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quinta-feira, 15 de novembro de 2012


ONDAS ESTACIONÁRIAS
Pesquisa e adaptação de PU1-KLE / PX1-W-8232 - Charles.
Na verdade a maioria dos radioamadores e dos PX conhecem um pouco, ou já
ouviram falar, das ondas estacionárias, mas se aprofundar no assunto é de
grande importância para todos que operam estações de radio.
Estas ondas, que aparecem nas linhas de transmissão, devem ser mantidas num
nível baixo para que o rendimento das emissões e dos próprios equipamentos
não sejam comprometidos. Mas, o que são realmente estas ondas, como se
formam, e como pode a sua ação ser reduzida, e, finalmente, como podem ser
medidas? Isto é algo que não são muitos os que conhecem a ponto de poder
tomar decisões em sua função. Tudo isso é o que veremos agora.
Para que um transmissor funcione corretamente, toda energia de alta frequência
gerada nos circuitos eletrônicos deve ser levada à antena e irradiada. Para esta
finalidade existe um elemento físico, um cabo, denominado "linha de
transmissão", que faz a conexão dos dois: transmissor à antena.
Essa linha não apresentaria interesse maior para os operadores ou projetistas
das estações de rádio se não fosse alvo da ocorrência de um fenômeno
importante, capaz de reduzir consideravelmente a eficiência do sistema.
Se ocorrerem problemas de adaptação entre a linha e o transmissor ou entre a
linha e a antena, ocorrem sérios problemas na transferência da
energia. Reflexões podem então reduzir a energia irradiada e não é só isso: essa
energia não transmitida volta para os circuitos do transmissor podendo
sobrecarregá-los a ponto de causar a queima de componentes importantes.
Os sinais que refletem na linha de transmissão dão origem às chamadas "ondas
estacionárias", ou do inglês "standing waves". Estas ondas que também se
manifestam em sistemas mecânicos como, por exemplo, uma onda que se
propaga através de uma corda vibrante, é o assunto que passamos a abordar em
maior profundidade.


TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA
Para que ocorra a máxima transferência de energia de um sistema para outro
como, por exemplo, de um transmissor para uma antena, é preciso que suas
impedâncias sejam iguais.
Se a ligação de um sistema A a um sistema B for direta o modo como esta
ligação é feita não importa, pois os fios não influem na transferência da energia.
Entretanto, se o sistema A (um transmissor por exemplo) estiver longe do
sistema B (uma antena, por exemplo) é preciso que o cabo que os une, ou seja,
a linha de transmissão, tenha características apropriadas, para que não ocorram
modificações no processo.
A linha de transmissão deve ter a mesma impedância dos outros elementos do
sistema, ou seja, o transmissor e a antena.
Para fios comuns, a impedância apresentada depende do comprimento
considerado, o que não os torna muito próprios para serem usados na ligação de
transmissores a uma antena. Isso ocorre porque, em altas frequências, entram
em ação a indutância dos fios e a capacitância entre eles, a qual depende
justamente do comprimento.
Para a condução de tais sinais existe; entretanto, uma solução, que consiste no
uso de fios especiais, ou seja, cabos, em que a construção física é tal que a
impedância, para uma ampla faixa de frequências, se mantém constante
independentemente do comprimento do fio e da própria frequência do sinal que
deve ser conduzido.
Assim, quando dizemos que um cabo coaxial tem uma impedância de 75 ohms
ou 50 ohms, não importa se o comprimento considerado seja de 20 centímetros
ou 20 metros.
Com a utilização de um transmissor cuja saída seja de 50 ohms de impedância,
de um cabo de 50 ohms de impedância (qualquer comprimento) e uma antena de
50 ohms, teríamos certamente o máximo rendimento para uma estação.
Na prática, entretanto, se podemos manter a impedância do transmissor no valor
certo, do cabo no valor certo, a impedância da antena nem sempre se ajusta
perfeitamente a isso, e aí começam a aparecer os problemas.


IMPEDÂNCIA DE ANTENA
Para entender melhor o fenômeno vamos imaginar um sistema em que tenhamos
um transmissor, um cabo coaxial, mas em lugar da antena seja colocada uma
lâmpada.
Vamos supor inicialmente que a lâmpada tenha uma resistência constante de
filamento, igual a 50 ohms, e que corresponda à impedância da linha de
transmissão e da própria saída do transmissor.
Ligando o transmissor, toda a energia será transferida para a lâmpada que a
absorverá e a converterá em luz e calor. A lâmpada acenderá então com seu
brilho normal.
Se em seu lugar for ligada uma antena de 50 ohms a transferência de energia
para o espaço na forma de ondas eletromagnéticas será total.
O que aconteceria se em lugar de uma lâmpada de 50 ohms fosse ligada uma de
150 ohms?
O resultado seria um "descasamento de impedâncias". A lâmpada não
conseguiria absorver toda a energia do transmissor vinda pelo cabo, e não tendo
o que fazer com o excedente dessa energia, ela a refletiria de volta ao
transmissor. A absorção seria de 75% e a parte refletida de 25%.
É claro que esta energia refletida terá de ir para algum lugar pois não pode ficar
"acumulada" no fio, e este algum lugar são os componentes de saída do circuito
do transmissor. Estes componentes têm de dissipar esta energia refletida,
transformando-a em calor, já que ela não pode ser irradiada, e o resultado será
um aquecimento adicional que pode causar problemas de funcionamento.
Nem sempre o projeto do transmissor prevê um aquecimento muito maior do que
o obtido em funcionamento normal e isso pode causar a queima de
componentes. Para um transmissor transistorizado pode ocorrer a queima dos
transistores de saída e para os transistores valvulados teremos um
"avermelhamento" das placas das válvulas com uma sobrecarga e redução da
vida útil.
Por que a onda refletida faz tudo isso? O que ocorre dentro do cabo?
Para entender estes fatos, avançaremos um pouco nas nossas explicações,
tomando por base uma analogia mecânica. Na verdade, esta analogia mecânica
se aplica aos sistemas que podem estar num dispositivo que transfira energia
através de uma corda, ou de um tubo usando algum tipo de vibração mecânica.


AS ONDAS ESTACIONÁRIAS
Imaginemos uma corda com uma extremidade presa a uma parede.
Movimentando rapidamente para cima e para baixo a extremidade livre da corda,
podemos produzir uma onda transversal que se propaga com uma certa
velocidade. O comportamento desta onda é análogo ao de uma onda elétrica que
percorre um cabo coaxial.
A única diferença é que no caso do sinal elétrico temos uma tensão que varia ao
longo da linha e a percorre numa velocidade de centenas de milhares de
quilômetros por segundo. No cabo temos uma amplitude mecânica e a velocidade
de propagação é da ordem de centenas de metros por segundo, conforme o
material de que ele é feito. Pois bem, se na extremidade fixa da corda houver um
sistema de amortecimento que possa absorver toda a energia que é transportada
pela onda transversal tudo bem: a onda chega a este ponto e transfere sua
energia desaparecendo. No entanto, se esta oscilação não tiver sua energia
absorvida, a onda reflete e volta ao ponto de partida.
Temos então uma onda refletida que pode ter maior ou menor intensidade,
conforme a energia que eventualmente tenha sido absorvida no ponto fixo de
reflexão. No caso de um transmissor de rádio não temos simplesmente uma onda
mas sim a produção constante de ondas, ou um trem de ondas, e essas ondas
vão continuamente do transmissor para a antena. Seria como o movimento
constante da mão (transmissor) produzindo as ondas que vão para a antena
(parede).
Isso significa que, se houver reflexão dessas ondas no final da linha, as ondas
que vão se combinam com as ondas que vem e o resultado é bastante
interessante: como as frequências das ondas num sentido e noutro são iguais
(seus comprimentos também), ocorre um fenômeno de batimento em que
aparecem pontos de máximos e mínimos fixos, bem estabelecidos ao longo da
extensão da linha ou corda.
Se a intensidade da onda refletida for a mesma da onda incidente, ou seja, se
tivermos 100% de reflexão, os pontos de máximo terão a intensidade
(amplitude) correspondente ao dobro da amplitude de cada sinal e os pontos de
mínimo corresponderão a nulos.
Se a intensidade da onda refletida for menor, os máximos não terão o dobro da
amplitude do sinal original e os mínimos não serão nulos. A diferença entre elas
será menor e teremos uma forma de oscilação.
Levando isso para o caso eletrônico, tomando um transmissor como fonte de
sinais, podemos imaginar voltímetros ao longo da linha de transmissão.
Se não houver reflexão alguma dos sinais, a tensão marcada em qualquer
voltímetro será máxima, qualquer que seja o ponto da linha em que ele seja
ligado. Por outro lado, se o sinal refletir totalmente no final da linha, teremos
pontos fixos em que os voltímetros indicarão máximos e pontos que indicarão
nulos.
Veja que, observando essas indicações e mesmo a oscilação da corda, temos a
impressão que a onda "pára", ou seja, passamos a ter nós e ventres em posições
fixas. Na realidade existe uma propagação de ondas nos dois sentidos,
resultando no fenômeno, mas sua combinação leva à impressão de uma só que
esteja estacionada ou estacionária, daí darmos ao fenômeno o nome de "ondas
estacionárias".
Para a transmissão, a presença de ondas estacionárias é sinal de que existe
energia sendo refletida e portanto não irradiada. Devemos então reduzir sua
proporção no sentido de obter maior rendimento na transferência dos sinais.

COMO MEDIR
Em princípio sabemos que, para que haja total transferência de energia do
transmissor para a antena, não devemos ter nenhum sinal refletido. Em outras
palavras, em todos os pontos considerados da linha de transmissão a tensão
deve ser a mesma.
A relação entre as intensidades observadas entre os pontos de máximos e de
mínimos é de 1:1 (um para um). Obtemos então o maior rendimento de um
transmissor quando a relação de ondas estacionárias observadas no sistema for
de 1 para 1. Esta relação de ondas estacionárias é abreviada por ROE. Nos
livros técnicos que mantém os termos em inglês a abreviação é SWR (Stand
Wave Ratio).
À medida que aparecem as ondas estacionárias em consequência da reflexão do
sinal, a relação entre a tensão nos pontos de máximos e mínimos de sinal
aumenta. Damos como exemplo uma tabela em que associamos as relações de
ondas estacionárias (ROE) à potência perdida.
R.O.E. Perda (%) R.O.E. Perda (%)
1 : 1,01 - 1 : 1,40 2,78
1 : 1,02 0,01 1 : 1,50 4,00
1 : 1,03 0,02 1 : 1,60 5,33
1 : 1,04 0,04 1 : 1,70 6,72
1 : 1,05 0,06 1 : 1,80 8,16
1 : 1,06 0,08 1 : 1,90 9,63
1 : 1,07 0,11 1 : 2,00 11,1

R.O.E. Perda (%) R.O.E. Perda (%)
1 : 1,08 0,15 1 : 2,20 14,1
1 : 1,09 0,19 1 : 2,40 17,0
1 : 1,10 0,23 1 : 2,60 19,8
1 : 1,11 0,27 1 : 2,80 22,4
1 : 1,12 0,32 1 : 3,00 25,0
1 : 1,13 0,37 1 : 4,00 36,0
1 : 1,14 0,43 1 : 5,00 44,4
1 : 1,15 0,49 1 : 6,00 51,0
1 : 1,16 0,55 1 : 7,00 56,0
1 : 1,17 0,61 1 : 8,00 60,5
1 : 1,18 0,68 1 : 9,00 63,2
1 : 1,19 0,75 1 : 10 66,9
1 : 1,20 0,83 1 : 20 81,9
1 : 1,30 1,70 1 : 50 92,3
Evidentemente, um medidor de ondas estacionárias deve ter condições de captar
tanto o sinal que vai do transmissor como o que é refletido da antena para o
receptor, diferenciando-os de modo a se obter a indicação desejada. Para
conseguir isso os circuitos usam recursos interessantes.

O ACOPLADOR
DIRECIONAL
Uma das características de uma linha de transmissão é que o campo externo é
nulo de modo que não podemos extrair nenhum sinal em suas proximidades, do
lado externo. É justamente esta propriedade que permite a constância de sua
impedância, independendo de seu comprimento.
Se quisermos extrair parte do sinal de um cabo coaxial por indução, precisamos
passar um condutor sob sua malha, fazendo-o correr paralelo ao condutor
interno.
Nestas condições, teremos nas extremidades deste condutor uma tensão que
depende em valor e frequência do sinal que está sendo transmitido. Partindo
desta configuração, podemos ir um pouco além e colocar um diodo e um
instrumento.
A polarização do diodo é tal que permite que apenas os sinais que correm num
sentido sejam medidos. O que ocorre é que, cortando parte dos semiciclos que
correspondem à reflexão ou à incidência dos sinais, podemos ter uma indicação
ou do sinal direto ou do sinal refletido.
Veja então que aproveitando este tipo de acoplamento direcional podemos
facilmente saber qual é a "quantidade" de sinal refletido e com isso saber qual é
a relação de ondas estacionárias. Bastar ligar o acoplador de modo a medir as
ondas "diretas" e depois inverter a ligação para ler as ondas "refletidas" e
estabelecer a relação.
Isso nos leva então à configuração final de um instrumento para esta finalidade.
Sua operação é muito simples: colocando a chave leitora na posição de ajuste,
medimos o sinal no sentido direto (transmissor para a antena) e com isso
podemos fazer o ajuste para que o valor indicado seja 100% ou 1. Depois,
invertendo a posição da chave, medimos o sinal refletido, obtendo deste modo
uma indicação direta da relação de ondas estacionárias ou da porcentagem de
sinal transferido.
Veja que esta necessidade de termos de ajustar o instrumento para o fim da
escala na condição de sinal direto faz com que a sensibilidade do instrumento
determine a potência mínima que o transmissor deve ter para a sua utilização.
Os instrumentos deste tipo são então especificados para potências mínimas em
que operam e também, para uma determinada faixa de frequências. Como a
tensão induzida no fio interno ao cabo coaxial depende também da potência,
podemos usar o mesmo instrumento como indicador de potência. Basta então
ter uma referência na escala obtida por calibração para que, na posição de sinal
direto, tenhamos a possibilidade de medir diretamente a potência do
transmissor.

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