Noções básicas de radar

Relação de ondas estacionárias

A relação de ondas estacionárias (em inglês: Voltage Standing Wave Ratio, VSWR) é uma medida da correspondência de uma carga (por exemplo, antena) a uma linha.

As ondas estacionárias ocorrem nas linhas se elas forem operadas de forma incompatível. Se houver correspondência em todos os lugares de um sistema de RF, toda a potência da fonte para o receptor será transmitida sem perdas. Entretanto, como a correspondência absoluta nunca pode ser obtida na prática, a tecnologia se preocupa com os problemas que ocorrem em caso de incompatibilidade.

Para simplificar, ela usa dois casos extremos de incompatibilidade:

• a linha em curto-circuito no final e
• a linha em vazio no final.

Figura 2: Variação da tensão ao longo do tempo em uma linha de alta frequência (a chamada onda viajante)

Figura 2: Variação da tensão ao longo do tempo em uma linha de alta frequência (a chamada onda viajante)

Antes de analisar esses casos especiais em mais detalhes, é necessário esclarecer o que teoricamente acontece em uma linha infinitamente longa quando uma oscilação de RF é alimentada. Deve haver correspondência de potência (R_i = Z_L).

No momento da ligação, o gerador começa a enviar sua potência para a linha (veja a Fig. 2). No momento t = 0, a tensão deve ter seu valor mínimo. Esse valor de tensão viaja ao longo da linha com a velocidade de propagação da onda. Essa onda é chamada de onda viajante. Ela é caracterizada pelo fato de que o mesmo sinal pode ser medido qualitativamente em todos os pontos ao longo da linha.

Correspondência de linha

Se a linha for terminada com uma resistência R_a que seja tão grande quanto a impedância característica Z_L da linha, toda a potência será convertida na resistência R_a.

Se a linha estiver em curto-circuito, toda a potência de entrada será refletida. Se a extremidade da linha estiver aberta, ou seja, se o resistor de terminação se aproximar do infinito, a energia também será completamente refletida. Nesse caso, há também um salto de fase de 180°.

R_i =Z_L

P_atrás

P_frente

R_a ≠ Z_L

Figura 3: Um cabo incompatível conectado a um gerador

R_i =Z_L

P_atrás

P_frente

R_a ≠ Z_L

Figura 3: Um cabo incompatível conectado a um gerador

Incompatibilidade

O que acontece com uma onda se não houver correspondência, mas também não houver curto-circuito direto ou circuito aberto, por exemplo, com um resistor de terminação de 50 Ω em um sistema de linha de 75 Ω ?

O gerador fornece a potência P_gen. Ela é dividida no ponto 1 de acordo com a seguinte equação:

A potência P_ZL = P_frente se move ao longo da linha e atinge a resistência R_a. No entanto, essa resistência é menor do que a do casamento. Portanto, ela não pode absorver toda a potência e convertê-la em calor. Uma parte da P_ZL permanece, que é refletida no ponto 2 e retorna ao gerador como P_atrás.

Então, e sempre que Z_L não for igual a R_a, parte da onda viajante é refletida, independentemente de R_a > Z_L ou R_a < Z_L. Nesse caso, estamos falando de incompatibilidade.

Interferência

O sinal de saída (azul) e o sinal de retorno (azul claro) se sobrepõem. Dependendo da posição de fase das ondas de ida e de volta, ambas as ondas podem se somar a uma maior ou se subtrair a uma menor. Como resultado, a tensão localmente constante máxima U_max (picos de onda) e a tensão mínima U_min (mínimos de onda) se formam no cabo em intervalos regulares. No caso de uma incompatibilidade extrema, por exemplo, se o cabo estiver aberto ou em curto-circuito na extremidade, ocorre uma reflexão total que pode fazer com que as duas ondas se somem em uma onda duas vezes maior ou se cancelem mutuamente. Como a tensão da onda estacionária agora aumenta para o dobro do valor da tensão de saída, essa tensão pode sobrecarregar o estágio de saída do gerador se ele for operado incorretamente e até mesmo destruí-lo em determinadas circunstâncias.

Figura 4: Criação de uma onda estacionária sobrepondo a onda principal com a onda de retorno (refletida)

Figura 4: Criação de uma onda estacionária sobrepondo a onda principal com a onda de retorno (refletida)

Para obter um controle melhor do grau de incompatibilidade na prática, foram definidos o fator de reflexão r e a relação de onda estacionária de tensão s. Ele é calculado a partir da relação entre a tensão máxima e a mínima. A tensão máxima corresponde à soma das tensões de avanço e retorno, e a tensão mínima é determinada pela diferença entre os dois componentes de tensão.

Portanto, uma proporção de onda estacionária de 1,00 corresponde a uma correspondência ideal. Com as incompatibilidades, o valor numérico da proporção da onda estacionária aumenta. Uma taxa de onda estacionária de 1,1 a 1,2 ainda é um valor razoavelmente bom. Com a incompatibilidade total, a taxa de onda estacionária chega ao infinito.

Agora surge um problema de medição: o sinal (o gráfico vermelho na Fig. 4) não pode ser medido com a mesma qualidade em todos os pontos da linha. Há lugares em que o sinal de uma onda estacionária pode ser bem medido e há lugares em que ele é menos mensurável, talvez nem seja mensurável.

Como a potência pode ser medida melhor do que a tensão a partir de cerca de 1 GHz, a taxa de potência da onda estacionária (PSWR) é usada na tecnologia de alta frequência. Entretanto, o nome é enganoso, pois a distribuição de potência no cabo não segue o padrão de tensão mostrado.