Laboratório 4 Interferência em Microondas GUIA DE LABORATÓRIO LABORATÓRIO 4 INTERFERÊNCIA EM MICROONDAS

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1 GUIA DE LABORATÓRIO LABORATÓRIO 4 INTERFERÊNCIA EM MICROONDAS 1. RESUMO Utilização de uma corneta rectangular para emissão de uma onda electromagnética em microondas. Estudo do padrão de interferência numa superfície condutora. Determinação da permitividade relativa de dois materiais através da reflexão de uma onda electromagnética. 2. INTRODUÇÃO O objectivo deste trabalho é proporcionar aos alunos o contacto com a propagação de uma onda electromagnética em espaço livre e respectivo equipamento de medida. A sessão de laboratório permite ilustrar e verificar alguns conceitos e definições apresentados nas aulas FUNCIONAMENTO DA SECÇÃO DE LABORATÓRIO As experiências são realizadas sob a forma de demonstração por um grupo de dois alunos que têm de apresentar os resultados aos colegas de turma. O grupo dispõe de 30 minutos para a realização das montagens e exposição da experiência. O presente guia de laboratório descreve a montagem base e os resultados essenciais que têm de ser apresentados. No entanto, os alunos podem realizar mais montagens, caso achem conveniente, desde que não excedam o tempo previsto. Com a entrega do guia de laboratório é marcada uma secção de apresentação do laboratório com o docente. Essa secção de apresentação dura cerca de 1 hora e visa familiarizar os alunos com os equipamentos do laboratório. Apôs o contacto inicial, os alunos devem utilizar autonomamente o laboratório de modo a prepararem a respectiva experiência. Na secção de apresentação é definido um horário de acesso ao laboratório para cada um dos grupos. Os alunos podem tirar dúvidas sobre o seu ensaio durante os horários de dúvidas da cadeira ou enviando as suas questões para o do docente (Jorge.Costa@iscte.pt). Os alunos são aconselhados a utilizar material auxiliar durante a sua exposição, tais como, acetatos com os esquemas das montagens e/ou as expressões teóricas. Os alunos serão avaliados com base: na capacidade de transmitir, aos colegas, os conhecimentos utilizados na experiência; no nível de segurança, rigor e clareza na apresentação; na qualidade da exposição; na validade dos resultados obtidos DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO Nesta secção de laboratório utiliza-se os seguintes equipamentos: Osciloscópio, TDS 3032B. Equipamento de medida que permite visualizar a variação temporal de tensões provenientes de um ou dois canais independentes. Plataforma rotativa para antenas, Suporte rotativo para medição do diagrama de radiação de antenas. A plataforma pode ser controlada manualmente ou por computador e dispõe de duas saídas para alimentação do oscilador díodo Gunn e do modulador PIN. Pag. 1

2 1. Prato rotativo o com encaixe para colocação da haste de suporte da antena. 2. LED de controlo da rotação. O prato apenas poderá ser rodado manualmente se o LED estiver verde. 3. LEDs indicadores do sentido de rotação. 4. Unidade de transmissão com saídas para alimentar o oscilador díodo Gunn e o modulador PIN. 5. Conector RS232 para ligação ao computador de controlo. 6. LED de controlo para recepção de sinal. 7. Conector de alimentação de 12(V). Figura 1 Plataforma rotativa para antenas. Oscilador díodo Gunn, Permite a geração de microondas electromagnéticas com potência reduzida <10(mW). O oscilador utilizado encontra-se sintonizado para 9.4±0.1(GHz). Figura 2 Oscilador díodo Gunn. Modulador PIN, Dispositivo de dois porto que irá modular a onda electromagnética com um sinal rectangular com 1(kHz) de frequência. Figura 3 Modulador PIN. Isolador, Pequeno troço de guia de ondas que só permite a passagem de campos electromagnéticos num dos sentidos longitudinais. Ondâmetro. Cavidade ressonante com dimensões alteráveis. A cavidade encontra-se acoplada ao guia por um pequeno orifício. Quando a frequência de funcionamento do guia coincide com a frequência de ressonância da cavidade, o sinal no guia perde parte da sua potência que é transmitida à cavidade. Figura 4 Ondâmetro. Pag. 2

3 Atenuador Variável. O atenuador variável produz uma redução na amplitude dos campos variando a posição de um plano absorvente no interior do guia. O atenuador variável é utilizado para controlar a potência do sinal e/ou para isolar a fonte da carga. Figura 5 Atenuador variável. Corneta, Antena corneta rectangular para a banda de frequências entre 8 a 12(GHz) com cerca de 15(dBi) de ganho a 10(GHz). Figura 6 Corneta. Sonda de campo eléctrico, Sonda que permite medir a intensidade do campo eléctrico na banda de frequências entre 8.5 e 11.5(GHz). A sonda foi desenhada da modo a minimizar a sua perturbação no campo durante a medição. Figura 7 Sonda de campo eléctrico. Amplificador e filtro, Amplificador e filtro a 1(kHz) para aplicar ao sinal detectado através da sonda de campo eléctrico. Este módulo dispõe de uma saída sinusoidal e uma saída de tensão contínua. Figura 8 Módulo de amplificador e filtro. Régua graduada para translação horizontal. Régua de precisão com a resolução de 0.1(mm) que permite deslocar horizontalmente um bloco ao longo de uma extensão de 125(mm). Pag. 3

4 Figura 9 Régua graduada SEGURANÇA Apesar da potência dos campos electromagnéticos gerados pelo díodo Gunn ser baixa alguns cuidados devem ser tomados. Deve-se evitar olhar para dentro da corneta de emissão quando o díodo Gunn estiver ligado. Nenhum equipamento pode sair do laboratório. 3. ESQUEMA DA MONTAGEM De seguida, enumeram-se os passos da montagem da experiência a realizar. A. Assegure-se que a plataforma rotativa para antenas se encontra desligada da tomada. B. Aparafuse o díodo Gunn ao Isolador. Tenha em atenção que o sentido de propagação no isolador deverá de ser do Gunn para fora. Em seguida aparafuse o isolador ao ondâmetro, em seguida aparafuse o antenuador variável e este ao modulador PIN. Por fim na saída do modulador coloque a antena corneta. Como indicado na Figura 10, ligue o díodo Gunn e o modulador PIN através de cabos BNC às respectivas saídas de alimentação na plataforma rotativa. Plataforma rotativa Díodo Gunn Isolador Ondâmetro Atenuador Variável Modulador PIN eixo Figura 10 Esquema da montagem em emissão. C. Coloque um poste de 12 (cm) num suporte e aparafuse na outra extremidade do posto o modulador PIN. Aparafuse um segundo poste de 12 (cm) ao díodo Gunn e utilize um novo suporte. Assegure-se que o lado maior da abertura da corneta fica paralela com a mesa. D. Coloque a régua graduada em cima da mesa, em frente à corneta e paralela com o seu eixo. Ajuste a posição da régua de modo a permitir ao seu bloco deslocar-se entre as distância de L=30 a 40(cm) da abertura da corneta, vide Figura 11. Coloque a sonda de campo eléctrico em cima do bloco da régua de graduada. Ajuste a altura da montagem de emissão de modo ao seu eixo passar um pouco abaixo do topo da sonda eixo da corneta L=30-40(cm) Figura 11 Posicionamento da sonda de campo eléctrico. Pag. 4

5 E. Utilizando um cabo BNC ligue a sonda à entrada do amplificador. Ligue com um cabo bananas-bnc à saída rectificada do filtro (saída em tensão contínua) à entrada do canal 1 do osciloscópio, Figura 12. Assegure-se que a posição da régua não se desloca durante as medidas. Osciloscópio Figura 12 Esquema da montagem em recepção. F. Ligue a plataforma rotativa à tomada através de um transformador de 12(V). Ligue o amplificador à tomada através de um segundo transformador de 12(V). Ligue o osciloscópio. Ajuste o canal 1 do osciloscópio de modo a visualizar um sinal contínuo. Aumente o valor de atenuação no atenuador até o nível de sinal no osciloscópio seja próximo de 5(V). 4. ESTRUTURA DA DEMONSTRAÇÃO De seguida descrevem-se os resultados essenciais que devem ser apresentados pelos alunos DETERMINAÇÃO DA FREQUÊNCIA DE FUNCIONAMENTO Sintonize o ondâmetro e meça a frequência de trabalho. Quando o ondâmetro está sintonizado à frequência de trabalho observa-se no osciloscópio uma redução da potência emitida pela corneta (a amplitude da tensão contínua diminui). Registo o valor de frequência indicado no ondâmetro. Volte a dessintonizar o ondâmetro DIAGRAMA DE ONDA ESTACIONÁRIA Desloque a sonda ao longo de 50(mm) com intervalos de 1(mm). Assegure-se que a posição da régua não se desloca durante as medidas. Para cada posição registe o valor de tensão medido no osciloscópio. Coloque um plano metálico de 28.3(cm) 28.3(cm) paralelo com a abertura da corneta e a d=80(cm) à frente desta, vide Figura 13. Volte a deslocar a sonda no mesmo intervalo e com a mesma resolução que anteriormente. Registe os novos valores de tensão lidos no osciloscópio. d=80(cm) Figura 13 Plano metálico à frente da corneta. Apresente no mesmo gráfico os dois conjuntos de pontos. Para cada conjunto determine o valor do factor de onda estacionária (p). Comente os resultados. Dos resultados medidos com o plano metálico determine o comprimento de onda de funcionamento λ. Compare este resultado com a frequência obtida na alínea anterior. Pag. 5

6 4.3. DETERMINAÇÃO DA PERMITIVIDADE RELATIVA Mantendo o plano metálico em frente da corneta determine com precisão de 0.1(mm) a posição de três mínimos de tensão consecutivos x (0). Coloque uma chapa de plástico (ε r =2.5) de 28.3(cm) 28.3(cm) entre a corneta e o plano metálico. Tenha atenção para não deslocar a posição da régua e do plano metálico quando colocar a chapa de plástico. A chapa de plástico tem de estar paralela com o plano metálico e a s=20(cm) deste, vide Figura 14. Volte a determine com precisão de 0.1(mm) a nova posição de três mínimos consecutivos x (D). Assegure-se que a posição da régua não se desloca durante as medidas. Meça a espessura D da chapa de plástico. d=60(cm) s=20(cm) Figura 14 Chapa dieléctrico entre a corneta e o plano metálica. Quando o plano metálico é colocado em frente da corneta a localização dos mínimos de amplitude do campo eléctrico é dada pela seguinte expressão λ x = m, (1) ( ) ( ) sendo m (0) um número inteiro. Quando uma placa dieléctrica com espessura D e permitividade relativa ε r é colocada à frente do plano metálico a localização dos mínimos a esquerda da placa dieléctrica é λ x = m ε D+ D. (2) sendo m (D) um número inteiro. ( D) ( D ) 2 r Figura 15 Localização dos mínimos. Utilize as medidas anteriores para determinar o valor da permitividade relativa do plástico. Troque a chapa de plástico por uma chapa de vidro (ε r =7). Repita o ensaio anterior. Meça a espessura da chapa de vidro. Determine o valor da permitividade relativa do vidro. Compare e comente os resultados obtidos com os valores indicados neste guia. 5. CONCLUSÃO DA SECÇÃO DE LABORATÓRIO A. Desligue o osciloscópio. B. Desligue a plataforma rotativa. Pag. 6