Carta de Smith
A carta de Smith (também conhecida como diagrama de Smith, carta de Volpert–Smith ou carta de Mizuhashi)[b] é um nomograma circular amplamente utilizado na engenharia de radiofrequência (RF) para solucionar problemas em linhas de transmissão e circuitos de casamento de impedância.[6][7][8][9][10] A ferramenta mapeia o coeficiente de reflexão complexo () sobre uma malha ortogonal de impedâncias elétricas normalizadas ().
Como a impedância normalizada é uma grandeza complexa, a carta projeta duas famílias fundamentais de curvas: círculos de resistência constante () e arcos de reatância constante (). As cartas convencionais cobrem circuitos passivos nos quais a resistência é não negativa (). Regiões externas ao círculo unitário () correspondem a resistências negativas, conceito aplicado no projeto de osciladores e na análise de estabilidade de amplificadores.[11](98–101)
A representação gráfica permite a avaliação simultânea de múltiplos parâmetros de RF, tais como admitância, parâmetros de espalhamento (), figuras de ruído e regiões de estabilidade operacional.[12][11](93–103)
Embora o traçado manual em papel tenha sido substituído por ferramentas computacionais dedicadas, o formato da carta de Smith permanece como padrão na interface gráfica de softwares de simulação eletromagnética e analisadores de redes vetoriais (VNA) para a visualização das variações de impedância em função da frequência.[13][14]
História
[editar | editar código]A carta de Smith surgiu no final da década de 1930 a partir de trabalhos independentes conduzidos por Tōsaku Mizuhashi, Amiel R. Volpert e Phillip H. Smith. Antes da consolidação internacional do nome de Smith por volta de 1950, o diagrama era identificado por diferentes designações em publicações acadêmicas.[9][15][16]
Tōsaku Mizuhashi (水橋東作) propôs a estrutura gráfica em 1937 no Japão,[17][18][19] enquanto Amiel R. Volpert (em russo: Амиэ́ль Р. Во́льперт) na União Soviética e Phillip H. Smith nos Estados Unidos propuseram modelos equivalentes de forma autônoma em 1939.[20][21][22][4][5]
Smith desenvolveu inicialmente diagramas retangulares antes de adotar um sistema de coordenadas polares em 1936.[21][9][23] Com a colaboração de seus colegas Enoch B. Ferrell e James W. McRae nos Laboratórios Bell, familiarizados com mapeamentos conformes, a representação foi aperfeiçoada para sua geometria definitiva no início de 1937 e publicada formalmente em janeiro de 1939.[21][9][23]
Smith denominou a ferramenta originalmente de "calculadora de linhas de transmissão" (transmission line chart).[21][22] Na literatura inicial, surgiram termos como "diagrama de reflexão", "diagrama circular de impedância" e "carta de imitância".[9] Durante a década de 1940, pesquisadores do Laboratório de Radiação do MIT popularizaram a denominação Smith chart, que se tornou o termo padrão no Ocidente a partir de 1950.[9][23][15][16]
Visão geral
[editar | editar código]A carta de Smith mapeia a impedância elétrica normalizada no coeficiente de reflexão complexo por meio de uma transformação de Möbius. Impedâncias com parte real positiva (cargas passivas) situam-se no interior do círculo unitário, enquanto valores com parte real negativa situam-se no exterior da fronteira circular.

Para uma carta de impedância (carta Z), a relação matemática fundamental é expressa por:
onde representa a impedância complexa normalizada pela impedância de referência do sistema .
As cartas podem exibir impedância normalizada (carta Z), admitância normalizada (carta Y) ou a combinação de ambas (carta ZY).[11](p97) Nas cartas mistas ZY, cores distintas identificam as respectivas malhas ortogonais.
A borda periférica externa contém escalas graduadas em comprimentos de onda () e graus angulares (). A escala em comprimentos de onda quantifica deslocamentos físicos ao longo da linha de transmissão em circuitos de elementos distribuídos, enquanto a escala angular expressa o ângulo de fase do coeficiente de reflexão.
Por operar com valores normalizados, a carta de Smith aplica-se a qualquer impedância característica de referência. O ponto central representa a impedância de casamento (, tipicamente 50 Ω). Para obter os valores absolutos de impedância ou admitância, multiplica-se a leitura da carta por ou . O coeficiente de reflexão é adimensional e lido diretamente nas coordenadas polares do gráfico.
Em análises de circuitos com elementos concentrados ou distribuídos, traça-se um único ponto para frequências pontuais em aplicações de faixa estreita (tipicamente 5–10% de largura de banda). Em análises de faixa larga, a união de múltiplos pontos em diferentes frequências gera um lugar geométrico contínuo, evidenciando o comportamento indutivo ou capacitivo do circuito e o grau de descasamento ao longo do espectro operacional.
Base matemática
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Normalização
[editar | editar código]Dada uma linha de transmissão com impedância característica e admitância característica , qualquer impedância de carga ou admitância é normalizada pela divisão pelo respectivo valor de referência:
Como a impedância é expressa em ohms (Ω) e a admitância em siemens (S), a normalização cancela as unidades físicas, resultando em quantidades adimensionais compatíveis com o traçado na carta de Smith.
Coeficiente de reflexão e propagação em linha
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Quando uma linha de transmissão é terminada por uma impedância de carga distinta de sua impedância característica , a superposição da onda incidente (direta) e da onda refletida estabelece uma onda estacionária.
Na notação fasorial complexa, medindo-se a distância a partir da carga () em direção ao gerador:
onde e representam as amplitudes complexas de tensão na terminação. A dependência temporal é omitida em regime permanente senoidal.
A constante de propagação complexa é definida como:
onde é a constante de atenuação (em nepers por metro) e é a constante de fase (em radianos por metro).
Variação ao longo da linha
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O coeficiente de reflexão de tensão complexo é definido como a razão entre a onda refletida e a onda incidente:
onde é uma constante de integração.
Em linhas com perdas (), o coeficiente traça uma espiral convergente em direção ao centro da carta conforme cresce. Em linhas de transmissão ideais sem perdas (), a equação simplifica-se para:
onde é o coeficiente de reflexão na carga e é o comprimento de onda guiado na linha.
Como a rotação de fase completa radianos ocorre para uma variação de distância , os valores de coeficiente de reflexão e impedância repetem-se a cada meio comprimento de onda. A escala externa da carta de Smith é graduada de a .
Equação da impedância de entrada
[editar | editar código]Sendo e a tensão e a corrente totais na terminação da linha:
A divisão dessas expressões estabelece a relação biunívoca entre a impedância de carga normalizada e o coeficiente de reflexão :
Como e são grandezas adimensionais complexas, os valores são traçados no plano polar. Cargas puramente passivas satisfazem , ocupando o interior do círculo unitário.
A substituição de na equação da impedância resulta na clássica equação de impedância de entrada de uma linha de transmissão:
Na carta de Smith, essa transformação equivale a descrever uma trajetória circular centrada na origem que passa por , deslocando-se no sentido horário ("em direção ao gerador") pela leitura da escala perimétrica de comprimentos de onda.
Geometria da carta Z
[editar | editar código]Regiões da carta
[editar | editar código]Os ângulos polares são medidos no sentido anti-horário a partir do semi-eixo real horizontal positivo. O eixo horizontal central representa impedâncias puramente resistivas (), estendendo-se do curto-circuito (, à esquerda) até o circuito aberto (, à direita), passando pelo centro de casamento (). O semiplano superior corresponde a impedâncias indutivas (), enquanto o semiplano inferior abrange impedâncias capacitivas ().
O perímetro externo delimitado por contém reatâncias puras ().
Círculos de resistência e arcos de reatância constantes
[editar | editar código]Decompondo a impedância normalizada em suas componentes real e imaginária como :
Ao isolar os parâmetros e no plano complexo , obtêm-se as equações canônicas de duas famílias ortogonais de círculos:
- Círculos de resistência constante: centrados em com raio .
- Arcos de reatância constante: centrados em com raio .
Conversão entre impedância e admitância
[editar | editar código]No projeto de redes de casamento de impedância, é frequente a alternância entre componentes em série (analisados mais facilmente em termos de impedância ) e componentes em paralelo (analisados em termos de admitância ).
A conversão gráfica de um ponto de impedância normalizada para sua respectiva admitância normalizada corresponde a uma rotação de 180° em torno da origem sobre o mesmo raio de módulo de reflexão. Por exemplo, o ponto de impedância () projeta-se no ponto diametralmente oposto ().
| Impedância normalizada () | Admitância normalizada () |
|---|---|

Elementos de circuito e topologia
[editar | editar código]Componentes conectados em série somam-se diretamente em impedância (), enquanto elementos em paralelo somam-se em admitância ().
As expressões para os componentes passivos fundamentais normalizados são:
onde é a impedância característica de referência.
Exemplos de plotagem
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Um coeficiente de reflexão expresso na forma polar como é mapeado no ponto : na coordenada angular de 60° na escala perimétrica externa e a uma distância radial de 0,63 do centro geométrico.
| Ponto | Coeficiente de reflexão (polar) | Impedância normalizada (retangular) |
|---|---|---|
| (indutivo) | ||
| (indutivo) | ||
| (capacitivo) |
Aplicações
[editar | editar código]A carta de Smith é empregada tanto na análise de circuitos de dimensões comparáveis a frações apreciáveis do comprimento de onda (componentes distribuídos) quanto em circuitos eletricamente pequenos (elementos concentrados). O limite prático situa-se em torno de 5% do comprimento de onda da frequência de trabalho: acima desse patamar, os efeitos de propagação e defasagem exigem o emprego de formulações distribuídas.
Casamento com componentes distribuídos
[editar | editar código]Em sistemas de componentes distribuídos, o deslocamento físico ao longo da linha de transmissão altera a fase do coeficiente de reflexão e a impedância de entrada, efeito quantificado diretamente na escala perimétrica externa da carta.
O exemplo a seguir ilustra o casamento de impedância de uma terminação arbitrária em uma frequência única, utilizando um elemento reativo posicionado a uma distância precisa da carga.

Considere uma linha de transmissão com dielétrico de ar, sem perdas, com impedância característica , operando a 800 MHz, terminada por uma carga composta por um resistor de 17,5 Ω em série com um indutor de 6,5 nH. A reatância indutiva a 800 MHz é dada por:
resultando em uma impedância total de carga:
e em uma impedância normalizada de:
Esse ponto é plotado na carta Z como . Traçando-se uma reta a partir do centro passando por até a escala perimétrica externa de comprimentos de onda, obtém-se a leitura . Como a linha não possui perdas, o módulo do coeficiente de reflexão permanece constante, descrevendo um círculo centrado na origem que intercepta o círculo de resistência unitária () no ponto :
A projeção radial da reta na escala perimétrica fornece a posição . A distância física da carga até o ponto de inserção do elemento compensador é dada por:
Em uma linha com dielétrico de ar, o comprimento de onda a 800 MHz equivale ao do espaço livre:
o que estabelece a distância de inserção em a partir da carga.
Para anular a reatância normalizada residual de observada em , deve-se introduzir uma reatância em série conjugada:
Como o valor é capacitivo, calcula-se a capacitância do componente corretor :
Portanto, o casamento de impedância é obtido conectando-se um capacitor em série de 2,6 pF à distância de 29,6 mm da terminação.
Alternativamente, o casamento pode ser executado em configuração paralelo (shunt) convertendo-se o ponto para admitância. O ponto de admitância normalizada equivalente a é , cuja leitura na escala perimétrica é . O ponto de interseção mais próximo em direção ao gerador com o círculo de condutância unitária () é :
A distância necessária ao longo da linha é:
A admitância conjugada de casamento exigida é:
Uma susceptância negativa em paralelo requer um indutor de valor :
Assim, o casamento paralelo alternativo é realizado conectando-se um indutor de 6,5 nH em derivação a 123 mm de distância da carga.
Circuitos com elementos concentrados
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Em circuitos compostos por elementos concentrados, os deslocamentos na carta são regidos pelos valores normalizados das impedâncias e admitâncias individuais dos componentes na frequência de interesse, dispensando o uso da escala perimétrica de comprimentos de onda.
Considere o circuito em escada operando a 100 MHz (), composto por dois capacitores em série e dois ramos em derivação conectados a um resistor de carga . Adota-se como impedância de normalização .

A análise parte da carga em direção aos terminais de entrada. No resistor de terminação, a impedância normalizada é , correspondente ao centro da carta (ponto ). Os deslocamentos no plano Z adicionam impedâncias em série e os deslocamentos no plano Y adicionam admitâncias em paralelo.
| Etapa | Plano | Valor normalizado ( ou ) | Componente associado | Equação de cálculo | Valor obtido |
|---|---|---|---|---|---|
| Z | Capacitor em série | ||||
| Z → Y | Transformação de plano a coeficiente de reflexão constante (rotação de 180°) | ||||
| Y | Indutor em paralelo | ||||
| Y → Z | Transformação de plano a coeficiente de reflexão constante (rotação de 180°) | ||||
| Z | Capacitor em série | ||||
| Z → Y | Transformação de plano a coeficiente de reflexão constante (rotação de 180°) | ||||
| Y | Capacitor em paralelo | ||||
Variações e extensões
[editar | editar código]Carta de admitância
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A carta de admitância (carta Y) mapeia o coeficiente de reflexão em função da admitância normalizada :
A geometria da carta Y é idêntica à da carta Z, porém rotacionada em 180° em torno do centro. Escrevendo a admitância na forma (onde é a condutância normalizada e é a susceptância normalizada):
O semiplano superior representa susceptâncias capacitivas () e o semiplano inferior representa susceptâncias indutivas ().
Resistência negativa
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A carta de Smith pode ser estendida para abranger circuitos com resistência negativa (). Nessas condições, o módulo do coeficiente de reflexão ultrapassa a unidade (), indicando que a potência refletida excede a potência incidente incidente devido à injeção de energia por dispositivos ativos ou fontes externas de polarização.
Mapeamento sobre uma esfera tridimensional
[editar | editar código]Em 2011, Andrei A. Muller et al. propuseram a extensão da carta de Smith bidimensional para a superfície tridimensional de uma Esfera de Riemann por meio de projeção estereográfica.[e][24][25] Essa abordagem unifica em uma única superfície contínua e compacta as regiões passivas (, no hemisfério norte), as regiões de resistência negativa de circuitos ativos (, no hemisfério sul) e os pontos singulares no infinito.
Ver também
[editar | editar código]Notas
[editar | editar código]- ↑ Para , o arco converte-se em uma linha reta (isto é, um círculo de raio infinito).
- ↑ Também referida na literatura técnica como carta de Mizuhashi (水橋チャート),[1][2][3] carta de Volpert–Smith (диаграмма Вольперта—Смита)[4][5] ou carta de Mizuhashi–Volpert–Smith.
- ↑ Para , o círculo transforma-se em uma reta vertical.
- ↑ Os arcos de constante projetam-se simetricamente através do equador para cobrir a superfície esférica integral.
- ↑ Escrevendo , as coordenadas tridimensionais na esfera unitária são expressas por .
Referências
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Ligações externas
[editar | editar código]- Ferramenta de Carta de Smith 3D – Carta de Smith interativa em 2D e 3D para circuitos passivos e ativos (em inglês)
- QuickSmith – Ferramenta educacional interativa de código aberto baseada na web (em inglês)
- Smith Chart Studio – Software para análise de trajetórias de casamento de impedância em tempo real (em inglês)
