GUIA DE LABORATÓRIO LABORATÓRIO 3 POLARIZAÇÃO E TRANSMISSÃO DE UMA ONDA ELECTROMAGNÉTICA 1. RESUMO Utilização de duas cornetas rectangulares para emissão e recepção de uma onda electromagnética linearmente polarizada. Determinação da atenuação introduzida por placas dieléctricas. 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. 2.1. 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 e-mail 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. 2.2. 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, 737405. 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. www.iscte.pt/~jmrc/proe Pag. 1
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, 73701. 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, 73705. Dispositivo de dois porto que irá modular a onda electromagnética com um sinal rectangular com 1(kHz) de frequência. Figura 3 Modulador PIN. Isolador, 73706. 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. www.iscte.pt/~jmrc/proe Pag. 2
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. Cornetas, 73721. 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. Detector de microondas, 737035. Transição guia de ondas para cabo coaxial através de um díodo detector que gera no cabo coaxial um sinal de tensão proporcional à densidade de potência no guia de ondas. Prato polarizador, 73727. Prato circular constituído por diversas finas tiras de cobre paralelas. Devido a elevada condutividade do cobre, o prato impede a passagem de campos eléctricos paralelos às tiras. Figura 7 Prato polarizador. 2.3. 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 8, ligue o díodo Gunn e o www.iscte.pt/~jmrc/proe Pag. 3
modulador PIN através de cabos BNC às respectivas saídas de alimentação na plataforma rotativa. Plataforma rotativa Díodo Gunn Isolador Ondâmetro Atenuador Variável Modulador PIN Figura 8 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. Aparafuse a segunda corneta a um troço de guia. Em seguida, ligue a outra extremidade do guia ao detector. Coloque dois postes com 25 (cm) de suporte em junto a cada uma das falanges do guia. Por fim, ligue com um cabo BNC o detector à entrada do canal 1 do osciloscópio, Figura 9. Assegure-se que o lado maior a abertura da corneta fica paralela com a mesa. Osciloscópio Troço de Guia Detector Figura 9 Esquema da montagem em recepção. E. Separe as aberturas das antenas de L=1(m) e assegure-se que as antenas estão alinhadas entre si. L=1(m) Figura 10 Distância entre as antenas. F. Ligue a plataforma rotativa à tomada através de um transformador de 12(V). Ligue o osciloscópio. Ajuste o canal 1 do osciloscópio de modo a visualizar uma onda quadrada com cerca de 1(KHz) de frequência. 4. ESTRUTURA DA DEMONSTRAÇÃO De seguida descrevem-se os resultados essenciais que devem ser apresentados pelos alunos. 4.1. 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 onda quadrada diminui). Registo o valor de frequência indicado no ondâmetro. Volte a dessintonizar o ondâmetro. www.iscte.pt/~jmrc/proe Pag. 4
4.2. POLARIZAÇÃO Coloque o parto polarizador entre as duas cornetas a cerca de 0.5(m) da abertura de cada uma. Assegure-se que o centro do prato encontra-se centrado com o eixo da cornetas e que simultaneamente o prato encontra-se paralelo com as aberturas das cornetas. Rode o prato de modo às tiras ficarem paralelas com a face maior da corneta. Registe o valor a amplitude pico a pico da onda quadrada no osciloscópio. Rode o prato de 90º a 270º com intervalos de 10º registando em cada posição angular a amplitude pico a pico do sinal no osciloscópio. Assegure-se que sempre que roda o prato não altera a sua posição. A atenuação introduzida pelo prato pode ser calculada normalizando os valores lidos ao máximo obtido. Represente a atenuação medida em função do ângulo de orientação das tiras. Sobreponha aos pontos medidos a curva teórica correspondente. Identifique o tipo de polarização do campo gerado pela corneta. L=0.5(m) Figura 11 Prato polarizador entre as cornetas. 4.3. REFLEXÃO NUMA SUPERFÍCIE METÁLICA Retire o prato do espaço entre as cornetas. Registe o valor da amplitude pico a pico do sinal no osciloscópio. Rode em 90º a montagem da corneta de recepção de modo a ficar o lado menor da abertura da corneta de recepção paralela à mesa. Alinhe as cornetas em si. Registe o novo valor no osciloscópio. Experimente segurar a chapa metálica de 28.3(cm) 28.3(cm) a meio da ligação entre as corneta de modo à chapa fazer cerca de 45º com a vertical. Desloque a chapa horizontalmente ao longo do eixo do x. Verifique se existe alguma posição que maximize a amplitude do sinal recebido. Explique o efeito observado. z x 45º y Figura 12 Chapa metálica entre as cornetas. 4.4. ATENUAÇÃO INTRODUZIDA POR UMA PLACA DIELÉCTRICA Guarde a chapa metálica. Volte a rodar a montagem de recepção de modo ao lado maior da abertura da corneta ficar paralelo à mesa. Alinhe as cornetas entre si. Registe o valor da amplitude pico a pico do sinal no osciloscópio. Coloque uma chapa de plástico (ε r =2.5) de 28.3(cm) 28.3(cm) a meio da ligação e paralela com as aberturas das cornetas. Registe o novo valor de amplitude no osciloscópio. Calcule a atenuação em decibéis (10log) introduzida pela chapa dieléctrica. Meça a espessura da chapa de plástico. www.iscte.pt/~jmrc/proe Pag. 5
L=0.5(m) Figura 13 Plano dieléctrico entre as cornetas. Troque a chapa de plástico por uma chapa de vidro (ε r =7). Repita o ensaio anterior e determine o novo valor de atenuação em decibéis. Meça a espessura da chapa de vidro. Determine teoricamente a atenuação em decibéis introduzida por uma chapa infinita com a espessura medida em função do valor da sua permitividade relativa. Compare e comente os resultados calculados com os valores medidos neste ensaio. 5. CONCLUSÃO DA SECÇÃO DE LABORATÓRIO A. Desligue o osciloscópio. B. Desligue a plataforma rotativa. www.iscte.pt/~jmrc/proe Pag. 6