ANT Antenas e Propagação

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1 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA CAMPUS SÃO JOSÉ SANTA CATARINA ANT Antenas e Propagação Prof. Ramon Mayor Martins, MEng. ramon.mayor@ifsc.edu.br / mayor@linuxmail.org PARTE 5_1: Tipos de Antenas Disponível em:

2 5. Fundamentos de Antenas 5.4 Tipos de Antenas Dipolo de Meia Onda: Dipolo Dobrado Antenas Omnidirecionais Antena Turnstile Dipolo Vertical Antena Plano-Terra (Marconi) vertical ¼ de onda Arranjo Parasita (Yagi): Arranjo Acionado: Colinear Transversal Longitudinal Log-Periódica

3 Dipolo de Meia Onda O perfil de uma antena dipolo de meia onda montada horizontalmente tem forma de rosca, observando o perfil de radiação horizontal, percebe-se a energia irradiada para todos os lados. Por causa da forma de rosca (na horizontal), a radiação vertical é zero e a radiação a partir da horizontal é diminuída. A impedância do dipolo é 73 ohms

4 Dipolo de Meia Onda: Variação do padrão de irradiação do Dipolo com a altura Dependendo da altura do dipolo à terra haverá variação dos parâmetros da antena. Tanto na polarização horizontal, quanto na vertical, o efeito terra pode ser analisado como um refletor perfeito, desde que dentro das faixas de frequência admissíveis. As cargas e correntes induzidas passam a fazer parte do sistema, ocorrerão dois efeitos, o imagem e o real. Tanto para o dipolo horizontal, quanto para o dipolo vertical, existe o dipolo imagem. Este atua de maneira que a terra altera o diagrama de irradiação, impedância, ganho, dentre outros parâmetros. Assim uma antena próxima a qualquer estrutura condutiva, seja terra, metal, "n" dipolos, outras antenas, etc, forma-se uma rede de antenas.

5 Dipolo de Meia Onda

6 Monopolo

7 Dipolo Dobrado Variação do dipolo meia onda -Como o dipolo padrão (meia onda) tem comprimento de meio comprimento de onda -Consiste de 2 condutores paralelos ligados na extremidade com o centro aberto (conexão com a linha de transmissão). -Impedancia é de 300 ohms -Fazendo com que o casamento com (fita paralela) seja perfeito pois tem 300 ohms também -Para antenas de alta frequência o espaçamento entre os 2 condutores: 1 pol -Para baixa frequência o espaçamento: 2 ou 3 pol. -Perfil de radiação igual do dipolo -Oferece maior largura de banda -A impedância da resistência pode ser alterada pela variação do tamanho dos condutores e o espaçamento. -Utilizada para recepção de TV e FM.

8 Dipolo Turnstile conjunto de duas antenas dipolos idênticas alinhados em ângulos retos entre si e alimentados em quadratura de fase. -as duas correntes aplicadas para os dipolos são 90º fora de fase -dipolos cruzados -Usado de dois modos: Modo Normal pode haver varias dipolos umas acima da outra, irradia omnidirecionais, horizontalmente polarizados. Modo Axial cada dipolo orienta perpendicularmente a linha d comunicação, A antena irradia circularmente polarizado, a emissão axial, um dipolo reforça o outro, frequentemente utilizado para comunicações por satélite,

9 Dipolo Cruzado 2 dipolos em V opostos Alinhados de forma desbalanceada, com uma inclinação que determina a polarização circular/eliptica Utilizado em radiodifusão FM Utilizando polarização circular, tem o efeito de produzir uma maior penetração em edifícios e áreas de recepção difícil, do que sinais com única polarização

10 Plano-Terra (Marconi) vertical ¼ de onda Omnidirecionais: antenas que transmitem uma quantidade igual de energia na direção horizontal Comprimento da antena: -1/4 de onda (Lambda/4) radiador principal, ¼ de onda radiais plano terra. -características omnidirecionais -Fornece quantidade ideal de radiação em todas as direções -Uso: -Estações de radiodifusão AM (MF) -Estações centrais (polícia, radiotaxi) Funcionamento: -Alimentada com cabo coaxial o condutor central é conectado a esse radiador -Enquanto a blindagem é conectada na terra -Com esse arranjo, a terra funciona como um espelho elétrico fornecendo o outro ¼ de onda da antena. -Tornando um equivalente ao dipolo vertical -O resultado é uma omnidirecional polarizada verticalmente.

11 Plano-Terra (Marconi) vertical ¼ de onda -a eficácia depende de um bom contato elétrico com a terra -Um terra razoável pode ser obtido cravando uma haste de cobre embaixo da terra -Entretanto se a terra estiver seca e tiver alta resistência a haste será insuficiente Em frequências muito altas qdo as antenas são curtas, uma superfície metálica pode servir como plano-terra -Ex: teto metálico de um carro para VHF e UHF - Em qualquer caso, o plano-terro deve ser grande o suficiente para que ele tenha um raio maior do que ¼ de comprimento de onda na menor frequência.

12 Plano-Terra (Marconi) vertical ¼ de onda Em frequências muito altas qdo as antenas são curtas, uma superfície metálica pode servir como plano-terra -Ex: teto metálico de um carro para VHF e UHF

13 Plano-Terra (Marconi) vertical ¼ de onda Resistencia de Radiação: -a impedância de uma antena plano-terra vertical é exatamente metade da impedância do dipolo (aproximadamente 36 ohms) -Essa impedância varia d acordo com a altura acima do solo, relação comprimento/diâmetro do condutor e presença d objetos ao redor. -Condutor muito grosso, muito próximo da terra, a impedância pode cair para menor de 20 ohms. -Como não há um coaxial de 36,5 ohm usa-se um coaxial de 50 ohm para alimentar a plano terra. -Isso representa descasamento. SWR = 50/36.5 = 1.39 (relativamente baixo e não causa perda de potencia) -Radiais Inclinados: Uma maneira de ajustar a impedância da antena é usar radiais inclinados. Em algum ângulo / dependendo da altura acima do solo/ a impedância da antena será perto de 50 ohms (perfeito o casamento).

14 Plano-Terra (Marconi) vertical ¼ de onda Componentes elétricos concentrados para compensar o encurtamento (Bobina de carga) -Em algumas faixas de frequência por exemplo 27 MHz (CB) é impraticável fazer uma antena vertical ¼ de onda (11 metros Radiador principal teria 2,75 metros). Um telefone sem fio em 49 MHz (6 metros - Radiador principal 1,53 metros) -Para isso, é usado antenas mais curtas e adicionado componentes elétricos para compensar o encurtamento -Quando uma antena é construída menor do que ¼ de comprimento de onda, o efeito pratico é uma indutância reduzida. (XL = 2pifL, L menor, XL menor, portanto mais capacitivo) -A antena já não ressoa na frequência de operação desejada, mas em frequência maior

15 Plano-Terra (Marconi) vertical ¼ de onda Componentes elétricos concentrados para compensar o encurtamento (Bobina de carga) Para compensar isso, um indutor em série, chamado Bobina de carga é conectado em série com a bobina da antena. -A bobina de carga traz a antena de volta para a ressonância na frequência desejada. -A bobina pode ser montada externamente (de modo que irradie junto com a haste vertical) -Pode tb ser colocado dentro da unidade portátil (como em telefone sem fio)

16 Plano-Terra (Marconi) vertical ¼ de onda Componentes elétricos concentrados para compensar o encurtamento (Bobina de carga) -As antenas CB tem uma grande bobina dentro de um encapsulamento de proteção -As antenas de telefone celular usam uma bobina interna autossustentável (como uma mola) -Em ambos os tipos de antenas, o indutor pode ser variável (de modo que a antena possa ser ajustada)

17 Plano-Terra (Marconi) vertical ¼ de onda Componentes elétricos concentrados para compensar o encurtamento (Bobina de carga)

18 Plano-Terra (Marconi) vertical ¼ de onda Componentes elétricos concentrados para compensar o encurtamento (Bobina de carga)

19 Plano-Terra (Marconi) vertical ¼ de onda Antena Vertical 5/8 de onda: Variação da antena vertical de ¼ de onda - como a plano-terra, a 5/8 é alimentada na base com um cabo coaxial e tem 4 ou mais radiais de ¼ de onda -é 1/8 de comprimento de onda maior do que o meio comprimento de onda -Esse comprimento adicional proporciona um ganho de 3 db sobre um dipolo básico e sobre a vertical ¼ de onda. -O ganho vem da concentração da radiação em um padrão de radiação vertical estreito em um ângulo inferior ao horizonte -Ideais para comunicação a longa distancia -5/8 não é múltiplo inteiro de ¼ de onda, parece muito maior do que a linha de transmissão parece um circuito capacitivo. -Para compensar isso, um indutor em série é conectado entre a antena e a linha de transmissão (fazendo a antena ficar próxima do casamento com a linha de 50 ohms) -Muito utilizada em VHF e UHF

20 Arranjo Parasita Para criar antena com mais diretividade e ganho mais elementos da antena são combinados para formar um Arranjo -Antena básica conectada a uma linha de transmissão acrescida de um ou mais condutores adicionais que não estão conectados a linha: Elementos Parasitas e Elemento Acionado -Elemento Acionado: Dipolo de meia-onda ou alguma variação -Elemento Parasita: São ligeiramente mais longos ou mais curtos que o comprimento de onda. Refletor e Diretor -Colocados acionado em paralelo próximos do elemento -Os elementos todos estão em uma barra comum: a barra não tem que ser um isolante pois como existe um nulo de tensão no centro do condutor de meio comprimento de onda na frequência de ressonância não há diferença de potencial entre os elementos e assim todos podem ser conectados em uma barra condutora (ou seja: os elementos não estão em curtocircuito).

21 Arranjo Parasita: -Refletor: cerca de 5% maior que o dipolo de meia onda -montado atrás do dipolo -espaçado por uma distancia de 0.15 a 0.25Lambda do dipolo -Qdo o sinal irradiado a partir do dipolo atinge o refletor, induz uma tensão que produz uma radiação própria -Devido ao espaçamento, a radiação do refletor está em fase com a radiação do dipolo -Como resultado o sinal refletido é adicionado ao sinal do dipolo, criando um feixe mais forte e mais focalizado na direção do dipolo. -O refletor minimiza a radiação a direita do dipolo e reforça a radiação a esquerda.

22 Arranjo Parasita: Diretor: é aproximadamente 5% menor que o dipolo de meia onda - é montado em frente do dipolo - espaçados por uma distancia entre cerca de 1 e dois décimos de um comprimento de onda a partir do elemento acionado (dipolo). - o sinal do dipolo provoca uma tensão induzida no diretor - o sinal irradiado pelo diretor é somado em fase ao do elemento acionado - o resultado aumento de focalização do sinal e uma diminuição na largura de feixe e um maior ganho da antena na direção do diretor

23 Arranjo Parasita: Yagi-Uda -composta de um elemento acionado (dipolo) e um ou mais elementos parasitas. -Visto que os centros dos elementos parasitas são neutros eletricamente, eles podem ser conectados diretamente na barra. -altamente direcional -ganho muito elevado -ganhos de 3 a 15 db são possíveis com abertura de 20 a 40º -A antena Yagi de 3 elementos: tem um ganho de 8 db qdo comparada a um dipolo de meiaonda

24 Arranjo Parasita: Yagi-Uda A antena Yagi de 3 elementos: tem um ganho de 8 db qdo comparada a um dipolo de meia-onda -A antena mais simples Yagi, tem um elemento acionado (dipolo) e um refletor com um ganho de 3 db sobre um dipolo -A maioria das antenas Yagi tem 1 elemento dipolo, um refletor e de 1 a 20 diretores -qto maior o numero de diretores, maior o ganho e mais estreito o ângulo de abertura.

25 Arranjo Parasita: Yagi-Uda

26 Arranjo Parasita: Yagi-Uda Impedancia: A impedância de uma Yagi varia muito de acordo com o numero de elementos -Os elementos parasitas diminuem bastante a impedância do elemento acionado (tornando menor do que 10 ohms em alguns arranjos) -Normalmente um casador de impedância é utilizado para usar cabo coaxial de 50 ohms -Relação Frente/Costas Na Yagi:, mesmo sendo direcional, há uma parcela da potência irradiada para trás determinada pela Relação Frente/Costas. -Variando o numero de elementos parasitas e seu espaçamento, é possível maximizar a relação F/B. -A maioria das Yagis são projetadas para maximizar a relação F/B em vez do ganho, minimizando a radiação e recepção na parte posterior da antena.

27 Arranjo Parasita: Yagi-Uda Utilização: boa diretividade e ganho, boa para comunicação -Para TV não é muito recomendada, pois estão sintonizadas com apenas uma frequência -Operadores de radio amador -VHF e UHF (freq. 450 MHz) -são práticas em frequências acima de 15 MHz.

28 Arranjo Parasita: Yagi-Uda Utilização:

29 Arranjo Parasita: Yagi-Uda Utilização: Ganho adicional e diretividade pode ser obtido pela combinação de 2 ou mais Yagis para formar um arranjo -O espaçamento entre as duas yagis e como a linha esta conectada, determina o ganho total e diretividade

30 Projeto Antena Arrow 2m/70cm Antena Moxon Yagi 2m/70cm Antena Yagi 2m (7 el)

31 Arranjo Acionado: -Antena direcional -Possui 2 ou mais elementos acionados, cada elemento recebe energia RF a partir da linha de transmissão -4 tipos básicos: Colinear / Transversal / Longitudinal / Log-Periódica -Arrays podem ser projetados para irradiar em qualquer padrão de radiação: -Broadside: perpendicular a matriz (transversal) -End-Fire: radiação na mesma direção que a orientação da matriz (longitudinal)

32 Arranjo Acionado: Colinear -2 ou mais dipolos de meia onda montados com as extremidades alinhadas -O comprimento das linhas são calculados de modo que a energia que chega a cada antena esteja em fase com todas as outras antenas. -Combina os sinais nas antenas individuais produzindo um feixe mais concentrado -Como as dipolos: elas tem um padrão de radiação bidirecional -Obs: As antenas 5/8 são colineares

33 Arranjo Acionado: Colinear Quanto mais bays de dipolo as Larguras de feixes se tornam mais estreitas Proporcionando maior diretividade e ganho

34 Arranjo Acionado: Colinear -Usadas nas bandas de VHF e UHF -comprimento proibitivo nas frequências mais baixas -em altas frequências as antenas colineares são montadas verticalmente para fornecer uma antena omnidirecional com ganho. -Ao lado o diagrama de radiação de 1 dipolo e 2 dipolos em arranjo colinear.

35 Arranjo Acionado: Colinear -Com quatro ou mais elementos de meia onda lóbulos menores começam a aparecer.

36 Arranjo Acionado: Colinear -Ao lado o diagrama de radiação de arranjo colinear de Yagis de 10 elementos.

37 Arranjo Acionado: Colinear 100W dividido para cada dipolo: 50W. 50W radiado como um campo é proporcional a raiz quadrada da potência. Sqrt(50) = 7.07 Na antena receptora, os dois campos são combinados ( = 14.14) Em termos de potência, é o quadrado do campo = 200

38 Arranjo Acionado: Colinear

39 Arranjo Acionado: Colinear Análise do número de elemento por espaço de corrente e ganho. (Gráfico de Jasik) Antenna Engineering Handbook Ref:

40 Arranjo Acionado: Colinear Ref:

41 Arranjo Acionado: Transversal (Broadside) -Antena Colinear Empilhada -Consiste de dipolos de meia-onda espaçada entre si por meio comprimento de onda -Cada um deles é conectado ao outro e na linha de transmissão -A linha de transmissão cruzada garante o correto alinhamento de fase do sinal

42 Arranjo Acionado: Transversal (Broadside) -A antena resultante produz um padrão de radiação altamente direcional -Não direcional do modo da Yagi, mas transversal ou perpendicular ao plano do arranjo -bidirecional -largura de feixe estreito e alto ganho -Padrão se assemelha ao da Colinear.

43 Arranjo Acionado: Transversal (Broadside) -A presença de terra influencia a distância do empilhamento ideal -A terra pode ser considerado um segundo elemento -Pois a terra cria uma antena imagem -Nas imagens: Um dipolo sobre a terra e abaixo dipolos empilhadas.

44 Arranjo Acionado: Transversal (Broadside) -Nas imagens: Um dipolo sobre a terra elevado a ¾ lambda de altura e abaixo dipolos empilhadas elevado a ¾ lambda altura.

45 Arranjo Acionado: Transversal (Broadside) -Se todos os elementos são alinhados em fase, havera a irradiação broadside

46 Arranjo Acionado: Transversal (Broadside) Antena utilizada em Radiodifusão AM - SW- HF -Fileiras e colunas de dipolo (linhas 1 até 6, colunas 2 ou 4) -Antena direcional de alto ganho -Comunicações de alcance médio e longo -Polarização horizontal -Possui uma tela atrás como refletor, para fornecer um feixe diretivo -Um array de banda baixa cobre as faixas de 6,7,9 e 11 MHz -Um array de banda alta cobre as faixas de 11, 13,15,17 e 21 MHz -O número de colunas de dipolo define a largura do feixe de Azimute: 2 Dipolos - 50o, 4 Dipolos - 30o -O número de linhas de dipolo e altura do elemento mais baixo acima do solo, define a elevação e consequentemente a distância da área de serviço. -Uma array de 2 linha tem um ângulo de elevação de 20 o (média distância), 4 linhas tem um ângulo de 10 o (grandes distâncias) Ref:

47 Arranjo Acionado: Transversal (Broadside) Antena utilizada em Radiodifusão AM - SW- HF

48 Arranjo Acionado: Longitudinais (End-Fire) -Usa 2 dipolos de meia onda espaçados meio comprimento de onda e acionados pela linha de transmissão -A antena tem um padrão de radiação bidirecional -largura de feixe estreito e maior ganho -Espaçamento entre os elementos é uma fração de um comprimento de onda -Similar ao Broadside (exceto no fato de que os dipolos estão com fase 180 o defasados)

49 Arranjo Acionado: Longitudinais (End-Fire) -A radiação está no planos dos elementos como uma Yagi -Com um numero ideal de elementos cria-se uma antena unidirecional -o espaçamento faz com que o lóbulo em uma direção seja cancelado, de modo que ele se soma ao outro lóbulo proporcionando alto ganho e diretividade

50 Arranjo Acionado: Longitudinais (End-Fire) -Os dipolos estão defasados -Esse defasamento reforça a frente de onda

51 Arranjo Acionado: Longitudinais (End-Fire)

52 Arranjo Acionado: Antena Log-Periódica -Tipo especial de arranjo acionado -Os comprimentos dos elementos acionados variam de longo para curto e estão relacionados logaritmicamente -O elemento de menor comprimento (tem meio comprimento de onda na maior frequência a ser coberta). -o espaçamento é também variável -Logaritmica: A separação de cada canal existe uma relação logaritmica. -Arranjo de dipolos onde cada elemento ressona em uma frequência distinta. -Periódica: pois sua impedância de entrada e seus diagramas de irradiação variarem periodicamente com o logaritmo da frequência.

53 Arranjo Acionado: Antena Log-Periódica -A alimentação é feita no vértice que possui as menores dimensões. -A corrente flui ao longo da antena até encontrar uma região cujas dimensões são tais que produzem ressonancia, região ativa. -Nessa região a corrente é maxima, dando origem à irradiação. -Cada elemento é alimentado com um segmento de linha de transmissão especial em curto-circuito para alinhar corretamente a fase do sinal -A linha de transmissão é conectada ao menor elemento.

54 Arranjo Acionado: Antena Log-Periódica -Impedancia: 200 a 800 ohms (e depende da relação comprimento diâmetro do elemento acionado). -O resultado é uma antena altamente direcional com excelente ganho. -A Log periódica funciona como uma Yagi para quando ativada determinada região; onde o elemento traseiro será o refletor do dipolo ressonante e o elemento dianteiro será o diretor.

55 Arranjo Acionado: Antena Log-Periódica --A vantagem de uma Log-Periodica sobre uma Yagi ou outro arranjo: -é a ampla largura de banda -As yagis são projetadas para uma frequência ou uma faixa estreita de frequência - Os comprimentos dos elementos definem sua frequência. -A Log Periodica pode conseguir uma faixa de frequência 4:1, dando uma largura de banda muito ampla -Uso: a maioria das antenas de recepção de TV de modo que possam fornecer alto ganho e diretividade nos canais de TV em VHF e UHF. Tambem usadas em comunicações bidirecionais onde múltiplas frequências devem ser cobertas.

56 Arranjo Acionado: Antena Log-Periódica -Braços abertos: banda mais ampla menos direcional. Maior captação de canais paralelos. -Braços em V: maior direcionalidade, maior ganho, porém maior dificuldade de captar canais paralelos.

57 Arranjo Acionado: Antena Log-Periódica Diagrama de Irradiação:

58 Arranjo Acionado: Antena Log-Periódica

59 Arranjo Acionado: Antena Log-Periódica