Categoria 2 · consolidação técnica

Antenas, linhas de transmissão e VSWR

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

Consultar as siglas: expressão original e significado em português.

Objectivos

No final deste módulo, o estudante deve conseguir:

• explicar o que acontece quando uma linha encontra uma carga diferente da sua impedância característica;
• calcular o coeficiente de reflexão e o VSWR em casos simples;
• interpretar máximos e mínimos de uma onda estacionária;
• distinguir adaptação, perdas de cabo, potência reflectida e potência dissipada;
• escolher um método de medição sem transmitir para uma carga desconhecida.
• distinguir antena isotrópica, dipolo de meia onda, monopolo vertical e Yagi;
• interpretar polarização, ganho em dBi/dBd, directividade, lóbulos e relação frente-costas;
• reconhecer reflector, elemento excitado e directores numa Yagi;
• comparar cabo coaxial e linha paralela, incluindo blindagem, perdas e factor de velocidade;
• relacionar potência do emissor, perdas da linha, ganho da antena e EIRP sem confundir estas grandezas.

Mapa de leitura

Para interpretar uma antena ou uma leitura de VSWR, segue a cadeia completa:

1. fonte: qual é a potência e a impedância de saída do emissor?
2. linha: qual é a impedância característica, o comprimento, a frequência e a perda do cabo?
3. transição: existem conectores, adaptadores, baluns ou choques que alterem o modo de funcionamento?
4. carga: que impedância apresenta a antena nessa frequência e posição?
5. radiação: qual é a polarização, o padrão, o ganho e a direcção útil?

Só depois de fixar o ponto de medição deves interpretar \(Γ\), VSWR, potência reflectida ou potência entregue. Uma leitura correcta junto do emissor não localiza automaticamente uma falha junto da antena; perdas e comprimento de linha podem transformar a leitura.

Vocabulário mínimo

Antena: transição entre circuito e espaço

Uma antena transforma corrente e tensão RF guiadas numa onda electromagnética radiada e, em recepção, faz o processo inverso. O padrão de radiação descreve como o ganho varia com a direcção. A antena isotrópica é uma referência ideal, sem perdas, que radiaria igualmente em todas as direcções; não é uma antena física comum.

Um dipolo de meia onda é uma referência prática importante. Num dipolo horizontal ideal, a radiação é máxima no plano perpendicular ao fio e mínima nas direcções das pontas. Um monopolo vertical de quarto de onda usa um plano condutor ou radiais como imagem eléctrica aproximada do segundo braço. O resultado real depende do solo, dos radiais, da altura e dos objectos próximos.

Quando o padrão tridimensional é difícil de desenhar, usam-se normalmente duas secções: o diagrama horizontal (azimute) e o diagrama vertical (elevação). O lóbulo principal é a região de máxima radiação; lóbulos laterais e nulos explicam por que “ganho” não significa radiação igual em todas as direcções.

Aplicações e condições a reter

A antena isotrópica é uma referência teórica que radia igualmente em todas as direcções e serve para comparar o ganho de antenas reais.

O comprimento de um dipolo de meia onda é proporcional ao comprimento de onda; como \(λ = v/f\), o dipolo deve ser mais pequeno quando a frequência aumenta.

Polarização

A polarização descreve a orientação do campo eléctrico da onda. Uma antena vertical transmite predominantemente polarização vertical; um dipolo horizontal, polarização horizontal, nas condições usuais. Duas antenas com polarizações ortogonais podem sofrer perda significativa de acoplamento. Em reflexão, multipercurso e proximidade do solo a polarização pode alterar-se.

Antes de comparar duas ligações, registar orientação, polarização, altura, direcção e se a antena é omnidireccional ou direccional. Rodar uma Yagi não é o mesmo que rodar a polarização dos seus elementos.

Aplicações e condições a reter

Um elemento perpendicular à superfície da Terra tem orientação vertical, isto é, polarização vertical no modelo simplificado.

Se os elementos do dipolo são paralelos à superfície da Terra, a sua orientação é horizontal.

Ganho, directividade e EIRP

Ganho é potência radiada por unidade de ângulo, relativamente a uma referência, incluindo a eficiência da antena. dBi significa ganho relativamente à antena isotrópica; dBd significa ganho relativamente a um dipolo de meia onda. Para a mesma antena idealizada:

Legenda: \(G\): ganho da mesma antena, expresso em dBi quando referido à isotrópica e em dBd quando referido ao dipolo de meia onda; \(2,15 dB\): diferença entre as duas referências.

Ganho não é apenas “mais potência”: a antena concentra a energia em determinadas direcções e pode ter lóbulos laterais, nulos e relação frente-costas. Um valor de catálogo deve ser lido com frequência, polarização, eficiência e condição de montagem.

Uma forma didáctica de escrever a potência isotrópica radiada equivalente é:

Legenda: \(EIRP\): potência isotrópica radiada equivalente (dBW); \(P_{\mathrm{emissor}}\): potência à saída do emissor (dBW); \(L_{\mathrm{linha}}\): atenuação total da linha (dB, valor positivo a subtrair); \(G_{\mathrm{antena}}\): ganho da antena na direcção considerada (dBi).

É uma grandeza de comparação na direcção do máximo e não é automaticamente a potência entregue ao conector da antena. Se for usada a referência dipolo, fala-se de ERP e deve-se conservar a referência sem misturar dBi com dBd.

Numa Yagi, o elemento excitado recebe a alimentação; o reflector e os directores são parasitas. O reflector é normalmente mais comprido e fica atrás; os directores são normalmente mais curtos e ficam à frente. Alterar comprimento, espaçamento, diâmetro, boom e objectos próximos altera impedância, ganho, largura de banda e relação frente-costas. “Mais elementos” não garante um ganho concreto sem o projecto completo.

Aplicações e condições a reter

Uma Yagi concentra a radiação numa direcção preferencial, aumentando o ganho nessa direcção sem criar potência total adicional.

Um diagrama de radiação mostra como a resposta da antena varia com a direcção. Usam-se cortes nos planos horizontal e vertical quando a representação tridimensional é pouco prática. Identificar lóbulo principal, lóbulos secundários e nulos; o desenho pode estar normalizado e não representar a potência absoluta da estação.

Um dipolo de meia onda idealizado tem aproximadamente 2,15 dBi relativamente à antena isotrópica e é a referência de 0 dBd. As duas escalas diferem na referência: \(G(dBi) ≈ G(dBd) + 2,15 dB\), sem representar criação de potência.

A relação frente/costas compara a radiação ou resposta na direcção do lóbulo principal com a da direcção oposta, para a mesma antena e condições. É normalmente expressa em dB. Distingue-se de frente/lado e de ganho relativamente a uma antena de referência.

A isotrópica é uma referência ideal com ganho 0 dBi em todas as direcções, não apresentando ganho directivo em nenhuma delas.

Uma antena Yagi é muito directiva, concentrando energia numa direcção preferencial através do elemento excitado, reflector e directores.

Reflector e directores são elementos parasitas, pois não recebem alimentação directa; o elemento excitado é o ligado à linha.

Aumentar o boom e adicionar directores pode aumentar o ganho e a directividade, embora o resultado dependa do dimensionamento e da frequência.

PAR é a potência entregue à antena multiplicada pelo ganho da antena relativamente a um dipolo de meia onda, numa direcção definida. Quando a referência é isotrópica, a grandeza é PIRE/EIRP.

Linhas de transmissão e cabos

O coaxial tem condutor central, dieléctrico, blindagem e capa. A blindagem limita o campo exterior e conduz a corrente de retorno; conectores mal cravados, água, corrosão e dobras apertadas podem aumentar perdas e alterar a impedância. Em VHF/UHF, alguns decibéis de perda no cabo podem ser tão importantes como aumentar a potência do emissor.

O coaxial é muito usado porque é compacto, flexível, fácil de encaminhar e oferece blindagem contra acoplamento exterior; não é correcto afirmar que tem sempre menos perdas ou mais potência que qualquer linha paralela. A escolha depende da frequência, comprimento, potência, ambiente, impedância e atenuação do cabo concreto.

Uma linha paralela tem dois condutores separados, geralmente sem blindagem. É equilibrada quando as correntes e os campos dos dois condutores são aproximadamente simétricos; um coaxial é normalmente não equilibrado. Um balun ou choque de modo comum pode ser necessário na transição, conforme o projecto. Não se deve ligar uma linha paralela a uma estrutura condutora de forma assimétrica e esperar que continue a ter o mesmo comportamento.

As folhas de dados dão a atenuação normalmente em dB por 100 m ou por comprimento definido, numa frequência definida. A perda aumenta com a frequência e a temperatura em muitos cabos. O factor de velocidade VF relaciona a velocidade no cabo com c:

Legenda: \(v\): velocidade de propagação no cabo (m/s); \(VF\): factor de velocidade (razão sem unidade); \(c\): velocidade da luz no vazio (aproximadamente \(3\times10^8\,\mathrm{m/s}\)); \(λ_{\mathrm{cabo}}\) e \(λ_{\mathrm{espaço\_livre}}\): comprimentos de onda no cabo e no espaço livre (m), à mesma frequência.

O cabo tem uma impedância característica, por exemplo 50 Ω ou 75 Ω. A impedância não é simplesmente a resistência DC medida com um multímetro.

Uma linha de alimentação deve ligar-se a um filtro, acoplador ou carga com a impedância característica prevista, normalmente igual à da linha na porta, para minimizar reflexão. Se a atenuação total de 26 dB ocorrer em 200 m, a atenuação média é \(26/200 = 0,13 dB/m\); a folha de dados deve ser usada para a frequência concreta.

Aplicações e condições a reter

O emissor deve apresentar uma impedância de saída compatível com a impedância característica de 50 Ω da linha, reduzindo reflexões.

As perdas de atenuação convertem parte da potência RF em calor, aumentando a temperatura da linha. A temperatura real depende da potência, do cabo, da ventilação e da duração.

O filtro deve apresentar impedância compatível, ou relativamente idêntica, à da linha para reduzir reflexões e transferir potência.

50 Ω é a impedância característica mais habitual das linhas coaxiais usadas entre emissor e antena em estações de amador.

O coaxial tem um condutor central, dieléctrico à volta e uma blindagem/malha exterior, além da capa.

Uma linha de dois condutores paralelos é normalmente equilibrada ou simétrica, ao contrário do coaxial, que é assimétrico/blindado.

O coaxial é blindado, prático e relativamente simples de instalar, desde que se respeitem conectores, dobras, água e impedância. Não tem necessariamente menos perdas ou mais potência que todas as outras linhas.

Reflexão numa linha

Um sintonizador de antena transforma a impedância apresentada ao emissor para reduzir a potência reflectida na sua porta. Não elimina as perdas do cabo nem torna a antena automaticamente ressonante; um VSWR baixo no emissor pode coexistir com desadaptação e perdas entre o sintonizador e a antena.

Considere uma linha de impedância característica \(Z_{\mathrm{0}}\) terminada por uma carga \(Z_{\mathrm{L}}\). Se a carga não for igual à linha, a tensão e a corrente não conseguem manter a relação esperada em toda a linha. Parte da energia é reflectida em direcção ao emissor.

O coeficiente de reflexão de tensão na carga é:

Legenda: \(Γ\): coeficiente de reflexão de tensão (sem unidade, pode ser complexo); \(Z_{\mathrm{L}}\): impedância da carga (Ω); \(Z_{\mathrm{0}}\): impedância característica da linha (Ω); \(|Γ|\): módulo do coeficiente; \(VSWR\): razão de onda estacionária de tensão (sem unidade, habitualmente apresentada como x:1).

O módulo \(|Γ|\) varia entre zero, numa carga adaptada ideal, e valores mais elevados quando o desajuste aumenta. O sinal de \(Γ\) também contém informação de fase; por isso, olhar apenas para um número de SWR não descreve toda a impedância.

Aplicações e condições a reter

Um sintonizador de antena adapta a impedância apresentada ao emissor/linha, minimizando a potência reflectida no ponto de ligação.

VSWR e ondas estacionárias

As ondas incidente e reflectida somam-se ao longo da linha. Em alguns pontos reforçam-se, formando máximos; noutros cancelam-se parcialmente, formando mínimos. O padrão fixo é chamado onda estacionária.

O rácio entre o máximo e o mínimo de tensão é o VSWR:

Legenda: \(VSWR\): razão de onda estacionária de tensão (sem unidade); \(V_{\mathrm{max}}\) e \(V_{\mathrm{min}}\): amplitudes máxima e mínima de tensão ao longo da linha (V); \(Γ\): coeficiente de reflexão; \(|Γ|\): seu módulo (sem unidade).

Uma carga idealmente adaptada tem \(Γ = 0\) e \(VSWR = 1:1\). Um VSWR maior não significa automaticamente que o equipamento está danificado, mas indica que a instalação merece investigação: frequência, conectores, cabo, antena, perdas e potência devem ser confirmados.

O return loss é outra forma de exprimir a reflexão:

Legenda: \(RL\): perda de retorno (dB); \(Γ\): coeficiente de reflexão de tensão (sem unidade); \(|Γ|\): seu módulo; \(\log_{10}\): logaritmo de base 10. A reflexão nula corresponde ao limite de perda de retorno infinita.

Quanto maior o return loss positivo, menor é a fracção reflectida. VSWR e return loss não são duas falhas diferentes; são representações relacionadas do mesmo desajuste, com informação diferente sobre a fase.

Aplicações e condições a reter

A VSWR descreve directamente o efeito de uma desadaptação entre a linha e a carga, através da reflexão que ela provoca.

Exemplo de cálculo: \(|\Gamma| = \frac{|25-50|}{25+50} = \frac{1}{3}\) e \(\mathrm{VSWR} = \frac{1+1/3}{1-1/3} = 2\), ou 2:1.

Numa linha adaptada, o coeficiente de reflexão é idealmente zero e a potência reflectida é quase nula.

Numa linha desadaptada, a VSWR é superior a 1; 1:1 corresponde à adaptação ideal.

Adaptar a linha e a antena reduz reflexões e permite transferir a máxima potência possível para a carga, dentro das perdas e limites reais.

Uma VSWR baixa indica menor reflexão e favorece uma transferência eficiente de energia entre linha e antena.

VSWR descreve melhor a interacção da carga com um cabo desadaptado, porque deriva da reflexão causada pela desadaptação.

O que o valor não diz sozinho

Um medidor de SWR indica uma relação entre ondas no ponto onde está ligado e dentro das condições de frequência e potência da medição. Não identifica sozinho se o problema está na antena, no cabo, num conector, num adaptador ou no próprio medidor. Um cabo com perdas pode fazer o SWR medido no rádio parecer melhor enquanto dissipa energia.

Também não é correcto transformar o VSWR numa promessa de alcance. O alcance depende de potência efectiva, ganhos e polarização das antenas, perdas, altura, terreno, obstáculos, ruído e propagação.

Processo de diagnóstico

1. confirmar a frequência e a impedância de referência do sistema;
2. inspeccionar conectores, adaptadores, cabo, blindagem, humidade e dobras;
3. testar o instrumento com uma carga conhecida e adequada;
4. medir junto do rádio e, se possível, comparar com a medição junto da antena;
5. variar a frequência e registar onde o mínimo de VSWR ocorre;
6. reduzir a potência durante a procura da falha e respeitar os limites do equipamento;
7. corrigir uma causa de cada vez e repetir a medição.

Uma carga fictícia de \(Z_{\mathrm{0}}\) conhecida permite testar o emissor sem radiar intencionalmente. Nunca se deve sintonizar uma antena com uma sequência de tentativas de alta potência, sem compreender o circuito e sem controlar aquecimento.

Aplicações e condições a reter

Uma linha degradada ou desadaptada pode provocar reflexões e elevar o aquecimento do andar de saída do emissor, accionando protecção ou causando dano.

Exemplo calculado

Para \(Z_{\mathrm{0}} = 50 Ω\) e uma carga puramente resistiva \(Z_{\mathrm{L}} = 100 Ω\):

Legenda: \(Γ\): coeficiente de reflexão (sem unidade); \(100 Ω\): resistência da carga; \(50 Ω\): impedância característica; \(VSWR\): razão de onda estacionária, aqui 2:1 (sem unidade).

O exemplo é idealizado. Uma antena real tem reactância, a medição tem incerteza e a linha pode introduzir perdas. O cálculo serve para perceber a relação entre impedâncias, não para substituir uma medição devidamente configurada.

PAR e PIRE: a potência aparente radiada (PAR/ERP) usa como referência um dipolo de meia onda; a potência isotrópica radiada equivalente (PIRE/EIRP) usa uma isotrópica. Assim, uma potência de \(10 dBW\) entregue a uma antena de \(20 dBi\) corresponde a \(30 dBW\) de PIRE na direcção do ganho máximo; para uma antena de \(10 dBd\) e \(20 dBW\), a PAR é \(30 dBW\). Não converter estas grandezas sem conservar a referência.

Exemplos de leitura de perguntas numéricas:

• \(10 dBW + 20 dBi = 30 dBW\) de PIRE, isto é, aproximadamente \(1000 W\) na direcção de máximo, se não houver perdas indicadas;
• \(20 dBW + 10 dBd = 30 dBW\) de PAR;
• \(10 dBW + 5 dBd = 15 dBW\) de PAR;
• um dipolo de meia onda idealizado tem aproximadamente \(2,15 dBi\) de ganho relativamente à isotrópica;
• uma antena isotrópica é uma referência ideal e, por definição, não tem ganho directivo numa direcção relativamente a outra;
• a relação frente/costas é a diferença, em dB, entre o nível na direcção principal e o nível medido a 180°, não a relação entre dois nomes de antena.

Quando uma pergunta fala de um filtro passa-baixo ligado à linha, a porta do filtro deve apresentar a impedância prevista pela linha e pela carga — habitualmente \(50 Ω\) com uma linha de \(50 Ω\) — para reduzir reflexões e permitir transferência de potência. “Passa-baixo” descreve a frequência; não determina sozinho a impedância.

Aplicações e condições a reter

PIRE/EIRP: \(10\,\mathrm{dBW} + 20\,\mathrm{dBi} = 30\,\mathrm{dBW}\), ignorando perdas de linha como indica o enunciado. Isto equivale a cerca de 1000 W na direcção de máximo, não a potência DC.

\(PAR = 10 dBW + 5 dBd = 15 dBW\), ignorando perdas de linha.

Diagnóstico guiado: VSWR elevado

Se o medidor indicar VSWR elevado, não concluas imediatamente que a antena está “má”. Regista primeiro frequência, potência, ponto de medição, cabo, conectores e estado térmico. Depois:

1. testa o instrumento com uma carga conhecida e adequada à frequência;
2. inspecciona conectores, água, corrosão, dobras apertadas e cabos danificados;
3. repete a leitura noutra frequência para perceber se o problema é estreito ou largo;
4. compara a leitura junto do emissor com a leitura junto da carga, se o método e o equipamento permitirem;
5. só depois investiga a antena, a posição, os radiais, o balun ou a adaptação.

Um adaptador pode reduzir a reflexão no ponto do rádio sem reparar a causa na linha ou na antena. A medição deve dizer o que foi observado, não apenas “ficou 1:1”.

Exercícios

Tenta responder antes de abrir a resposta.

Erros frequentes

• dizer que toda a potência reflectida “volta para o rádio” sem considerar que há perdas e armazenamento no sistema;
• confundir o valor de VSWR com a impedância complexa completa;
• comparar medições feitas em frequências, pontos ou potências diferentes;
• usar um adaptador para esconder um problema sem investigar a causa;
• ligar um analisador ou medidor a uma potência superior à permitida;
• continuar a transmitir quando há aquecimento, protecção ou comportamento anormal.

Resumo e glossário

Uma linha transmite energia entre uma fonte e uma carga. Quando \(Z_{\mathrm{L}}\) não coincide com \(Z_{\mathrm{0}}\), parte da onda é reflectida; \(Γ\) e VSWR quantificam a desadaptação, mas dependem do ponto e das condições de medição. A antena ainda deve ser descrita por polarização, padrão, ganho, perdas e frequência. EIRP e ERP só são comparáveis quando a referência — isotrópica ou dipolo — fica explícita.

Siglas e abreviaturas usadas neste módulo

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

• ARRL — American Radio Relay League (inglês): associação norte-americana de radioamadores.
• DC — Direct Current (inglês): corrente contínua.
• EIRP — Equivalent Isotropically Radiated Power (inglês): potência isotrópica radiada equivalente; PIRE em português.
• ERP — Effective Radiated Power (inglês): potência radiada efectiva, referida a um dipolo de meia onda; PAR em português.
• IEEE — Institute of Electrical and Electronics Engineers (inglês): instituto dos engenheiros electrotécnicos e electrónicos.
• ITU — International Telecommunication Union (inglês): União Internacional das Telecomunicações.
• PAR — potência aparente radiada (português): designação portuguesa usada para a potência radiada referida ao dipolo de meia onda; ERP em inglês.
• PIRE — potência isotrópica radiada equivalente (português): potência radiada referida à antena isotrópica; EIRP em inglês.
• RF — Radio Frequency (inglês): radiofrequência.
• SWR — Standing Wave Ratio (inglês): relação de ondas estacionárias.
• UHF — Ultra High Frequency (inglês): frequência ultra-alta.
• VF — Velocity Factor (inglês): factor de velocidade.
• VHF — Very High Frequency (inglês): frequência muito alta.
• VSWR — Voltage Standing Wave Ratio (inglês): relação de ondas estacionárias de tensão.

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 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

• Programa de exame — Anexo 1, para antenas, linhas, ondas estacionárias, VSWR e medições;
• Analog Devices — definição e fórmula de VSWR, para \(Γ\), VSWR e adaptação;
• All About Circuits — reflexão em linhas RF, para linhas, reflexão e ondas estacionárias;
• ARRL — antenas, linhas e propagação, para antenas e linhas de alimentação.
• ITU-T K.91 — ganho de antena, dBi/dBd e exposição RF, para definições de ganho e referência isotrópica.
• ITU-T K.100 — campo distante, antena isotrópica e EIRP, para relações entre potência, ganho e campo.
• IEEE Technology Navigator — antena Yagi-Uda, para reflector, elemento excitado e directores.
• ITU — Handbook on Land Mobile (inclui antenas e linhas), para dipolos, monopolos, ganho dBd/dBi, coaxial e adaptação.

Estado: explicação didáctica técnica. Verificado em: 06.08.2026. O valor de VSWR, a potência admissível e os procedimentos de medição dependem da frequência, da instalação e das especificações concretas.