Circuitos Ativos em Micro-Ondas

Transcrição

1 Circuitos Ativos em Micro-Ondas Unidade 2 Topologias Típicas de Circuitos Transmissores e Receptores Prof. Marcos V. T. Heckler 1

2 Conteúdo Introdução Ruído em circuitos de micro-ondas Topologia de um receptor típico Topologia de um transmissor típico 2

3 Introdução Sistema típico para comunicação sem fio: Antena transmissora Antena receptora Amplificador de potência Guia de onda ou linha de transmissão Onda eletromagnética Guia de onda ou linha de transmissão Amplificador de baixo ruído Gerador de informação Sinais elétricos Circuito transmissor (TX) Circuito receptor (RX) Receptor da informação Sinais elétricos 3

4 Introdução Nesta unidade, serão abordados os seguintes aspectos: Estudo das características principais de circuitos RX e TX Identificação dos componentes necessários para projeto de circuitos RX e TX Estudo dos efeitos e da caracterização do ruído elétrico em sistemas em micro-ondas 4

5 Ruído em Circuitos de Micro-Ondas Definição: Ruído em sistemas de comunicação é um sinal resultante do movimento aleatório de elétrons (e buracos, no caso de semicondutores) devido às vibrações existentes em qualquer material que se encontra a temperaturas acima de 0K. Ruído branco (white noise): É o ruído que apresenta densidade de potência constante com a frequência. 5

6 potência Ruído em Circuitos de Micro-Ondas Espectro e forma de onda: v(t) t frequência Características: -Amplitude varia aleatoriamente no tempo -Potência existente para qualquer frequência 6

7 Ruído em Circuitos de Micro-Ondas Causas (fontes) do ruído elétrico: Ruído térmico Ocorre pela agitação das moléculas do material acima de 0K Ruído de disparo (shot noise) Ocorre em alguns dispositivos semicondutores Ruído de tremulação (flicker noise) Presente em semicondutores Mais intenso nas baixas frequências (1/f-noise) Ruído de plasma Ocorre em gases ionizados, como a ionosfera 7

8 Ruído em Circuitos de Micro-Ondas Temperatura de ruído: Ruído em um resistor de resistência R: + V n 4hfBR V n hf / kt - e 1 Onde: h = 6, J-s é a Constante de Planck k = 1, J/K é a Constante de Boltzmann T é a temperatura, em Kelvin B é a banda do sistema, em Hertz f é a frequência central de operação, em Hertz R é a resistência, em Ohms 8

9 Ruído em Circuitos de Micro-Ondas Temperatura de ruído: Em micro-ondas, hf << kt. Utilizando série de Taylor para realizar a aproximação, resulta que: + - V n V n 4kTBR Potência de ruído: Vn N0 R 2R 2 ktb R V n Filtro passa-baixa ideal com banda passante B R 9

10 Ruído em Circuitos de Micro-Ondas Temperatura de ruído: Temperatura equivalente do resistor: N0 T e kb Para caracterizar um amplificador em termos de ruído, tem-se que: N i = 0 N 0 T = 0K R V n Amplificador com ganho G e temperatura de ruído T e R 10

11 Ruído em Circuitos de Micro-Ondas Temperatura de ruído: Alternativamente: N i N 0 N i ktb e R V n Amplificador com ganho G e sem ruído R N 0 GkT e B 11

12 Ruído em Circuitos de Micro-Ondas Razão Sinal-Ruído: Corresponde à relação entre a potência do sinal e a potência do ruído. SNR P N sinal 0 SNR 12

13 Ruído em Circuitos de Micro-Ondas Figura de ruído: Figura de ruído é uma definição alternativa à temperatura de ruído, e mede a degradação da razão sinal-ruído entre a saída e a entrada de um dispositivo, sempre considerando T = 290K. Por definição: NF S S i o / / N N i o 1 13

14 Ruído em Circuitos de Micro-Ondas Figura de ruído: Relação com a temperatura equivalente de ruído: Relações para sistemas em cascata: T total e T NF 1 T T T o T e2 e3 e1 G1 G1G 2... NF total NF NF 1 NF3 1 G G 2 1 G

15 Topologia de um Receptor Típico Módulos principais: Estágios de RF (rádio-frequência). Estágios de mixagem ou conversão de frequência Estágios de FI (frequência intermediária) Principais considerações para projeto: Ganho Figura de ruído Potência máxima suportada na entrada Frequências dos sinais interferentes Frequências imagem 15

16 Topologia de um Receptor Típico Diagrama de blocos (Receptor GNSS): Estágios de RF Estágios de conversão de frequência Estágios de IF 16

17 Topologia de um Receptor Típico Para o receptor GNSS: Frequência central de operação: 1,575 GHz Sinais interferentes mais importantes: GSM: 1,7 2,0 GHz Radares militares: 1,3 1,4 GHz Frequência imagem: RF = 1575 MHz IF = 78 MHz LO = 1653 MHz IM = 1731 MHz 17

18 Topologia de um Receptor Típico Supressão de interferências: Antena: 18

19 Topologia de um Receptor Típico Supressão de interferências: Pré-amplificador: 19

20 Topologia de um Receptor Típico Supressão de interferências: Antena + Pré-amplificador: 20