Faculdade de Tecnologia e Ciências
Curso: Engenharia de Telecomunicações
Disciplina: Eletrônica de Radiofreqüência
Carga Horária: 80 horas
Professor: Clovis Almeida
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.
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
Faculdade de Tecnologia e Ciências
Primeira parte – 10 aulas
Componentes valvulares
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 180o 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).
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).
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.
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.
Válvulas Magnetron
Empregada como osciladores de alta potência.
Acoplamento
de saída
Cavidade
ressonante
Anodo em
bloco de cobre
Áreas de utilização:
Radares;
Fornos de microondas
Características construtivas básicas:
Catodo no centro no centro e anodo ao
redor do catodo.
Catodo
Terminais para
catodo e filamento
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.
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.
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
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.
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.
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.
Ciclo de trabalho
Importante em sistemas
pulsados como
transmissores de radar.
A potência de pico pode ser
bastante superior à potência
média.
D
P avg
T on
=
TT
= PP D
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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).
Válvula klystron
Válvula Klystron usada no Complexo de Comunicações Espaciais
Camberra – Austrália.
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.
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.
Válvula TWT
(1) Canhão eletrônico;
(2) Entrada de RF;
(3) Solenóides;
(4) Atenuador;
(5) Hélice;
(6) Saída de RF;
(7) Tubo a vácuo;
(8) Coletor.
Um catodo emite elétrons em uma das extremidades;
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.
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.
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.