Teorias de Antena

Um elemento fundamental para o bom funcionamento de todos os sistemas de telecomunicações que fazem uso de ondas de rádio é a antena. Sem ela o sistema não funciona e com uma má antena, não adiante empregar a melhor tecnologia do mundo. Dessa forma, é fundamental para todo profissional das telecomunicações entender como funcionam as antenas e os principais tipos que existem. Nesse artigo damos alguns fundamentos sobre a antenas, assunto de grande valia para os leitores que desejam reciclar seus conhecimentos ou ainda não tiveram um embasamento teórico nos seus cursos que possa ser considerado excelente.
Todo sistema de telecomunicações que faz uso de ondas eletromagnéticas tem como elemento importante para seu funcionamento a antena. No transmissor, correntes de altas freqüências geram as ondas eletromagnéticas. A função da antena é então transferir a energia gerada pelo transmissor para o espaço na forma de ondas .No receptor, a antena é usada para interceptar as ondas que chegam até ele, induzindo correntes que são levadas então ao circuito de processamento. Na figura 1 mostramos o que ocorre quando aplicamos um sinal de alta freqüência numa antena, tomando como exemplo a configuração formada por dois condutores. Observe que aparecem alternadamente dois campos: o elétrico e o magnético.

As dimensões de uma antena são importantes para sua eficiência tanto na transmissão como na recepção dos sinais. Assim, a antena tomada como exemplo deve ter um comprimento que corresponda a 1/2 do comprimento da onda na freqüência que deve ser transmitida. Veja pela figura 2 que nessa antena a corrente e a tensão se distribuem de modo diferentes.

Nas extremidades temos os pontos de tensão máxima e no centro da antena temos os pontos em que a intensidade da corrente é mínima. Podemos dizer que esta configuração equivale a um circuito ressonante ideal, como o mostrado na figura 3.

Veja que, num circuito ressonante a reatância capacitiva é igual à reatância indutiva (XL =XC) na freqüência de ressonância. Isso significa que uma antena deste tipo, na freqüência de ressonância ela se comporta como uma carga resistiva pura. Essa componente é a impedância da antena. Numa antena do tipo analisado os cálculos mostram que essa impedância tem um valor fixo: 73 ohms. Na prática, adota-se como valor mais apropriado para os cálculos 75 ohms.

Veja que existem alguns fatores que podem influir nesta impedância tais como a espessura do fio usado, e a própria velocidade de propagação da onda no material de que é feita a antena. A antena que analisamos é o chamado "dipolo de meia onda". No entanto existem outros tipos, conforme veremos mais adiante.

Conforme vimos, uma das características importantes no projeto de uma antena é a sua impedância. A impedância de uma antena depende do modo como ela é construída e de suas dimensões, havendo diversos tipos que serão analisados no próximo item.

No entanto, além da impedância existem algumas características das antenas que são de grande importância no seu projeto para uma determinada aplicação. Analisemos algumas delas.

 

a) Ganho

Quando falamos em ganho, isso não significa que uma antena possa "amplificar" os sinais que transmite ou que recebam. Uma antena é um elemento passivo tanto na transmissão como na recepção de sinais. Não existem elementos que possam introduzir um ganho efetivo num sinal de uma antena.

Usamos o termo ganho para expressar a capacidade que uma antena para receber sinais de uma determinada direção quando a comparamos com uma antena usada como referência. Podemos entender melhor esse significado tomando como exemplo a antena mostrada na figura 4.

Se essa antena concentra a energia transmitida numa certa direção ela possui um ganho, pois a intensidade da energia na direção considerada é maior do que uma antena comum tomada como referência que irradie o sinal com a mesma intensidade em todas as direções. O mesmo é válido para uma antena receptora. Se ela consegue captar melhor os sinais que chegam de uma determinada direção, também podemos falar que esta antena possui um ganho quando comparado ao desempenho da antena tomada como padrão que recebe da mesma maneira os sinais que vêm todas as direções. O ganho de uma antena pode ser calculado e normalmente é expresso na forma logarítmica, conforme mostra a seguinte fórmula:

Ga (dB) = 10 log (P1/P2)

Onde:

Ga = ganho em dB (decibel)

Log = logaritmo

P1 = potência da antena em mW

P2 = potência da antena padrão em mW

Se uma antena irradia 20 W numa direção quando a antena padrão irradia 1 W, o ganho será:

Ga = 10 log 20/1 = 17 dB

Como o ganho na recepção é medido comparando-se a intensidade do sinal recebido pela antena com a intensidade do sinal recebido no mesmo local com uma antena padrão a mesma fórmula pode ser usada para seus cálculos.

b) Diretividade

Uma esfera pode ser considerada uma antena ideal. Ela irradia ou recebe sinais com a mesma intensidade em todas as direções.

Evidentemente, para as aplicações prática pode não ser interessante ter um padrão de irradiação desse tipo. Na prática, as antenas devem concentrar os sinais em determinadas direções. Para isso, seus formatos raramente são esféricos, mas sim planejados para se obter um comportamento diretivo. Podemos então falar na diretividade de uma antena como a sua capacidade de concentrar sinais e expressar isso através de um diagrama, conforme mostra a figura 5.

Nesse diagrama plotamos as intensidades relativas do sinal (recebido ou transmitido) para cada direção a partir daquela para a qual a antena é apontada. O padrão típico mostrado na figura 5 possui um lóbulo maior que corresponde aos sinais irradiados na direção para a qual a antena está apontada, e outros lóbulos menores que indicam a irradiação de sinais em menor intensidade. Também existem direções em que nenhum sinal é irradiado (ou recebido).

Quanto mais estreito for o lóbulo principal e menores os outros, mais diretiva é a antena e maior é o seu ganho na direção para a qual está apontada. Uma característica importante de uma antena muito diretiva é que ela tende a rejeitar com mais facilidade sinais que chegam lateralmente. Isso é importante se ela for receptora e no local existirem fontes de interferências. Os sinais dessas fontes podem ser naturalmente rejeitados pela simples escolha de uma antena apropriada, conforme mostra a figura 6.

O diagrama típico dessa antena também nos permite observar o que se denomina "relação frente/costa" de uma antena. Veja no exemplo que os sinais que chegam pela direção para a qual ela foi apontada são muito melhor captados do que os que chegam pela direção oposta, ou seja, pelas "costas".

c) Polarização

Os campos elétrico e magnético que correspondem à uma onda transmitida ou recebida por uma antena possuem uma orientação específica. Os campos magnético e elétrico são perpendiculares um ao outro. O modo como eles aparecem numa antena transmissora ou devem ser captados por uma antena receptora determina a sua polarização. Uma antena com polarização vertical, conforme mostra a figura 7, não recebe de maneira eficiente sinais que chegam com uma polarização horizontal.

É por este motivo que as antenas comuns de TV para VHF que vemos nos telhados das casas têm suas varetas colocadas em posição horizontal e não vertical. Os sinais de TV são polarizados horizontalmente.

Tipos de antena

A escolha do tipo de antena que deve ser usada num sistema de telecomunicações depende de diversos fatores:

Freqüência de operação

Diretividade desejada

Espaço disponível

Se levarmos em conta que as dimensões da antena estão diretamente ligadas ao comprimento da onda do sinal que deve ser transmitido ou recebido, que dependendo da aplicação precisaremos ter antenas mais ou menos diretivas, existem diversos tipos de antenas disponíveis, cada qual com suas características específicas para a aplicação que temos em mente. Os principais tipos de antena possuem denominações especiais que o profissional deve conhecer. Analisemos as principais.

a) Yagi

O nome dessa antena se deve ao seu criador, H. Yagi, que a desenvolveu em 1926. A antena Yagi tem como elemento ativo um dipolo. Além disso possui um refletor e dois ou mais diretores, conforme mostra a figura 8.

O número de elementos diretores desta antena determina o seu ganho e portanto a diretividade além de influi no valor de sua impedância. A impedância típica deste tipo de antena é de 50 ohms.

b) Antena helicoidal

Este tipo de antena é muito comum nos sistemas que operam como freqüências muito altas como os links de microondas. Seu formato é mostrado na figura 9.

Veja que,como em qualquer antena as dimensões de todas as partes que a formam possuem uma relação de valores bem definida com o valor do comprimento de onda do sinal que deve ser transmitido ou recebido. Alterações desses valores mudam completamente suas características. Observe que uma antena deste tipo se presta apenas à recepção e transmissão numa estreita faixa de freqüências que corresponde justamente às suas dimensões.

c) Dipolo de meia onda

Esta é uma das antenas mais populares, tanto na recepção como na recepção de sinais para diversas faixas de freqüências. A figura 10 mostra um dipolo de meia onda típico. Observe que sua impedância típica é de 50 ohms, valor que depende da espessura do fio usado.

Evidentemente, este tipo de antena, pelas suas características se presta à transmissão e recepção de sinais numa pequena faixa de freqüências para a qual ela está sintonizada ou dimensionada.

d) Dipolo dobrado

Este tipo de antena é muito utilizado na recepção de sinais da faixa de VFH, principalmente para as estações de TV convencionais desta faixa. A impedância típica de um dipolo dobrado é de 300 ohms. Na figura 11 mostramos como esta antena é construída e suas dimensões em relação ao comprimento de onda.

Evidentemente, como as características da antena dependem das suas dimensões em relação à freqüência do sinal que está sendo recebido, ela se destina a recepção de uma pequena faixa de freqüências em torno da qual suas dimensões determinam.

e) Dipolo/plano terra

A antena dipolo/plano de terra, utiliza a terra como um elemento de irradiação. Na figura 12 temos o aspecto desta antena que tem uma impedância da ordem de 30 ohms.

Observe que esta antena irradia com igual intensidade em todas as direções, sendo por isso bastante utilizada em sistemas que exigem esta característica.

f) Log-Periódica

Esta antena é popularmente conhecida pelo nome de "espinha de peixe" sendo tanto utilizada na recepção de sinais de TV da faixa de VHF como também em alguns sistemas de telecomunicações. Conforme podemos ver pela figura 13, esta antena é formada por um conjunto de varetas que formam os elementos ativos e um par de varetas que formam o refletor. As varetas que formam os elementos ativos têm comprimentos que variam segundo a faixa de freqüências que ela deve operar.

Assim, quando o sinal que chega a esta antena tem uma freqüência tal que seu comprimento de onda se adapte ao conjunto de varetas X, as varetas que estão à sua frente (de comprimento menor) passam a funcionar como diretores enquanto que as varetas que estão por trás se comportam como refletores. Em suma, nesta antena, as varetas que formam a parte ativa da antena dependem apenas do comprimento de onda do sinal que está sendo recebido.

Por essa capacidade de poder operar numa faixa ampla de freqüências, este tipo de antena é bastante popular na recepção dos sinais de TV da faixa de VHF que ocupam uma faixa relativamente ampla, para a qual, normalmente seriam necessárias várias antenas no caso ideal de recepção. O número de elementos desta antena, além de determinar a faixa de freqüências na qual ela pode operar com rendimento máximo também é responsável por outras características como a diretividade.

 

g) Rômbica

Na figura 14 temos uma antena rômbica cuja impedância típica com as dimensões indicadas é de 600 ohms.

h) Antena de Quadro

Outra antena usada em sistemas de telecomunicações, principalmente para a faixa de ondas curtas e VHF é a antena cúbica de quadro, mostrada na figura 15.

Usando dois elementos, esta antena tem o mesmo ganho da antena Yagi, sendo bastante usada por radioamadores.

 

Antenas Para Microondas

À medida que as freqüências dos sinais se tornam mais elevadas, seu comportamento muda. Na faixa das microondas, os sinais já apresentam propriedades bastante semelhantes às da luz, caso em que tanto para sua recepção como transmissão podemos encontrar dispositivos semelhantes à lentes e espelhos. Assim, a antena básica para microondas é a corneta irradiadora, mostrada na figura 16, observando-se que suas dimensões estão intimamente ligadas ao comprimento de onda do sinal emitido.

Na figura mostramos as dimensões que esta corneta deve ter para se obter um bom desempenho. Outro tipo de configuração bastante usada na recepção e transmissão de sinais de freqüências muito altas é a que faz uso do refletor parabólico.

O que ocorre é que as cornetas, não são muito convenientes quando se deseja ter um ganho elevado, pelas dimensões que precisam ter.

Assim, o que se faz é concentrar os sinais provenientes de uma certa direção e refleti-los em direção a uma corneta, conforme mostra a figura 17.

Esta configuração é usada em muitos sistemas de telecomunicações, mas para os leitores que não são da área, muito mais evidente nas antenas de TV via satélite de uso doméstico. Uma característica muito importante neste tipo de antena é a relação entre a distância focal (F) e o diâmetro da abertura da antena D. Conforme mostra a figura 18, se a relação é grande, a corneta pode receber sinais também de fora da parábola, tornando-se sensível à interferências, portanto. Por outro lado, se F/D é pequena, a corneta não consegue ver os limites da parábola e o rendimento do sistema cai.

Nas aplicações práticas, a relação F/D deve estar entre 0,3 e 0,6.

Conclusão

Além destas existem diversas outras antenas que encontramos nos equipamentos de telecomunicações modernos.

Como a tendência atual é de que os sistemas de telecomunicações ocupem faixas de freqüências cada vez mais elevadas, isso implica que as antenas se tornam cada vez menores, passando a ser embutidas nos próprios equipamentos. Assim, na faixa dos Gigahertz (faixa centimétrica) as antenas têm ordem de comprimentos de alguns centímetros no máximo. É o que ocorre no caso dos GPS dentro de relógios, pagers e celulares, redes sem fio, etc.

No entanto, qualquer que seja o seu tamanho, as configurações e tamanhos dos elementos seguem as mesmas regras que vimos para os diversos tipos de antenas neste artigo. As dimensões, formas vão determinar suas características elétricas e com isso de que forma os sinais são recebidos ou irradiados.