTAL 200 K Ohms. Deseja-se máxima sensibilidade de modo que se possa utilizar nas medidas mínima penetração da sonda na linha fendida. Procedimentos de operação 1. Medida de SWR baixo (10 e abaixo): a. Ligue o instrumento. Para máxima estabilidade, aguarde aproximadamente 5 minutos para pré-aquecimento. b. Ajuste a chave seletora de entrada para o tipo de detector que será usado. c. Conecte o cabo do detector à entrada do medidor de VSWR. d. Ajuste os controles de ganho (GAIN - COARSE & FINE) aproximadamente para o máximo. e. Coloque a chave de faixa na posição de 30 ou 40 db. Ajuste a penetração da sonda para obter leitura de fundo de escala. f. Maximize a leitura do medidor ajustando a freqüência de modulação da fonte de sinal, se esta for ajustável. Reduza a penetração da sonda para manter a leitura dentro da escala do equipamento. g. Maximize a leitura do medidor sintonizando o detector da sonda, se sintonizável. Reduza o botão de controle de ganho ou atenuador de modo a manter a leitura dentro da escala do equipamento, i.e. para obter leitura de fundo de escala. 13

14 h. Maximize a leitura do medidor movendo o carro da sonda ao longo da linha fendida. Reduza o botão de controle de ganho ou o atenuador de modo a manter a leitura dentro da escala. i. Ajuste os controles de ganho (GAIN - COARSE & FINE) e/ou a potência de saída do gerador de sinal para obter exatamente a leitura de fundo de escala. j. Mova o carro da sonda ao longo da linha fendida para obter a mínima leitura. Não sintonize novamente a sonda ou o detector. k. Leia o valor de SWR, o qual é indicado diretamente na escala do Medidor de SWR. 2. Se a leitura no ponto de mínimo for menor que 3 na escala superior de medida de SWR, ajuste a chave RANGE para a próxima maior faixa e leia a indicação na segunda escala (3 a 10) de SWR. 3. Se a chave RANGE for mudada em dois passos, use a escala superior de medida de SWR, mas multiplique qualquer indicação lida nessa escala por 10. Medida de SWR alto (Acima de 10) Quando o SWR é alto, o acoplamento da sonda precisa ser aumentado para se obter a leitura no mínimo de tensão. No entanto, no máximo de tensão, esse acoplamento elevado pode resultar em deformação na onda estacionária, com conseqüente erro de leitura. Adicionalmente a esse erro causado pelo carregamento da linha fendida pela sonda, há também o risco resultante da mudança das características do detector em níveis mais altos de R.F. Método do Dobro do Mínimo ou Método dos 3 db No método do dobro do mínimo é necessário estabelecer a distância elétrica entre pontos da onda estacionária onde a saída é o dobro do mínimo. 1. Repita os passos a a g do procedimento de medida de SWR baixo. 2. Mova o carro da sonda ao longo da linha para obter a mínima leitura e anote a posição da sonda. 3. Para referência, ajuste os controles de ganho para obter leitura de 3.0 na escala em db. Se um detector linear estiver sendo usado, ajuste os controles de ganho para uma indicação de 1,5 na escala em db. 4. Mova o carro da sonda ao longo da linha para obter leitura de fundo de escala ( 0 ) na escala em db de cada lado do ponto de mínimo. 5. Registre as posições d 1 e d 2 do carro da sonda nas duas leituras iguais obtidas no passo Curto-circuite a linha fendida e meça a distância entre dois mínimos sucessivos. O dobro dessa distância é o comprimento de onda guiado. O SWR pode ser obtido substituindo-se essa distância na expressão: SWR λg = π. d 1 d 2 Onde λg é o comprimento de onda guiado e d 1 e d 2 são a localização dos pontos onde a tensão medida é duas vezes o valor da tensão mínima. 14

15 Este método minimiza o efeito de carregamento da linha fendida pela sonda, dado que a mesma está sempre ao redor do mínimo de tensão, onde um carregamento maior devido à sonda pode ser tolerado. No entanto ele não minimiza o erro devido a desvio da resposta detector em relação à característica lei quadrática. Método do atenuador calibrado Um outro método para medir valores elevados de SWR é usar um atenuador variável calibrado entre a gerador de sinal e a linha fendida. Ajuste o atenuador para manter a saída retificada do diodo a cristal igual nos pontos de mínimo e de máximo de tensão. O SWR em db é a diferença dos valores de atenuação utilizados nesses pontos. 1. Repita os passos a a g do procedimento de medida de SWR baixo. 2. Mova o carro da sonda ao longo da linha fendida até um mínimo de tensão e ajuste o atenuador para obter uma indicação conveniente no medidor. Anote o valor da atenuação utilizada. 3. Mova o carro da sonda ao longo da linha fendida até um máximo de tensão e ajuste o atenuador de modo a obter a mesma indicação no medidor estabelecida no passo 2. Anote o valor da atenuação utilizada. 4. O SWR em db pode ser obtido diretamente pela diferença entre os valores de atenuação usados nos pontos de máximo e de mínimo de tensão. Embora esse método elimine o efeito de desvios da resposta do detector em relação à característica lei quadrática, o efeito de carregamento da linha fendida pela sonda ainda permanece. Assim, tome o cuidado de sempre usar a mínima penetração da sonda. Localização de máximo de tensão e mínimo de tensão Na discussão sobre o carregamento da linha fendida pela sonda foi mostrado que é mais desejável localizar um mínimo de tensão que um máximo de tensão, dado que o efeito de carregamento da sonda é menor no ponto de mínimo. No entanto, a localização do mínimo de tensão com uma única medida, particularmente para SWR baixo, é usualmente imprecisa dado que a variação da tensão em torno do ponto de mínimo é reduzida, dificultando a determinação da verdadeira posição do mínimo de tensão. Um método preciso para localizar o ponto de mínimo é determinar a posição do carro da sonda em dois pontos, um de cada lado do ponto de mínimo, que resultem na mesma leitura de saída e então fazer a média dessas duas posições. 15

16 EXPERIÊNCIA 1 Objetivo Estudo das características da válvula Reflex Klystron e determinação de sua faixa de sintonia eletrônica. Equipamento Necessário Fonte de alimentação da Klystron, válvula Klystron e Montagem da Klystron, Isolador, Frequencímetro, Atenuador variável, Montagem do detector com Detector, Suportes para guia de onda, Medidor de VSWR, Multímetro, Osciloscópio e cabo BNC para uso com osciloscópio. Teoria A válvula Reflex Klystron utiliza a modulação de velocidade para transformar um feixe de elétrons em potência de microondas. Os elétrons emitidos pelo catodo são acelerados e passam através das grades da cavidade ressonante, polarizada positivamente, em direção do refletor polarizado negativamente. A tensão negativa do refletor retarda e finalmente reflete os elétrons, que retornam de volta através da cavidade ressonante. Supondo que exista um campo RF nas grades da cavidade ressonante, os elétrons viajando em direção ao refletor serão acelerados ou retardados à medida que a amplitude da tensão da cavidade ressonante muda. Fig. 1. Diagrama Esquemático da Klystron 2K25. Os elétrons acelerados deixam a cavidade ressonante com velocidade aumentada e os elétrons retardados, com velocidade reduzida. Devido a essas mudanças de velocidade, os elétrons que saem da cavidade ressonante necessitam de tempos diferentes para retornar. Em conseqüência, os elétrons que retornam aglomeram-se formando grupos. Quando esses grupos de elétrons passam através da cavidade ressonante eles interagem com a tensão das grades da mesma. Se os grupos de elétrons passam a grade num instante em que os elétrons são desacelerados pela tensão, então a energia será entregue ao ressoador e a válvula Klystron irá oscilar. A Fig. 2 mostra a relação entre a potência de saída, a freqüência e a tensão do refletor. 16

17 Fig. 2. Modulação da Klystron por Onda Quadrada. A freqüência de oscilação é determinada fundamentalmente pelas dimensões da cavidade ressoante. Portanto, é possível realizar sintonia mecânica da Klystron mudando-se o volume do ressoador. Pode-se também obter pequenas variações na freqüência ajustando-se a tensão do refletor. Esse procedimento é denominado Sintonia Eletrônica. O mesmo resultado pode ser obtido aplicando-se uma tensão de modulação na tensão do refletor, como mostrado na Fig. 2. Procedimento Importante: Antes de ligar a válvula Klystron à fonte de alimentação leia o Anexo I Cuidados ao montar a válvula Klystron. Operação de Onda Contínua 1. Conecte os componentes e equipamentos como mostrado na Fig. 3, com a saída do Detector conectada inicialmente ao Medidor de VSWR. Fonte de alimentação da Klystron Multímetro Montagem da Klystron 2K25 Isolador Atenuador Variável Frequencímetro Montagem do detector Medidor de VSWR Fig. 3. Arranjo de equipamentos para estudo da válvula klystron em Onda Contínua. 2. Coloque o Atenuador Variável na posição de máximo (a maior leitura do micrometro). 3. Coloque a chave seletora de modulação (MODULATION) da fonte de alimentação da Klystron na posição CW ; gire o botão de controle da tensão de feixe (VOLTAGE/BEAM) totalmente no sentido anti-horário; gire o botão da tensão do refletor (VOLTAGE/REFPELLER) totalmente no sentido horário e coloque o botão HT na posição OFF. 17

18 4. Gire totalmente o botão do Frequencímetro para um dos lados. 5. Coloque o medidor de VSWR em 50dB de atenuação (RANGE (db)), posicione e os ajustes de ganho (GAIN/FINE e COARSE) em direção ao meio e selecione o cristal na posição de baixa impedância (CRYSTAL IMP SEL/200 Ω). 6. Coloque o multímetro em DC, microampere e faixa de 250 microampere. 7. Ligue a Fonte de Alimentação da Klystron e a ventoinha de refrigeração da válvula klystron. Coloque o botão HT na posição ON. 8. Coloque a chave seletora do medidor na posição de tensão do feixe (V) e rode o botão de tensão do feixe no sentido horário lentamente, até obter uma leitura de 300 V. Observe a corrente do feixe no medidor mudando a chave do medidor para a posição de corrente do feixe (C). A corrente do feixe não deve exceder 25 ma. 9. Mude a tensão do refletor lentamente e observe o medidor de VSWR. Ajuste a tensão para máxima deflexão no medidor. Se nenhuma deflexão for obtida, varie a sintonia mecânica da Montagem da Klystron e da Montagem do detector. Se for obtida deflexão de fundo de escala, mude a posição da chave de faixa (RANGE - db). Substitua então o medidor de VSWR pelo multímetro. 10. Varie o parafuso de sintonia mecânica da Montagem da klystron para maximizar a saída detectada no multímetro. 11. Rode o botão do Frequencímetro lentamente e pare na posição onde há menor corrente de saída no multímetro. Leia diretamente a freqüência no Frequencímetro entre as duas linhas horizontais e o marcador vertical. Se um Frequencímetro do tipo micrômetro é utilizado, leia a posição do micrômetro e encontre a freqüência na sua carta de calibração. 12. Mude a tensão do refletor e leia a corrente e a freqüência para cada tensão do refletor e faça uma tabela, como no exemplo que segue. Tensão do refletor (V) Freqüência (GHz) Operação com modulação AM por Onda Quadrada 1. Conecte os equipamentos e componentes como mostrado na Fig. 4, com a saída do Detector conectada inicialmente ao Medidor de VSWR. Fonte de alimentação da Klystron Osciloscópio Montagem da Klystron 2K25 Isolador Atenuador Variável Frequencímetro Montagem do detector Medidor de VSWR Fig. 4. Arranjo de equipamentos para estudo da válvula klystron com modulação AM. 2. Ajuste o micrômetro do Atenuador Variável em torno de sua posição mais alta. 18

19 3. Coloque a chave seletora de faixa do Medidor de VSWR na posição de 40dB, a chave seletora do cristal na posição de baixa impedância, chave de seleção do medidor na posição normal. 4. Coloque a chave seletora de modulação na posição AM. Gire o botão de controle da tensão de feixe totalmente no sentido anti-horário. Gire o botão de controle da tensão do refletor totalmente no sentido horário. Coloque o botão HT na posição OFF. 5. Ligue a fonte de alimentação da Klystron, o medidor de VSWR e a ventoinha de refrigeração. Coloque o botão HT na posição ON. 6. Coloque a chave seletora do medidor na posição de tensão do feixe (V) e rode o botão de tensão do feixe no sentido horário lentamente, até obter uma leitura de 300 V. 7. Mantenha o botão de controle de Amplitude e Freqüência de modulação AM na posição media. 8. Gire o botão de controle de tensão do refletor até obter deflexão no Medidor de SWR. 9. Gire o botão de Amplitude de modulação AM de modo a obter máxima saída no medidor de VSWR. 10. Maximize a deflexão ajustando o botão de controle de Freqüência de modulação AM. 11. Se necessário mude a chave de faixa do Medidor de VSWR para 30 db ou para 50 db, caso a deflexão do Medidor de VSWR esteja além do fundo de escala ou abaixo da escala normal, respectivamente. Adicionalmente, a saída pode ser reduzida ou ajustada para qualquer posição em particular atuando-se sobre o Atenuador Variável. 12. Encontre a freqüência de oscilação usando o Frequencímetro, como descrito anteriormente. 13. Conecte o osciloscópio no lugar do medidor de VSWR e veja a onda quadrada na saída do Detector. Estudo de Modos com Osciloscópio 1. Monte os componentes e equipamentos como mostrado na Fig. 5. Fonte de alimentação da Klystron Montagem da Klystron 2K25 Isolador Atenuador Variável Frequencímetro Montagem do detector Osciloscópio Fig. 5. Arranjo de equipamentos para estudo dos modos da válvula klystron. 2. Mantenha o Atenuador Variável na posição de máxima atenuação. 3. Ajuste a chave seletora de modulação para a posição FM, com os botões de controle de Amplitude e Freqüência FM na posição média. Mantenha o botão de controle da tensão do feixe girado totalmente no sentido anti-horário, o botão de controle da tensão do refletor girado totalmente no sentido horário e o botão HT na posição OFF. 4. Mantenha a escala de tempo/divisão do osciloscópio em torno de 500 µs a 1 ms/divisão e utilize a menor escala de volt/divisão. 19

20 5. Ligue a Fonte de Alimentação da Klystron e o osciloscópio. Coloque o botão HT na posição ON. 6. Mude a chave do medidor da Fonte de alimentação da Klystron para a posição de tensão de feixe (V) e ajuste a tensão de feixe para 300 V usando o botão de controle da tensão de feixe. 7. Ajuste o botão de controle de amplitude do modulador FM para posição de máximo e gire o botão de controle da tensão de refletor no sentido anti-horário para obter na tela do osciloscópio os modos mostrados na Fig. 6. No osciloscópio o eixo horizontal representa a tensão do refletor e o eixo vertical representa a potência de saída. Fig. 6. Modos da válvula Klystron 2k Mudando a tensão do refletor e a amplitude da modulação FM é possível observar no osciloscópio cada modo da válvula Klystron. 20

21 EXPERIÊNCIA 2 Objetivo Determinação de freqüência e comprimento de onda em um guia retangular operando no modo TE 10. Equipamento Necessário Fonte de alimentação da Klystron, válvula Klystron, Isolador, Frequencímetro, Atenuador variável, Seção fendida, Sonda sintonizável, Medidor de VSWR, Apoios para guia de onda, Curto móvel, Terminação casada. Teoria Os modos de propagação presentes no guia de onda são dos tipos: TE m,n /TM m,n Onde: TE: Transversal Elétrico TM: Transversal Magnético m: Número de meios comprimentos de onda (λ g ) ao longo da maior dimensão da seção transversal do guia de onda. n: Número de meios comprimentos de onda (λ g ) ao longo da menor dimensão da seção transversal do guia de onda. Sendo o comprimento de onda dado por: λ g = ( d1 d 2 ), 2 onde (d 1 -d 2 ) é a distância entre dois mínimos/máximos sucessivos. Em um guia de onda retangular operando no modo dominante TE 10 os comprimentos de onda λ o, λ g e λ c são relacionados entre si como segue: 1 λ 0 = 1 λ 2 g 1 + λ 2 c Sendo λ o : comprimento de onda no espaço livre λ g : comprimento de onda guiado λ c : comprimento de onda da freqüência de corte Para o modo TE m,0, 2a λ c =, m onde m=1 para o modo TE 10 e a é a maior dimensão da seção transversal do guia de onda. 21

22 A freqüência do sinal pode ser calculada a partir da equação: c = f. λ, onde, c: 3x10 8, é a velocidade da luz no espaço livre f: freqüência Procedimento 1. Conecte os componentes e equipamentos como mostrado na Fig. 7, conectando inicialmente a Terminação casada na Seção fendida. 2. Ajuste o micrômetro do Atenuador variável para a posição de máximo. 3. Mantenha os botões de controle do Medidor de VSWR como segue: Faixa (db) : Posição de 50 db Chave de entrada : Cristal de baixa impedância (200 Ω) Chave do medidor : Posição NORMAL Ganho : Posição média (COARSE & FINE) 4. Mantenha os botões de controle da Fonte de alimentações da Klystron como segue: Botão HT : OFF Chave de modulação : AM Tensão do feixe : Totalmente no sentido anti-horário Tensão do refletor : Totalmente no sentido horário Amplitude AM : Totalmente no sentido horário Freqüência AM : Em torno da posição média 0 Fonte de alimentação da Klystron Sonda sintonizável Medidor de SWR Montagem da Klystron 2K25 Isolador Atenuador Variável Frequencímetro Seção fendida Terminação casada Curto móvel Fig. 7. Arranjo para estudo da freqüência e medida do comprimento de onda. 5. Ligue a fonte de alimentação da Klystron, o medidor de VSWR e a ventoinha de refrigeração. Coloque o botão HT na posição ON. 6. Gire a chave do medidor da fonte de alimentação para a posição de tensão do feixe (V) e ajuste a tensão do feixe em 300 V por meio do botão de tensão do feixe, com corrente em torno de 15 a 25 ma. 7. Ajuste a tensão do refletor de modo a obter alguma deflexão no medidor de VSWR. 22

23 8. Maximize a deflexão do medidor de VSWR através dos botões de controle de amplitude e de freqüência de modulação AM da fonte de alimentação. 9. Ajuste o parafuso de sintonia mecânica da Montagem da Klystron de modo a obter máxima deflexão do medidor de VSWR. 10. Sintonize o botão de controle da tensão do refletor de modo a maximizar a deflexão do medidor de VSWR. 11. Sintonize a sonda para máxima deflexão do medidor de VSWR. 12. Sintonize o Frequencímetro de modo a obter um ponto de mínimo na escala do Medidor de VSWR e anote a freqüência diretamente do Frequencímetro. 13. Substitua a Terminação casada por um Curto móvel e dessintonize o Frequencímetro. 14. Mova a sonda sintonizável ao longo da linha fendida para obter deflexão no medidor de VSWR. Mova a sonda sintonizável para uma posição de mínima deflexão. Para uma leitura precisa, é necessário mover a chave de faixa do medidor de VSWR para uma posição mais alta. Anote a posição da sonda, i.e. d Mova a sonda para a próxima posição de mínimo e anote a posição da sonda novamente, i.e. d Calcule o comprimento de onda guiado como o dobro da distância entre as duas posições de mínimo medidas acima. 17. Meça a maior dimensão interna da seção transversal do guia de onda, a, a qual será em torno de 22,86 mm para guia de onda para a banda X. 18. Calcule a freqüência pela seguinte equação: f c = λ 0 = c. 1 λ 2 g 1 + λ 2 c onde, c : 3x108, é a velocidade da luz no espaço livre. 19. Compare a freqüência obtida pela forma com a freqüência medida pelo frequencímetro. 20. Esta experiência pode ser repetida em diferentes freqüências. 23

24 EXPERIÊNCIA 3 Objetivo Determinação de Coeficiente de Onda Estacionária (VSWR) e o Coeficiente de Reflexão. Equipamento Necessário Fonte de alimentação da Klystron, válvula Klystron, Medidor de VSWR, Isolador, Frequencímetro, Atenuador variável, Linha fendida, Sonda sintonizável, Apoios para guia de onda, Sintonizador Deslizante, Curto móvel/terminação casada ou qualquer carga desconhecia e cabo BNC. Teoria A razão entre o máximo e o mínimo de tensão ao longo da linha de transmissão é denominada VSWR, que é uma medida do descasamento de impedância entre a carga e alinha de transmissão. O campo eletromagnético em qualquer ponto ao longo da linha de transmissão pode ser considerado como a soma de duas ondas viajantes: a Onda Incidente, que se propaga do gerador para carga, e a Onda Refletida que se propaga em direção ao gerador. A onda refletida surge de reflexões da onda incidente devidas a descontinuidades ao longo da linha de transmissão ou devido ao descasamento da impedância de carga. O módulo e a fase da onda refletida dependem do módulo e fase da impedância refletora. A superposição das ondas incidente e refletida ocasiona o surgimento de uma onda estacionária ao longo da linha. Fig. 8. Onda estacionária e método do dobro do mínimo. A razão entre os valores máximo e mínimo do campo elétrico de uma onda estacionária fornece o VSWR. Assim, denotando o VSWR por S, tem-se: E S = E MAX MIN Sendo, E I : campo elétrico incidente E R : campo elétrico refletida O coeficiente de reflexão, ρ, é definido como: E ρ = E R I = E E I I + E E Z Z = Z + Z 0 0 R R 24

25 Onde, Z : impedância em um ponto da linha Z 0 : impedância característica Das equações anteriores obtém-se a relação: S 1 ρ = S + 1 Procedimento 1. Conecte os componentes e equipamentos como mostrado na Fig. 9, terminando inicialmente a Seção fendida pelo conjunto Sintonizador deslizante/terminação casada. Fonte de alimentação da Klystron Sonda sintonizável Medidor de SWR Montagem da Klystron 2K25 Isolador Atenuador Variável Frequencímetro Seção fendida Sintonizador deslizante Terminação casada Curto móvel Fig. 9. Arranjo de equipamentos para medida de VSWR. 2. Ajuste o atenuador variável para a posição de máximo. 3. Mantenha os botões de controle do Medidor de VSWR como segue: Faixa (db) : Posição de 40/50 db Chave de entrada : Cristal de baixa impedância (200 Ω) Chave do medidor : Posição NORMAL Ganho : Posição média (COARSE & FINE) 4. Mantenha os botões de controle da Fonte de alimentações da Klystron como segue: Botão HT : OFF Chave de modulação : AM Tensão do feixe : Totalmente no sentido anti-horário Tensão do refletor : Totalmente no sentido horário Amplitude AM : Totalmente no sentido horário Freqüência AM : Em torno da posição média 5. Ligue a fonte de alimentação da Klystron, o medidor de VSWR e a ventoinha de refrigeração. Coloque o botão HT na posição ON. 6. Gire a chave do medidor da fonte de alimentação para a posição de tensão do feixe (V) e ajuste a tensão do feixe em 300 V por meio do botão de tensão do feixe, com corrente em torno de 15 a 25 ma. 7. Ajuste a tensão do refletor de modo a obter alguma deflexão no medidor de VSWR. 25

26 8. Sintonize a saída ajustando a tensão do refletor e a amplitude e a freqüência da modulação AM. 9. Maximize a deflexão do Medidor de VSWR através do parafuso de sintonia mecânica Montagem da Klystron. A seguir, obtenha a máxima deflexão sintonizando a sonda. 10. Se necessário mude a chave de seleção de faixa (RANGE db), a posição do atenuador variável e os botões de controle de ganho para obter deflexão dentro da escala do medidor de VSWR. 11. Mova a sonda ao longo da linha fendida, obtendo mudança da deflexão medida no medidor de VSWR. a. Medida de VSWR baixo e médio i. Mova a sonda ao longo da linha fendida até obter máxima deflexão no Medidor de VSWR. ii. Ajuste os botões de controle de ganho do Medidor de VSWR ou o atenuador variável até obter indicação 1.0 na escala normal de SWR (0 ). iii. Mantenha todos os botões de controle como estão e mova a sonda para a próxima posição de mínimo. Leia o VSWR na escala do medidor e anote seu valor. iv. Repita os passos anteriores alterando a profundidade da sonda do Sintonizador e anote o valor correspondente de SWR. v. Se o SWR estiver entre 3,2 e 10, altere a chave de faixa (RANGE db) para a próxima posição maior e leia a medida na escala de VSWR de 3 a 10. b. Medida de VSWR alto i. Aumente ligeiramente a profundidade da sonda do Sintonizador Deslizante para obter VSWR máximo. ii. Mova a sonda ao longo da linha fendida até que um mínimo seja indicado. iii. Ajuste os botões de controle de ganho do Medidor de VSWR e o atenuador variável para obter leitura de 3 db na escala normal em db (0 a 10 db) do medidor de VSWR. iv. Mova a sonda para a esquerda na linha fendida até obter deflexão de fundo de escala, i.e. 0 db na escala de 0 a 10 db. Verifique e anote a posição da sonda na linha fendida, atribuindo esse valor a d 1. v. Repita as etapas iii e iv e então mova a sonda para a direita na linha fendida até obter deflexão de fundo de escala na escala normal em db que varia de 0 a 10 db. Anote a posição da sonda, atribuindo esse valor a d 2. vi. Substitua a terminação casada e o Sintonizador Deslizante pelo curto móvel. vii. Meça a distância entre a posição da sonda em dois mínimos de tensão sucessivos. O dobro dessa distância é o comprimento de onda guiado λ g. viii. Calcule o SWR usando a seguinte equação: λg SWR = πd d 1 2 ix. Calcule o coeficiente de reflexão para diferentes valores de SWR. 26

27 EXPERIÊNCIA 4 Objetivo Medida de uma impedância desconhecida usando Carta de Smith. Equipamento Necessário válvula Klystron 2k25, Fonte de alimentação da Klystron, Montagem da klystron, Isolador, Frequencímetro, Atenuador variável, Linha fendida, Sonda sintonizável, Medidor de VSWR, Apoios para guia de onda, Sintonizador Deslizante, Curto móvel e Terminação casada. Teoria A impedância em qualquer ponto de uma linha de transmissão pode ser escrita na forma Z=R + jx. O SWR pode ser calculado por: sendo o coeficiente de reflexão: 1+ ρ S = 1 ρ Z Z ρ = Z + Z Onde, Z 0 : Impedância característica do guia de onda na freqüência de operação. Z : Impedância de carga. A medida da impedância é feita da seguinte maneira: Um dispositivo de impedância desconhecida é conectado à linha fendida e determina-se o SWR=S 0 e a posição de um mínimo de tensão. Substitui-se a impedância desconhecida por um curto móvel terminando a linha fendida. Anotam-se as posições de dois mínimos de tensão sucessivos. O dobro da distância entre esses dois mínimos será o comprimento de onda guiado. Um dos mínimos é usado como referência para a medida da impedância. Encontre a diferença entre a posição do mínimo de referência e a posição do mínimo medido com a carga desconhecida. Seja essa distância d. Na Carta de Smith desenha-se um círculo com centro em 1 e raio S 0. Marque um ponto na circunferência da Carta de Smith andando d/λ g a partir do ponto de Curto-circuito em direção a carga ou ao gerador, conforme d seja medido em relação ao mínimo de referência mais próximo à carga ou mais próximo ao gerador. Trace uma reta unindo o centro da Carta de Smith a esse ponto. Encontre o ponto onde essa reta intercepta o círculo desenhado. As coordenadas desse ponto fornecerão a impedância normalizada da carga. Procedimento 1. Conecte os componentes e equipamentos como mostrado na Fig. 10, terminando inicialmente a Seção fendida pelo conjunto Sintonizador deslizante/terminação casada

28 Fonte de alimentação da Klystron Sonda sintonizável Medidor de SWR Montagem da Klystron 2K25 Isolador Atenuador Variável Frequencímetro Seção fendida Sintonizador deslizante Terminação casada Curto móvel Fig. 10. Arranjo de equipamentos para medida de impedância. 2. Ajuste o atenuador variável para a posição de máximo. 3. Mantenha os botões de controle do Medidor de VSWR como segue: Faixa (db) : Posição de 50 db Chave de entrada : Cristal de baixa impedância (200 Ω) Chave do medidor : Posição NORMAL Ganho : Posição média (COARSE & FINE) 4. Mantenha os botões de controle da Fonte de alimentações da Klystron como segue: Botão HT : OFF Chave de modulação : AM Tensão do feixe : Totalmente no sentido anti-horário Tensão do refletor : Totalmente no sentido horário Amplitude AM : Totalmente no sentido horário Freqüência AM : Em torno da posição média 5. Ligue a fonte de alimentação da Klystron, o medidor de VSWR e a ventoinha de refrigeração. Coloque o botão HT na posição ON. 6. Gire a chave do medidor da fonte de alimentação para a posição de tensão do feixe (V) e ajuste a tensão do feixe em 300 V por meio do botão de tensão do feixe. 7. Ajuste a tensão do refletor de modo a obter alguma deflexão no medidor de VSWR. 8. Maximize a deflexão do medidor de VSWR através dos botões de controle de amplitude e de freqüência de modulação AM da fonte de alimentação. 9. Após obter máxima deflexão no medidor de VSWR, substitua a Montagem do detector pelo Sintonizador Deslizante com Terminação casada. 10. Sintonize o botão de controle da tensão do refletor de modo a maximizar a deflexão do medidor de VSWR. 11. Sintonize a sonda sintonizável para máxima deflexão do medidor de VSWR. 12. Sintonize o Frequencímetro de modo a obter um ponto de mínimo na escala do Medidor de VSWR e anote a freqüência diretamente do Frequencímetro. 28

29 13. Ajuste a profundidade do pino do Sintonizador Deslizante em torno de 3 a 4 mm e trave o mesmo. 14. Mova a sonda ao longo da Linha Fendida para obter máxima deflexão. 15. Ajuste os botões de controle de ganho do Medidor de VSWR e o Atenuador variável de modo que o medidor indique 1.0 na escala superior de SWR. 16. Mova a sonda para o próximo ponto de mínimo e anote o valor SWR=S 0 indicado na escala. Anote também a posição da sonda a ser indicada por d. 17. Remova o Sintonizador Deslizante e a Terminação Casada e substitua-os pelo Curto Móvel no final da Linha Fendida. O micrômetro do Curto Móvel deve ser estar em zero, de modo a impor um curto-circuito na extremidade da linha fendida, no mesmo plano de conexão da carga desconhecida. Fig. 11. Ondas estacionárias na medida de impedância. 18. Anote a posição de dois mínimos sucessivos como sendo d 1 e d 2 e calcule o comprimento de onda guiado: λ g = 2.d d Calcule: d λ g 20. Encontre a impedância normalizada na Carta de Smith, como descrito previamente na teoria. 21. Repita o mesmo procedimento para outras freqüências, se necessário. 29

30 ANEXO I - CUIDADOS AO MONTAR A VÁLVULA KLYSTRON As etapas para montagem da válvula Klystron no suporte da mesma são apresentadas a seguir, podendo ser assistidas no vídeo do CD de documentação. - Posicione a válvula no soquete do suporte, usando como guia o pino mais longo da válvula. - Pressione a válvula de modo a encaixá-la no soquete do suporte. - Do suporte da válvula sai o cabo com conector de 8 pinos a ser ligado na fonte de alimentação e um cabo extra com um único terminal, - Encaixe o terminal do cabo extra no topo da válvula. - Conecte o conector de 8 pinos na fonte de alimentação, com a mesma desligada e com a chave HT em OFF. (A chave HT conecta a alta tensão gerada na fonte de alimentação aos terminais do soquete de 8 pinos da mesma). - Posicione a ventoinha de modo que seu fluxo de ar incida sobre a válvula Klystron, para sua refrigeração. - Ligue a ventoinha e a fonte de alimentação. - Ajuste as tensões de feixe e refletor e os controles de modulação como orientado nas experiências. - Só então, coloque a chave HT em ON. ATENDIMENTO AO CLIENTE Endereço: Rua Francesco de Martini, 222 Bairro Oswaldo Cruz São Caetano do Sul SP Fone/Fax: (11) Fone: (11) nova@novadidacta.com.br 30