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Eletromagnetismo Aplicado Linhas de Transmissão O que é uma Linha de Transmissão? • Uma Linha de Transmissão consiste basicamente de dois ou mais condutores paralelos usados para conectar uma fonte à uma carga. • A fonte pode ser um gerador, um transmissor ou um oscilador, e a carga pode ser uma fábrica, uma antena ou um osciloscópio; respectivamente Alguns Tipos de Linhas de Transmissão Vistas das seções retas de linhas de transmissão típicas: (a) Linha coaxial (b) Linha a dois fios (bifilar) (d) Fio sobre plano condutor (e) Linha de microfitas (c) Linha planar A propagação de ondas EM pode se dar de duas formas: Propagação Não Guiada: a onda se propaga por todo o espaço sem necessitar de uma estrutura para orientá-la. Propagação Guiada: é feita através de estruturas de guiamento, tais como, linhas de transmissão e guias de onda. Características: • Ocorre em meios ilimitados, isto é, meios de extensão infinita; • A onda se espalha por todo o espaço. • é usada pelos serviços de radiodifusão e TV, onde a informação é transmitida para qualquer pessoa que possa estar interessada. Propagação de Ondas Não Guiadas Características: • É feita através de estruturas de guiamento que servem para orientar a propagação da onda de sua fonte até a carga; • As LT’s são utilizadas na distribuição de potência (em baixas frequências) e em telecomunicações (em altas frequências) ; • Vários tipos de LT’s, tais como o par trançado e cabos coaxiais, são usados em redes de computadores. Propagação de Ondas Guiadas • Os cabos coaxiais são utilizados em instrumentos de medição, telefonia e sistemas de comunicação por RF. É adequado para fazer a conexão externa entre equipamentos eletrônicos pois permite obter excelente blindagem. • A linha bifilar é usada principalmente no transporte de energia, telefonia e na conexão entre partes internas de um equipamento eletrônico. Pode ser usada também na alimentação de antenas de média e Alta frequência. • As linhas planares (microfitas) são usadas em sistemas baseados em microondas e em circuitos integrados. Aplicações das LT´s Parâmetros das Linhas de Transmissão • a resistência por unidade de comprimento R; • a indutância por unidade de comprimento L; • a condutância por unidade de comprimento G; • a capacitância por unidade de comprimento C. Para o cabo coaxial, a linha bifilar e a linha planar, as fórmulas para o cálculo de R, L, G e C são dadas na Tabela a seguir: É usual e conveniente descrever as LT’s em termos dos parâmetros elétricos da linha, que são: As dimensões para cabos coaxiais, linhas bifilares e linhas planares são dadas na figura abaixo: Cada uma das linhas mostradas nas figuras anteriores têm fórmulas específicas para o cálculo dos parâmetros R, L, G e C. Tabela 1 – Parâmetros distribuídos de linha de transmissão Das fórmulas da Tabela 1, deve-se notar que: 1. Os parâmetros da linha não são discretos, mas distribuídos, conforme mostra a figura a seguir. Isto quer dizer que os parâmetros estão distribuídos uniformemente ao longo da linha. Parâmetros distribuídos de uma LT a dois condutores. 2. Para cada linha, os condutores são caracterizados por c, c=o, c=o, e o dielétrico homogêneo que separa os condutores é caracterizado por , , . 3. G 1/R; R é a resistência por unidade de comprimento dos condutores utilizados na linha, e G é a condutância, por unidade de comprimento, devido ao dielétrico que separa os condutores. 4. O valor de L, mostrado na Tabela 1, é a indutância por unidade de comprimento, isto é, L = Lext. Os efeitos da indutância interna Lint são desprezíveis em altas frequências. 5. Para cada linha, e L C Vamos considerar como uma onda EM se propaga em uma linha de transmissão a dois condutores. Por exemplo, consideremos uma linha coaxial conectando um gerador ou fonte a uma carga, como na figura abaixo. G C Quando o interruptor S é fechado, o condutor interno fica positivo em relação ao condutor externo, tal que o campo E é radial e aponta para fora, conforme indicado na figura a seguir: Campos E e H na linha coaxial. De acordo com a lei de Ampère, o campo H circunda o condutor que conduz a corrente. O vetor de Poynting (E H) aponta ao longo da linha de transmissão. O fechamento do interruptor estabelece uma onda transversal eletromagnética (TEM) que se propaga ao longo da linha. Esta onda é plana não uniforme e através dela é transmitida energia ao longo da linha. Equações das Linhas de Transmissão Uma linha de transmissão a dois condutores suporta uma onda TEM, isto é, o campo elétrico e o campo magnético na linha são transversais à direção de propagação. Os campos E e H estão univocamente relacionados com a tensão V e a corrente I, respectivamente: V E dL , I H dL Usaremos as grandezas V e I da Teoria de Circuitos, no estudo das Linhas de Transmissão, ao invés de usar E e H (das equações de Maxwell e as condições de fronteira). O modelo de circuitos é mais simples e mais conveniente. Examinaremos uma porção incremental z de uma linha de transmissão a dois condutores. Desejamos encontrar um circuito equivalente para esta linha e obter a equação da linha. Circuito equivalente tipo L para um comprimento diferencial z de uma linha de transmissão a dois condutores. O modelo da figura anterior está em termos dos parâmetros da linha R, L, G e C, e pode representar qualquer uma das linhas de transmissão a dois condutores. O modelo é o chamado circuito equivalente tipo L. Nesse modelo assumimos que a onda se propaga no sentido +z, do gerador para a carga. Aplicando a lei de Kirchhoff da tensão na malha externa do circuito da figura anterior, obtemos: I z, t V z, t R zI z, t L z V z z, t t ou V z z, t V z, t I z, t RI z, t L z t Tomando o limite da equação acima, conforme z 0, tem-se: V z, t I z, t RI z, t L z t Aplicando a lei de Kirchhoff das correntes para a corrente no nó principal do circuito da figura anterior; obtém-se: I z , t I z z , t I ou V z z, t I z z, t G zV z z, t C z t I z z, t I z, t V z z, t GV z z, t C z t Conforme z 0, a equação acima se torna: I z, t V z, t GV z, t C z t Se assumirmos dependência temporal harmônica, de tal maneira que: j tsV z , t R e[ V z e ] j tsI z , t R e[ I z e ] onde Vs(z) e Is(z) são as formas fasoriais de V(z,t) e I(z,t), respectivamente, as equações a seguir: V z, t I z, t RI z, t L z t I z, t V z, t GV z, t C z t tornam-se: s s ILjR dz dV s s VCjG dz dI Nas duas equações diferenciais acima, Vs e Is estão acopladas. Para separá-las, tomamos a segunda derivada de Vs na primeira equação e empregamos a segunda equação, tal que se obtém: s s VCjGLjR dz Vd 2 2 2 2s 2 d V V dz onde j R j L G j C Tomando a segunda derivada de Is na equação abaixo: s s ILjR dz dV s s VCjG dz dI e empregando a equação a seguir: Constante de propagação [Np/m ou dB/m] temos 2 2s s2 d I I dz 2 2s s2 d V V dz 2 2s s2 d I I dz Nota-se que as equação seguintes são, respectivamente, as equações de onda para a tensão e a corrente. e Portanto, em nossa notação: é a constante de propagação (em m-1), é a constante de atenuação (em Np/m ou dB/m) e é a constante de fase (em rad/m). O comprimento de onda e a velocidade da onda u são dados, respectivamente, por: 2 fu As soluções das duas equações diferenciais lineares homogêneas mostradas anteriormente, são: z z o z z os eVeVzV z z o z z os eIeIzI onde Vo +, Vo -, Io + e Io - são as amplitudes das ondas. Os sinais + e – representam as ondas se propagando ao longo de +z e –z, respectivamente, conforme indicado pelas setas. Portanto, obtemos uma expressão para a tensão instantânea: ]R e [, tjs ezVtzV zteVzteV zo z o c o sc o s “A impedância característica Zo da linha é a razão entre a onda de tensão e a onda de corrente, que se propagam no sentido positivo, em qualquer ponto da linha”. Impedância Característica Zo z z o z z os eVeVzV z z o z z os eIeIzI Usando as equações fasoriais do circuito equivalente da LT facilmente se mostra que: CjG LjR I V I V Z o o o o o ooo jXR CjG LjR Z ou A constante de propagação e a impedância característica Zo são propriedades importantes da linha pois ambas dependem dos parâmetros de linha R, L, G e C, e da frequência de operação. O recíproco de Zo é a admitância característica Yo, ou seja, Yo = 1/Zo. R é dado em [/m] e Ro é dado em [] parte real de Zo parte imaginária de Zo Linha sem perdas Uma aproximação útil em certas análises é a linha de transmissão sem perdas, na qual considera-se que a resistência série é desprezível em relação à reatância indutiva série e a condutância paralela é desprezível em comparação com a susceptância capacitiva paralela. Nesse caso, fazendo R=G=0 nas equações da constante de propagação e impedância característica, obtemos: L Cjωj β ,0 C L RZX ooo ,0 1 u LC Em uma linha sem perdas a onda eletromagnética se propaga sem sofrer atenuação e a impedância e velocidade de propagação não dependem explicitamente da frequência. Esses fatos permitem concluir que uma onda composta de muitas frequências não sofre distorção ao se propagar em uma LT sem perdas. Isso, contudo, é apenas uma idealização, uma vez que, além de não existir linha absolutamente sem perdas, o isolante da linha invariavelmente apresenta dispersão dielétrica. Impedância de entrada Considere uma linha de transmissão de comprimento ℓ, caracterizada por e Zo, conectada a uma carga Zc, conforme mostrado na figura abaixo: Para o gerador a linha é vista como uma carga com impedância de entrada Zent. O objetivo é calcular a Zent, a razão de onda estacionária (ROE) e o fluxo de potência na linha. Façamos com que a linha de transmissão se entenda desde z = 0 no gerador até z = ℓ na carga. Precisamos das ondas de tensão e corrente: zo z os eVeVzV z o oz o o s e Z V e Z V zI Para encontrar Vo + e Vo -, as condições nos terminais devem ser dadas. Por exemplo, se forem dadas as condições na entrada da linha, 0,0 zIIzVV oo e substituindo estas nas equações do slide anterior, resulta em: oooo IZVV 2 1 oooo IZVV 2 1 Se a impedância de entrada nos terminais de entrada for Zent, então a tensão de entrada Vo e a corrente de entrada Io são facilmente obtidas da figura a seguir, como: gen t g og gen t en t o ZZ V IV ZZ Z V , Por outro lado, se forem dadas as condições na carga, isto é: zIIzVV CC , eIZVV CoCo 2 1 e, substituindo nas equações do primeiro slide, obtemos: eIZVV CoCo 2 1 Agora, podemos determinar a impedância em qualquer ponto da linha: s sZ V z I z No gerador, por exemplo, as equações do primeiro slide dão origem a: o o os s o o Z V VV z Z I z V V Na última equação do slide anterior e utilizando o fato de que: cosh , 2 2 e e e e senh ou ee eesenh tgh cosh eIZVV CoCo 2 1 eIZVV CoCo 2 1 Substituindo as equações obtemos: C o ent o o C Z Z tgh Z Z Z Z tgh Para uma linha sem perdas, C o ent o o C Z jZ tg Z Z Z jZ tg a impedância de entrada é obtida na seguinte forma: oo RZet gjjt g hj , Note que a impedância de entrada da LT apresenta um comportamento periódico com o comprimento da linha. O período, nesse caso, é /2. Definiremos agora c como o coeficiente de reflexão da tensão (na carga). c é a razão entre a onda refletida de tensão e a onda incidente de tensão na carga, eV eV o o C Substituindo Vo - e Vo + determinadas anteriormente, substituindo na equação acima e introduzindo Vc = ZcIc, obtemos: oC oC C ZZ ZZ Onda Estacionária Também podemos calcular o coeficiente de reflexão em uma posição qualquer da LT. z o o z o z o e V V eV eV z 2 Contudo, ' z Substituindo essa relação na equação anterior e considerando a equação do coeficiente de reflexão da tensão; temos: '2'22 eee V V z C o o O coeficiente de reflexão da corrente é o negativo da tensão. Sempre que a impedância de carga é diferente da impedância característica da LT, ocorre reflexão de onda na extremidade da carga e com isso existe onda estacionária na linha. Consideremos a equação da tensão na seguinte forma: z z z j 2 zos o o C o V V z V e e V e e e e V j z j zj /2 j j / 2 j /2 s o C j /2 j j / 2 j j / 2 j o C V V e e e e e e V e e e e e e Onde substituímos o coeficiente de reflexão na carga por c=|c|e j Para uma linha sem perdas, obtemos: Com um pouco de esforço no desenvolvimento algébrico, obtemos a amplitude da tensão na linha como função da distância até a carga: 2 2 2 2 s o C CV V 1 cos / 2 (1 ) sen / 2 A amplitude varia com a distância à carga, passando por valores máximos e mínimos que ocorrem em certas posições: s o Cmax s o Cmin V V 1 V V 1 Quando / 2 n ( n 0 ,1, 2 , 3, .. .) Quando/ 2 (n 1 / 2) (n 0,1, 2, 3, ...) Facilmente se verifica que máximos e mínimos consecutivos estão separados pela distância /4. Considere uma linha sem perdas com Zo = 50 , Zc=100 e que a tensão na carga é 100 V; conforme figura a seguir. C o s max s min 100 50 1 100 50 3 V 75V 1 V 75V 1 100 V 3 1 V 75V 1 50 V 3 Outras observações interessantes são: 1) Máximos de tensão coincidem com mínimos de corrente e vice-versa. 2) Para uma linha sem perdas com carga resistiva, se Zc>Zo, ocorre um máximo de tensão e um mínimo de corrente na carga. se Zc<Zo, ocorre um mínimo de tensão e um máximo de corrente na carga. 3) Para cargas reativas, as posições de máximos e mínimos dependem do ângulo de fase do coeficiente de reflexão: Definimos a razão de onda estacionária s ou ROE, como: Cmáx mín C 1V ROE s V 1 Assim, para linha casada, Zc=Zo: C 0 s 1 Para reflexão total, Zc=0 (curto) ou Zc= (aberto): C 1 s As linhas de transmissão são usadas para transferir potência de uma fonte à uma carga. A potência média na linha a uma distância z do gerador é obtida a seguir (assumindo Zo real): z z * z z o o méd s s o o o 2 2 2 z 2 z j2 z j2 z o o o o o o o o o 2 2 2 z 2 z o o o o V e V e1 1 P Re[V I ] Re V e V e 2 2 Z V e V e V V e V V e1 Re 2 Z Z Z V e V e1 1 2 Z 2 Z Potência Potência incidente (disponível para a carga) Potência refletida (retorna ao gerador) Substituindo: 2 2o 2 z méd o V P e 1 (z) 2Z 2 zo oV z V e Obtemos: O fator e-2l significa que a linha de transmissão dissipa parte da potência fornecida pelo gerador na forma de calor. O fator (1-|C| 2) indica que parte da potência que chega à carga retorna por reflexão ao gerador. Assim, obtemos a potência na carga na seguinte forma: 2 2o 2 méd C o V P e 1 2Z Para uma LT em curto, substituindo Zc=0 na equação da impedância de entrada, obtemos: C 0 cc ent oZ Z Z jZ tg Linha em curto, aberta, casada Para uma LT aberta, substituindo Zc= na equação da impedância de entrada, obtemos: C o ca ent o Z Z Z lim Z jZ cot g jtg Observe que, das equações Zcc para linha em curto e Zca para linha em aberto, obtém-se: 2 oc ac c ZZZ Para uma linha casada, Zc=Zo, não há reflexão e a impedância de entrada é igual a Zo, o que geralmente pode ser considerada uma impedância real e independente da frequência. Casamento de Impedância com Transformador de quarto de onda Quando Zo ZC dizemos que a carga está descasada e existe onda refletida na linha. Entretanto, para máxima transferência de potência, é desejável que a carga esteja casada com a linha de transmissão (Zo = ZC) , de maneira que não haja reflexão (= 0 ou s =1). O casamento de impedância pode ser obtido utilizando-se seções de linhas de transmissão com características apropriadas. Relembremos que, quando 2424 o u a equação da impedância de entrada para uma linha sem perdas se torna, C o Co oC oent Z Z tgjZZ tgjZZ ZZ 2 2 2 isto é, C o o ent Z Z Z Z Uma carga descasada Zc pode ser casada adequadamente com a linha (com impedância característica Zo) pela inserção de uma linha de transmissão com o comprimento /4 (com impedância característica Zo) antes da carga. A seção /4 da linha de transmissão é denominada de transformador de quarto de onda Zo deve ser selecionada de tal maneira que (Zent = Zo), Coo ZZZ ' onde Zo, Zo e ZC são todos reais. Por exemplo, se uma carga de 120 deve ser casada a uma linha de 75 , o transformador de quarto de onda deve ter uma impedância característica de: 9 51 2 07 5oZ Este transformador de quarto de onda de 95 também casará uma carga de 75 a uma linha de 120 . As configurações de ondas estacionárias para a tensão com e sem o transformador de quarto de onda estão mostradas, respectivamente, na figura a seguir: Zc Zo Vo Vo(1+|c|) Vo(1-|c|) Zo Zo Zc Vo Vo sVo s=(1+|c|)/(1-|c|) /4 Desta figura, observamos que, embora ainda exista uma onda estacionária entre o transformador e a carga, não existe onda estacionária à esquerda do transformador devido ao casamento. Observe que o casamento de impedância ocorre somente na frequência na qual o comprimento físico do transformador é igual a um quarto de onda. Casamento de impedância com stub simples A principal desvantagem do uso de transformador de quarto de onda como um dispositivo de casamento de impedâncias é eliminada pelo uso do sintonizador com stub simples. Conforme mostrado na figura a seguir, o sintonizador consiste de uma seção de linha de transmissão de comprimento d, curto circuitada ou em circuito aberto, conectada em paralelo com a linha principal a uma certa distância da carga. Casamento de impedância com stub simples Note que: A impedância característica do stub é igual à impedância da linha principal. Um stub em circuito aberto irradia parte da energia em altas frequências. Os stubs curto-circuitados são os mais utilizados. Considere a equação da admitância da LT sem perdas (com Go=1/Zo): O stub deve ser colocado na posição mais próxima da carga na qual Y=Go+jBe, ou seja, a parte real da admitância deve ser igual a condutância característica da LT. Assim, devemos resolver a seguinte equação: 1 C o o C o o o C C o Z jZ tg Z jZ tg1 Y Z G Z Z jZ tg Z jZ tg o C C o Z jZ tg Re 1 Z jZ tg O valor de ℓ que resolve esta equação é a distância do stub até a carga. Uma vez calculado ℓ, calcula-se a susceptância da LT nessa posição: Finalmente devemos calcular o comprimento do stub curto-circuitado para que sua admitância de entrada seja Ys=-jBe. o C e o C o Z jZ tg B G Im Z jZ tg O valor de d que resolve esta equação é o comprimento do stub. Observe que tanto a equação para ℓ quanto para d admitem mais de uma solução. Devemos sempre assumir o menor valor. o s e jG Y jB tg d 1 o C C o Z jZ tg tg d Im Z jZ tg Linhas de Transmissão de Microfita As linhas de transmissão de microfita pertencem ao grupo de linhas conhecidas como linhas de transmissão de placas paralelas. Aplicações: eletrônica; CI’s de microondas; são usadas como componentes de circuitos, como filtros, acopladores, ressoadores, antenas etc. Vantagens: em comparação com a linha coaxial, as linhas de microfita permitem maior flexibilidade de projetos e mais compactos. Uma linha de microfita consiste de um plano terra e uma fita condutora aberta, separados por um substrato dielétrico. A linha de microfita é construída pelo mesmo processo fotográfico utilizado nos CI’s. A dedução analítica das propriedades característicasda linha é trabalhosa. Por isso, vamos considerar apenas os aspectos básicos e fórmulas empíricas válidas para o cálculo da velocidade de fase, impedância intrínseca e perdas na linha. Devido à estrutura aberta da linha de microfita, o campo EM não está confinado no dielétrico, mas está parcialmente presente no ar que circunda a linha, conforme vemos na figura abaixo: Devido ao “vazamento” do campo no ar, a permissividade relativa efetiva ef é menor que a permissividade relativa r do substrato. Um valor aproximado para ef pode ser obtido através de: wh rr ef 1212 1 2 1 onde w é a largura da linha e h é a espessura do substrato. A impedância característica é dada pelas fórmulas aproximadas que seguem: 1, 444,1ln667,0393,1 1201 1, 8 ln 60 hw hwhw hw h w w h Z ef ef o Obs.: A impedância característica de uma fita larga é, em geral, baixa, enquanto que a de uma fita estreita é alta. Para fins de projeto , se r e Zo são conhecidos, a razão w/h, necessária para se obter um determinado Zo é dada por: 2, 61,0 39,01ln 2 1 12ln1 2 2, 2 8 2 hwBBB hw e e h w rr r A A onde rr rroZA 11,0 23,0 1 1 2 1 60 roZ B 260 Conhecidos ef e Zo, a constante de fase e a velocidade de fase de uma onda se propagando na microfita são dadas por: , ef c ef c u onde c é a velocidade da luz no vácuo. A atenuação (em dB/m) devido à condutividade finita dos condutores é dada por: o s C wZ R 686,8 onde C sR 1 Resistência superficial do condutor 1 27, 3 1 ef r d r ef tg A atenuação (em dB/m) devido à perda no dielétrico é: onde fu Comprimento de onda na linha tg Tangente de perdas do substrato A constante de atenuação total é a soma da constante de atenuação devido aos condutores c e a constante de atenuação devido ao dielétrico d, isto é, dC Às vezes, d é desprezível em comparação com c. Embora ofereçam as vantagens de flexibilidade e baixo volume, as linhas de microfita não são utilizadas em linhas de transmissão longas devido à atenuação elevada.
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