Engenharia de Micro Ondas-2022 1

1 ENGENHARIA DE MICRO ONDAS Prof. Alexandre Serres 2 Caracterização das micro-ondas 1.1 Introdução 1.2. Ocupação do espectro eletromagnético 1.3. As frequências de micro-ondas 1.4. Vantagens das micro-ondas 1.5.O que há de errado com a teoria tradicional do circuito? 1.6. Desvantagens das Micro-ondas 1.7. Evolução das Tecnologias 1.8. Exemplo - 1.4. Áreas importantes na tecnologia de micro-ondas 1.5. Limitações dos elementos de circuitos de micro-ondas 1.6. Limitações dos elementos ativos 3 Introdução O que queremos dizer com alta frequência? Queremos dizer frequências nas quais o comprimento de onda é comparável ou menor que os tamanhos físicos dos componentes interessados. 4 Introdução O que é o comprimento de onda? Comprimento de onda é uma distância em qual uma única onda de frequência propaga-se durante o seu ciclo completo (= período T)      sec /sec T v cm cm    5 Ocupação do espectro eletromagnético Espectro eletromagnético Define-se como espectro eletromagnético o conjunto de todas as frequências que constituem a energia eletromagnética. A União Internacional de Telecomunicações (UIT) é a agência da ONU especializada em tecnologias de informação e comunicação. Destinada a padronizar e regular as ondas de rádio e telecomunicações internacionais, a agência é composta por todos os 193 países membros da ONU e por mais de 700 entidades do setor privado e acadêmico. http://www.itu.int/en/Pages/default.aspx 6 Ocupação do espectro eletromagnético 7 Ocupação do espectro eletromagnético Diversos serviços estão previsto nas faixas de frequências fixadas. 8 As frequências de micro-ondas O que queremos dizer com sinais e circuitos “Micro-ondas”? Os sinais elétricos dentro da faixa de 300 MHz e 300 GHz são chamados de sinais de micro-ondas, e os circuitos que operam nesta faixa de frequência são chamados de circuitos de micro-ondas. 1 MHz 1 GHz  1 Mega Hertz = 1 x 106 Hz 1 Giga Hertz = 1 x 109 Hz 9 As frequências de micro-ondas Por que precisamos trabalhar em frequências de “Micro-ondas"? Porque os sistemas projetados nas frequências de micro- ondas têm algumas características únicas. 10 Vantagens das microondas 1. Suporta maior largura de banda e, portanto, mais informações são transmitidas. Por esse motivo, as microondas são usadas para comunicações ponto-a-ponto. 2. Maior ganho de antena é possível. 3. Taxas de dados mais altas são transmitidas conforme a largura de banda é maior. 4. O tamanho da antena é reduzido, pois as frequências são mais altas. 5. Baixo consumo de energia, pois os sinais são de frequências mais altas. 6. O efeito do desvanecimento é reduzido usando a propagação na linha de visão. 7. Fornece área de reflexão efetiva nos sistemas de radar. 8. Comunicações por satélite e terrestres com altas capacidades são possíveis. 9. Componentes de micro-ondas miniaturizadas de baixo custo podem ser desenvolvidos. 10.Uso efetivo do espectro com ampla variedade de aplicações em todas as faixas de frequência de operação disponíveis. 11 O que há de errado com a teoria tradicional do circuito? Por que precisamos de novas ferramentas para a análise de circuitos de alta frequência? O que há de errado com a teoria tradicional do circuito? Para entender parcialmente as respostas a essas perguntas, vamos estudar um circuito simples de um componente operando em alta frequência !!! 12 O que há de errado com a teoria tradicional do circuito? Exemplo: Encontrar a corrente I2 no terminal de saída de um resistor em série quando a corrente em sua porta de entrada é conhecida.   0 0 1 0 0 1 0 I I ] [ I I cos ) (        e jt e t t i I2 = I1, isso está correto? 13 O que há de errado com a teoria tradicional do circuito? I2 = I1 é uma aproximação válida para operações em baixa frequência; Corrente é a propagação de distúrbios de elétrons; Distúrbios físicos levam uma quantidade finita de tempo para viajar da entrada para a saída.     d dt t j d t e e t t t i             0 2 ( 0 0 2 I I ] [ I I cos ) ( Tempo de atraso para uma perturbação viajar até a saída l v td  / 1 2 I I 14 O que há de errado com a teoria tradicional do circuito? Suponha que l = 1 cm e v = c = 3,0x108 m / seg (velocidade da luz)                0036 .0 10 1 2 10 sec 0.3 .0 01 sec) 1 (300 10 2 5 / 8 300 3                      v l dt KHz d m m t Para f = 300 KHz, Para f =300 MHz  6.3 10 1 2 2      dt Para f = 3 GHz 36 10 2  dt    15 Desvantagens das Micro-ondas 1. Custo do equipamento ou custo de instalação é alto. 2. Eles são pesados e ocupam mais espaço. 3. Interferência eletromagnética pode ocorrer. 4. Variações nas propriedades dielétricas com temperaturas podem ocorrer. 16 Aplicações das micro-ondas Comunicações sem fio • Chamadas telefônicas de longa distância • Bluetooth • WIMAX • Transmissões de radiodifusão ao ar livre • Unidade de captação remota • Televisão por satélite (DBS) • Sistemas de Comunicação Pessoal (PCSs) • Redes locais sem fio (WLANs) • Sistemas de Vídeo Celular (CV) • Sistema de prevenção de colisão de automóvel 17 Aplicações das micro-ondas Eletrônicos • Interruptores rápidos sem jitter • Defasadores • Geração de altas frequências • Elementos de ajuste • Medidas de ataque eletrônico (ECM / ECCM Electronic Counter Measure) • Sistemas Espalhamento espectral 18 Aplicações das micro-ondas Usos Comerciais • Alarmes contra roubo • Abridores de portas de garagem • Detectores de velocidade da polícia • Identificação por métodos sem contato (RFID – NFE) • Celulares, pagers (bip-Bip), LANs sem fio • Televisão por satélite • Detectores de movimento • Sensoriamento remoto 19 Aplicações das micro-ondas Navegação • Sistemas globais de navegação por satélite • Sistema de Posicionamento Global (GPS) • Sistema Galileo • Sistema Glonass • Sistema Beidu 20 Aplicações das micro-ondas Militar e Radar • Radares para detectar o alcance e a velocidade do alvo. • Aplicações SONAR • Controle de tráfego aéreo • Previsão do tempo • Navegação de navios • Aplicativos de desminagem • Aplicação de limite de velocidade • Militar usa frequências para comunicações e para as aplicações acima mencionadas. 21 Aplicações das micro-ondas Aplicações de pesquisa • Ressonâncias atômicas • Ressonâncias nucleares 22 Aplicações das micro-ondas Radioastronomia • Radiação cósmica de fundo em micro-ondas cósmica (BINGO) • Detecção de ondas poderosas no universo • Detecção de muitas radiações no universo e na atmosfera da Terra 23 Aplicações das micro-ondas Indústria alimentícia • Fornos de micro-ondas utilizados para reaquecimento e cozimento • Aplicações de processamento de alimentos • Aplicações de pré-aquecimento • Pré-cozimento • Assar grãos de comida / feijão • Secagem • Nivelamento de umidade • Absorção de moléculas de água 24 Aplicações das micro-ondas Usos Industriais • Borracha de vulcanização • Aplicações de Química Analítica • Processos de secagem e reação • Processamento de Cerâmica • Matriz de polímero • Modificação de superfície • Processamento de vapor químico • Processamento de pó • Esterilização de produtos farmacêuticos 25 Aplicações das micro-ondas • Síntese química • Processamento de resíduos • Transmissão de energia • Perfuração de túneis • Cura de cimento • Iluminação RF • Reatores de fusão • Active denial systems 26 Aplicações das micro-ondas Aplicações Médicas • Monitorando o batimento cardíaco • Detecção de água no pulmão • Detecção de tumor • Hipertermia micro-ondas • Aplicações terapêuticas • Aquecimento local • Angioplastia • Tomografia de micro-ondas • Imagem termoacústica 27 Evolução das Tecnologias - Guia de onda - Estruturas planares 28 Exemplo Emprego em radar 1 2 3 5 4 12 10 11 13 8 9 6 7 29 Aplicações importantes para micro-ondas Símbolos de componentes de RF 30 Ocupação do espectro eletromagnético 31 Áreas importantes na tecnologia de micro-ondas A partir de certa frequência é difícil especificar valores confiáveis de tensão e corrente e passa-se a operar com campo elétrico, campo magnético e potência. Geração e processamento do sinal Transmissão do sinal de micro-ondas As técnicas de medição Frequência ou comprimento de onda Coeficiente de onda estacionária Potência Atenuação 32 Limitações dos elementos de circuitos de micro-ondas 33 Limitações dos elementos de circuitos de micro-ondas Comportamento de um indutor real 34 Limitações dos elementos de circuitos de micro-ondas Indutor em série is is is jX R Z       2 2 2 1 R C LC R R l l is            2 2 2 2 1 1 R C LC R C LC L X l l is           35 Limitações dos elementos de circuitos de micro-ondas Indutor em // ip ip ip B G Y     2 2 L R R G l l ip          2 2 2 2 1 L R LC L R C B l l ip        Condutância Susceptância 36 Limitações dos elementos de circuitos de micro-ondas         L C R LC f l 2 0 1 2 1  Exemplo R = 5Ω L = 1nH C = 1pF 37 Limitações dos elementos de circuitos de micro-ondas 38 Limitações dos elementos de circuitos de micro-ondas Comportamento de um capacitor real Perdas de potência no dielétrico Indutância e Resistência parasitas 39 Limitações dos elementos de circuitos de micro-ondas Cs Cs Cs jX R Z   2) 1 ( C R R R R p p s Cs                  2 2 1 C R R C L X p p Cs           C L G LC f p 2 0 1 2 1  Condutância do dielétrico 40 Limitações dos elementos de circuitos de micro-ondas Exemplo L = 1nH R = 1Ω C = 10pF Rp = 1MΩ 41 Limitações dos elementos de circuitos de micro-ondas 42 Limitações dos elementos de circuitos de micro-ondas Comportamento do resistor real Resistor ideal 43 Limitações dos elementos de circuitos de micro-ondas R R R jX R Z       2 2 2 1 R C LC R R T T R            2 2 2 2 1 1 R C LC R C LC L X T T R           44 Limitações dos elementos de circuitos de micro-ondas Exemplo R=10Ω Rl = 0.5Ω L = 1nH C = 1pF 45 Limitações dos elementos de circuitos de micro-ondas 46 Limitações dos elementos ativos Diodo Schotky 47 Limitações dos elementos ativos Transistor bipolar BF 48 Limitações dos elementos ativos Transistor bipolar HF 49 Limitações dos elementos ativos Transistor bipolar RF