CALCULADORA
PARA CHOKES DE RF COM CABO COAXIAL
VERSÃO 1.0 (BETA)
Por Alisson, PR7GA
🚀 Novidades da Versão 1.0▼
💬 Erros? Sugestões?▼
Esta ferramenta está em constante aprimoramento. Se você encontrar algum erro nos cálculos, problemas na interface ou tiver sugestões de melhoria, eu adoraria ouvir seu feedback!
💬 Enviar Sugestão ou Correção📖 Para que serve esta calculadora?▼
Esta calculadora serve para calcular chokes de RF com núcleo de ar, utilizados como barreira contra a circulação de correntes de modo comum em cabos coaxiais. Em geral são utilizados em certos projetos específicos de antenas, como a flowerpot ou dipolos coaxiais, ou para fazer o papel de um balun (chamado de "ugly balun") em antenas balanceadas, evitando-se os malefícios que as correntes de modo comum geradas pelo desbalanceamento causam no funcionamento da antena ou na forma do temido "retorno de RF" ou "RF loop". Sua vantagem é a praticidade, já que utiliza-se o próprio cabo coaxial de descida para a criação do choke.
📖 Como usar esta calculadora?▼
Esta calculadora utiliza três parâmetros para calcular o choke: diâmetro do tubo, quantidade de espiras e frequência central de operação. Quando você fornece dois destes parâmetros, o sistema calcula o terceiro automaticamente.
Clique no título do parâmetro que deseja calcular para selecioná-lo. Uma vez selecionado, este parâmetro fica "travado" na cor verde e será calculado quando você inserir os outros dois nas caixas tracejadas. Já existem parâmetros quando você abre a calculadora, mas são só um exemplo para começar
Os outros dois parâmetros mais abaixo são opcionais. Para alterá-los é preciso clicar ou tocar no botãozinho "Automático" para destravá-los. Diâmetro do Cabo já vem preenchido com o valor padrão para o cabo RG58. Já Comprimento da Bobina é calculado automaticamente para bobinas com as espiras juntas, sem espaço entre elas. Mantenha este valor e só altere caso queira simular a bobina com espaçamento entre as espiras.
⚙️ Controles Avançados ▼
📈 Gráfico do choke▼
🔎 Análise do Choke▼
Circuito equivalente efetivo na \(f_{res}\)
O circuito equivalente efetivo modela o comportamento real da bobina desconsiderando a capacitância parasita entre suas espiras, tratando o indutor como um guia de onda helicoidal (sheath helix). A partir da frequência de ressonância e do diâmetro do tubo informados, a calculadora determina a quantidade de espiras que satisfaz as condições para atingir um comprimento elétrico de 1/4 de onda. Como os cálculos refletem o comportamento da bobina exatamente em sua auto-ressonância, é normal e esperado que a indutância, a reatância e o Fator Q apresentem números altíssimos, pois tendem ao infinito nesse ponto de operação. Para uma explicação mais detalhada da física por trás desses cálculos, consulte a seção de FAQ do artigo original de ON4AA.
Circuito equivalente a parâmetros concentrados na \(f_{res}\)
Aqui, a bobina é modelada como um circuito clássico LCR paralelo, uma simplificação do comportamento físico complexo da bobina, representando-a por meio de componentes passivos ideais. Os valores são obtidos por meio das fórmulas clássicas onde se considera o comprimento da bobina muito pequeno em relação ao comprimento de onda (\(l \ll \lambda\)), desconsiderando seus efeitos. Seus valores são calculados para produzir os mesmos efeitos que a bobina real produz nas correntes de modo comum na frequência central.
📚 Histórico e Otimizações▼
Como esta calculadora foi desenvolvida
Esta calculadora foi desenvolvida a partir da Calculadora para Antenas Flowerpot, disponível nesta página. Utiliza o mesmo motor, mas levemente modificado para que o usuário possa inserir duas das três variáveis principais e assim obter a terceira a partir delas.
Rejeição em 50 Ω vs. 200 Ω
Diferente da Calculadora Flowerpot original, que calcula a atenuação de RF baseada estritamente no padrão de 50 Ω, esta calculadora introduz a escolha da Impedância de Referência no Modo Avançado, para que o usuário possa escolher entre 50 Ω (impedância "padrão" dos instrumentos de bancada, como nanoVNA) ou 200 Ω (impedância mais próxima daquela vista pelas correntes de modo comum ao longo da malha.
A Impedância de Modo Comum desse caminho é imprevisível e altamente variável, mas costuma ser consideravelmente superior a 50 Ω, frequentemente estipulada em torno de 200 Ω a 400 Ω, segundo as fontes consultadas.
Quando um choke é inserido em um circuito que já possui uma impedância natural mais alta, o "bloqueio" percentual (em decibéis) que sua reatância consegue exercer é menor. É por isso que um choke que apresenta 40 dB de atenuação na bancada do VNA pode entregar uma rejeição menor quando instalado na antena. Assim, optamos por adicionar a função de escolher entre 50 Ω e 200 Ω para que se possa ter uma análise mais próxima da realidade.
O "MOTOR" da calculadora
O modelo matemático de cálculo do indutor utilizado nesta ferramenta deriva do script original (inductance.py) desenvolvido por Serge Y. Stroobandt (ON4AA) e disponível em forma de calculadora nesta página. Durante o desenvolvimento do código para execução em ambiente web (via Brython), foram implementadas resoluções técnicas para as pendências (TODOs) documentadas pelo autor original:
- Substituição do algoritmo de busca de raízes: O módulo
fzerooriginal foi substituído por uma implementação do método de bissecção (denominadaatc_bisection). - Tratamento de instabilidades numéricas (\(Z_c \to \infty\)): Foram adicionadas condições de contorno ao cálculo das funções de Bessel modificadas para prevenir erros de overflow em argumentos extremos.
- Determinação do número de espiras a partir da ressonância: O modelo foi reestruturado para operar sob parametrização inversa.
- Otimização das condições iniciais (Seeding): Para a geração da matriz de dados do gráfico de banda de rejeição, implementou-se uma inicialização dinâmica.
- Refinamento iterativo do diâmetro efetivo: O cálculo do diâmetro efetivo (\(D_{\text{eff}}\)) foi convertido de uma avaliação em malha aberta para um laço fechado.
📐 Base Matemática▼
Calculadora original (ON4AA)
A grande inovação da calculadora original desenvolvida por ON4AA e baseada nos trabalhos dos irmãos Corum e de David Knight está na substituição do modelo quase-estático de parâmetros concentrados por um modelo dinâmico baseado na propagação de ondas lentas (slow-wave structures).
1. O Modelo Quase-Estático
Na teoria clássica de circuitos, um indutor é visto como um componente eletricamente pequeno (\(l \ll \lambda\)). Assume-se que a corrente tem a mesma fase e magnitude em toda a extensão do condutor. Para explicar a Frequência de Auto-Ressonância (SRF), a literatura clássica supõe a existência de uma capacitância parasita distribuída (\(C_p\)) entre as espiras, modelando o componente como um circuito tanque RLC paralelo, onde \(f_{res} = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC_p}}\).
O problema é que \(C_p\) não tem significado físico real; é um artifício de modelagem matemática (quase-estático) criado para mascarar o fato de que a bobina deixou de ser um elemento concentrado e passou a se comportar como uma linha de transmissão ou estrutura de guia de onda (sheath helix).
2. O Modelo de Guia de Onda em Hélice (Sheath Helix)
A abordagem eletrodinâmica descarta o \(C_p\). Em vez disso, a bobina cilíndrica é modelada como um guia de onda cilíndrico helicoidal infinitamente fino. A estrutura é definida por um cilindro de raio \(a\), onde a condutividade é considerada infinita ao longo da direção do enrolamento. Para encontrar a propagação dos campos, resolve-se as Equações de Maxwell aplicando as condições de contorno na superfície do cilindro (\(r = a\)).
3. A Relação de Dispersão e as Funções de Bessel
Devido à simetria cilíndrica, a solução da equação de onda resulta em expressões compostas por Funções de Bessel Modificadas. Ao aplicar as condições de contorno para os campos \(\vec{E}\) e \(\vec{H}\) na interface \(r = a\), obtemos a equação transcendental característica da hélice (relação de dispersão):
4. A Auto-Ressonância como Fenômeno de Onda Estacionária
Em linhas de transmissão clássicas, trechos sintonizados podem atuar como transformadores de impedância — por exemplo, uma linha com comprimento equivalente a um quarto da onda propagante (\(\lambda/4\)) terminada em curto-circuito apresentará uma ressonância de alta impedância (anti-ressonância) em sua entrada.
A bobina aqui considerada atua de forma análoga. A Frequência de Auto-Ressonância (SRF) fundamental não ocorre por causa de \(LC\), mas sim porque o comprimento axial da bobina \(l\) impõe uma condição de contorno de onda estacionária. Para encontrar a ressonância exata da bobina, impomos a condição de quarto de onda da onda lenta:
Esta calculadora (Flowerpot 2.0)
Inovações desta calculadora em relação ao modelo original:
- Implementação nativa de Funções de Bessel (I0, I1, K0 e K1).
- Solução Numérica Autônoma (Custom Solver).
- A Inversão Algébrica (Design Reverso).
- Cálculo da Impedância Característica e Banda de Rejeição.
©️ Copyright (GNU GPL v3)▼
Esta calculadora foi desenvolvida por Alisson, PR7GA, e utiliza em seu núcleo de processamento (Python via Brython) rotinas matemáticas derivadas do trabalho original de Serge Y. Stroobandt, ON4AA (hamwaves.com).
- inductance.py: Copyright © Serge Y. Stroobandt, ON4AA. Licenciado sob a GNU General Public License versão 3 (GPLv3).
- mathextra.py e fzero.py: Domínio Público.
Por incorporar e adaptar código licenciado sob a GPLv3, o código-fonte integral deste projeto é distribuído sob os termos da mesma licença.
Este programa é distribuído na esperança de que seja útil, mas SEM NENHUMA GARANTIA. Veja a GNU General Public License para mais detalhes.
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Bom dia, e obrigado pela calculadora. Gostaria de poder criar apps assim para deixar os colegas usarem, mas ainda não cheguei lá e talvez nem chegue. :-) Para o momento, quero deixar duas perguntas e desde já peço desculpas se elas são tolas ou descabidas. Estou buscando aprender.
ResponderExcluirVamos pegar o GRÁFICO DO CHOQUE para os valores default da página. Vemos uma rejeição máxima de 56.6 dB para uma frequência de 149.6 MHz. Pelo que eu entendi, "rejeição" é uma medida de quanto o choke barra (no sentido de não deixa passar) uma frequência. Digamos por hipótese que eu esteja certo. Então, não seria o cao destes valores serem negativos, e a curva invertida? Com um valor de -56.6 dB no "fundo do vale" (ou do pico invertido, que seja)? E por que você escolheu uma linha de corte de 25 dB? No caso dessa segunda pergunta, é minha carência de base teórica que está por trás dela.
Obrigado e 73 de Fausto PU5THM.
A escolha por valores positivos e não negativos foi pelo mesmo motivo que atenuadores, por exemplo, são identificados por valores positivos e não negativos. Além do mais, facilita o entendimento por leigos, especialmente o gráfico. Quanto ao limite de 25 dB, foi arbitrário.
ExcluirE aqui deixo um comentário. Vejo que a base teórica requer o uso de funções modificadas de Bessel de ordem 0 e 1, e que para isso você usou funções programadas por terceiros, quando talvez fosse melhor ter usado as mesmas funções, otimizadas, providas pelo pacote SciPy. Faria tudo mais fácil e seguro para você. Sei que isso são escolhas e que talvez teu código não precise de mais do que já tem, mas eficiência e simplicidade, quando juntas, formam uma dupla imbatível e irresistível. Coisas que só vemos quando precisamos dar alguma manutenção ao código (o que talvez o teu nunca vá precisar, convenhamos).
ResponderExcluir73 de Fausto PU5THM.
Sim foram escolhas minhas visando exatamente o que você identificou: eficiência e simplicidade.
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