Transcript Pornire prezentare PowerPoint Show

APLICAŢIILE
MICROUNDELOR
Prof.ing.Tiberiu Mociran
Colegiul Tehnic „George Bariţiu”
Baia Mare
Care sunt elementele comune
pentru imaginile de mai jos?
O parte din răspunsuri:
• Necesitatea comunicaţiilor
• Tehnologiile extreme folosite
• Lipsa din programele şcolare de liceu a temelor
aferente
• Curiozitatea privitoare la rezolvarea aspectelor
tehnologice privind comunicaţiile
Lucrarea anterioară „Interferenţe 2010”
CONVERGENŢE TEHNOLOGICE ÎN
COMUNICAŢII SUBACVATICE
http://www.scribd.com/doc/45282513/Comunicatiisubacvatice
• Comunicaţii care folosesc cu predilecţie pentru
distanţe mari unde cu frecvenţe foarte mici, sub
100 Hz ( ELF, VLF) ceea ce înseamnă unde foarte
lungi (lungimi de undă-mii de Km)
• Antene cu dimensiuni geografice.
• Soluţii tehnologice viabile.
Ce sunt microundele?
• Microundele sunt unde Hertziene a căror lungime de
undă este cuprinsă între 1 mm (300 GHz) și 1 m (0,3
GHz).
• Undele Hertziene sunt acele unde electromagnetice la baza
producerii cărora stau oscilaţiile electronilor în circuite
oscilante LC sau în circuite electronice speciale.
• Microundele nu sunt radiaţii ionizante.
• Radiaţia ionizantă este radiaţia care are suficientă energie
pentru ca în urma interacţiei sale cu un atom să poată
expulza un electron de pe orbita atomului, formând ioni.
• O radiaţie este ionizantă dacă are o energie peste 10 eV
(electron volt)
Denumire
ELF
Frecvenţe
3 Hz – 30 Hz
Lungimi de undă
100 Mm – 10 Mm
Energia
12.4 feV – 124 feV
SLF
30 Hz – 300 Hz
10 Mm – 1 Mm
124 feV – 1.24 peV
VF/ULF
300 Hz – 3 kHz
1 Mm – 100 km
1.24 peV – 12.4 peV
VLF
3 kHz – 30 kHz
100 km – 10 km
12.4 peV – 124 peV
LF
30 kHz – 300 kHz
10 km – 1 km
124 peV – 1.24 neV
MF
300 kHz – 3 MHz
1 km – 100 m
1.24 neV – 12.4 neV
HF
3 MHz – 30 MHz
100 m – 10 m
12.4 neV – 124 neV
VHF
30 MHz – 300 MHz
10 m – 1 m
124 neV – 1.24 µeV
UHF
300 MHz – 3 GHz
1 m – 1 dm
1.24 µeV – 12.4 µeV
SHF
3 GHz – 30 GHz
1 dm – 1 cm
12.4 µeV – 124 µeV
EHF
30 GHz – 300 GHz
1 cm – 1 mm
124 µeV – 1.24 meV
FIR
300 GHz – 3 THz
1 mm – 100 µm
1.24 meV – 12.4 meV
MIR
3 THz – 30 THz
100 µm – 10 µm
12.4 meV – 124 meV
NIR
30 THz – 300 THz
10 µm – 1 µm
124 meV – 1.24 eV
NUV
300 THz – 3 PHz
1 µm – 100 nm
1.24 eV – 12.4 eV
EUV
3 PHz – 30 PHz
100 nm – 10 nm
12.4 eV – 124 eV
SX
30 PHz – 3 EHz
10 nm – 100 pm
124 eV – 12.4 keV
HX
3 EHz – 30 EHz
100 pm – 10 pm
12.4 keV – 124 keV
Y
30 EHz – 300 EHz
10 pm – 1 pm
124 keV – 1.24 MeV
Fundamente teoretice elementare.
Ecuaţiile lui Maxwel pot fi traduse într-un
limbaj accesibil astfel:
 În repartiţia lor instantanee sarcinile
electrice determină un câmp electric
care variază în timp;
 Un câmp electric care variază în timp
produce câmp magnetic;
 Câmpul magnetic variază în timp şi el
producând conform legii inducţiei
electromagnetice un nou câmp electric
variabil în timp;
 Rezultatul este apariţia unei succesiuni
de fronturi ale câmpului
electromagnetic care variază în timp şi
spaţiu, undă electromagnetică.
Unda electromagnetică
Provocarea reprezentării corecte
Dispozitive electronice care produc şi amplifică
microunde. Magnetronul
Magnetronul. Funcţionare.
• Electronii emişi de catod se mişcă sub influenţa
simultană a câmpului electric şi magnetic, câmpuri
perpendiculare între ele.
• Traiectoriile electronilor capată o curbură cu atât mai
strânsă cu cât câmpul magnetic este mai intens.
• Sub acţiunea simultană a celor două forţe, electronii
execută traiectorii complicate, de forma unor cicloide,
rotindu-se în jurul catodului şi inducând în rezonatoare
un câmp de microunde.
• Puteri mari de ieşire şi randament ridicat. Banda de
frecvenţe este îngustă.
Clistronul reflex
generator de microunde
• La trecerea electronilor prin grilele corespunzătoare
cavităţii ei vor fi modulaţi în viteză în urma
interacţiunii cu câmpul electric din cavitate.
• Electronii sunt respinşi de către reflector şi trimişi
înapoi în spaţiul dintre grilele cavităţii. În funcţie de
viteza lor, electronii parcurg drumuri diferite în
spaţiul dintre cavitate şi reflector (spaţiu de grupare).
• Oscilaţiile sunt extrase prin intermediul unei bucle.
Clistronul de tranzit
amplificarea semnalelor din domeniul microundelor
• În urma modulaţiei de viteză electronii se vor grupa în
timpul deplasării lor către colector realizând o modulaţie de
densitate, deoarece electronii rapizi îi ajung din urmă pe cei
mai lenţi.
• Electronii vor ceda energie cavităţii de extragere.
Tuburi cu unda progresivă
TWTA - traveling wave tubes amplifier
• Sunt tuburi speciale de microunde folosite ca amplificatoare
de bandă largă
• Există interacţiune între undă şi electroni
• În urma interacţiunii între liniile de câmp şi fasciculul de
electroni rezultă modulaţia de viteză a electronilor.
• Tubul cu undă progresivă este astfel construit încât numărul
de electroni care cedează energie undei este mult mai mare
decât al acelora care primesc energie de la undă
Dioda varactor (varicap)
• Pentru o polarizare în sens invers, schema echivalentă de
semnal mic a diodei varactor se reduce, practic, la o
capacitate a cărei valoare depinde puternic de mărimea
tensiunii de polarizare.
Dioda PIN
• Aplicaţiile principale ale diodelor PIN sunt de
modulare-atenuare ale semnalelor analogice, de
modulare de impulsuri sau comutator de radiofrecvenţă.
• Într-o diodă PIN conducţia este determinată de numărul
de purtători injectaţi în stratul central “I” care nu este
dopat şi care se numeşte strat intrinsec.
Dioda Tunel (Esaki)
Caracteristica diodei tunel
Oscilator de înaltă frecvenţă cu diodă tunel
• Dioda tunel se utilizează in circuite electronice de
amplificare, oscilaţie si comutaţie.
• Dacă tensiunea de polarizare a diodei creşte peste o anumită
valoare, curentul prin diodă scade.
• Fenomenul de rezistenţă negativă apare din cauza
concentraţiei mari de impurităţi în zonele p şi n, din cauza
lăţimii mici a regiunii de trecere (0,01 microni).
Dioda Gunn.
Structura diodei Gunn
Caracteristica diodei Gunn
John Battiscombe Gunn (1928-2008)
• Folosit la amplificarea sau la generarea oscilaţiilor.
• Funcţionarea se bazează pe efectul Gunn care constă în
transferul electronilor de conducţie dintr-o zonă a
benzilor energetice în alta.
• Acest efect se produce la anumite materiale
semiconductoare (Ga As, In P etc.) atunci când local,
intensitatea câmpului electric depăşeşte o anumită
valoare critică.
Alte dispozitive semiconductoare
• Dioda Impatt (IMPact Avalanche Transit Time)
• Dioda Trapatt (TRApped Plasma Avalanche Triggered
Transit)
• Dioda Baritt (BARrier Injection Transit Time)
Tranzistoare
 MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor)
HEMT (High electron mobility transistor)
MOSFET (Metal oxide field effect transistor)
HBT (Heterojonction Bipolar Transistor)
„European Microwave
Association” (EUMA)
Acces la multe noutăţi în domeniu, publicaţii
• adresa
http://www.eumwa.org/
Aplicaţiile microundelor. Tehnologii de
radiolocaţie.
RADAR – Principiu de funcţionare
Dirijarea zborurilor
Ecran RADAR
Ţinte pe ecran RADAR
Aplicaţiile microundelor. Tehnologii de
radiolocaţie.
• Undele electromagnetice sunt reflectate dacă întâlnesc
o suprafaţă conductoare electric.
• Folosind antene de construcţie specială se poate
determina direcţia obiectelor (în azimut şi elevaţie) dar
şi viteza autovehiculelor.
Sistemul de Poziţionare
Globala (GPS)
• GPS-ul foloseşte sateliţii ca puncte de referinţă pentru a
calcula poziţiile cu o acurateţe de domeniul metrilor, dar cu
variante avansate de GPS se pot face măsurători cu o
acurateţe mai mică de un centimetru!
Aplicaţii în medicină
• Diatermia- Încălzirea ţesuturilor în câmp de înaltă
frecvenţă. Intensitatea nu trebuie să depăşească 100mW pe
centimetru pătrat.
• Diagnosticul cu microunde- Tehnica medicală de
reprezentare prin divergenţă şi reflexie.
• Terapia cu microunde (Microwave Resonance
Therapy)- dirijarea radiaţiilor în zona punctelor de
acupunctură.
Cele mai folosite unde EHF în terapie se situează în zona
4,9 mm (60.12GHz), 5,6 mm (53.33GHz) şi 7,1 mm (42.19
GHZ). Dispozitivele comerciale au o gamă de frecvenţe
între 54GHz şi 75GHz, adică lungimi de unde între 3,9 şi
5,6 mm.
Active denial system (raza durerii)
• Active Denial System (ADS) face parte din categoria
armelor non-letale şi a fost concepută şi realizată de armata
S.U.A.
• Emite un fascicol de mare putere de unde electromagnetice
sub formă de microunde de înaltă frecvenţă, de 95 GHz (cu
o lungime de undă de 3,2 mm).
Reţele de comunicaţii
• Aplicaţiile includ comunicaţiile de bandă largă necesare pe
mijloace de transport terestre, iahturi, bărci. ("Internet on
the Move").
• Microundele permit recepţia programelor de televiziune şi
radiodifuziune DVB-S/S2 “Satellite TV on the Move”.
DVB-S2 asigură servicii interactive şi televiziune de înaltă
definiţie.
Comunicaţii spaţiale de mare distanţa
(Deep Space Network)
DSN Goldstone
DSN Canberra
DSN Madrid
• Programul DSN (Deep Space Network) realizat de NASA
asigură comunicaţiile prin microunde între sondele spaţiale
îndepărtate cum sunt Voyager 1, Voyager 2 şi staţiile de
emisie - recepţie aflate pe Pământ.
• Amplasamentele decalate la 120 de grade longitudine
permit comunicaţii continue cu o navă sau sondă spaţială.
Comunicaţii spaţiale de mare distanţa
(Deep Space Network)
• Sondele Voyager se află la 107 AU.
• 1 AU = 8,317 minute lumină (150 milioane Km)
Comunicaţii spaţiale de mare distanţa (Deep Space
Network)
• Alimentarea cu energie electrică a sondelor spaţiale a fost
realizată cu trei generatoare termoelectrice care
funcţionează pe bază de Plutoniu 238.
• Căldura este convertită în energie electrică cu ajutorul
termocuplurilor bimetalice obţinându-se 470 de waţi la o
tensiune de 30 volţi.
• Transmisiunile se realizează în benzile de microunde 2-4
Ghz pentru uplink şi 8-12 Ghz pentru downlink. Datele se
transmit şi se recepţionează cu o antenă parabolică cu câştig
mare cu diametrul de 3.7 metri. Se folosesc în instalaţii
magnetroane şi tuburi cu undă progresivă (TWTA).
Recepţionarea programelor de radioteleviziune de pe
sateliţi cu calculatorul.
• placă care intră in slotul PSI de tip SKYSTAR 2 sau
SKYSTAR 2 HD
• antenă parabolică
• LNB (low noise block)
• câţiva metri de cablu coaxial
Recepţionarea programelor de radioteleviziune
de pe sateliţi cu calculatorul.
• Unul din cele mai complete şi uşor de folosit este programul
PROGDVB care se poate descărca de pe internet în mod gratuit.
• Funcţionează bine, au multe programe necodate, au acoperire bună
pentru Europa sateliţii ASTRA, HOTBIRD, SIRIUS, THOR,
EUTELSAT, AMOS.
• Coordonatele sateliţilor şi acoperirea geografică pot fi prelevate uşor
de pe site-ul http://www.satbeams.com/
Bibliografie
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
[1] A.Policec, T.D. Gligor, Gh.Ciocloda, 1983, „Electronică Medicală”, Editura Dacia, Cluj
Napoca, pag. 122-128
[2] D.D. Sandu, 1982, „Dispozitive Electronice Pentru Microunde”, Editura Ştiinţifică şi
Enciclopedică, Cluj Napoca, pag. 62-422
[3] Gr. Antonescu, 1978, „Dispozitive Semiconductoare Pentru Microunde”, Editura
Tehnică, Bucureşti, pag. 13-274
[4] Rodica Strugaru, 1982, „Electronică medicală”, Editura Didactică şi Pedagogică,
Bucureşti, pag. 216-222
[5] Tudor Niculescu, Dan Bănoiu, Radu Cheregi, 1990, „Transmiterea Imaginilor TV la
Distanţă”, Editura Militară, Bucureşti, pag 127-166
Informaţii şi imagini au mai fost luate de pe paginile:
http://www. nasa.gov
http://www. jpl.nasa.gov/
http://www. satbeams.com/
http://www.raditek.com/
http://www.wikipedia.org/
http://www.radartutorial.eu/
http://www.eumwa.org/