Estamos rapidamente entrando nos circuitos que operam com microondas, ondas da faixa de gigahertz e até terahertz, as chamadas ondas T. Pois bem, muitos olham para trás, para o mundo das válvulas com certo despreza, achando que nunca seria possível desenvolver uma tecnologia de microondas usando válvulas. Não é verdade. Existem válvulas para a faixa das microondas e algumas até são usadas atualmente, como trataremos neste interessante artigo.
As válvulas ainda encontram uma boa gama de aplicações em nossos dias, com especial destaque as que podem operar em frequências muito altas, na faixa de microondas.
Assim, temos como exemplo, as válvulas klystron, gyratrons, magnetrons e um tipo importante, que talvez muitos não conheçam, que é a válvula de ondas progressivas ou traveling wave tube, abreviadamente TWT.
Para entender como essas válvulas operam, vamos partir do princípio de funcionamento das válvulas comuns.
A válvula comum
Na figura 1 temos a estrutura básica de uma válvula tríodo comum, como as usadas na maioria dos equipamentos antigos, assim como nos modernos que ainda empregam esse tipo de componente.
Nela, temos um catodo que é aquecido por um filamento emitindo assim elétrons. Uma placa ou anodo é polarizada positivamente de modo a atrair os elétrons.
Estabelece-se então um fluxo de elétrons entre o catodo e a placa, o que significa uma corrente.
Na válvula tríodo é inserido um eletrodo denominado grade por onde os elétrons podem passar. No entanto, se essa grade for polarizada com certa tensão ela pode controlar o fluxo de elétrons entre o catodo e a placa, ou seja, a corrente através da válvula.
Se a grade estiver negativa, os elétrons emitidos pelo catodo são repelidos e a corrente é cortada. Se a grade for positiva, ela atrai os elétrons, ajudando-os a passar para a placa. A corrente é intensa, conforme mostra a figura 2.
Nessa válvula, podemos controlar então a corrente entre o catodo e a placa por uma tensão aplicada a grade. Essa tensão pode ser um sinal, o que dota a válvula com a capacidade de amplificação, conforme mostra a figura 3
Este é o princípio segundo o qual as válvulas operam como amplificadoras nos aparelhos convencionais. No entanto, da mesma forma como ocorre com os semicondutores, existe um fator que limita sua capacidade de operar com sinais de altas frequências: o tempo de trânsito.
Os elétrons precisam de um certo tempo para percorrer a distância entre o catodo e a placa.
Assim, se a frequência do sinal for muito alta, quando a grade se torna positiva, no semiciclo positivo do sinal, e o feixe de elétrons pode passar, seu movimento tem início, mas quando eles chegam na grade, o sinal já inverteu sua polaridade e eles não passam. Não há corrente. Com isso o sinal não é amplificado.
Da mesma forma, não havendo ganho numa frequência muito alta, uma válvula com esta topologia não pode funcionar como osciladora para uma frequência muito alta.
Na prática, essas válvulas não podem oscilar para além de algumas centenas de megahertz.
Esta foi uma grande limitação que levaram aos esforços na segunda guerra para se criar outros tipos de válvulas como o Magnetron, por exemplo, para poder gerar sinais na faixa das microondas com potências elevadas.
Mas, um tipo de válvula importante, que inclusive foi usado na Apollo 11 nas comunicações, foi a válvula de ondas progressivas ou TWT, mostrada na figura 4.
A Válvula de ondas progressivas
Conforme vimos, o principal fator que limita a operação das válvulas comuns na amplificação de sinais de frequências muito altas é a velocidade com que o sinal se propaga através dela.
Inventada em 1942 por Rudolf Kompfner, ele tem a estrutura básica, mostrada na figura 5.
A válvula de ondas progressivas consiste então num tubo alongado no interior do qual são montados diversos eletrodos. Temos então um catodo que é aquecido por um filamento emitindo um feixe de elétrons. Trata-se então de um canhão, como os encontrados nos tubos de raios catódicos comuns. Uma tensão aplicada ao ânodo acelera os elétrons em direção à extremidade oposta do tubo. Um campo magnético, proveniente de imãs é aplicado ao redor do tubo de modo a concentra os elétrons em um feixe.
Os elétrons emitidos pelo canhão são então focalizados para um eletrodo coletor localizado na outra extremidade do tubo. O impacto do feixe de elétrons contra esse coletor faz com que eles reflitam, fazendo-os retornar ao ao circuito.
No interior do tubo, no percurso do feixe de elétrons de modo que ele passe através dela existe uma hélice de fio, normalmente cobre. O sinal de RF a ser amplificado é aplicado a hélice em um ponto próximo à extremidade emissora do tubo. O sinal é normalmente aplicado a hélice através de uma guia de ondas ou bobina colocada em uma extremidade, formando assim um percurso de sinal unilateral, através de um acoplador direcional.
Ao controlar a tensão de aceleração, a velocidade dos elétrons que fluem pelo tubo é definida para ser semelhante à velocidade do sinal de RF que percorre a hélice. O sinal nessa bobina faz com que um campo magnético seja induzido dentro da hélice, por onde os elétrons estão fluindo. Dependendo da fase do sinal, os elétrons serão acelerados ou desacelerados conforme passam pelas espiras. Isso faz com que o feixe de elétrons "se agrupe", num efeito tecnicamente conhecido como "modulação de velocidade". O padrão resultante de densidade de elétrons no feixe é o mesmo do sinal de RF original.
Mas, como o feixe está passando pela hélice ao se movimentar e esse sinal varia, ele provoca uma indução na hélice que se soma ao sinal original, amplificando-o. O resultado é que quando ele chega à outra extremidade do tubo, o sinal teve um ganho de potência. Um segundo acoplador direcional, posicionado próximo ao coletor, recebe então o sinal amplificada do sinal de entrada que vem extremidade oposta do circuito de RF. Os atenuadores colocados ao longo do circuito de RF impedem que a onda refletida viaje de volta para o cátodo.
Os TWTs de hélice de alta potência geralmente usam uma haste de cerâmica de óxido de berílio suporte da hélice e, em alguns casos, como um coletor de elétrons para o TWT devido às suas propriedades elétricas, mecânicas e térmicas especiais.
Aplicações
Válvulas de ondas progressivas podem gerar sinais de microondas em potências que chegam a mais de 100 kW. Elas podem ser utilizadas em equipamentos de radar, links de satélites, e transmissores de alta potência para aplicações científicas, em frequências de 4,5 a 18 GHz.
