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Antenas − Algumas Informações Práticas

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Tópicos: Dipolo de Meia Onda | Antena Isotrópica, Ganho, Polaridade | Antena de Quarto de Onda | Antena não Múltipla de Quarto de Onda | Dipolo Fechado | Antena Yagi | Antena Log-periódica | Antena Parabólica |


1) Dipolo de Meia Onda

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Tipo básico, formado por dois condutores retilíneos, cada um de comprimento igual 1/4 do comprimento de onda da radiação a ser transmitida ou recebida (Figura 1-I A). No vácuo (e de forma aproximada para o ar), a relação entre o comprimento de onda e a frequência é dada por $\lambda \approx 3\ 10^8 \big/ f$, onde λ é o comprimento de onda em metros e f, a frequência em hertz. A constante 3 108 é a velocidade aproximada de propagação (velocidade da luz). Desde que a velocidade de propagação nos meios condutores é menor, na prática os comprimentos das antenas são cerca de 95% dos calculados pela fórmula anterior.

Dipolo de meia onda
Fig 1-I

A figura 1-I B dá uma ideia da variação e tensão e corrente (em valores absolutos) ao longo do dipolo. No centro a corrente é máxima e a tensão é mínima. Isso permite deduzir que o dipolo é equivalente a um circuito ressonante RLC série (Figura 1-I C). Para dipolos de meia onda, a impedância característica é aproximadamente 72 ohms.


2) Antena Isotrópica, Ganho, Polaridade

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Uma antena isotrópica pode ser considerada um elemento puntiforme, cuja potência irradiada (ou recebida) é a mesma em todas as direções (Pi da Figura 2-I). Na prática ela não existe. É um modelo matemático para comparação com antenas reais. Pode ser simulada de forma aproximada por uma combinação de dipolos de meia onda.

Antena Isotrópica
Fig 2-I

As antenas reais não são isotrópicas, isto é, a potência irradiada (ou recebida) varia de acordo com a orientação. Algumas antenas práticas irradiam de forma aproximadamente uniforme em um determinado plano.

O conceito de ganho de uma antena deve ser entendido de forma diferente do de um amplificador. Antenas são elementos passivos, não amplificam sinais. O ganho de uma antena expressa a relação com uma antena de referência. Seja o exemplo a seguir.

A Figura 2-II dá a curva aproximada da potência irradiada por um dipolo de meia onda. Um vetor traçado do centro do dipolo até um ponto qualquer da curva representa a potência irradiada na direção do vetor. Assim, a potência máxima irradiada é dada pelo vetor P (ou o oposto de 180°, na outra parte da curva).
Curva aproximada da potência irradiada por um dipolo de meia onda
Fig 2-II

Considera-se agora uma antena isotrópica, na mesma posição do dipolo e alimentada com a mesma potência da linha de transmissão. Ela irradia uma potência máxima Pi, que é a mesma para todas as direções. Então, o ganho do dipolo de meia onda tendo como referência a antena isotrópica é dado pela relação ente essas potências, expressa em decibéis:

$$dBi = 10 \log \frac{P}{P_i} \tag{2A}$$
É usado o símbolo dBi para o ganho, significando que é um valor em decibel em relação à referência de uma antena isotrópica. Uma antena isotrópica tem, portanto, ganho igual a 0 dBi. Um dipolo de meia onda apresenta um ganho de 2,14 dBi. Alguns fabricantes de antenas indicam o ganho referido ao dipolo de meia onda. Assim, para efeito de comparação, deve-se saber a referência, pois há uma diferença de 2,14 dB entre as duas.

Polaridade da radiação
Fig 2-III

O ângulo que a antena faz com o plano horizontal determina a orientação dos campos elétrico e magnéticos irradiados, os quais são perpendiculares entre si. Para maior eficiência do conjunto transmissor e receptor, as antenas de ambos devem ter a mesma polarização. A Figura 2-III dá uma representação gráfica.


3) Antena de Quarto de Onda

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É um arranjo bastante utilizado em comunicação móvel porque oferece um padrão onidirecional no plano horizontal. O elemento excitador é um condutor vertical retilíneo de comprimento igual a 1/4 do comprimento de onda do sinal, que é conectado ao condutor central do cabo coaxial.

Antena de Quarto de Onda
Fig 3-I

Os elementos auxiliares (4 ou mais) fazem um plano de terra horizontal e as ondas refletidas interagem com a incidente, resultando em uma distribuição uniforme no plano horizontal. A impedância característica está na faixa de 36 ohms. Em algumas situações práticas, as hastes que formam o plano terra podem ser dispensadas quando um já existe, como o teto de um automóvel.


4) Antena não Múltipla de Quarto de Onda

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Se o comprimento do elemento excitador da antena não é múltiplo de 1/4 do comprimento de onda do sinal, ela não será ressonante, ou seja, não terá o melhor desempenho.

Antena não Múltipla de Quarto de Onda
Fig 4-I

No exemplo da figura acima, uma antena de 5/8 do comprimento de onda tem uma reatância líquida capacitiva. Um indutor L na base com uma reatância indutiva igual, em valor absoluto, a essa reatância faz a compensação e o conjunto se torna ressonante na frequência do sinal.


5) Dipolo Fechado

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Conforme Figura 5-I, pode ser considerado como dois dipolos de meia onda em paralelo. Nessa situação, a impedância é multiplicada por 22 (4). Portanto, Z = 4 x 72 = 288 Ω.
Dipolo Fechado
Fig 5-I

Esse valor calculado é próximo da impedância dos fios paralelos de 300 ohms e, por isso, o arranjo é bastante usado em sinais de VHF, como TV. Se fossem três dipolos, a impedância seria multiplicada por 23 (8).


6) Antena Yagi

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O nome foi dado em homenagem ao seu inventor, professor Hidetsugu Yagi que, junto com seu assistente Shintaro Uta, desenvolveu por volta de 1924 uma antena sensível e bastante direcional. É formada por um dipolo de meia onda como elemento excitador, um refletor e um ou mais diretores, conforme Figura 6-I.

Antena Yagi
Fig 6-I

Na transmissão, a interação eletromagnética entre os elementos produz múltiplas irradiações do sinal, na direção dos diretores, com significativo ganho do total irradiado. Na recepção, a malha formada pelos diretores e refletor reforça o sinal. Devido à simetria e igualdade de impedâncias, não há corrente entre elementos e um suporte de material condutor pode ser usado. Apenas o dipolo deve ser isolado.

Antena Yagi - Curva típica de irradiação
Fig 6-II

A impedância é baixa, em geral menor que 50 ohms. Para aumentá-la, muitas vezes é usado um dipolo fechado conforme tópico anterior. Dependendo do número de diretores, o ganho pode ser alto. Valores típicos vão de 7 a 15 dB.

Conforme já mencionado, é bastante direcional. Na Figura 6-II, uma curva aproximada da potência de irradiação. Apresenta uma largura de banda estreita, o que pode ser vantajoso para algumas aplicações e limitante para outras. Embora possa ser usada para transmissão, não é adequada para altas potências devido ao efeito corona entre os elementos.


7) Antena Log-periódica

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A Figura 7-I dá a disposição de um conjunto com 5 elementos. São dipolos de comprimentos diferentes e com espaçamentos diferentes, interligados de forma alternada e com um loop no final. O arranjo confere uma vantagem importante: a ampla faixa de frequências em que pode operar.

Antena Log-periódica
Fig 7-I

Se, por exemplo, o receptor sintoniza um sinal de frequência igual ou próxima à de ressonância do segundo dipolo (da esquerda para a direita), o primeiro atua como refletor e os outros como diretores. E de forma análoga para os demais dipolos. Pode-se assim dizer que o elemento excitador varia de acordo com a frequência do sinal. Na prática, antenas log-periódicas podem ser construídas para operar em faixas de frequências da ordem de 2:1 ou mesmo superiores. Ganhos da ordem de 6,5 a 10,5 dBi são comuns. Devido à elevada largura de banda, esse tipo é amplamente empregado na recepção de sinais de televisão aberta, evitando o uso de múltiplas antenas, conforme ocorrido até certa época.


8) Antena Parabólica

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Quando as frequências chegam à faixa de micro-ondas, isto é, com valores contados em gigahertz, as indutâncias e capacitâncias próprias dos condutores tornam-se significativas e, de forma simplificada, pode-se dizer que os sinais tendem mais a se refletirem nos condutores do que serem conduzidos por eles.

Antena tipo corneta para microondas
Fig 8-I

A Figura 8-I dá exemplo de uma antena tipo corneta para micro-ondas. É um tipo de guia de ondas de formato cônico, fechado em uma extremidade. Os sinais captados pela corneta são levados ao circuito por um pino condutor conforme ilustrado na figura. Desde que as dimensões da corneta têm relação com o comprimento de onda, elas são pequenas, mas o ganho não é dos maiores. Para melhorar, usa-se um refletor parabólico, conforme arranjo da Figura 8-II.

Antena parabólica
Fig 8-II

A parábola é uma curva matemática que tem uma propriedade especial: todos os raios incidentes paralelos ao eixo são refletidos para o mesmo ponto, denominado foco da parábola. Portanto, uma corneta situada no foco recebe uma intensidade significativa de sinal, tanto maior quanto maiores as dimensões do refletor. O conjunto permite formar antenas com os maiores ganhos. Valores como 60 dB ou maiores são possíveis. Isso é fundamental para a recepção de sinais de satélites, uma vez que as limitações do artefato impedem a transmissão com potências altas.
Referências
Pesquisa na Internet em 11/2007. Fontes não anotadas.

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