Noções básicas sobre reflexões e ondas estacionárias no projeto de circuitos de RF

Sinais de RF da vida real
O projeto de circuitos de alta frequência deve explicar dois fenômenos importantes, embora um tanto misteriosos: reflexões e ondas estacionárias.

Sabemos pela nossa exposição a outros ramos da ciência que as ondas estão associadas a tipos especiais de comportamento. As ondas de luz são refratadas quando se deslocam de um meio (como o ar) para outro meio (como o vidro). 

As ondas de água difratam quando encontram barcos ou grandes rochas. As ondas sonoras interferem, resultando em variações periódicas de volume (chamadas de "batidas").

As ondas elétricas também estão sujeitas a comportamentos que geralmente não associamos a sinais elétricos. A falta geral de familiaridade com a natureza ondulatória da eletricidade não é surpreendente, porque em numerosos circuitos esses efeitos são insignificantes ou inexistentes. 

É possível que um engenheiro digital ou analógico de baixa frequência trabalhe por anos e projete muitos sistemas bem-sucedidos sem nunca adquirir uma compreensão completa dos efeitos das ondas que se tornam proeminentes nos circuitos de alta frequência.

Conforme discutido na página anterior, uma interconexão sujeita a um comportamento especial de sinal de alta frequência é chamada de linha de transmissão. Os efeitos da linha de transmissão são significativos apenas quando o comprimento da interconexão é pelo menos um quarto do comprimento de onda do sinal; portanto, não precisamos nos preocupar com as propriedades das ondas, a menos que trabalhemos com altas frequências ou interconexões muito longas.

Reflexão
Reflexão, refração, difração, interferência - todos esses comportamentos clássicos das ondas se aplicam à radiação eletromagnética. 

Mas, neste momento, ainda estamos lidando com sinais elétricos, isto é, sinais que ainda não foram convertidos pela antena em radiação eletromagnética e, consequentemente, precisamos nos preocupar apenas com dois deles: reflexão e interferência.

Geralmente pensamos em um sinal elétrico como um fenômeno unidirecional; viaja da saída de um componente para a entrada de outro componente, ou seja, de uma fonte para uma carga. No projeto de RF, no entanto, devemos sempre estar cientes do fato de que os sinais podem viajar nas duas direções: da fonte para a carga, certamente, mas também - por causa dos reflexos - da carga para a fonte.

A onda que viaja ao longo da corda experimentaces reflexão quando atinge uma barreira física.

Uma analogia das ondas de água
As reflexões ocorrem quando uma onda encontra uma descontinuidade. Imagine que uma tempestade tenha resultado em grandes ondas de água se propagando através de um porto normalmente calmo. Essas ondas eventualmente colidem com uma parede de rocha sólida. Sabemos intuitivamente que essas ondas se refletem na parede de rocha e se propagam de volta para o porto. No entanto, também sabemos intuitivamente que as ondas de água que entram na praia raramente resultam em um reflexo significativo da energia de volta ao oceano. Por que a diferença?

Ondas transferem energia. Quando as ondas de água se propagam em águas abertas, essa energia está simplesmente se movendo. Quando a onda atinge uma descontinuidade, porém, o movimento suave da energia é interrompido; no caso de uma praia ou parede de rocha, a propagação de ondas não é mais possível. 

Mas o que acontece com a energia que estava sendo transferida pela onda? Não pode desaparecer; deve ser absorvido ou refletido. A parede de rocha não absorve a energia das ondas, portanto ocorre a reflexão - a energia continua se propagando na forma de onda, mas na direção oposta. A praia, no entanto, permite que a energia das ondas se dissipe de maneira mais gradual e natural. A praia absorve a energia da onda e, portanto, ocorre uma reflexão mínima.

Da água aos elétrons
Os circuitos elétricos também apresentam descontinuidades que afetam a propagação de ondas; neste contexto, o parâmetro crítico é impedância. Imagine uma onda elétrica viajando por uma linha de transmissão; isso é equivalente à onda de água no meio do oceano. 

A onda e sua energia associada estão se propagando suavemente da fonte para a carga. Eventualmente, porém, a onda elétrica chega ao seu destino: uma antena, um amplificador, etc.

Sabemos em uma página anterior que a transferência máxima de potência ocorre quando a magnitude da impedância de carga é igual à magnitude da impedância da fonte. (Neste contexto, "impedância da fonte" também pode se referir à impedância característica de uma linha de transmissão.) 

Com impedâncias correspondentes, realmente não há descontinuidade, porque a carga pode absorver toda a energia da onda. Porém, se as impedâncias não corresponderem, apenas parte da energia será absorvida e a energia restante será refletida na forma de uma onda elétrica viajando na direção oposta.

A quantidade de energia refletida é influenciada pela gravidade da incompatibilidade entre a fonte e a impedância de carga. Os dois piores cenários são um circuito aberto e um curto-circuito, correspondendo à impedância infinita de carga e impedância zero de carga, respectivamente. 

Esses dois casos representam uma descontinuidade completa; nenhuma energia pode ser absorvida e, consequentemente, toda a energia é refletida.

A importância da correspondência
Se você já esteve envolvido no projeto ou teste de RF, sabe que a correspondência de impedância é um tópico comum de discussão. Agora entendemos que as impedâncias devem ser correspondidas para evitar reflexões, mas por que tanta preocupação com as reflexões?

O primeiro problema é simplesmente eficiência. Se tivermos um amplificador de potência conectado a uma antena, não queremos que metade da potência de saída seja refletida de volta ao amplificador. 

O objetivo é gerar energia elétrica que pode ser convertida em radiação eletromagnética. Em geral, queremos mover a energia da fonte para a carga, e isso significa que as reflexões devem ser minimizadas.

A segunda questão é um pouco mais sutil. Um sinal contínuo transferido através de uma linha de transmissão para uma impedância de carga incompatível resultará em um sinal refletido contínuo. Esses incidentes e ondas refletidas se cruzam, indo em direções opostas. A interferência resulta em uma onda estacionária, ou seja, um padrão de onda estacionário igual à soma do incidente e das ondas refletidas. 

Essa onda estacionária realmente cria variações de amplitude de pico ao longo do comprimento físico do cabo; certos locais têm maior amplitude de pico e outros locais têm menor amplitude de pico.

As ondas estacionárias resultam em tensões superiores à tensão original do sinal transmitido e, em alguns casos, o efeito é grave o suficiente para causar danos físicos aos cabos ou componentes.

Resumo

* As ondas elétricas estão sujeitas a reflexão e interferência.

* As ondas de água refletem quando atingem uma obstrução física, como um muro de pedra. Da mesma forma, a reflexão elétrica ocorre quando um sinal CA encontra uma descontinuidade de impedância.

* Podemos impedir a reflexão combinando a impedância de carga com a impedância característica da linha de transmissão. Isso permite que a carga absorva a energia das ondas.

* As reflexões são problemáticas porque reduzem a quantidade de energia que pode ser transferida da fonte para a carga.

* Reflexões também levam a ondas estacionárias; as porções de alta amplitude de uma onda estacionária podem danificar componentes ou cabos.

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