Antenas

A antena é um dispositivo passivo que emite ou recebe energia electromagnética irradiada. Em comunicações radio-eléctricas é um dispositivo fundamental.

Alcance de uma Antena

O alcance de um transmissor nas gamas de frequências de VHF e superiores depende da altura da antena transmissora e da antena receptora, para além do diâmetro da terra. A formula seguinte é válida para o alcance visual não levando em conta o fenómeno da refração.

S = 3,6 x (√H x √h)

S alcance em quilómetros (km)
H altura da antena transmissora em metros (m)
h altura da antena receptora em metros (m)

Tipos de Antenas

Antena Isotrópica

Uma antena isotrópica pode ser considerada como um elemento puntiforme, cuja potência irradiada (ou recebida) é a mesma em todas as direcções

Na prática não existe. É apenas um modelo matemático para comparação com antenas reais. Pode ser simulada de forma aproximada por uma combinação de dipolos de meia onda.

As antenas reais não são isotrópicas, isto é, a potência irradiada (ou recebida) varia de acordo com a orientação considerando-se um espectro tridimensional, isto é, no espaço. Algumas antenas, na prática, irradiam de forma quase uniforme num determinado plano.

Dipolo Meia Onda

É uma antena básica, formada por dois condutores rectilíneos, cada com 1/4 do comprimento de onda da radiação de comprimento em relação à frequência a ser emitida ou recebida

No vácuo, a relação entre o comprimento de onda e a frequência é dada por: λ=VL/f

onde:
VL=Velocidade da Luz 300.000
f=Frequência em hertz
λ=Comprimento de onda em metro

A velocidade de propagação nos condutores é menor, na prática, o comprimentos da antenas é 95% do valor calculado pela fórmula anterior.

A figura B dá uma ideia da variação de tensão e de 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 C).

Na ressonância, as reactâncias indutiva e capacitiva anulam-se , portanto, a impedância é puramente resistiva. Para dipolos de meia onda, a impedância na frequência de ressonância é aproximadamente 72 ohms

Dipolo Fechado

Pode-se considerar como dois dipolos de meia onda em paralelo.
Nesta situação, a impedância é multiplicada por 2²=(4). Portanto, Z = 4 x 72 = 288 ohms. É um valor bastante próximo da impedância dos fios paralelos de 300 ohms e, por isso, são bastante usados em sinais de VHF, como TV. Se fossem 3, a impedância seria multiplicada por 2³=(8).

Quarto de Onda

Muito utilizada em comunicações móveis, tem um funcionamento omnidireccional no plano horizontal.
O elemento excitador é um condutor vertical rectilíneo de comprimento igual a 1/4 do comprimento de onda do sinal, que liga ao condutor central do cabo coaxial. Os elementos auxiliares fazem um plano de terra horizontal e as ondas reflectidas interagem com a incidente, resultando em uma distribuição uniforme no plano horizontal. A impedância característica está na faixa dos 36 ohms.

Notar que as hastes que formam o plano terra podem ser dispensadas quando um já existe, como o tecto de um automóvel.

Quarto de Onda Não Múltipla

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.

Uma antena de 5/8 do comprimento de onda tem uma reactância capacitiva. Um indutor L é colocado na base com uma reactância indutiva igual, em valor absoluto, as duas anulam-se e o conjunto torna-se ressonante na frequência do sinal.

Antena Yagi

É formada por um dipolo de meia onda como elemento excitador, um reflector e um ou mais directores

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

A impedância é baixa, em geral menor que 50 ohms. Para aumentar a impedância é usado um dipólo fechado conforme. Dependendo do número de directores, o ganho pode ser alto. Valores típicos vão de 7 a 15 dB.

Apresenta uma largura de banda estreita, o que pode ser vantajoso para algumas aplicações e limitadora$ para outras. Embora possa ser usada para transmissão, não é adequada para altas potências devido ao efeito corona entre os elementos.

Directividade de uma Antena

A relação entre o campo irradiado pela antena na direcção de máxiam irradiação e o campo que seria gerado por uma antena isotrópica que recebe a mesma pototêcia.
A directividade de uma antena define a sua capacidade de concentrar energia numa determinada direcção.

	E_Max
D=
	E_ISO

Lei de Friis

A lei de Friis relaciona a potência transmitida por uma antena para outra nas condições ideais.

Dadas duas antenas, a razão da potência recebida pela antena de recepção, P_r sobre a potência da antena de transmissão P_t , onde G_r é o ganho da antena de recepção e G_t o ganho da antena de transmissão

Os ganhos das antenas são medidos em relação a antenas isotrópicas (unidades lineares não em decibéis), com o comprimento de onda e a distância nas mesmas unidades.

Ganho de uma Antena

Ao contrário dos amplificadores, as antenas são elementos passivos, não amplificam sinais. O ganho de uma antena expressa a relação com uma antena de referência.

O ganho pode swr entendido como o resultado da directivdiade menos as perdas
G=nD

G- Ganho
n- Eficiência
D= Directividade

A eficiência de uma antena no seu projecto electromagnético relaciona todos os elementos integrantes (cabos de transmissão, desfasamentod e impedâncias, perdas dieléctricas) normalmente está na faixa entre os 90 e 95%.

Na figura a curva aproximada da potência irradiada por um dipólo de meia onda. Um vector traçado do centro do dipólo até um ponto qualquer da curva representa a potência irradiada na direcção do vector. Assim, a potência máxima irradiada é dada pelo vector P (ou o oposto de 180°, na outra parte da curva).
Considere agora uma antena isotrópica conforme tópico anterior, na mesma posição do dipólo e alimentada com a mesma potência da linha de transmissão. Ela irradia uma potência máxima Pi, que é a mesma para todas as direcções. Então, o ganho do dipólo de meia onda tendo como referência a antena isotrópica é dado pela relação ente essas potências, expressa em decibéis.
Portanto, ganho = 10 log (P/Pi).

E o valor encontrado é simbolizado por dBi, para indicar a antena isotrópica como referência . Uma antena isotrópica tem ganho de 0 dBi. Um dipólo de meia onda apresenta um ganho de 2,14 dBi. Alguns fabricantes de antenas indicam o ganho tendo como referência o dipólo de meia onda. Assim, para efeito de comparação, é importante saber a referência, pois há uma diferença de 2,14 dB entre as duas.

Polaridade da radiação

O ângulo que a antena faz com o plano horizontal determina a orientação dos campos eléctrico 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.

Impedância de uma linha para antena

A impedância Zo de uma linha para a antena(coaxial por exemplo), pode ser calculada pela seguinte equação:
Zo=120 ln (2 S ) / D

Largura de Banda

A Largura de banda é o intervalo de frequência na qual a antena deve funcionar de forma satisfatória para a sua aplicação

Calculo da potência efectiva irradiadaERP

A potência ERP e a potência eralmente irradida pela antena.
ERP=P_T(dB) + G_T(dB)- p(dB)

P_{T-Potência em dB do transmissor.

G_T-Ganho em dBi da antena

p(dB)- Perda por atenuação no cabo coaxial}