Categoria 1 · estudo avançado

Medições avançadas, decibéis e eficiência

Conteúdo editorial de estudo avançado, com conceitos, exemplos, exercícios e fontes para estudo autónomo.

Consultar as siglas: expressão original e significado em português.

Mapa de leitura

Antes de escolher o instrumento, define grandeza, ponto, faixa, nível e referência. Depois prepara a cadeia — fonte, cabo, atenuador, carga, instrumento e calibração — e regista incerteza. Um número com muitas casas decimais não é mais rigoroso se a configuração ou a referência estiverem erradas.

Vocabulário mínimo

Objectivos

No final deste módulo, o estudante deve conseguir:

• distinguir dB, dBm e dBW e escolher a referência correcta;
• converter uma razão de potência para decibéis;
• usar a relação de tensão em dB apenas quando a impedância de comparação é a mesma;
• calcular uma eficiência simples de um amplificador ou emissor;
• desenhar uma cadeia de medição com carga fictícia, atenuação e margem para o instrumento;
• reconhecer as limitações de largura de banda, calibração, resolução e incerteza de uma medição.
• distinguir potência média, potência de pico de envolvente e potência reflectida;
• seleccionar um frequencímetro, voltímetro, amperímetro, osciloscópio, dip meter, analisador de antenas ou analisador de espectro para uma tarefa concreta;
• interpretar a indicação de um S-meter e a regra aproximada de 6 dB por unidade S sem a tratar como universal.

1. Decibéis são razões

O decibel não é uma unidade absoluta: descreve uma razão entre duas grandezas. Para potência:

Legenda: \(G_{\mathrm{dB}}\): ganho ou atenuação de potência (dB); \(P₁\): potência de entrada ou de referência; \(P₂\): potência de saída ou comparada. Usar a mesma unidade de potência, por exemplo W, nas duas; \(\log_{10}\) é o logaritmo de base 10.

Uma razão de potência superior a 1 dá um valor positivo; uma razão inferior a 1 dá um valor negativo. Quando se descreve uma perda como um número positivo, é comum escrever “perda de 3 dB”; na equação da cadeia, essa perda é subtraída.

Para tensões sinusoidais comparadas em impedâncias iguais:

Legenda: \(G_{\mathrm{dB}}\): ganho ou atenuação de tensão (dB); \(V₁\): tensão de entrada ou de referência (V); \(V₂\): tensão de saída ou comparada (V); \(\log_{10}\): logaritmo de base 10. Usar valores eficazes ou amplitudes com a mesma convenção; a equivalência com ganho de potência pressupõe impedâncias iguais.

Não se deve usar automaticamente a fórmula de 20 log quando as impedâncias são diferentes. A potência depende da tensão e da impedância:

Legenda: \(P\): potência média dissipada (W); \(V\): tensão eficaz sobre a carga (V); \(R\): resistência da carga (Ω).

O estudante deve declarar sempre se está a comparar potência, tensão ou corrente e qual é a referência.

Aplicações e condições a reter

A razão PEP/potência média depende da forma da voz, pausas e processamento. A aproximação de 2,5 para 1 corresponde ao caso de fonia SSB comum adoptado na pergunta, não a uma constante de qualquer sinal SSB. PEP é a potência no pico da envolvente e a média resulta da integração durante o intervalo considerado.

Uma leitura de 20 dB acima de S9 representa 100 vezes a potência de referência S9, assumindo a calibração indicada. Para tensões comparadas na mesma impedância corresponde a 10 vezes a amplitude. A expressão «100 vezes mais forte» da resposta refere-se à potência, não a uma amplitude 100 vezes maior.

2. dBm e dBW

As referências absolutas mais usadas em RF são:

• dBm: potência relativamente a 1 mW;
• dBW: potência relativamente a 1 W.

Legenda: \(P_{\mathrm{dBm}}\): nível de potência referido a 1 mW (dBm); \(P_{\mathrm{dBW}}\): nível referido a 1 W (dBW); \(P_{\mathrm{mW}}\): valor numérico da potência em mW; \(P_{\mathrm{W}}\): valor numérico da potência em W; \(\log_{10}\): logaritmo de base 10. A diferença de 30 dB resulta de \(1 W = 1000 mW\).

Exemplos úteis:

• \(0 dBm = 1 mW\);
• \(10 dBm = 10 mW\);
• \(20 dBm = 100 mW\);
• \(30 dBm = 1 W\);
• 37 dBm corresponde aproximadamente a 5 W.

Somar ganhos e subtrair perdas em dB é prático porque transforma multiplicações e divisões numa soma algébrica. Isso só é válido se todas as referências e pontos da cadeia estiverem identificados.

Uma alteração de 3 dB corresponde aproximadamente ao dobro ou metade da potência, conforme o sinal. Uma alteração de 10 dB corresponde a um factor dez em potência. Uma alteração de 20 dB corresponde a um factor cem em potência, não a “vinte vezes mais forte”. Para tensão, a relação depende da impedância.

3. Eficiência e calor

A eficiência de conversão de um estágio é a razão entre a potência útil de saída e a potência fornecida:

Legenda: \(η\): eficiência (razão sem unidade; multiplicar por 100 para obter %); \(P_{\mathrm{RF}}\): potência RF útil de saída (W); \(P_{\mathrm{DC}}\): potência contínua consumida (W); \(P_{\mathrm{diss}}\): potência dissipada em perdas, aproximadamente calor neste modelo (W).

Se um emissor entregar 10 W de RF e consumir 40 W de corrente contínua, a eficiência é \(10 / 40 = 0,25 = 25 %\):

Legenda: \(η\): eficiência, aqui expressa em percentagem; \(P_{\mathrm{diss}}\): potência dissipada em perdas (W).

Neste exemplo, \(P_{\mathrm{diss}}\) representa os cerca de \(30 W\) que não chegam à saída RF e aparecem principalmente como calor; é a diferença entre os \(40 W\) consumidos e os \(10 W\) entregues. Este cálculo é um balanço simplificado. Num emissor real, a definição do ponto de medição, a potência média ou de envelope, a modulação, o consumo de controlo e as perdas da fonte devem ser especificados. A eficiência não é sinónimo de qualidade de sinal nem autoriza ultrapassar limites regulamentares.

4. Cadeia de medição

Antes de medir um emissor:

1. confirmar frequência, potência esperada, impedância e limite de cada componente;
2. ligar uma carga fictícia adequada à potência e frequência;
3. usar atenuação ou acoplamento conhecido antes do analisador, frequencímetro ou osciloscópio;
4. confirmar a soma de perdas e o nível previsto na entrada do instrumento;
5. começar com potência reduzida, quando o equipamento permitir;
6. registar configuração, largura de banda, RBW, detector, frequência, temperatura e data.

Nunca se deve ligar directamente um emissor a um analisador de espectro sem verificar a potência máxima e a atenuação necessária. Uma leitura plausível pode ser falsa se a entrada estiver comprimida ou danificada.

Aplicações e condições a reter

Um osciloscópio de dois canais permite medir a diferença de fase entre duas sinusóides da mesma frequência. Medir o desfasamento temporal \(\Delta t\) e o período \(T\), ambos em segundo, e calcular \(\varphi=360^\circ\Delta t/T\), com \(\varphi\) em grau. Identificar qual o sinal que adianta o outro e usar largura de banda, sondas e disparo adequados.

5. O que limita uma leitura

• calibração: um instrumento calibrado tem uma relação conhecida com a grandeza medida, dentro das condições declaradas;
• largura de banda: o filtro de resolução e o detector influenciam o que aparece no ecrã;
• faixa dinâmica: sinais fortes podem comprimir o instrumento e mascarar sinais fracos;
• carga e cabos: perdas, desadaptação e conectores alteram o nível no ponto de medição;
• ruído e repetibilidade: repetir a leitura ajuda a separar variação do sinal de erro de configuração;
• incerteza: uma casa decimal a mais no visor não cria exactidão adicional.

Uma medição avançada é uma cadeia de hipóteses, componentes e instrumentos. Sem conhecer o ponto de referência, “10 W medidos” é uma afirmação incompleta.

Aplicações e condições a reter

Um voltímetro deve ter impedância de entrada elevada relativamente à impedância do circuito, para retirar pouca corrente e reduzir o erro de carga. No modelo ideal tende para infinito; em alta frequência, a capacidade da entrada e da sonda também pode carregar o circuito, mesmo que a resistência DC seja alta.

Uma onda quadrada de fundamental 10 MHz contém harmónicas superiores que contribuem para o valor eficaz. Entre instrumentos limitados a 1, 10, 20 e 100 MHz, o de 100 MHz conserva mais componentes e é a melhor escolha da comparação, assumindo os restantes parâmetros iguais. A banda finita ainda causa erro: considerar também resposta em frequência, factor de crista e método RMS.

6. Instrumentos e o que realmente medem

• frequencímetro: mede a repetição temporal de um sinal dentro da sua faixa, nível e estabilidade. Um erro de \(0,1 ppm\) a \(146,520 MHz\) representa aproximadamente \(14,7 Hz\); o contador não identifica automaticamente harmónicas ou a qualidade da modulação;
• voltímetro/amperímetro: medem tensão ou corrente no ponto em que estão ligados. Um voltímetro de baixa impedância pode carregar um circuito RF ou de polarização; um amperímetro deve ser inserido de modo seguro e dentro da corrente admissível;
• osciloscópio: mostra amplitude em função do tempo. Permite ver ciclo de trabalho, envelope, distorção e transientes, mas a ponta, a largura de banda e a massa podem alterar ou pôr em risco a medição;
• dip meter / medidor de absorção: detecta acoplamento a um circuito ressonante e pode ajudar a localizar uma ressonância; não substitui um analisador de antenas calibrado;
• analisador de antenas: mede uma faixa de impedância, fase, SWR ou parâmetros derivados com uma ponte e um sinal pequeno. Não prova que a antena suporta potência de transmissão;
• analisador de espectro: mostra energia em função da frequência. Precisa de nível de entrada seguro, atenuação, RBW, detector e referência correctamente configurados;
• carga fictícia: apresenta uma impedância conhecida e dissipa potência sem radiar como uma antena. É a primeira escolha para testar um emissor sem colocar uma emissão no ar.

Um osciloscópio contém, de forma simplificada, amplificadores nos canais vertical e no sistema horizontal de varrimento. Um dip-meter usa um gerador de frequência variável acoplado ao circuito ressonante; a queda de corrente ou a alteração indicada ajuda a localizar a ressonância. Um analisador de antenas costuma gerar o seu próprio sinal de pequena amplitude, ao contrário de uma ponte SWR simples que pode exigir uma fonte RF externa.

Um gerador de sinais fornece uma frequência, forma de onda e nível controlados para ensaiar um receptor, filtro ou cadeia RF. Antes de ligar, confirmar a impedância de terminação, a modulação, a atenuação, o nível máximo e a largura de banda. É uma fonte de teste de baixa potência: não substitui uma carga fictícia e nunca deve receber directamente a saída de um emissor.

Potência directa, reflectida e PEP

Um wattímetro direccional separa, dentro das suas limitações, potência incidente e reflectida. Num exemplo idealizado, \(100 W\) incidentes e \(25 W\) reflectidos não significam automaticamente que “sobram 75 W de RF na antena”: isso depende da ponte, da localização e da definição de potência. Para ensinar o balanço de uma carga resistiva, pode-se dizer que a potência absorvida no ponto de medição é \(100 − 25 = 75 W\); numa linha real, a posição das ondas e as perdas têm de ser consideradas.

PEP é a potência média no ciclo de RF correspondente ao pico da envolvente. Em SSB, pode ser muito superior à potência média durante a fala; em FM de envolvente constante, a potência RF mantém-se aproximadamente constante enquanto o emissor está activo. O instrumento e o detector devem ser adequados ao modo.

Para uma sinusóide numa carga resistiva, \(V_{\mathrm{RMS}} = V_{\mathrm{pico}}/\sqrt{2}\) e \(P = V_{\mathrm{RMS}}^2/R\). Com \(30 V\) de pico numa carga de \(50 Ω\), \(V_{\mathrm{RMS}} ≈ 21,2\,\mathrm{V}\) e \(P ≈ 9\,\mathrm{W}\). Um wattímetro de leitura de pico é especialmente útil para acompanhar PEP de SSB e detectar picos de modulação; um wattímetro médio pode não os mostrar.

Legenda: \(V_{\mathrm{RMS}}\): tensão eficaz (V); \(V_{\mathrm{pico}}\): tensão de pico (V); \(P\): potência média na carga (W); \(R\): resistência da carga (Ω); \(\sqrt{2}\): raiz quadrada de 2. Estas relações pressupõem uma sinusóide.

Um contador de \(\pm0,1\,\mathrm{ppm}\) a \(146,520 MHz\) pode errar até aproximadamente \(14,652 Hz\). Para medir tensão, o voltímetro deve ter impedância de entrada alta; para medir corrente, o amperímetro deve ter impedância baixa. Uma onda quadrada de \(10 MHz\) exige um instrumento com largura de banda suficientemente superior à fundamental para reduzir o erro das harmónicas.

S-units e calibração

A regra aproximada de que uma unidade S equivale a \(6 dB\) é uma convenção útil, não uma garantia para todos os receptores. A referência de S9, a largura de banda, o AGC e a calibração do fabricante podem variar. Use a indicação para comparar condições no mesmo receptor e confirme níveis com instrumento calibrado quando necessário.

Aplicações e condições a reter

Primeiro, calculamos a tensão eficaz (RMS) e a corrente eficaz (RMS): Tensão eficaz (RMS): \(V_{\mathrm{rms}} = V_{\mathrm{p}} / \sqrt{2} = 30 V / \sqrt{2}\) Corrente eficaz (RMS): \(I_{\mathrm{rms}} = V_{\mathrm{rms}} / R = (30 V / \sqrt{2}) / 50\,\Omega\) Então, usamos a tensão e a corrente para calcular a potência média: \(P = V_{\mathrm{rms}} \times I_{\mathrm{rms}} = (30 V / \sqrt{2}) \times ((30 V / \sqrt{2}) / 50\,\Omega) = 9\,\mathrm{W}\).

Num osciloscópio convencional, o sistema vertical amplifica o sinal que determina a deflexão Y e o sistema horizontal controla a deflexão X, normalmente a base de tempo ou outro sinal em modo XY. É o instrumento que reúne os dois sistemas; um analisador de espectro tem outra função de apresentação.

O osciloscópio apresenta a evolução no tempo; o analisador de espectro apresenta nível em função da frequência. Este último permite distinguir harmónicas, espúrios e produtos de intermodulação de um emissor, incluindo numa medição radiada a distância. Usar acoplamento, antena, atenuação e referência apropriados para não sobrecarregar a entrada e para interpretar o nível recebido.

O osciloscópio mostra tensão em função do tempo e permite comparar formas de onda e fases. Em modo XY, dois sinais sinusoidais produzem figuras de Lissajous; não se deve confundir esse domínio com o espectro, que representa amplitude ou potência em função da frequência.

No plano de referência de um wattímetro direccional, a potência líquida segue da diferença entre incidente e reflectida. Com 100 W incidentes e 25 W reflectidos, são 75 W líquidos. Chamá-los potência absorvida pela carga pressupõe perdas desprezáveis entre o medidor e a carga; uma linha com perdas altera essa conclusão.

Um analisador de antena dispõe normalmente de uma fonte de teste própria e mede a resposta da antena ou linha. Uma ponte SWR convencional precisa de energia RF externa para comparar ondas directa e reflectida; os limites e funções variam por instrumento.

Para monitorizar fonia SSB interessa medir PEP, a potência de pico da envolvente. Um wattímetro com detecção de pico acompanha os máximos melhor do que uma leitura média lenta. A comparação com um limite exige a grandeza regulamentar correcta, a calibração, a carga e o ponto de medição previstos.

Um amperímetro é ligado em série e deve ter resistência interna muito pequena para introduzir pouca queda de tensão e alterar pouco a corrente medida. Um voltímetro é ligado em paralelo e tem o requisito oposto: impedância elevada.

Para uma precisão de ±1,0 ppm e uma leitura de 146 520 000 Hz, o erro máximo em módulo é \(\Delta f = 146\,520\,000 \times 1,0 \times 10^{-6} = 146,52\,\mathrm{Hz}\). Aqui, \(\Delta f\) é o erro máximo em Hz; ppm significa partes por milhão. A variante de ±0,1 ppm dá 14,652 Hz, dez vezes menos; não se deve conservar a resposta quando muda a precisão.

Diagnóstico guiado: a potência medida não bate certo

Situação: dois instrumentos apresentam valores diferentes para a mesma saída RF.

1. compara referência, impedância, largura de banda, detector e unidade;
2. confirma cabos, atenuadores, carga fictícia, calibração e potência máxima;
3. separa potência média, PEP e potência reflectida antes de comparar números;
4. regista a incerteza e repete com uma fonte conhecida, sem assumir que mais casas decimais significam maior exactidão.

Conclusão: uma medição só é comparável quando a grandeza, a referência e a cadeia são equivalentes.

Exercícios

Tenta responder antes de abrir a resposta.

Erros frequentes

• tratar dB como potência absoluta;
• confundir dBm com dBW;
• somar dBm de fontes independentes como se fossem tensões coerentes;
• usar 20 log sem verificar a impedância;
• esquecer perdas do atenuador, cabo e acoplador;
• ligar um emissor directamente ao analisador;
• confundir eficiência eléctrica com conformidade espectral;
• aceitar a resolução do visor como se fosse a incerteza total.
• interpretar \(20 dB\) como vinte vezes a potência;
• confundir potência reflectida com potência automaticamente radiada;
• usar um analisador de antenas como carga fictícia para um emissor;
• ligar a massa de um osciloscópio sem confirmar o potencial do circuito;
• assumir que todos os S-meters usam a mesma referência e a mesma sensibilidade.

Resumo e glossário

• dB compara; dBm e dBW acrescentam uma referência absoluta.
• Ganhos e perdas podem ser somados em dB, mas potências lineares não devem ser misturadas com dB sem conversão.
• Eficiência relaciona potência útil e potência fornecida; a diferença aquece o sistema.
• Carga fictícia, atenuação e calibração protegem o instrumento e tornam o ensaio interpretável.
• A incerteza pertence à medição, mesmo quando não aparece no mostrador.

Siglas e abreviaturas usadas neste módulo

Cada entrada apresenta a expressão original, a língua e o significado em português neste contexto.

• AGC — Automatic Gain Control (inglês): controlo automático de ganho.
• ANACOM — Autoridade Nacional de Comunicações (português): regulador português das comunicações.
• DC — Direct Current (inglês): corrente contínua.
• FM — Frequency Modulation (inglês): modulação de frequência.
• ITU — International Telecommunication Union (inglês): União Internacional das Telecomunicações.
• PEP — Peak Envelope Power (inglês): potência de pico da envolvente.
• RBW — Resolution Bandwidth (inglês): largura de banda de resolução.
• RF — Radio Frequency (inglês): radiofrequência.
• RMS — Root Mean Square (inglês): raiz da média dos quadrados; valor eficaz.
• SSB — Single Sideband (inglês): banda lateral única.
• SWR — Standing Wave Ratio (inglês): relação de ondas estacionárias.

Os códigos Q são grupos convencionais com significados definidos, não iniciais de palavras. As letras de componentes (R, L, C) representam resistência, indutância e capacidade; números como R1 ou C2 identificam componentes.

Referências terminológicas: abreviaturas da ARRL e glossário de electrónica da Analog Devices. Para RBW e VBW: Rohde & Schwarz — funcionamento do analisador de espectro. Para os organismos e certificados: CEPT na União Postal Universal, HAREC — T/R 61-02, ITU e definições publicadas pela ANACOM. As expansões dos nomes não estabelecem regras de operação.

Fontes e versão

• Procedimentos e programa de exame — Anexo 1 — decibéis, potência, eficiência, medições, instrumentos e cargas.
• ITU-R SM.329 — Emissões indesejadas no domínio espúrio — terminologia e cuidados de medição de emissões.
• ITU-R SM.328 — Espectros e largura de banda — conceitos de emissão e largura de banda; a página identifica a versão em vigor.
• ANACOM — manuais técnicos ITED e ITUR — exemplo nacional de documentação técnica e práticas de instalação; não substitui a especificação do instrumento.

Data de verificação: 2026-08-08. Valores e procedimentos devem ser adaptados ao equipamento, à carga e à norma aplicável.