O termo Radio Frequência deve ser mais ou menos conhecido, pelo menos de forma intuitiva, pelos amantes e entusiastas de eletrônica. É uma fascinante e desafiadora atividade para os profissionais, que devem dispor de um amplo e complexo ferramental matemático, que tem como base as famosas e fabulosas equações de Maxwell.
Mas felizmente esse mundo não é apenas restrito somente aos profissionais. Hobistas e radioamadores podem desenvolver uma atividade intensa na área de RF utilizando-se de regras empíricas no desenvolvimento de circuitos de RF, obtendo um ótimo desempenho. Nesse artigo vamos pulverizar ideias e conceitos sobre circuitos de RF. Talvez aqui o leitor saia com mais dúvidas e questionamentos. Porém, são esses questionamentos que nos movem a aprender mais!
Vamos começar falando de ondas. Em física o conceito de ondas remete ao transporte de energia através do espaço. Ouvimos porque a energia sonora de propaga pelo ar e vibra em nossos sensores dentro do ouvido. Ao jogar um pedra em um lago calmo, percebemos as ondas se propagando para fora do ponto de impacto. No nosso caso, as ondas de RF se propagam no espaço e não necessitam de um meio material, como o ar. Elas são as famosas ondas eletromagnéticas, previstas matematicamente por Maxwell e confirmadas por Hertz. O seu espectro é extremamente amplo. As ondas emitidas por uma estação de radio AM possuem uma baixa frequência. A luz que enxergamos, emitidas por uma lâmpada ou pelo sol, já possuem uma frequência muito alta. No extremo do espectro eletromagnético temos os raio gama, gerados em reações nucleares e processos cósmicos de altíssima energia.
Acho que começamos a viajar bem, e que o titulo do texto indica essa intenção, então vamos viajar mais um pouco. O termo eletromagnético envolve eletricidade e magnetismo. Cargas elétricas geram no seu entorno um campo elétrico. Quando essas cargas se movem, elas geram um campo magnético. Um campo magnético, quando varia com o tempo, gera campo elétrico. Da mesma forma, um campo elétrico que varia com o tempo gera campo magnético. Então, campo elétrico e magnético variantes no tempo geram um ao outro, e ondas eletromagnéticas se propagam no espaço. Agora vamos pisar um pouco no freio antes que alguém desista de terminar de ler esse artigo e tentar explicar com uma experiencia pratica e simples.
Imagine uma bobina com varias espiras de fio. Se você aproximar e afastar de forma sucessiva um ímã da bobina, será possível medir uma tensão não constante nos terminais da bobina usando um multímetro. Dependendo do quão rápido o movimento, do numero de espiras, da área da bobina e do quão poderoso é o ema, tensões maiores serão lidas e é até possível acender um LED.
O principio físico por trás desse fenômeno e a lei de indução de Faraday, que mais tarde fez parte do conjunto de equações de Maxwell. O fluxo do campo magnético através da área da bobina, nesse experimento, varia com o tempo. Essa variação induz um campo elétrico no fio da bobina, fazendo com que cargas elétricas do metal sejam movimentados e assim e possível ler uma tensão em seus terminais. O campo elétrico seria gerado no espaço mesmo sem a presença da bobina (claro que nesse caso não teríamos movimento de cargas elétricas). Assim temos uma forma de gerar um campo eletromagnético no espaço.
Mas por que precisamos de sinais de alta frequência, ou RF? Hoje em dia somos rodeados por dispositivos de comunicação e transmissão de dados que operam em diversas faixas de alta frequência. Para responder a essa pergunta, vamos remeter aos primórdios da transmissão de voz sem fio. O espectro de frequência de nossa voz ocupa mais ou menos a faixa de 300Hz a 3000Hz. Se transformássemos o sinal de voz em um sinal elétrico para ser transmitido a distancia, necessitaríamos de uma antena gigante para se obter um alcance grande de transmissão. Uma antena, para ser eficiente, precisa ter dimensões comparáveis ao comprimento de onda do sinal a ser transmitido. Assim, e mais conveniente modular o sinal de voz em uma portadora de alta frequência. Quando maior a frequência, menor a antena e também os circuitos e componentes utilizados para a construção do dispositivo.
Porém, circuitos de alta frequência devem ser cuidadosamente projetados para que funcionem da forma desejada, principalmente quando os componentes eletrônicos e as interconexões em uma placa de circuito impresso possuem dimensões comparáveis ao comprimento de onda do sinal de RF. Componentes podem apresentar elementos parasitas, alterando seu comportamento. Capacitores apresentam indutância parasita. Acima de uma determinada frequência, chamada de auto ressonância, capacitores se tornam indutores; da mesma forma indutores apresentam comportamento capacitivo acima de sua auto ressonância. As interconexões devem ser cuidadosamente dimensionadas para evitar ondas estacionarias. Os terminais dos componentes devem ser curtos para evitar indutâncias parasitas. Os componentes devem ser cuidadosamente espaçados para evitar acoplamentos indesejáveis, assim como as trilhas nas placas de circuito impresso, para evitar o cross-talk. Em muitos casos, blindagens metálicas e filtros são necessárias para mitigar interferências, as famosas EMI. Esses fenômenos inerentes aos sinais de alta frequência fazem muitos a dizer que RF é magia negra!
Espectro de RF
O espectro eletromagnético e classificado em faixas de acordo com a frequência. A figura 1 ilustra essa classificação e também algumas aplicações de acordo com a banda. Como exemplo de aplicação dessas atividades temos a radiodifusão ( faixas AM, FM, TV), comunicações fixas, comunicações moveis, radio navegação, radio localização ( radares), radio amadorismo, radio astronomia, entre outros.
A faixa de RF, num sentido mais amplo, compreende desde alguns hertz ate mais ou menos 3THz. Acima disso vem a faixa de infravermelho, luz visível ultra violeta e etc. Ela também pode ser dividida em faixas tendo a largura de uma decada, com seus limites inferiores e superiores multiplicados por 10, conforme a Figura 2.
O problema básico
Mencionamos anteriormente que um dos desafios em circuitos de alta frequência surgem quando as dimensões do circuito se comparam ao comprimento de onda do sinal. Esse comprimento relativo não é um limite muito bem definido. Alguns livros estabelecem esse limite em torno de algo de 1/20 do comprimento de onda. Por exemplo, digamos que estamos projetando um circuito que opere em 300MHz. O comprimento de onda nessa frequência e 1m. Portanto, devemos nos preocupar quando as interconexões dos diversos componentes se aproximarem de 5cm. Esse problema básico e ilustrado na figura 3.
Vamos supor que estamos conectando um circuito oscilador de RF a um amplificador de RF. O oscilador (lado esquerdo), é modelado como uma fonte de tensão U(t) e impedância de saída RI esta injetando o sinal de 300MHz no amplificador da direita, modelado como tendo impedância de entrada RA, utilizando uma conexão de comprimento l. Essa conexão deve ser modelada como uma linha de transmissão e suas dimensões devem ser de forma a casar as impedâncias RI e RA para que haja transferência eficiente de energia (lembre-se que ondas são fenômenos de transporte de energia) e que seja minimizado as indesejáveis ondas estacionarias, que podem levar a problemas de distorções e ate mesmo a queima de dispositivos.
Conclusão
O desenvolvimento de circuitos e sistemas de RF é uma atividade de extrema importância tecnológica e as suas aplicações em nossa vida diária são indiscutíveis. Esse artigo foi apenas uma pequena introdução a essa atividade desafiadora, que em um mundo digital, muitos dizem que e magia negra. Porém, com algum embasamento teórico e muita pratica (e perseverança) e possível mesmo ao hobista desenvolver ótimos circuitos. Aos que desejam seguir essa atividade de forma profissional, uma base sólida de matemática e física é necessária. Apesar de estarmos em um mundo altamente digital, a eletrônica analógica de RF nunca sera extinta e o mercado carece, e muito, de profissionais. Se hoje criamos sondas espaciais enviando dados à milhões e até bilhões de quilômetros de distância, é gracas ao maravilhoso mundo das ondas de rádio!
Referencias:
1 – Ian Robertson, Nutapong Somjit, Mitchai Chongcheawchamnan. “Microwave and Milimitre-Wave Design for Wireless Communication”. John Wiley & Sons, 2016.
2 – Gustrau, Frank. “RF and Microwave Engineering. Fundamentals of Wireless Communication”. John Wiley & Sons, 2012.
3 – Chang, Kai. “Radio Frequency Circuit Design”. John Wiley & Sons, 2001.
