Antenas

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Antenas Antenas Professor Roberto Bairros dos Santos Conteúdo Introdução:.................................................................................................................................... 2 O que é uma antena:..................................................................................................................... 2 A antena transmissora: ................................................................................................................. 2 A antena receptora: ...................................................................................................................... 3 A linha de transmissão: ................................................................................................................. 3 Desenho da antena: ...................................................................................................................... 4 Como a antena funciona: .............................................................................................................. 5 A importância do comprimento da antena:.................................................................................. 6 Cálculo do comprimento de uma antena:..................................................................................... 7 Casando a antena:......................................................................................................................... 8 Sintonizando uma antena: ............................................................................................................ 9 Desempenho da antena: ............................................................................................................. 10 Padrão de irradiação: .................................................................................................................. 10 Ganho da antena:........................................................................................................................ 11 Polarização da antena: ................................................................................................................ 12 Eficiência de uma antena: ........................................................................................................... 13 Múltiplos caminhos..................................................................................................................... 13 Desenho de antenas populares:.................................................................................................. 14 Antena chicote: ....................................................................................................................... 14 Antena helicoidal: ................................................................................................................... 14 Antena em LOOP:.................................................................................................................... 16 1 Antenas Introdução: Este artigo foi desenvolvido para dar ao leitor uma noção básica sobre antenas descrevendo a sua função, operação, característica e técnicas de avaliação. Este trabalho também irá descrever de forma objetiva as características das três formas de antenas mais usadas em transmissores de baixa potência. O que é uma antena: A antena é o componente elétrico responsável pela transmissão das ondas eletromagnéticas pelo espaço e também pela recepção destas ondas eletromagnéticas. A antena é essencialmente um transdutor que converte corrente alternada em ondas eletromagnéticas. A antena do transmissor e a antena do receptor possuem as mesmas características, no entanto elas serão tratadas d forma separadas neste trabalho uma vez que as antenas dos rádios transmissores são mais críticas do ponto de vista construtivas. A antena transmissora: A antena transmissora acopla a energia presente no circuito de saída de rádio freqüência (RF) do rádio transmissor ao espaço físico de forma o mais eficiente possível de forma a transformar a corrente alternada presente no circuito de saída ondas eletromagnéticas irradiadas. A antena deve ser construída com o objetivo de tornar este acoplamento o mais eficiente possível. As antenas transmissoras são normalmente menos eficientes que as antenas receptoras. A antena transmissora deve ser desenhada para ter a máxima eficiência na freqüência do circuito de RF do transmissor. 2 Antenas A antena receptora: A antena receptora tem a função de converter as ondas eletromagnéticas irradiadas pela antena transmissora em sinais elétricos. Quando a onda eletromagnética atinge uma antena receptora a energia eletromagnética presente na onda gera uma pequena tensão na antena receptora que faz com que uma pequena corrente possa fluir pelo circuito do rádio receptor. A antena receptora deve ser desenhada para ter a máxima eficiência na freqüência do transmissor que deseja sintonizar! A linha de transmissão: A linha de transmissão é a conexão elétrica entre a antena e o circuito de saída de RF do transmissor. A linha de transmissão é necessária quando o transmissor e a antena estão montados em lugares diferentes, isto é o que ocorre nos transmissores de maior porte, já nos transmissores pequenos o circuito de RF e a antena estão primos. Um transmissor pequeno é um celular, por exemplo, a anena é montada dentro da caixa do celular, de forma que ela parece não existir para o usuário. Antigamente os celulares vinham com antenas externa. Já um exemplo de transmissor grande é a célula do sistema de telefonia celular, neste caso as antenas são montadas em postes a grande altura. A linha de transmissão é construída com um cabo especial chamado cabo coaxial, como o mostrado na figura abaixo. Eletricamente o cabo coaxial é um complexo circuito RLC com um impedância bem característica. Você compra o cabo coaxial pelo valor da impedância. Os cabos mais usados em transmissores são cabos de 50 Ohm já os cabos usados na recepção podem ser de 75 Ohm. Cabo coaxial típico. 3 Antenas Desenho da antena: O segredo da eficiência de uma antena é o seu desenho físico, este desenho irá determinar as características elétricas (RLC) da antena. A freqüência do circuito equivalente RLC da antena deve ser o mais próximo possível da freqüência do circuito do RF do transmissor. Quando isto ocorre você diz que a antena e o circuito de RF estão casados. Quando a antena está casada toda a energia do transmissor é transferida para a antena. Quando uma parte da energia não é transmitida pela antena, esta energia é refletida pela linha de transmissão, esta energia não transmitida é considerada uma perda. A medição da energia transmitida e da energia refletida é uma forma de medir a eficiência de uma antena. Esta medição é chamada SWR (Stand Wave Radio) e é calculada pela razão entre a energia transmitida e refletida. Uma forma comum de expressar esta grandeza é pela medição da energia na forma da tensão presente na saída do transmissor e da tensão refletida pela linha de transmissão (VSWR). 4 Antenas Como a antena funciona: As ondas eletromagnéticas são transmitidas na forma de campos elétricos e campos magnéticos irradiados pela antena. O entendimento completo do fenômeno requer um estudo mais aprofundado de ondas, com este não é objetivo deste trabalho, aqui será feito observações práticas sobre o tema. A figura mostra os campos elétricos e magnéticos ao redor de uma antena transmissora. Uma antena pode ser construída simplesmente pela conexão do cabo coaxial da linha de transmissão em dois cabos em ângulo reto com a linha, como mostra a figura abaixo. Este tipo de antena é chamada de dipolo de meia onda. A figura mostra uma antena simples. A construção simples mostrada acima é suficiente para irradiar energia na forma de ondas eletromagnéticas pelo espaço, desde que os condutores separados possuem diferentes níveis de tensão isto é suficiente para gerar um campo elétrico (E), se a tensão for variável haverá a presença de um campo magnético (H). Estes campos são gerados simultaneamente pela antena transmissora e estão fisicamente defasados de 90 graus um em relação ao outro, assim, quando o campo elétrico está no seu máximo valor o campo magnético está no seu mínimo. 5 Antenas A importância do comprimento da antena: Como foi visto no capítulo anterior construir uma antena parece simples, basta esticas dois fios, um para cada lado no final da linha de transmissão, no entanto, para que esta antena transmita dom eficiência o sinal de RF, o fator crítico é a dimensão da antena. O dimensionamento da antena fará com que esta apareça para o circuito do transmissor como um circuito RLC. Quando a antena estiver perfeitamente casada o circuito RLC será visto pelo transmissor apenas com um circuito resistivo, caso contrário o circuito poderá ser RC ou RL dependendo do comprimento, a presença o capacitor ou do indutor acarreta perda extra de energia e pro sua vez da eficiência da antena. A máxima eficiência da antena ocorre quando a antena é construída com a dimensão correta, neste caso você diz que a antena está sintonizada. Uma forma de medir a sintonia da antena é através do coeficiente VSWR. A figura abaixo mostra a medição para os três casos possíveis: No ponto (A) a ressonância está abaixo da freqüência ideal, isto ocorre quando o comprimento da antena é muito longo, no ponto (C) a ressonância está acima da freqüência desejada indicando que o comprimento está muito curto, já no ponto (B) a freqüência de ressonância está exatamente sobre a freqüência desejada. Figura mostrando as curvas de ressonância. Ficou claro que a dimensão da antena é fator crítico na sua construção. Como determinar o comprimento de uma antena? 6 Antenas Cálculo do comprimento de uma antena: Vamos mostrar neste artigo como calcular o comprimento de uma antena chamada de dipolo, pois possui dois condutores. Existem dois tipos de dipolos bastante usados são: A Antena Marconi” ou ¼ de onda, este é o tipo de antena mais comum em transmissores de pequena potência e a antena de ½ onda. Uma antena não precisa ter o comprimento da onda transmissora, mas, pode ter uma fração deste comprimento. Assim as antenas com um comprimento igual a metade do comprimento da onda ou um quarto do comprimento da onda são as mais comuns, estes tipos de antenas são chamados de antenas de meia onda ou um quarto de onda. A figura abaixo mostra estes tipos de antenas, observar que antena de um quarto de onda na verdade funciona com a outra metade refletida na terra, que pode ser um bom aterramento ou ainda a placa do circuito impresso. Figura mostrando os tipos de antenas dipolos. O cálculo para o comprimento de uma antena de ¼ de onda é mostrado abaixo. Esta é uma equação empírica, mas que funciona bem. Outro detalhe é que a sintonia da antena depende do seu aterramento e esta sintonia é fortemente influenciada pelo meio ambiente, assim, a antena muitas vezes precisa ser ajustada em campo para o seu valor ótimo. Figura mostrando o cálculo de uma antena de ¼ de onda. 7 Antenas Casando a antena: A antena possui outra característica além da ressonância, é a impedância. Uma antena está perfeitamente casada quando está em ressonância com o circuito de saída de RF e ainda possui a mesma impedância deste circuito, pois, a máxima transferência de potência ocorre quando a impedância da carga e do circuito de saída são iguais. Quando uma antena está em ressonância a medição do VDWR é a menor possível, no entanto quanto menor o valor do VSWR melhor é o casamento da antena. Na figura abaixo você pode ver duas antenas que estão em ressonância, mas a antena “B” possui um valor de VSWR menor, logo, ela possui um rendimento melhor. Figura mostrando o casamento de duas antenas. A ressonância da antena é dada basicamente pela sua dimensão, na ressonância a antena tem um comportamento resistivo. Os fatores que determinam a característica resistiva de um antena são: • • • A resistência do próprio condutor com que a antena é feita. A resistência de radiação (Rr) este é um fator muito importante. A resistência de radiação é uma resistência teórica que colocada no lugar da antena dissipa a mesma energia que a antena dissipa para irradiar a onda pelo espaço. A resistência de fuga, esta é a resistência do dielétrico que compõe o derredor da antena, é a fuga de energia para elementos parasitas como capacitâncias e indutâncias em paralelo com a antena. Como a resistência dos condutores e a resistência de fuga têm pouca influência na resistência da antena, a resistência de radiação é a que representa a maior perda, esta resistência depende do tipo de antena, é função da sua forma. A resistência típica para uma antena de ¼ 8 Antenas de onda vertical é da ordem de 37 Ohms, e a resistência de uma antena de meia onda é de 73 Ohm! Sintonizando uma antena: Sintonizar uma antena é o procedimento para ajustar a antena no seu melhor rendimento, para isto você pode usar complexos equipamentos como analisadores de espectro ou ainda instrumentos mais simples com um circuito simples composto de um indutor e um capacitor sintonizados na freqüência desejada mais um voltímetro para indicar a energia recebida. O ajuste da sintonia normalmente é feito pelo ajuste da dimensão da antena, no entanto esta sintonia pode ser ajudada pela introdução de um capacitor variável em série com a antena, você deve estar consciente que nesse caso um ajuste da ressonância nem sempre leva a um efetivo aumento da energia transmitida. A figura abaixo mostra o circuito equivalente da antena em função da sua sintonia. Figura mostrando a sintonia de uma antena. 9 Antenas Desempenho da antena: Além das características já vistas nos parágrafos anteriores você verá agora mais algumas que complementam o estudo das características de uma antena. Padrão de irradiação: O padrão de irradiação mostra na forma de um desenho como a energia é distribuída no espaço. O termo antena isotópica é usado para definir uma antena com um padrão de irradiação perfeito em todas as direções, esta é uma antena teórica e servirá de referência para os outros tipos de antenas. No mundo real cada tipo de antena possui uma característica de irradiação. A figura abaixo mostra a característica de irradiação das principais antenas. Existem antenas que irradiam igualmente em todas as direções, são chamadas omni-direcinais. Outras irradiam melhor em uma direção é o caso das antenas Yagi, muito utilizadas em televisão. Figura mostrando os padrões de irradiação de diversas antenas. 10 Antenas Ganho da antena: O ganho de uma antena é a potência efetivamente irradiada em comparação com uma antena de referência. Normalmente a antena de referência é uma antena isotópica, neste caso a unidade é dBi que significa: Ganho em dB sobre uma antena isotópica. Outra forma é comparar a antena a uma antena padrão do tipo dipolo, a variação aceitável entre uma antena isotópica e uma antena dipolo é de 2,2 dBi. Por exemplo, uma antena com ganho de 15 dBi pode ser indicada como tendo um ganho de 12,8 dB comparada com uma antena padrão do tipo dipolo. Observe que o ganho não é o aumento da potência na antena em relação a saída do circuito de RF, isto é impossível já que a antena é um elemento passivo. Uma forma simples de ver o ganho é usando a analogia com lanternas, a lanterna com melhor foco parece ter uma luz mais intensa, a lanterna com foco maior teria uma ganho maior. Uma antena que não irradia em todas as direções, mas concentra a sua energia radiante em uma direção, nesta direção irá possuir um ganho maior! As figuras abaixo ilustram esta analogia. Figura mostrando o ganho da luz. Figura mostrando o ganho de uma antena. 11 Antenas Polarização da antena: A polarização é uma característica importante para uma antena e diz respeito a orientação dos fluxos dos campos elétrico e magnético gerados pela antena. Uma antena montada na vertical é dita com polarização vertical, uma antena montada na horizontal é dita com polarização horizontal. A recepção melhor ocorre quando a antena receptora e a antena transmissora possuem a mesma polarização, em outro caso parte da energia transmitida é perdida. Na maioria das vezes você tem pouca possibilidade de ajustar a polarização da antena. Na transmissão de UHF e VHF antenas com polarização horizontal geralmente apresentam melhor desempenho. A figura abaixo mostra o efeito da polarização na antena: Figura mostrando a polarização da antena: 12 Antenas Eficiência de uma antena: Nem toda a energia entregue a uma antena é transformada em campo irradiante, parte é perdida no próprio material de construção da antena e parte é perdido no meio que cerca a antena. Potência direta: É a potência entregue a antena. Potência refletida: É a parte da potência refletida para o circuito de saída de RF devido a falha de sintonia da antena. Potência da rede: É a potência efetivamente transmitida. A potência da rede é normalmente calculada como a diferença entre a potência direta e a potência refletida. Múltiplos caminhos. Uma onda ao se propagar pelo espaço pode ser refletida pela terra ou por obstáculos chegando a antena receptora por múltiplos caminhos, como mostra a figura abaixo. Figura mostrando múltiplos caminhos. As ondas refletidas perdem energia e chegam mais fracas a antena receptora, muitas vezes com atraso de fase o que causa uma distorção na informação, um efeito bastante conhecido em televisão como fantasma. 13 Antenas Desenho de antenas populares: Você irá ver os principais estilos de desenhos de antenas usados na transmissão de baixa potência. Antena chicote: Antena de excelente desempenho e fácil construção mostrada na figura abaixo, esta antena é feita de metal recoberto com um material emborrachado e pode ser construída para antenas do tipo ¼ de onda com para antenas do tipo ½ onda. Antenas chicote. Antena helicoidal: A antena helicoidal ode ser vista na figura abaixo, normalmente construída com fio de cobre, a grande vantagem é o pouco espaço que ocupa. A desvantagem é possuir uma banda de sintonia bem pequena par ao melhor rendimento e ter grande influência do meio externo, assim, a presença da mão da pessoa segurando o transmissor ode alterar a sintonia desta antena, o cálculo do comprimento deste tipo de antena também é mais complicado do que o cálculo da antena reta. 14 Antenas Antena helicoidal. 15 Antenas Antena em LOOP: Esta é uma antena bastante popular em circuito de controle remoto, pois pode ser construída diretamente no circuito impresso. Apesar de ter um custo bem pequeno este tipo de antena é pouco eficiente é possui aplicação somente para transmissão a curtas distâncias, como por exemplo, em controle remoto de portões residenciais. A figura abaixo mostra este tipo de antena. Figura mostrando uma antena desenhada em circuito impresso. Existem fabricantes de antenas que oferecem antenas do tipo LOOP já prontas para serem montadas no circuito. Este tipo de antena possui um rendimento melhor do que a construída diretamente no circuito impresso. A figura abaixo mostra este tipo antena fabrica pela empresa LINX. 16