ONDAS E LINHAS DE TRANSMISSÃO

Transcrição

1 ONDAS E LINHAS DE TRANSMISSÃO Prof. Pierre Vilar Dantas Turma: 0092-A Horário: 5N ENCONTRO DE 26/04/2018 1

2 Linhas de Transmissão 2

3 Circuito de telecomunicações Na sua forma mais elementar, um circuito de telecomunicações é constituído por 3 partes: emissor (ou transmissor), receptor e canal de comunicação. 3

4 Campos vetoriais B e H A expressão campo magnético é usada para dois campos vetoriais diferentes, simbolizados por B e H. B é a densidade de fluxo magnético, número de linhas de campo por unidade de área. Unidade é Tesla (T). Um Tesla é igual a 1 Weber por metro quadrado de área. H é o campo magnético. Unidade é Ampère por metro (A/m).! = # $ % # $ = 4'. 10 +, %/. 4

5 Impedância do meio A relação entre E (V/m) e H (A/m) tem o nome de impedância do meio que, no vácuo e no ar, tem o valor de Z=377Ω. B = DC E A intensidade de sinal (ou melhor dito, a intensidade de campo) e, com ela, a energia radiada, diminui à medida que nos afastamos da antena. Exemplo: A 20 Km de uma antena, o valor eficaz da intensidade do campo elétrico é de 100 mv/m. Calcule o valor eficaz da intensidade do campo elétrico a uma distância de 80 Km. 5

6 Linhas de transmissão A principal finalidade da linha de transmissão é transferir energia da fonte para a carga. Nas baixas frequências de transmissão, as linhas comportam-se como curto-circuito. Contudo, a altas frequências, as linhas de transmissão têm características muito específicas e que não podem ser ignoradas. 6

7 Tipos de linhas de transmissão Simétrica (ou balanceada) Ambos os condutores são iguais (mesmas características). Ambos transportam o sinal de RF de tal modo que a corrente em cada fio está desfasada de 180º em relação ao outro. A linha é balanceada porque nenhum dos dois condutores está diretamente ligado à terra. O isolamento entre condutores é normalmente feito com materiais do tipo plástico mas pode ser também um isolamento a ar. 7

8 Tipos de linhas de transmissão Assimétrica (ou desbalanceada) Os dois condutores são desiguais e concêntricos. O condutor exterior (malha) está ao potencial da terra e serve de blindagem, enquanto o condutor central (vivo) transporta a corrente de RF. Também aqui o isolamento entre condutores (dielétrico) é normalmente feito com materiais do tipo plástico (polietileno) mas existem cabos coaxiais com isolamento a ar. 8

9 Guia de ondas Normalmente, para frequências acima de 4GHz, a linha de transmissão mais indicada é o guia de ondas, que se enquadra nas linhas assimétricas. 9

10 Características das linhas de transmissão Linha curta: linha cujo comprimento físico é inferior ao comprimento de onda da corrente que a percorre; Linha longa: linha mais comprida que esse comprimento de onda. Suporemos, também, por princípio, que as linhas são uniformes quanto ao material, dimensões, isolamento, etc., em toda a sua extensão. 10

11 Resistência elétrica da linha Uma linha de transmissão, é constituída por fios condutores e portanto a sua resistência, por mais pequena que seja, nunca será nula. Da mesma forma, os dois condutores nunca estarão totalmente isolados um do outro, porque como têm um dielétrico entre eles, haverá sempre uma resistência de fugas. 11

12 Resistência elétrica da linha Suponhamos então uma linha simétrica de 1 Km de comprimento e constituída por dois cabos de cobre de 2mm de diâmetro, separados por um isolante de polietileno. Fazendo os cálculos a partir da resistividade do cobre e da permitividade do polietileno, a resistência da linha em DC é de 5,6!/km por cada condutor e a resistência de fugas (resistência do isolamento entre condutores) é de 1,85M!/Km. 12

13 Resistência elétrica da linha Represente a linha, de acordo com as características apresentadas para o primeiro 1 Km. Suponha agora a linha de comprimento infinito. Calcula sua resistência elétrica para a transmissão de uma corrente DC. Esse valor é denominado resistência própria da linha. 13

14 Impedância Característica da linha (Z 0 ) O exemplo anterior aplicava-se apenas a uma linha de transmissão percorrida por corrente contínua. Mas o que se passará se a linha for percorrida por uma corrente alternada? Haverá agora não somente as resistências próprias dos condutores e do isolamento (RS e RP referidos no exemplo anterior), mas também: Capacitância entre os condutores. Duas indutâncias, visto que o campo magnético variável criado pela corrente alterna cria uma tensão induzida que se opõe à passagem dessa corrente pela linha. 14

15 Impedância Característica da linha (Z 0 ) 15

16 Impedância Característica da linha (Z 0 ) Na prática, para frequências elevadas, o valor das resistências ôhmicas, é muito pequeno quando comparado com os valores das reatâncias. Podemos então considerar a impedância da linha como resultante apenas das reatâncias e desprezar os valores das resistências. Assim, temos a impedância características da linha. Deduza este resultado. A linha de transmissão tem uma impedância característica que depende exclusivamente da sua construção física (material utilizado, distância entre condutores, tipo de dielétrico, etc.). 16

17 Atenuação Numa linha de transmissão, se compararmos a tensão de sinal medida à entrada da linha com a tensão medida em outro ponto qualquer, verificaremos que o valor medido é sempre menor do que o inicial. Diz-se então que o sinal sofreu uma atenuação. 17

18 Atenuação E quais são as causas para esta atenuação? Em DC ou nas frequências baixas, a principal causa da atenuação é a resistência série (RS) do cabo. Como esta resistência é muito pequena (entre 4 e 30! por Km), a atenuação da linha é sempre muito baixa. Por outro lado, como a impedância característica é independente da frequência, tudo levaria a crer que a atenuação na linha também deveria ser independente da frequência, mas não é. Veja efeito peculiar. 18

19 Atenuação Efeito caracterizado pela repulsão entre linhas de corrente eletromagnética, criando a tendência desta fluir na superfície do condutor elétrico. Este efeito é proporcional à intensidade de corrente e aumenta com a raiz quadrada da frequência, com a permeabilidade magnética e com a condutividade elétrica do condutor. É somente encontrado em condutores submetidos à corrente alternada. A corrente elétrica transita principalmente pela pele (skin effect) do condutor, entre sua superfície e uma distância denominada profundidade de penetração. A 60 Hz no cobre, a profundidade de penetração é aproximadamente 8.5 mm 19

20 Atenuação Em virtude do efeito pelicular, a atenuação de um cabo percorrido por uma corrente de alta frequência é significativa. A resistência em alta frequência (R RF ), aumenta com a frequência (f) segundo a seguinte relação, válida para condutores de cobre, de diâmetro d: 20

21 Atenuação Exemplo: Um fio de cobre de 2mm de diâmetro, e que tem uma resistência em corrente contínua de 5,6!/Km, terá já uma resistência de quanto em 225MHz e 900MHz? Respostas: 62,4!/Km e 124,8!/Km A atenuação mede-se em db e refere-se, salvo indicação em contrário, a 100m de linha e a uma determinada frequência que terá sempre que ser especificada. 21

22 Exemplos Numa linha de 200m e com um sinal à frequência de 30MHz mediram-se 20V à entrada da linha e 10V ao fim dos 200m. Qual foi a atenuação do cabo a esta frequência? Na mesma linha mas com um sinal à frequência de 300MHz mediram-se 20V à entrada da linha e 1V ao fim dos 200m. Qual foi a atenuação do cabo a esta frequência? 22

23 Fator de velocidade A velocidade de propagação dos sinais de RF nas linhas de transmissão que apresentam um isolante entre os seus fios, é sempre consideravelmente menor do que no ar. Designa-se como fator ou coeficiente de velocidade, a relação entre a velocidade na linha e a velocidade no ar. Numa linha simétrica, o fator de velocidade é de 0,82 para a fita de Z 0 =300!. Num cabo coaxial de 75!, o fator de velocidade é de 0,66. Repare que num cabo coaxial a velocidade de propagação dos sinais é cerca de 30% menor que no ar. 23

24 Exercícios Determinar a impedância característica de uma linha de transmissão que possui capacitância de 35 pf/cm e indutância de 0,25 uh/cm. Resp: 84,5! 24