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Laboratório 3 – Polarização e Transmissão de uma Onda Electromagnética
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 ([email protected]).
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.
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1. Prato rotativoo 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.
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• 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
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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.
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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
45º
x
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 (εr=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.
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L=0.5(m)
Figura 13 – Plano dieléctrico entre as cornetas.
Troque a chapa de plástico por uma chapa de vidro (εr=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.
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