Antenas para faixa de MF, HF, VHF e UHF

Transcrição

1 Antenas para faixa de MF, HF, VHF e UHF 1 - A antena isotrópica A onda eletromagnética irradiada por uma antena pode ser concentrada em uma determinada direção. Quando utilizada em transmissões uma antena não amplifica o sinal, o que ocorre é que ela deixa de irradiar em algumas direções para irradiar com mais potência em outras. Uma antena fictícia que é utilizada como referência é a antena isotrópica. Uma antena isotrópica é capaz de irradiar em todas as direções com a mesma intensidade. Fig. 1 Representação da irradiação de uma antena isotrópica. Quando olhamos em um plano, a irradiação da antena isotrópica forma uma circunferência, como ilustra a figura abaixo: Fig. 2 Diagrama de irradiação de uma antena isotrópica. Nesta representação, chamado de diagrama de irradiação, a potência irradiada é representada pela distância entre a linha da irradiação e o centro. Perceba que a intensidade é constante em todos os ângulos. Uma das maneiras de mensurar o ganho de uma antena é comparar o nível máximo irradiado em uma direção com o sinal de uma antena isotrópica. Este valor é especificado em decibels.

2 2 Principais parâmetros de uma antena Além do ganho, que está diretamente relacionado com a diretividade, a antena deve ser capaz de transmitir toda a energia enviada pelo transmissor ou enviar para o receptor toda a energia captada. Como será visto mais adiante neste curso, esta transferência de energia ocorre quando é feito um perfeito casamento de impedância entre a antena e a linha de transmissão. Apesar de, na maioria das vezes ser formada de condutores isolados, quando uma antena é alimentada com tensão alternada ela se comporta como um circuito RL ou RC. Assim, como nos circuitos com indutores, capacitores e resistências, uma antena apresenta uma impedância de entrada que receberá ou enviará sinal na linha de transmissão. Fig. 2.1 Impedância de entrada de uma antena. Outro ponto importante é a chamada relação frente costa. Esta relação, normalmente especificada em decibels, quantifica a rejeição de um sinal que é recebido ou transmitido pelas costas da antena em relação a direção principal. Uma antena capaz de receber sinais somente pela frente possui uma boa relação frente costa. A diretividade, a relação frente costa, a impedância e demais características de uma antena são determinados para uma única frequência. Quando utilizamos uma antena fora da frequência central todos os parâmetros são alterados. Chamamos de largura de banda a diferença entre a máxima frequência e a mínima frequência de uma antena de forma a manter seus parâmetros em valores aceitáveis. 3 - Antena dipolo Uma das antenas mais populares, ou talvez a mais popular de todas, é a antena dipolo. A antena dipolo é na maioria das vezes formada por dois condutores de mesmo comprimento alimentados no centro. Fig. 3.1 Antena dipolo alimentada no centro. Existem projetos de antenas dipolos que não são alimentadas no centro, a diferença entre alimentar uma antena no centro ou não é a impedância. O projeto de antena dipolo mais comum é

3 chamado de dipolo de meia onda. Para calcular o comprimento total da antena (λ/2), primeiramente devemos calcular o comprimento de onda na frequência desejada. Em seguida devemos dividir por dois. Entretanto existe um fator de encurtamento a ser utilizado para melhorar o casamento de impedâncias. Esse fator de encurtamento é de 0,95. Assim, a fórmula para o cálculo do dipolo de meia onda é: Perceba que, dividindo por 2 e multiplicando o divisor por 10 6 podemos usar a frequência em MHz e teremos o comprimento total de meia onda. Simplificando temos: Exemplo: Calcular e desenhar o esquema de um dipolo de meia onda para a frequência de 7,2MHz. Solução: O espaçamento central não é crítico, porém não deve ser exagerado e devemos sempre pensar que este espaçamento será somado ao comprimento total da antena, esse fato deve ser levado em consideração em projetos de antenas dipolos de frequências elevadas. A impedância de um dipolo de meia onda sem o fator de encurtamento é de Z=73+J42,5, quando encurtada pelo fator de 0,95 a parte reativa tende zero.

4 O dipolo de meia onda possui o seguinte diagrama de irradiação: Fig. 3.2 Diagrama de irradiação de uma antena dipolo. O ganho em relação à antena isotrópica é de 2,14dB. É comum utilizar a unidade dbi quando comparamos o ganho com a antena isotrópica, desta forma podemos escrever G dipolo =2,14dBi. 4 - Monopolo vertical O monopolo vertical é parecido com o dipolo. O monopolo vertical possui um elemento na vertical e um plano de terra que pela teoria das imagens faz o efeito de um segundo elemento na terra. Fig. 4.1 Antena monopolo vertical utilizada em estação de rádio em ondas médias. O cálculo é o mesmo do dipolo, porém sua impedância e seu ganho não é o mesmo. Um monopolo vertical possui uma impedância igual a do dipolo dividida por dois. Como irradia toda potência em um único braço, a potência irradiada é o dobro do dipolo, ou seja G = 3dBd. A unidade dbd representa o ganho em relação ao dipolo. Fig. 4.2 Campo elétrico de um monopolo vertical.

5 5 - Dipolo dobrado É uma antena formada por dois dipolos paralelos próximos entre si com as extremidades interligadas. A impedância nessa configuração é 4 vezes maior que a impedância do dipolo normal. Fig. 5.1 Dipolo dobrado O dipolo dobrado era muito utilizado em receptores de TV quando se utilizava linhas de transmissão de 300Ω. Como a impedância é multiplicado por 4, um dipolo dobrado de meia onda possui uma impedância de: ( ) É possível zerar a parte reativa utilizando o fator de encurtamento, também é possível obter outros fatores de multiplicação com o dipolo dobrado, para isso basta utilizar diâmetros diferentes nos tubos superiores e inferiores. O cálculo deste fator não será abordado neste curso. 6 - Rede de antenas Uma rede de antenas é uma associação de elementos irradiantes com o objetivo de controlar o diagrama de irradiação. Em uma rede uniforme, todos os elementos são colocados em linha e alimentados de forma a irradiar na direção de uma linha imaginária chamada eixo da rede. Fig. 6.1 Redes de dipolos com 6 elementos irradiantes. O interessante é saber que, a irradiação de uma rede não necessariamente é paralela ao eixo da rede. O que define a direção é o ângulo de fase do sinal que alimenta cada elemento, ou seja

6 cada antena da rede. Havendo defasagem, a somatória dos campos pode ser máxima em qualquer direção. Isso pode ser feito, por exemplo, utilizando cabos de comprimentos diferentes. Fig. 6.2 Ângulo e direção da máxima irradiação de uma redes de dipolos. 7 - Antena Yagi A antena Yagi é composta por vários dipolos em linha sendo somente um deles alimentado. Fig. 7.1 Antena yagi. O princípio de funcionamento se baseia na indução eletromagnética dos elementos. Em outras palavras, a energia irradiada por um dos dipolos induz correntes elétricas nos elementos vizinhos que agem com irradiadores. Na configuração clássica o segundo dipolo é chamado de irradiador (I) e é ligado a linha de transmissão. O primeiro elemento é um pouco maior que o irradiador e tem a função de refletir o sinal para frente, ou seja, na direção dos outros elementos, este elemento é chamado de refletor (R). O terceiro, quarto, e demais elementos tem a função de concentrar a onda eletromagnética propiciando uma alta diretividade. Eles são chamados de diretores (D1, D2, D3 e etc). O resultado disso é uma antena altamente diretiva. O dipolo utilizado como irradiador sofre influência dos outros dipolos, assim a impedância de alimentação é muito mais baixa que o dipolo normal. Na antena da figura 7.1, um dipolo dobrado foi utilizado para elevar a impedância baixa para valores mais adequados ao casamento de

7 impedâncias. Neste caso, como já visto, a impedância é multiplicada por 4 (tubos com diâmetros iguais). A figura 7.2 ilustra uma antena yagi de 4 elementos para a faixa de VHF. Fig. 7.2 Identificação dos elementos em uma antena Yagi. O diagrama de irradiação varia muito com o número de elementos, porém, sempre existirá uma região de grande irradiação e alguns lobos laterais, também chamadors de lobos secundários. Fig. 7.3 Diagrama de irradiação de uma antena Yagi. Atualmente os projetos de antenas são otimizados por software, porém como referência podemos utilizar os seguinte parâmetros iniciais para uma antena de 4 elementos:

8 A antena acima é normalmente utilizada na faixa de VHF e UHF e não pode ser alimentada diretamente com um cabo coaxial. Para o casamento de impedâncias normalmente se utiliza um Gama Match, que será estudado mais adiante. 8 - Antena Corner A antena corner foi inventada por John Kraus e é muito utilizada na faixa de UHF. Ela é composta de um dipolo e um refletor de tela ou de chapa condutora que reflete o sinal a ser recebido ou transmitido. É uma antena altamente diretiva com uma excelente relação frente costa. Apesar de teoricamente poder ser usada em qualquer banda, para frequências mais baixas ela se torna muito grande, sendo uma melhor escolha a antena yagi. Na faixa de UHF, acima de 400MHz e abaixo de 800MHz, ela possui dimensões que permitem fácil fabricação e instalação. 9 - Antena quadra cúbica A antena quadra cúbica de mais de um elemento possui uma loop fechado utilizado como irradiador e outros elementos em loop como ilustrado na figura abaixo. Fig. 9.1 Antena quadra cúbica para VHF

9 Essa antena possui um principio de funcionamento simular a antena Yagi. O irradiador induz correntes nos elementos adjacentes produzindo o efeito de direcionalidade. Existe uma grande disputa na disputa entre qual antena é melhor, a quadra cúbica ou a yagi. Um fato que põe em vantagem a quadra cúbica é o fato do irradiador ser um loop em curto, esse curto tende a diminuir a quantidade de ruído recebido. Por outro lado, a montagem e instalação de uma antena quadra cúbica é mais complexa que a antena yagi. Como a Yagi, a quadra cúbica é utilizada em HF, VHF e UHF. Na sua configuração mais usual um quadro possui um comprimento de onda completo sendo λ/4 em cada lateral. Da mesma forma que a yagi, o elemento refletor possui uma dimensão um pouco maior que o irradiador sendo os diretores com comprimento menores que o irradiador Antena log periódica A antena log periódica é formada por uma série de dipolos montados em linha. Cada dipolo possui uma frequência sendo que, os dipolos menores, além de servires com irradiadores funcionam como diretores quando a antena está operando em frequências mais baixas. O mesmo ocorre com os elementos maiores que funcionam como refletores para frequências mais altas. Fig Antena log periódica A antena log periódica é parecida com a antena yagi, porém diferencia pelo fato de todos os elementos serem alimentados. Como cada elemento pode atuar como irradiador a antena possui uma largura de banda muito grande. Um exemplo de utilização é na recepção de sinais de TV.

10 11 Antena loop magnética A antena loop magnética é uma antena de tamanho reduzido. Ela possui esse nome pois no campo próximo da antena existe a predominância do campo magnético e não elétrico como nas antenas dipolo. Uma desvantagem muito grande dessa antena é a sua largura de faixa. Fig Antena loop magnética. Existem inúmeras configurações deste tipo de antena e mesmo tendo um rendimento inferior ao simples dipolo, algumas características fazem dela uma antena especial. Tamanho: Quando comparada com outras antenas a loop magnética extremamente pequena. É possível operar com loops magnéticas no interior de prédios, em pequenos barcos e outros. Nestes casos a operação é bastante limitada porém ela faz algo que nenhuma outra antena faz. Imunidade à ruído: Como é uma antena que trabalha curto circuitada e com largura de faixa reduzida é uma antena pouco ruidosa. As interferências provocadas por estações próximas da frequência utilizada são atenuadas pela própria sintonia da antena. Pelo mesmo motivo as interferências provocadas por descargas atmosféricas são reduzidas. Direcionalidade: A loop magnética não possui ganho em relação ao dipolo, aliás pelo contrário ela perde para o dipolo com relação ao ganho, no entanto possui uma área de nulo muito forte nas laterais sendo uma antena que depende muito da direcionalidade. Esta característica permite muitas vezes a diminuição da interferência uma vez que podemos direcioná-la para fugir do ruído. Com tamanho reduzido e grande direcionalidade essa antena foi e ainda é utilizada para radionavegação aérea nos antigos sistemas ADF (Automatic Direction Finder) com as estações NDB (Non-directional Beacon) na faixa de ondas médias. Fig Antena loop antiga utilizada em ADF.