Faculdade de Tecnologia e Ciências

Transcrição

1 Faculdade de Tecnologia e Ciências Curso: Engenharia de Telecomunicações Disciplina: Eletrônica de Radiofreqüência Carga Horária: 80 horas Professor: Clovis Almeida

2 Faculdade de Tecnologia e Ciências Regras do Jogo: Aulas expositivas em quadro, Power Point, ou transparências : Entregar material em meio eletrônico ou via Internet; Foco no Conteúdo programático (evitar desvios); Reposição de aulas aos sábados (à tarde); Exercícios de Revisão. Avaliação : Assiduidade, Pontualidade e Participação; Trabalhos (Opcionais); Testes surpresa; Provas Individuais.

3 Faculdade de Tecnologia e Ciências Conteúdo Programático (referência) Primeira parte 12 aulas Componentes valvulares Segunda parte 20 aulas Componentes a semicondutores Terceira parte 20 aulas Circuitos eletrônicos Quarta parte 28 aulas Equipamentos eletrônicos

4 Faculdade de Tecnologia e Ciências Primeira parte 10 aulas Componentes valvulares

5 Válvulas Aplicação básica: Combinações de alta potência com alta freqüência. As válvulas ainda são melhor alternativa econômica para gerar ou amplificar freqüências elevadas do que os componentes a semicondutores. As válvulas convencionais podem ser modificadas para operar com baixas capacitâncias, porém válvulas especiais são freqüentemente usadas.

6 Válvulas a vácuo Assim como uma válvula hidráulica regula a vazão de um fluido, uma válvula eletrônica regula o fluxo de elétrons. De forma semelhante a uma lâmpada incandescente, existe um filamento cuja finalidade é transmitir calor a um dispositivo metálico denominado catodo. São, ainda, denominadas Válvulas Termo-iônicas.

7 Válvulas a vácuo Na outra extremidade em relação ao catodo está um outro dispositivo metálico denominado anodo (ou placa). O catodo se conecta a um potencial negativo, o que o faz ficar saturado de elétrons. O anodo conecta-se um potencial positivo, o que o faz atrair os elétrons do catodo.

8 Válvulas a vácuo O catodo, por estar aquecido, libera os elétrons com facilidade para o anodo. A diferença de potencial entre o anodo e o catodo faz com que se estabeleça um fluxo de elétrons no interior da válvula. Invólucro de vidro, metal ou cerâmica. Outros elementos podem ser introduzidos para controlar o fluxo de elétrons: são as grades, que controlam o fluxo de elétrons entre o anodo e o catodo.

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10 Válvulas a vácuo Quanto ao número de eletrodos, as válvulas a vácuo podem ser : diodo apenas anodo e catodo. triodos anodo, catodo e uma grade (de controle). tetrodo uma secunda grade para reduzir a capacitância parasita introduzida pela grade de controle. pentodo uma terceira grade para suprimir o excesso de elétrons gerados pela segunda grade. hexodo, heptodo e octodo, com grades de controle adicionais.

11 Válvula a vácuo convencional À medida em que a freqüência aumenta, torna-se mais difícil a operação com válvulas eletrônicas, devido a uma série de razões, algumas das quais serão vistas a seguir. Alguns parâmetros que são irrelevantes em baixas freqüências, não devem ser desprezados na faixa de micro-ondas.

12 Válvula a vácuo convencional Reatâncias capacitivas; São devidas às capacitâncias entre os elementos das válvulas. Destacam-se as capacitâncias entre anodo e grade (Cgp), entre grade e catodo (Cgk) e entre anodo e catodo (Cpk). As capacitâncias são da ordem de 2 pf. Limitações típicas: Reatâncias; Efeito pelicular; Espessura pelicular; Admitância de ruído; Efeitos de transiente.

13 Válvula a vácuo convencional Reatâncias indutivas; São devidas às indutâncias nos próprios elementos das válvulas. Destacam-se as indutâncias do anodo (Lp), da grade (Lg), e do catodo (Lk). As indutâncias são da ordem de 0,02 mh.

14 Válvula a vácuo convencional Efeito pelicular Faz com que o fluxo de elétrons se aproxime da superfície externa do condutor. Proporcional à freqüência. Espessura pelicular; Reduz-se na proporção da raiz quadrada da freqüência. Provoca grandes aumentos das resistências e indutâncias em série. Admitância de ruído Aumenta na proporção do quadrado da freqüência. Faz com que a válvula capte ruído com facilidade.

15 Válvula a vácuo convencional Efeitos de transiente; O período do sinal diminui nas altas freqüências; O tempo do transiente representa considerável parcela do período do sinal; O sinal na saída da válvula não estará mais defasado de 180 o em relação ao de entrada; Conseqüências na realimentação de osciladores; Provoca absorção de energia por parte da grade (o sinal da grade muda de polaridade antes dos elétrons atingirem o catodo).

16 Válvulas especiais Devido às limitações das válvulas convencionais, foram desenvolvidas válvulas especiais, classificadas em: válvulas com feixe transversal: Magnetron de cavidade. válvulas com feixe linear: Klystron; TWT (Travelling Wave Tube).

17 Válvula Magnetron Vários tipos de válvula magnetron foram desenvolvidas. A primeira foi produzida nos Estados Unidos e utilizava o princípio da ressonância ciclotrônica. Apresentava comportamento errático, baixa potência e baixa eficiência dentro do espectro de microondas. Posteriormente surgiu a magnetron de ondas viajantes, com refrigeração líquida, que deu origem às atuais, denominadas magnetron de cavidade, desenvolvidas na Inglaterra, as quais serão tratadas a partir de agora. A evolução dos radares ocorreu graças ao surgimento das válvulas magnetron de cavidade. Há quem afirme que sem elas o curso da 2ª. Guerra Mundial talvez tivesse sido diferente.

18 Válvula Magnetron de cavidade Aplicações típicas: Radar e Forno de Microondas. Desvantagens: - Baixa estabilidade de fase. - Opera em uma freqüência pré-definida. O catodo é montado no centro de uma cavidade circular, submetido a um alto potencial negativo; Um campo magnético gerado por um ímã permanente é aplicado ao catodo perpendicularmente ao eixo da válvula; O campo magnético faz com que os elétrons sejam atraídos para cavidades anódicas ao redor do catodo, e, ao redor das quais, existe uma cavidade comum ressonante; Os elétrons induzem um campo elétrico na cavidade sintonizada, surgindo uma onda eletromagnética que irá se propagar, se houver uma carga conectada à cavidade (antena de radar ou câmara de forno de micro-ondas.

19 Válvulas Magnetron Empregada como osciladores de alta potência. Acoplamento de saída Anodo em bloco de cobre Catodo Cavidade ressonante Terminais para catodo e filamento Áreas de utilização: Radares; Fornos de microondas Características construtivas básicas: Catodo no centro no centro e anodo ao redor do catodo. Características funcionais básicas: Um campo magnético eletrostático intenso faz com que os elétrons se desloquem em espiral do catodo para o anodo. A corrente de elétrons gera radiofreqüência nas cavidades implantadas na periferia da válvula.

20 Diferentes formas do anodo A) Fenda B) Aleta C) Sol nascente D) Fenda e tubo A válvula magnetron é classificada como diodo pois não possui grade.

21 Válvulas Magnetron Linhas de campo Magnético Trajetórias dos elétrons em operação normal no espaço de interação dos campos E e H. Trajetórias dos elétrons no campo de corte Observa-se que a trajetória dos elétrons não contraria a regra da mão direita para a força elétrica

22 Estrutura de onda lenta A válvula Magnetron possui cavidades dentro do anodo, em todo o redor do catodo (geralmente 8). A onda circula de uma a outra cavidade adjacente. Cada cavidade está dimensionada para meio período da onda. Para que o deslocamento de fase total ao longo do anodo seja 360 deve haver consistência entre a quantidade de cavidades anódicas e o ângulo de fase entre duas cavidades adjacentes, sob pena da ressonância ficar comprometida. A onda se desloca pela válvula a uma velocidade bem menor que a da luz. A velocidade é aproximadamente igual à de um elétron.

23 Operação da válvula 1ª. fase antes da oscilação. Na ausência do campo magnético, o aquecimento do catodo gera um movimento de elétrons em direção ao anodo (azul). Um campo magnético permanente faz com que a trajetória dos elétrons se curve. Se o fluxo de elétrons atingir o anodo, tem-se uma corrente de anodo fluindo (verde). Aumentando-se a intensidade do campo magnético, a curvatura do feixe de elétrons será mais acentuada. Quando um valor crítico do campo magnético é atingido (campo de corte), os elétrons tangenciam o anodo e retornam para o catodo (vermelho). Neste trajeto os elétrons provocarão oscilação nas cavidades dimensionadas para a freqüência que se deseja. Alguns elétrons, entretanto, atingirão o anodo, gerando uma pequena corrente de anodo. Quando o campo magnético for muito superior ao valor de corte, os elétrons retornam para o catodo sem mesmo tangenciar o anodo (marrom). A corrente de anodo vai a zero e o aquecimento excessivo do catodo poderá danificar a válvula.

24 Operação da válvula 2ª. fase durante a oscilação. Em seguida ao início da oscilação, os elétrons ficam submetidos ao campo elétrico estático original e ao campo eletromagnético, decorrente da oscilação, fazendo com que suas trajetórias sejam diferentes. Alguns elétrons, em sua trajetória, serão afetados pelo semi-ciclo positivo da oscilação e serão acelerados. Outros sofrerão ação do semi-ciclo negativo e serão retardados, podendo, inclusive, retornar ao catodo. Os elétrons seguirão suas trajetórias individuais ao longo da cavidade central formando grupos que giram na forma denominada Roda de Carga Espacial. Os elétrons retardados cedem energia para o campo eletromagnético, enquanto que os acelerados captam energia do campo. A contínua interação entre os elétrons e os campos mantém o processo de oscilação.

25 Ciclo de trabalho Importante em sistemas pulsados como transmissores de radar. A potência de pico pode ser bastante superior à potência média. D = T on T T P avg = P P D

26 Válvula klystron São válvulas a vácuo com grande aplicação em radares e outros equipamentos que necessitem de sua elevada potência. Podem ser do tipo multicavidades ou do tipo reflex. As primeiras podem ser construídas com duas a cinco cavidades.

27 Válvula klystron de duas cavidades Feixe de elétrons é injetado em uma 1a. cavidade ressonante; Uma grade no interior da 1a. cavidade (concentradora) acelera ou retarda o fluxo de elétrons, conforme o potencial do sinal de entrada, em um processo denominado modulação de velocidade; Ao atravessarem a 2a. Cavidade (captadora), os elétrons tem as oscilações aumentadas e induzem um sinal maior na saída; Ambas as cavidades são sintonizadas na freqüência desejada.

28 Válvula klystron multicavidades Em uma válvula Klystron: Um canhão eletrônico (1) produz um fluxo de elétrons; Cavidades devidamente implantadas (2) regulam a velocidade dos elétrons de forma a chegarem na forma de agrupamentos na cavidade de saída (3), onde induzem uma radiação eletromagnética na faixa de microondas; As microondas se propagam pelo guia de ondas (4). Os elétrons são, então, absorvidos pelo anodo (5).

29 Válvula klystron multicavidades O processo com duas cavidades é incompleto; Funciona de modo semelhante à de duas cavidades; Grades intermediárias são implantadas de forma a aumentar a aceleração e, assim, o ganho da válvula; No diagrama ao lado está representada uma válvula com apenas 3 cavidades, porém podem ser implantadas 4 ou 5, permitindo um aumento de energia e de rendimento (e de preço, claro); Sintonia escalonada ao redor da freqüência central possibilita operação em faixa larga.

30 Válvula klystron reflex Baseia-se, também, no deslocamento de elétrons em alta velocidade a partir do catodo; Os elétrons atravessam uma grade implantada no interior de uma única cavidade ressonante, na qual está o captador da onda eletromagnética; A cavidade ressonante é alimentada com potencial positivo para acelerar os elétrons; A oscilação é sustentada pelos elétrons que são refletidos por uma placa com potencial negativo.

31 Válvula klystron reflex São necessárias três fontes para a operação da válvula reflex : tensão de filamento; tensão positiva para a cavidade ressonante; tensão negativa para a placa repelente dos elétrons. A placa repelente é implantada onde estaria o anodo em uma válvula klystron multicavidades.

32 Válvula klystron sintonizável Algumas válvulas klystron podem ter cavidades sintonizadas; O trabalho de sintonia é bastante delicado e quando feito de forma inadequada pode causar danos irreversíveis à válvula ou ao técnico; Uma válvula klystron pode custas tão caro quanto uma casa ou um carro de luxo; O fabricante fornece valores de calibragem para cada válvula individualmente, conforme cada número de série; Não existem duas válvulas exatamente iguais; Os ajustes devem ser feitos por meio de ferramentas feitas com materiais não ferrosos para evitar que o intenso campo magnético da válvula possa atrair a ferramenta, causando ferimentos ao técnico ou danificando a válvula. Durante o transporte da válvula, deve-se evitar que seu campo magnético possa interferir com o sistema de navegação (por exemplo, do avião).

33 Válvula klystron Válvula Klystron usada no Complexo de Comunicações Espaciais Camberra Austrália.

34 Válvula TWT São amplificadores banda larga com características de baixo ruído. Podem ser da baixa potência (como em receptores de radar) e de alta potência (como em transmissores). São capazes de proporcionar ganhos de 40 db em mais de uma oitava.

35 Válvula TWT Entende-se como uma oitava a faixa na qual a freqüência mais baixa é duas vezes a freqüência mais baixa. As características da TWT a tornam ideal para amplificadores de microondas, a partir de 300 MHz até cerca de 50 GHZ, onde se requeira alta potência.

36 Válvula TWT Um catodo emite elétrons em uma das extremidades; (1) Canhão eletrônico; (2) Entrada de RF; (3) Solenóides; (4) Atenuador; (5) Hélice; (6) Saída de RF; (7) Tubo a vácuo; (8) Coletor. Um solenóide ao redor do tubo gera um campo magnético, o qual focaliza os elétrons; Os elétrons passam ao redor da hélice em direção ao coletor; A hélice age como guia para a onda eletromagnética; Permite ganhos de tensão da ordem de 40 db.

37 Válvula TWT Hélice Campo magnético O campo magnético comprime os elétrons para concentrar a energia e evitar a dispersão dos elétrons no interior da hélice.

38 Válvula TWT Fatores que influenciam o ganho da válvula: detalhes construtivos; diâmetro do feixe de elétrons, ajustado pelo foco do campo magnético; tensão sobre a hélice; potência de entrada (ver gráfico). O ganho máximo linear da figura é em torno de 26 db. O baixo rendimento da TWT prejudica seu bom desempenho em termos de banda e de ruído. Sua figura de ruído esta na faixa de 3 a 10 db, na maioria dos casos.