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TT606 · Ondas Guiadas · P1 — Formulário (FRENTE)Nome: ____________________________ RA: __________

A · Constantes e conversões toda questão

\mu_0=4\pi\times10^{-7} H/m · \varepsilon_0=8{,}854\times10^{-12} F/m · c=3\times10^{8} m/s constantes do vácuo
\eta_0=\sqrt{\mu_0/\varepsilon_0}\approx120\pi\approx377\,\Omega · \eta=\eta_0\sqrt{\mu_r/\varepsilon_r} impedância do meio; origem do 60/120/377
\alpha_{\text{Np/m}}=\frac{\alpha_{\text{dB/m}}}{8{,}686} · perda do trecho =8{,}686\,\alpha\ell dB deram α em dB/m: passe para Np/m antes de qualquer fórmula
dB: 10\log (potência), 20\log (tensão) · P_{\text{dBm}}=10\log\frac{P}{1\,\text{mW}} razões e potências em dB
1\,\text{rad}=57{,}296^\circ · calculadora em RAD (\tg1=1{,}5574) · pico =\sqrt2\cdotRMS βℓ, ωt e tg sempre em radianos
Unidades: R Ω/m · L H/m · G S/m · C F/m · \alpha Np/m · \beta rad/m · Z Ω · Y S · \Gamma, ROE adimens. · P W · RL dB confira a última linha: −0,5 por unidade errada
p 10^{-12} n 10^{-9} μ 10^{-6} m 10^{-3} k 10^{3} M 10^{6} G 10^{9} · \ln x=2{,}3026\log x

B · Onda no tempo deram v(z,t), f ou λ

\omega=2\pi f · \beta=\frac{2\pi}{\lambda} · v_p=\frac{\omega}{\beta}=\lambda f · T=\frac1f em A\cos(\omega t-\beta z): o que multiplica t é ω, o que multiplica z é β
v_p=\frac{c}{\sqrt{\mu_r\varepsilon_r}} · \lambda=\frac{v_p}{f}=\frac{\lambda_0}{\sqrt{\mu_r\varepsilon_r}} com dielétrico a onda é mais lenta e λ encolhe
v^+(z,t)=|V_0^+|\,e^{-\alpha z}\cos(\omega t-\beta z+\phi) onda que vai (-\beta z: anda para +z)
i^+(z,t)=\frac{|V_0^+|}{|Z_0|}e^{-\alpha z}\cos(\omega t-\beta z+\phi-\theta_{Z_0}) corrente incidente = tensão ÷ Z₀ (sem perdas: mesma fase)
v^-(z,t)=|V_0^-|\,e^{+\alpha z}\cos(\omega t+\beta z+\phi^-) · V_0^-=\Gamma_LV_0^+e^{-2\gamma\ell} onda refletida; carga em z=0 ⇒ V_0^-=\Gamma_LV_0^+
V(z)=V_0^+e^{-\gamma z}+V_0^-e^{\gamma z} · I(z)=\frac{V_0^+e^{-\gamma z}-V_0^-e^{\gamma z}}{Z_0} solução geral (z medido do gerador)
Réguas: z do gerador, z'=\ell-z da carga (no meio, z=z'=\ell/2) desenho com z e z′ misturados: converta antes
-\frac{dV}{dz}=(R+j\omega L)I · -\frac{dI}{dz}=(G+j\omega C)V telegrafistas: ponto de partida se pedir dedução

C · γ e Z₀ deram R, L, G, C e f

\gamma=\alpha+j\beta=\sqrt{(R+j\omega L)(G+j\omega C)} quanto a onda encolhe (α) e gira (β) por metro; α, β ≥ 0
Z_0=\sqrt{\frac{R+j\omega L}{G+j\omega C}}=\frac{R+j\omega L}{\gamma}=\frac{\gamma}{G+j\omega C} razão V/I da onda; Z₀ complexo ⇒ linha com perdas (|\angle Z_0|\le45^\circ)
\sqrt{r\angle\theta}=\sqrt r\angle\frac{\theta}{2} raiz de complexo: sempre em polar
\gamma^2=a+jb ⇒ \alpha=\sqrt{\frac{|a+jb|+a}{2}}, \beta=\sqrt{\frac{|a+jb|-a}{2}} γ sem ângulo (bom quando o ângulo é quase 90°)

D · Os quatro casos calcule antes R/ωL e G/ωC

Sem perdas (R=G=0): \alpha=0, \beta=\omega\sqrt{LC}, v_p=\frac{1}{\sqrt{LC}}, Z_0=\sqrt{L/C} enunciado diz "sem perdas"
Baixas perdas: \alpha\approx\frac12\left(\frac{R}{Z_0}+GZ_0\right), \beta\approx\omega\sqrt{LC} quando \frac{R}{\omega L},\frac{G}{\omega C}\lesssim0{,}1: evita a raiz complexa
Z_0\approx\sqrt{\frac LC}\left[1-\frac{j}{2\omega}\left(\frac RL-\frac GC\right)\right] Z₀ com perdas pequenas (sinal de X₀!)
Sem distorção (\frac RL=\frac GC): \alpha=\sqrt{RG}=\frac{R}{Z_0}=GZ_0, \beta=\omega\sqrt{LC}, Z_0=\sqrt{L/C} real vp não depende de f: pulso não deforma (mas atenua)
Com perdas geral: raiz complexa do bloco C razões maiores que 0,1
TEM: LC=\mu\varepsilon=\frac{1}{v_p^2} · \frac LC=Z_0^2 ⇒ L=\frac{Z_0}{v_p}, C=\frac{1}{Z_0v_p} L e C a partir de Z₀ e vp; teste de coerência

E · Caminho de volta e medidas

R+j\omega L=\gamma Z_0 · G+j\omega C=\frac{\gamma}{Z_0} deram Z₀, α, β → R, L, G, C (divida por ω, não por f)
Z_0 real: R=\alpha Z_0, L=\frac{\beta Z_0}{\omega}, G=\frac{\alpha}{Z_0}, C=\frac{\beta}{\omega Z_0} atalho do caso anterior
Casada: \alpha\ell=\ln\frac{|V_{in}|}{|V_L|} · \beta\ell=(\angle V_{in}-\angle V_L)+2\pi n · P_L=P_{in}e^{-2\alpha\ell} mediram tensões ou potências numa linha casada (a carga atrasa)
Tratar como LT se \ell\gtrsim\lambda/10 · quase-TEM: \frac{|E_z|}{|E_t|}\approx\sqrt{\frac{\omega\varepsilon}{\sigma_c}}\ll1 discursivas

F · Geometrias: 60, 120 ou 377? sempre ln

\eta/2\pi\to 60 (coaxial) · \eta/\pi\to 120 (bifilar) · \eta\to 377 (placas) · com \log_{10}: 138 e 276
Coaxial (a fio central, b raio interno da malha): R=\frac{R_s}{2\pi}\left(\frac1a+\frac1b\right) · L=\frac{\mu}{2\pi}\ln\frac ba
G=\frac{2\pi\sigma}{\ln(b/a)} · C=\frac{2\pi\varepsilon}{\ln(b/a)} · Z_0=\frac{60}{\sqrt{\varepsilon_r}}\ln\frac ba ⇒ \frac ba=e^{Z_0\sqrt{\varepsilon_r}/60} projetar coaxial de Z₀ dado
Bifilar (a raio do fio, D entre centros): R=\frac{R_s}{\pi a} · L=\frac{\mu}{\pi}\arccosh\frac{D}{2a}
G=\frac{\pi\sigma}{\arccosh(D/2a)} · C=\frac{\pi\varepsilon}{\arccosh(D/2a)}
Z_0=\frac{120}{\sqrt{\varepsilon_r}}\arccosh\frac{D}{2a} ⇒ \frac{D}{2a}=\cosh\frac{Z_0\sqrt{\varepsilon_r}}{120} projetar bifilar
D\gg2a: Z_0\approx\frac{120}{\sqrt{\varepsilon_r}}\ln\frac Da ⇒ \frac Da\approx e^{Z_0\sqrt{\varepsilon_r}/120} · \arccosh x=\ln\left(x+\sqrt{x^2-1}\right) aproximação vale se (D/2a)^2\gg1
Placas (w\gg d): R=\frac{2R_s}{w} · L=\frac{\mu d}{w} · G=\frac{\sigma w}{d} · C=\frac{\varepsilon w}{d} · Z_0=\frac{120\pi}{\sqrt{\varepsilon_r}}\frac dw duas fitas paralelas
Microfita: \varepsilon_{ef}=\frac{\varepsilon_r+1}{2}+\frac{\varepsilon_r-1}{2}\frac{1}{\sqrt{1+12h/w}} · v_p=\frac{c}{\sqrt{\varepsilon_{ef}}} trilha sobre plano de terra: primeiro εef
\frac wh\le1: Z_0=\frac{60}{\sqrt{\varepsilon_{ef}}}\ln\left(\frac{8h}{w}+\frac{w}{4h}\right) · \frac wh\ge1: Z_0=\frac{120\pi}{\sqrt{\varepsilon_{ef}}\left[\frac wh+1{,}393+0{,}667\ln\left(\frac wh+1{,}444\right)\right]}
\delta=\frac{1}{\sqrt{\pi f\mu_c\sigma_c}} · R_s=\sqrt{\frac{\pi f\mu_c}{\sigma_c}}=\frac{1}{\sigma_c\delta} R do metal (\mu_c=\mu_0; Cu \sigma_c=5{,}8\times10^{7} S/m)
\tan\delta=\frac{\sigma}{\omega\varepsilon} ⇒ G=\omega C\tan\delta · \alpha_c=\frac{R}{2Z_0}, \alpha_d=\frac{GZ_0}{2} G do dielétrico; perda do metal e do isolante
Diâmetros: b/a=D_{ext}/d_{int} (mas R usa raios) · bifilar D/2a=D/d · total do trecho: C\ell, L\ell

G · Complexos e hiperbólicas

a+jb=r\angle\theta: r=\sqrt{a^2+b^2}, \theta=\arctan\frac ba se a\lt0, some 180° ao ângulo
\frac{1}{a+jb}=\frac{a-jb}{a^2+b^2} · j^2=-1, \frac1j=-j dividir complexos: multiplique pelo conjugado
r_1\angle\theta_1\cdot r_2\angle\theta_2=r_1r_2\angle(\theta_1+\theta_2) · \frac{r_1\angle\theta_1}{r_2\angle\theta_2}=\frac{r_1}{r_2}\angle(\theta_1-\theta_2) produto e divisão em polar (ex.: Γ, Z₀)
e^{j\theta}=\cos\theta+j\sen\theta · \Realp\{A\angle\phi\;e^{j\omega t}\}=A\cos(\omega t+\phi) fasor → tempo (\sen x=\cos(x-\frac\pi2))
\cosh x=\frac{e^x+e^{-x}}{2} · \sinh x=\frac{e^x-e^{-x}}{2} · \tanh x=\frac{\sinh x}{\cosh x} se a calculadora não tiver hyp
\cosh jx=\cos x · \sinh jx=j\sen x · \tanh jx=j\tg x · \coth jx=-j\cot x por isso sem perdas tanh vira j·tg
\tanh(a+jb)=\frac{\tanh a+j\tg b}{1+j\tanh a\,\tg b}=\frac{\sinh 2a+j\sen 2b}{\cosh 2a+\cos 2b} tanh γℓ com perdas, à mão
\cosh(a+jb)=\cosh a\cos b+j\sinh a\sen b · \sinh(a+jb)=\sinh a\cos b+j\cosh a\sen b
\arctanh x=\frac12\ln\frac{1+x}{1-x} · \ln(\rho\angle\phi)=\ln\rho+j\phi ensaio curto/aberto (φ em rad; βℓ só a menos de nπ)
\beta\ell=360^\circ\frac{\ell}{\lambda} · 2\beta z'=720^\circ\frac{z'}{\lambda} comprimento elétrico em graus
tg e Z repetem a cada \pi (\lambda/2); sen, cos e e^{j\beta\ell} a cada 2\pi (\lambda) βℓ grande: tire múltiplos de π só na tg; em sen/cos, de 2π
(1+x)^{\pm1/2}\approx1\pm\frac x2 (x pequeno) origem das fórmulas de baixas perdas
TT606 · Ondas Guiadas · P1 — Formulário (VERSO)Nome: ____________________________ RA: __________

H · Linha com carga z′ medido da carga

Sem perdas: Z(z')=Z_0\frac{Z_L+jZ_0\tg\beta z'}{Z_0+jZ_L\tg\beta z'} · Z_{in}=Z(\ell) impedância vista a z′ da carga (caso comum)
Com perdas: Z(z')=Z_0\frac{Z_L+Z_0\tanh\gamma z'}{Z_0+Z_L\tanh\gamma z'} linha com α ≠ 0
Z(z')=Z_0\frac{Z_L\cos\beta z'+jZ_0\sen\beta z'}{Z_0\cos\beta z'+jZ_L\sen\beta z'} quando tg βz′ explode (z′ ≈ λ/4)
Z_L=Z_0\frac{Z_{in}-jZ_0\tg\beta\ell}{Z_0-jZ_{in}\tg\beta\ell} deram Zin, querem a carga (anda para a carga)
Z(z')=Z_0\frac{1+\Gamma(z')}{1-\Gamma(z')} · fase entre V e I =\angle Z(z') Z a partir de Γ; "defasagem V–I"
V(z')=V^+e^{\gamma z'}\left[1+\Gamma_Le^{-2\gamma z'}\right] · I(z')=\frac{V^+}{Z_0}e^{\gamma z'}\left[1-\Gamma_Le^{-2\gamma z'}\right] tensão e corrente em qualquer ponto
V(z')=I_L\left[Z_L\cosh\gamma z'+Z_0\sinh\gamma z'\right] · I(z')=\frac{I_L}{Z_0}\left[Z_L\sinh\gamma z'+Z_0\cosh\gamma z'\right] quando se conhece a corrente na carga

I · Casos especiais e medidas

curto: Z_{in}=jZ_0\tg\beta\ell (Z_0\tanh\gamma\ell) · aberto: -jZ_0\cot\beta\ell (Z_0\coth\gamma\ell) · casada: Z_{in}=Z_0 ZL = 0, ∞ ou Z₀
\ell=n\frac\lambda2: Z_{in}=Z_L, V_{in}=(-1)^nV_L · \ell=\frac\lambda4+n\frac\lambda2: Z_{in}=\frac{Z_0^2}{Z_L} · \ell=\frac\lambda8: curto jZ_0, aberto -jZ_0 comprimento "redondo" em λ: reduza ℓ/λ antes
curto com \ell\lt\lambda/4: indutivo; entre \lambda/4 e \lambda/2: capacitivo (aberto: o contrário)
Z_0=\sqrt{Z_{cc}Z_{ca}} · \tanh\gamma\ell=\sqrt{\frac{Z_{cc}}{Z_{ca}}}=x · \gamma\ell=\frac12\ln\frac{1+x}{1-x}+jn\pi deram as impedâncias em curto e em aberto
Z_0^2=\frac{R_{in}|Z_L|^2-R_L|Z_{in}|^2}{R_L-R_{in}} · \tg\beta\ell=\frac{Z_0(R_{in}-R_L)}{R_{in}X_L+X_{in}R_L} Z₀ desconhecido, deram Zin e ZL (sem perdas)

J · Circuito: associações, gerador, potência

resistor R · indutor j\omega L · capacitor \frac{1}{j\omega C}=\frac{-j}{\omega C} · f_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} carga dada por componentes
Série: soma Z · paralelo: soma Y=\frac1Z (dois: \frac{Z_1Z_2}{Z_1+Z_2}) cargas ou ramos ligados no mesmo ponto
Cascata: o Z_{in} de uma seção é a carga da seguinte seções em fila: comece pela carga, cada uma com o seu Z₀
Linhas lado a lado (mesmo βℓ, mesmas duas pontas): \frac{1}{Z_{0,eq}}=\sum\frac{1}{Z_{0i}} viram uma linha só
Y_p=\frac{1}{Z_0}-Y(z') elemento em paralelo que deixa ROE = 1 (só reativo se \Realp\{Y\}=\frac{1}{Z_0})
V_{in}=V_g\frac{Z_{in}}{Z_g+Z_{in}} · I_{in}=\frac{V_g}{Z_g+Z_{in}} gerador: divisor de tensão com Zin
V_0^+=\frac{V_{in}}{1+\Gamma_Le^{-2\gamma\ell}} (ref. gerador) · V^+=V_0^+e^{-\gamma\ell} (ref. carga) amplitude incidente a partir de Vin (V_0^+\ne V_{in})
V_0^+=\frac{V_gZ_0}{Z_g+Z_0}\cdot\frac{1}{1-\Gamma_g\Gamma_Le^{-2\gamma\ell}}, \Gamma_g=\frac{Z_g-Z_0}{Z_g+Z_0} direto do gerador
P=\frac12\Realp\{VI^*\}=\frac12|I|^2\Realp\{Z\}=\frac{|V|^2\Realp\{Z\}}{2|Z|^2} potência média num ponto (pico; RMS: sem o ½)
Sem perdas: P_{in}=P_L · com perdas (Z_0 real): P_L=\frac{|V^+|^2}{2Z_0}\left(1-|\Gamma_L|^2\right) potência que chega na carga
P_{in}=\frac{|V_0^+|^2}{2Z_0}\left(1-|\Gamma_L|^2e^{-4\alpha\ell}\right) · |V^+|=|V_0^+|e^{-\alpha\ell} potência que entra; perda = Pin − PL
Z_{in}=Z_g^* ⇒ P_{disp}=\frac{|V_g|^2}{8R_g} máxima transferência de potência

K · Coeficiente de reflexão e potência refletida

\Gamma_L=\frac{Z_L-Z_0}{Z_L+Z_0}=|\Gamma_L|\angle\theta_\Gamma · \Gamma_I=-\Gamma fração da TENSÃO que volta na carga
\Gamma(z')=\Gamma_Le^{-2\gamma z'} · sem perdas: |\Gamma_L|\angle(\theta_\Gamma-2\beta z') Γ num ponto: sem perdas só gira
z=\frac{Z}{Z_0}: \Gamma=\frac{z-1}{z+1} · z=\frac{1+\Gamma}{1-\Gamma} contas normalizadas
curto -1 · aberto +1 · casada 0 · Z_0 real: reativa |\Gamma|=1, passiva |\Gamma|\le1 conferir o resultado
Z_0=|Z_L| ⇒ |\Gamma_L|_{min}=\sqrt{\frac{|Z_L|-R_L}{|Z_L|+R_L}} "adote Z₀" para refletir o mínimo
P_i=\frac{|V^+|^2}{2Z_0} · P_r=|\Gamma|^2P_i · P_L=\left(1-|\Gamma|^2\right)P_i |\Gamma|^2 = fração da POTÊNCIA que volta
10\log\frac{P_r}{P_i}=20\log|\Gamma| · RL=-20\log|\Gamma| dB · ML=-10\log(1-|\Gamma|^2) perda de retorno e de descasamento
\frac{P_r}{P_i}=|\Gamma_L|^2e^{-4\alpha\ell} · "X dB abaixo": 20\log|\Gamma_L|-2(8{,}686\,\alpha\ell)\le-X reflexão vista da entrada de linha com perdas

L · Onda estacionária e ROE sem perdas

\text{ROE}=\frac{|V|_{max}}{|V|_{min}}=\frac{1+|\Gamma|}{1-|\Gamma|} · |\Gamma|=\frac{\text{ROE}-1}{\text{ROE}+1} ida e volta entre ROE e Γ (1 ≤ ROE)
|V|_{max}=|V^+|(1+|\Gamma|) · |V|_{min}=|V^+|(1-|\Gamma|) · |I|_{max}=\frac{|V^+|}{Z_0}(1+|\Gamma|) amplitudes extremas (|I| máx onde |V| é mín)
|V(z')|=|V^+|\sqrt{1+|\Gamma|^2+2|\Gamma|\cos(\theta_\Gamma-2\beta z')} amplitude em qualquer ponto (envoltória)
curto: |V|=2|V^+||\sen\beta z'|, |I|=\frac{2|V^+|}{Z_0}|\cos\beta z'| (aberto: troca sen ↔ cos) linha em curto: máximo = 2|V⁺|, I_L=2V^+/Z_0
z'_{max}=\frac{\theta_\Gamma}{4\pi}\lambda+n\frac\lambda2 (\theta_\Gamma\in[0,2\pi)) · mínimos: z'_{max}\pm\frac\lambda4 onde ficam máximos e mínimos
máx–máx = mín–mín =\frac\lambda2 · máx–mín =\frac\lambda4 · Z_{max}=Z_0\cdot\text{ROE} · Z_{min}=\frac{Z_0}{\text{ROE}} ler gráfico; Z é real nos extremos
Carga real: R_L\gt Z_0 ⇒ máx na carga, ROE =\frac{R_L}{Z_0} · R_L\lt Z_0 ⇒ mín na carga, ROE =\frac{Z_0}{R_L} atalho para carga resistiva
X_L\gt0: 1º máx antes de \frac\lambda4 · X_L\lt0: 1º mín antes de \frac\lambda4 conferir a posição achada
\left(R_L-Z_0\frac{S^2+1}{2S}\right)^2+X_L^2=\left(Z_0\frac{S^2-1}{2S}\right)^2 todas as cargas com ROE = S (círculo)
Inverso: \lambda=2\times(dist. entre mínimos) · \theta_\Gamma=2\beta z'_{min}-\pi (\pm2\pi) · Z_L=Z_0\frac{1+\Gamma}{1-\Gamma} deram ROE e posição do 1º mínimo
Ex.: Z_0=50\,\Omega, ROE 3, mínimos a cada 20 cm, 1º a 5 cm ⇒ \Gamma=-j0{,}5, Z_L=30-j40\,\Omega · envoltória: período \lambda/2; foto v(z',t_0): período \lambda
|\Gamma|ROERL (dB)refletida
01\infty0%
0,11,2220,01%
0,21,514,04%
1/329,5411,1%
0,536,0225%
0,891,9464%
1\infty0100%

M · Conferir antes de entregar

☐ número e unidade em toda resposta · ☐ calculadora em RAD · ☐ |\Gamma|\le1 (se Z_0 real), ROE \ge1 · ☐ \alpha\ge0, \beta\gt0 · ☐ LC=\mu\varepsilon · ☐ ½ só com pico · ☐ V_0^+\ne V_{in} · ☐ ln (não log) nas geometrias · ☐ hipóteses dos "adote" escritas