Uma válvula de ondas progressivas, conhecida como TWT (Travelling Wave Tube, em inglês), é um dispositivo eletrônico usado como amplificador de sinal em comunicações sem fio, por exemplo, em satélites artificiais e experimentos científicos na área de física. Por meio de um TWT especialmente concebido para atividades de pesquisa, um estudo com a colaboração do Instituto de Física (IF) da USP demonstrou como a intensidade da corrente elétrica influencia a amplitude das ondas eletromagnéticas que se propagam pelo dispositivo e leva à amplificação do sinal. Os resultados da pesquisa, realizada na Universidade de Aix-Marseille (França) com a participação da física brasileira Meirielen Caetano de Sousa, que é pós-doutoranda no IF, contribuirão para melhorar o desempenho dos equipamentos empregados em telecomunicações.
O TWT é um dispositivo eletrônico a vácuo, no formato de um cilindro, que é adotado como amplificador de ondas eletromagnéticas. “Nesse dispositivo, a amplificação acontece quando as ondas se propagam e interagem com uma corrente elétrica, ou seja, um feixe de elétrons, em um ambiente mantido a vácuo”, explica a física. “Bobinas localizadas do lado de fora do dispositivo produzem campos magnéticos que mantêm o feixe de elétrons se propagando na direção axial, isto é, do eixo do cilindro.”
De acordo com a física, os TWTs industriais possuem entre 2 centímetros (cm) e 30 cm de comprimento e são usados para amplificar um sinal que contém uma informação a ser transmitida. “Em geral, esse tipo de TWT faz parte de um transmissor, o qual possui componentes que produzem as ondas eletromagnéticas (o sinal) e adicionam a elas a informação”, relata. “Como o TWT apresenta uma largura de banda ampla, ele permite a propagação de ondas em um intervalo amplo de frequências, sendo muito usado em comunicações sem fio, como por exemplo, em sondas espaciais e satélites de telecomunicações.” Os TWTs para uso espacial não são fabricados no Brasil, e os principais produtores do equipamento são empresas da Alemanha, China, Estados Unidos, França e Índia.
Dispositivos maiores, com alguns metros de comprimento, são usados em pesquisas científicas na área de física de plasmas (gases com cargas elétricas positivas e negativas que dão origem a campos e ondas eletromagnéticas). “Esses TWTs simulam experimentalmente um sistema feixe-plasma, isto é, um sistema no qual um feixe de elétrons interage com um plasma”, aponta a pesquisadora. “Como a interação entre ondas eletromagnéticas e elétrons acontece no vácuo, o dispositivo possui um nível baixo de ruído, o que permite identificar corretamente os efeitos causados pelo feixe de elétrons. Além disso, também é possível comparar os resultados experimentais com as previsões teóricas”. Atualmente, o TWT da Universidade de Aix-Marseille é o único em operação no mundo para pesquisas de física de plasmas.
Experimentos
A pesquisa foi realizada no TWT do Laboratório de Física das Interações Iônicas e Moleculares (PIIM), na Universidade de Aix-Marseille (França), que possui 4 metros de comprimento. “Ele passou por um upgrade nos últimos anos, com uma mudança na forma de sustentação da hélice através da qual as ondas se propagam”, descreve Meirielen. “Isso melhorou o desempenho do dispositivo e aumentou a precisão das medidas experimentais, o que permitirá a realização de experimentos inéditos.”
Após o upgrade do TWT, foram realizados inicialmente experimentos para analisar a propagação de ondas eletromagnéticas na ausência do feixe de elétrons. “Os resultados experimentais ajudaram a confirmar o modelo teórico que foi elaborado para descrever a propagação de ondas”, afirma a pesquisadora. “Na etapa seguinte, foram investigados fenômenos lineares e não lineares que surgem devido à interação entre a onda eletromagnética e o feixe de elétrons.”
O estudo verificou que a onda eletromagnética interfere no feixe de elétrons quando ele percorre o TWT, chegando ao final do dispositivo com dois picos de velocidade distintos. “Também foi constatado que quando a velocidade dos elétrons é ligeiramente maior que a velocidade da onda, eles transferem energia, fazendo com que a onda seja amplificada até atingir a saturação, ou seja, a amplitude máxima. Esse é o princípio de funcionamento dos TWITs industriais usados como amplificadores de sinal”, ressalta Meirielen. “Por fim, observou-se que a saturação segue o modelo teórico de propagação das ondas quando a corrente elétrica é baixa, e se desvia das previsões teóricas quando a corrente é aumentada.”
Segundo a física, os fenômenos estudados no TWT do Laboratório PIIM também acontecem em dispositivos industriais, por isso o seu entendimento é importante para melhorar os TWTs usados em comunicação sem fio. “Além disso, os dados experimentais serão usados para validar os resultados numéricos obtidos com o código DIscrete MOdel with Hamiltonian Approach (DIMOHA)”, diz. “Esse código descreve interações entre ondas e elétrons em estruturas como os TWTs e simula efeitos que não são previstos pelos códigos utilizados atualmente em aplicações industriais, contribuindo para o seu aperfeiçoamento.”
A pesquisa contou com a participação do professor Iberê Caldas, do IF, e de Fabrice Doveil e Yves Elskens, do Laboratório PIIM da Universidade de Aix-Marseille. Meirielen realizou dois estágios na França. O primeiro em 2014, durante o doutorado defendido em 2015 e descrito na tese Interação onda-partícula: Ressonâncias, aceleração regular e controle do caos. O outro, no pós-doutoramento, em 2019, onde pesquisou sistemas dinâmicos, teoria eletromagnética, micro-ondas, propagação de ondas e antenas.
Os estudos tiveram apoio Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e da Coordenadoria de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes). Os resultados do estudo são descritos no artigo Wave-particle interactions in a long-travelling wave tube with upgraded helix, publicado na revista Physics of Plasmas no último dia 28 de setembro.
Mais informações: e-mails meiri@if.usp.br, com Meirielen Caetano de Sousa, e ibere@if.usp.br, com o professor Iberê Caldas.
