Apresentação. SEL 369 Micro-ondas/SEL5900 Circuitos de Alta Frequência. Amílcar Careli César Departamento de Engenharia Elétrica da EESC-USP

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Malu Rafaela Sales Faria
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1 Apresentação SEL 369 Micro-ondas/SEL5900 Circuitos de Alta Frequência Amílcar Careli César Departamento de Engenharia Elétrica da EESC-USP

2 Atenção! Este material didático é planejado para servir de apoio às aulas de SEL-369 Micro-ondas, oferecida aos alunos regularmente matriculados no curso de engenharia elétrica/eletrônica e SEL-5900 Circuitos de Alta Frequência, oferecida aos alunos regularmente matriculados no curso de pós-graduação em engenharia elétrica. Não são permitidas a reprodução e/ou comercialização do material. solicitar autorização ao docente para qualquer tipo de uso distinto daquele para o qual foi planejado. 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 2

3 Ementa Teoria eletromagnética, linhas de transmissão e guias de onda: Equações de Maxwell, onda plana, reflexão e transmissão de ondas; modos de propagação, propagação de ondas na atmosfera; guia metálico e dielétrico; microfita finline, slotline; materiais para substratos; Análise de redes: matrizes impedância, admitância, ABCD, espalhamento; gráfico de fluxo de sinais; Circuitos passivos: adaptadores de impedância; acoplador direcional, híbrido, Lange, Wilkinson; Síntese de redes passivas e filtros: Frequência complexa; estruturas periódicas, características de respostas em frequência; projetos de filtros passa-baixas, passaaltas, passa-faixa e rejeita-faixa; Amplificadores: características de transistores; ganhos de potência de redes de duas portas; estabilidade; ruído; faixa dinâmica e distorção de intermodulação; círculos de ganho constante e ruído constante; casamento conjugado simultâneo; projetos de amplificadores de ganho máximo, faixa larga, baixo ruído, de potência; Osciladores e misturadores: características, modelos, componentes, configurações, projetos; Dispositivos semicondutores: características e modelos de transistor bipolar e de efeito de campo; diodos varactor, Schottky, túnel e Gunn; Circuitos integrados: híbrido e monolítico. 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 3

4 Bibliografia David M. Pozar, Microwave Engineering, Wiley, 2011, ISBN-10: , ISBN-13: GuilhermoGonzalez, Transistor Amplifiers: Analysis and Design, 2ª edição, Prentice Hall, 1996, ISBN-10: , ISBN-13: Robert E. Collin, Foundations for Microwave Engineering, 2ª edição, Wiley-IEEE Press, 2000, ISBN- 10: , ISBN-13: David M. Pozar, Microwave and RF Design of Wireless Systems, Wiley, 2000, ISBN-10: , ISBN-13: Sophocles J. Orfanidis, Electromagnetic Waves and Antennas, 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 4

5 Espectro eletromagnético Rádio AM Rádio FM Radar IV Visível UV Raio X Freq. (Hz) mega giga tera peta exa λ(mm) µondas mm óptica 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 6

6 Faixas de freqüências (IEEE) 1 GHz corresponde a 10 9 Hz Designação Faixa (GHz) HF 0,003-0,03 VHF 0,03-0,3 UHF 0,3-1,0 banda L 1,0-2,0 banda S 2,0-4,0 banda C 4,0-8,0 banda X 8,0-12,0 banda Ku 12,0-18,0 banda K 18,0-27,0 banda Ka 27,0-40,0 milimétrica 40,0-300,0 sub-milimétrica > 300,0 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 7

7 Absorção atmosférica Atenuação (db/km) ,5 0,2 0,1 0,05 0,02 0,01 0,005 0,002 0,001 2,5 3,0 3,75 5,0 6,0 7, Freqüência (GHz) Tempestade (100 mm/h) Chuva forte (15 mm/h) Chuva moderada (4 mm/h) Chuva leve (1 mm/h) Oxigênio na atmosfera (760 mm Hg) Vapor de água em 15 g/m 3 88% u.r. em 68 0 F 50% u.r. em 86 0 F Fonte: William C. Y. Lee, Mobile cellular telecommunications systems, p. 349, McGraw Hill, N.Y., /08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 8

8 APLICAÇÕES 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 9

9 Globalstar: as freqüências Freqüências usuário para satélite MHz satélite para usuário MHz gateway para satélite MHz satélite para gateway MHz diversidade de caminhos 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 10

10 Isoladores Dispositivos Dispositivos em guias antenas celular 1 a 40 GHz /08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 11

11 Redes de dados via microondas Óptico: 100, 200, 500, 1000 m 155Mb/s SDH 18, 23 e 26GHz 2 a 16 Mb/s 23 e 38 GHz 1x2Mbs to 34Mbps 12 km 100km; 1.4GHz; 64kb/s a 1024kb/s Faixa de freqüências: 1,3 a 58 GHz Capacidade: 64 kb/s a 155 Mb/s Tipos: Ethernet / Token Ring e ATM voz, vídeo e dados Freqüência (GHz) Distância Máxima (km) 1,2 50 1,5 50 2,4 20 3,5 20 6, ,6 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 12

Microondas na indústria Processamento de alimentos Potência de saída: 6 a 75 kw continuous wave Freqüências: 902-928 MHz ou 883-909 MHz

Aplicação: cozimento Combinação: ar quente/microondas/infravermelho Microondas: aquecimento interno Ar quente/infravermelho: dourar/queimar

12 Microondas na indústria Processamento de alimentos Potência de saída: 6 a 75 kw continuous wave Freqüências: MHz ou MHz Características elétricas: Vac, 50/60 Hz, 3 Potência de entrada: 93 kw máximo para 75 kw de saída. Aplicação: cozimento Combinação: ar quente/microondas/infravermelho Microondas: aquecimento interno Ar quente/infravermelho: dourar/queimar Vantagens Elimina o efeito redução (mantém 75% do tamanho original) Cozimento uniforme Rapidez Elimina bactérias 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 13

Válvulas para microondas Dispositivos para uso até 1 GHz triodos; tetrodos; pentodos fatores limitantes capacitância entre os eletrodos Dispositivos para uso acima de 1 GHz Klystron; TWT; Magnetron;

13 Válvulas para microondas Dispositivos para uso até 1 GHz triodos; tetrodos; pentodos fatores limitantes capacitância entre os eletrodos Dispositivos para uso acima de 1 GHz Klystron; TWT; Magnetron; Gyrotrons potências desde centenas de mw até MW freqüências até 100 GHz Aplicação Radar banda-w guia WR-10 (2.54 x 1.27 mm) Klystron Varian modelo VKB 2445 SERIES GHz Desempenho elétrico típico freqüência central 93.8 GHz potência de saída (pico) 1.4 kw ciclo de trabalho 0.5% sintonia eltrônica (-3dB) 200 MHz faixa de sintonia mecânica ±1 GHz largura de pulso até 20 ms tensão no cátodo 20.3 kv corrente de cátodo (pico) 690 ma tensão de grade (pulsada) 3.1 kv 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 14

14 Componentes discretos Linhas de transmissão COMPONENTES BÁSICOS 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 15

15 Resistor filme metálico sobre substrato de alumina ou Berílio reatância parasita reduzida até 2 GHz Capacitor filme metalizado sobre polistireno teflon policarbonato Indutor planar ou fio Componentes básicos L L L R s R s R C R C L C d 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 16

16 Tipos de condutores (guias) metálico retangular coaxial linha de fita microfita 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 17

17 Da linha de 2 fios à microfita /08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 18

18 Faixa de operação de algumas linhas L,S,C,X Microondas Ku Q Ondas milimétricas V W D Y K Ka U E F G J Stripline Slotlines, coplanar Guia de onda retangular Microfita Microfita invertida Microfita e stripline suspensas Fin lines Freqüência (GHz) Guias dielétricos integrados Guias corrugados Fonte: B. Bhat e S. K. Koul, Analysis, design and applications of fin lines, Norwood: Artech House, p. 43, /08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 19

19 ANÁLISE DE CIRCUITOS EM MICROONDAS 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 20

20 Análise de circuitos em altas freqüências Onda incidente a 1 a 2 Rede de 2 portas Onda refletida b 1 b 2 b b 1 2 = s s s s a a 1 2 Matriz espalhamento 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 21

21 Diagrama de blocos de amplificador de microondas Fonte Rede de casamento de impedâncias de entrada Transistor Rede de casamento de impedâncias de saída Carga a 1 b 1 Rede de 2 portas Z S Z L S 22 transistor em emissor comum a 2 b 2 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 22

22 Classificação Aplicações Circuitos CIRCUITOS INTEGRADOS 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 23

23 Discreto Classificação dos circuitos componentes fabricados separadamente e interligados Integrado chip de monocristal (cristal único) contém elementos ativos e passivos 50 x 50 mils (1 mil equivale a 10-3 polegadas) Circuito integrado monolítico de microondas (MMIC) híbrido ou monolítico 20/08/2015 SEL 369/SEL5900 Apresentação USP EESC SEL 24

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