| Antena, Elemento irradiante |
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Postado pôr: Florencio Castilhos da Silva http://tecnociencia.inf.br/tecnico/castilhos |
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| Wednesday, 09 April 2008 | |
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O que é uma antena: é o elemento irradiante que coloca no espaço livre a freqüência que queremos transmitir ou receber de um lugar para outro, ou para vários outros. Para tanto ela precisa acoplar a impedância de saída do rádio (entre 50 a 75 ohms) com a impedância do espaço livre que é de aproximadamente 377 ohms. Elemento irradiante - (ANTENA) O que é uma antena: é o elemento irradiante que coloca no espaço livre a freqüência que queremos transmitir ou receber de um lugar para outro, ou para vários outros. Para tanto ela precisa acoplar a impedância de saída do rádio (entre 50 a 75 ohms) com a impedância do espaço livre que é de aproximadamente 377 ohms. Seu ganho (capacidade de concentrar o sinal) é medido em dbi ou dbd. dbi = unidade de medida tendo como parâmetro uma antena isotrópica. dbd = unidade de medida tendo como parâmetro uma antena dipolo. 1dbd + 2,15 db = 1dbi Isotrópica - irradia para todas as direções com igual intensidade, como se fosse uma esfera, irradiando do seu centro para toda sua superfície (existe só na teoria) Dipolo - é a mais simples das antenas, poderão ser feitas por duas hastes com comprimento de ¼ de onda, em forma de "L" próxima uma da outra, sendo o centro o ponto onde é ligado o cabo. Exemplo de uma antena dipolo de ½ onda. ![]() A soma das hastes determina o comprimento total deste tipo de antena, ou seja, duas hastes com 1/4 de ondas acopladas dará, uma antena dipolo de 1/2 onda. O sinal não é irradiado conforme o eixo de uma antena, e sim perpendicular a este. Ex: ![]() A barra cinza representa a antena e a zona amarela à forma e direção da irradiação do sinal. Toda a antena tem propriedades direcionais, ou seja, ela não irradia uniformemente em todas as direções. Vejamos como funciona esta irradiação: ![]() O ponto "A" (no espaço seria o plano de mediatriz), e neste ponto a irradiação será praticamente nula, isto porque os campos eletromagnéticos que chegam vindos dos dois semicírculos da freqüência, são de igual intensidade mas em contra fase ou seja, um da crista da onda e o outro do vale da onda. Sinais irradiados crista com crista ou vale com vale, somam-se e sinais irradiados de vale com crista ou vice versa se anulam em determinado ponto. Já nos pontos "B", também não há irradiação, visto que a antena não irradia segundo seu eixo. Agora nos pontos "R" e "R¹" , os sinais chegam com a soma das fases e soma dos vales consecutivamente, portanto chegam em fase e terão sua máxima irradiação num ângulo de aproximadamente 54 graus, marcado no desenho em amarelo. Veja que os sinais que chegam dos semicírculos, estão aproximadamente com uma diferença de fase de 180 graus, logo esta diferença de um chegar atrasado em relação ao outro num ângulo de 180 graus, fazem eles chegarem em fase e portanto são somados. Neste caso dizemos que a antena tem um comprimento igual ao da onda a ser irradiada. Ex: ![]() Para conseguir direcionalidade utilizam-se várias antenas (gamas acoplados entre si) ou antenas especiais. Denomino "gama" o elemento irradiante vivo de uma antena (positivo, aquele que é conectado ao cabo ou fio e não a malha do mesmo). Ex: a) direcional formada por varias antenas: A antena yagi é direcional por ser formado por vários gamas acoplados entre si, que alem de dar maior direcionalidade, a antena ainda aumenta seu ganho. b) direcional especial: A antena parabólica é direcional por ter o sinal concentrado na parábola e direcionado para frente da mesma pela própria parábola, tendo um só gama (dipolo ou não). Uma antena pode ser construída para uma freqüência específica pré-determinada ou para uma banda de freqüências (dentro de um espectro de "x" a "y"). Neste caso a antena terá que ter seu ganho e impedância, parecidas nas freqüências que foram determinadas para sua banda (largura de faixa). Para conseguirmos construir uma antena com uma largura de banda (faixa) pré-determinada, teremos que acrescer ao seus circuito ressonantes, componentes como bobinas, capacitores ou acoplar gamas de comprimentos diferentes de acordo com as freqüências desta banda (faixa). Para as freqüências baixas em que o tamanho ou comprimento da antena torna-se indesejável (muito grande ou comprida), usamos uma bobina para diminuir o tamanho desta antena sem afetar praticamente sua qualidade. Uma antena pode ter seus circuitos ressonantes capacitivo, indutivo ou resistivo. Capacitivo quando a impedância de seu circuito em série tiver um comprimento maior que meia onda. Indutivo quando este comprimento for menor que meia onda. Resistivo quando este comprimento for de meia onda. Outra característica muito importante em uma antena, é a forma como ela irradia uma onda eletromagnética ou seja, ela pode irradiar esta onda eletromagnética no formato horizontal, vertical ou circular. A forma da onda irradiada pela antena é denominada de polarização e esta polarização é determinada pela posição da crista ou do vale da onda com referencia a linha do horizonte em outras palavras, vai depender da posição do gama ou de como for acoplado um conjunto de gamas, conforme o tipo de antena. Se a posição do gama ou acoplamento de gamas de uma antena, proporcionar a irradiação de uma onda eletromagnética com a crista e vale da mesma na posição perpendicular a linha do horizonte ou seja, na posição vertical, dissemos que esta antena tem polarização vertical, se for na posição paralela à linha do horizonte ou seja, na posição horizontal, dissemos que esta antena tem polarização horizontal. Agora se a forma do gama ou uma combinação de gamas acoplados em uma antena, proporcionar irradiações de ondas eletromagnéticas perpendicular, paralela e entre estas, posições intermediarias em diagonal a linha do horizonte, dissemos que esta antena tem polarização circular. Dependendo do formato do lóbulo de irradiação de uma antena, poderemos mudar a polarização da mesma de vertical para horizontal ou vice-versa, girando esta antena 90 graus em torno do seu eixo, independentemente se para a esquerda ou direita. OBS: Não confundir lóbulo de irradiação com polarização. Lóbulo de irradiação é a direção e formato da área de irradiação das ondas eletromagnéticas de uma antena, e polarização é a forma destas ondas. Para que uma antena seja considerada de ótima qualidade física, é necessário que a mesma tenha sido construída com material de alta qualidade, o mais resistente possível às intempéries e a poluições atmosféricas, que tenha o menor peso possível e que ofereça a menor área de superfície ao vento. Já para ser considerada de alta qualidade técnica, é necessário que a matéria prima usada na confecção do circuito ressonante, seja a de maior rendimento para irradiações de ondas eletromagnéticas ou seja, aquelas que tenham um coeficiente de correção mais próximo possível de 1,00 (platina = 1,00 -alumínio = 0,95 - latão = 0,9 -cobre = 0,85 etc), que esta antena esteja sintonizada para a freqüência ou faixa de freqüências para que foi projetada, e que tenha o maior índice de rejeição possível a sinais ao longo do seu eixo quando onidirecional (conhecida por ominidirecional), a sinais vindos pela parte traseira quando setoriais (conhecidas por painéis setoriais) e vindo pelas partes laterais e traseiras quando direcionais (conhecidas por parabólicas, yagis e helicoidais), e ter a maior eficiência de ganho através da maior potencia irradiada pelo menor índice de potencia refletida. Para que uma antena esteja sintonizada em uma freqüência pré-determinada, é necessário que o circuito ressonante da mesma tenha como base de cálculo o comprimento de onda desta freqüência e ou seus múltiplos e no gama ter sido aplicado o coeficiente de rendimento do material. Quando a antena for sintonizada para uma faixa de freqüências, estes cálculos terão como base a freqüência intermediaria entre os pontos desta faixa. O ganho de uma antena ou seja, a capacidade que a mesma tem de concentrar uma certa quantidade de sinais, pode ser determinado pela quantidade de gamas acoplados entre si, respeitando o limite de saturação ou pela área de superfície do seu refletor. O aumento de ganho de uma antena pelo aumento de gamas, terá como limite o ponto interno de saturação do sinal, determinado pelo fator "contra fase", quando o ângulo de irradiação vertical, estiver fechado o suficiente para provocar este fator. Quanto maior for o ganho de uma antena, menor será seu ângulo de irradiação no plano vertical. Já o aumento de ganho em uma antena do tipo parabólica, terá seu limite na área de superfície desta parábola. Ex: Uma antena com parábola de noventa centímetros de diâmetro, terá um ganho máximo de 27.1 dbi na freqüência de 2.4 Ghz, considerando uma eficiência do circuito ressonante de 100% (na prática a eficiência não passa de 80%), o que daria um ganho máximo de 26.1 dbi. Já esta mesma antena, porém para a freqüência de 5.8 Ghz, com 100% de eficiência terá o ganho máximo de 34.8 dbi e com 80% um ganho máximo de 33.8 dbi. Quando falamos em circuito ressonante com 100% de eficiência para a base dos cálculos acima, falamos em circuito fabricado com material de altíssima qualidade de irradiação (fator 1,00), e de focalização com precisão de centésimos de milímetros, eficiência na transmissão da potencia irradiada de 1:1 e na relação da potencia refletida uma R.O.E de 1: 0.0. Estas medidas só são possíveis teoricamente, pois toda a antena tem perda na transmissão da potencia, o gama seria inviável comercialmente se de platina e a R.O.E de 1: 0.0 é impossível devido imprecisão do acoplamento da rede de transmissão com o circuito ressonante da antena, além de micros mudanças na impedância do espaço livre, de acordo com as mudanças atmosféricas. Como vimos não é tão simples fabricar uma antena, como muitos apregoam via Internet, principalmente para altas freqüências, sem ferramentas próprias, equipamentos de testes e aferição, e conhecimento profundo sobre a matéria. Esta "antena" conforme desenho abaixo, foi fabricada dentro de um laboratório próprio para este fim. Usei todos os recursos como se fosse para fabricar uma antena profissional, de 2.4 Ghz. Este é um exemplo de uma antena tipo caseiro, mas há muitos outros modelos, possíveis de serem fabricados em casa, apenas com uma orientação superficial. Só que serve única e exclusivamente para fazermos testes de conhecimentos usando os mesmos na prática com estes tipos de "antenas". Mesmo assim ainda corremos o risco das mesmas causarem danos em nossos equipamentos com o aumento excessivo da sua R.O.E por instabilidade no sistema de ressonância. ![]() ![]() A estacionária também foi ajustada através de um wattímetro profissional da Bird, e a mesma não manteve esta eficiência, mesmo baixa por mais de uma semana de uso em área externa com tempo seco. Bem, exposta a umidade nem funcionaria. Consegui com esta "antena" de lata de Nescau um ganho de 12 dbi com uma R.O.E de 1: 1.5 e um lóbulo de irradiação no plano horizontal de aproximadamente 60 graus, mas isto foi só nas primeiras horas de uso. Agora, imagina você baixando um programa importante ou mesmo jogando com outros colegas, e começa a perda de velocidade e conseqüentemente de pacotes, da para ficar estressado. E se dependeres deste link comercialmente, é prejuízo na certa. Este artigo não teve a finalidade de ensinar a fabricar antenas, pois precisaria mais que um artigo para tanto, precisaria de um curso teórico bastante intensivo, e um bom tempo praticando montagem e ajustes de antenas, principalmente para freqüências altas, onde as medidas e cálculos são com precisão de centésimos de milímetros. È necessário para fabricar antenas profissionais, alem de um bom laboratório de RF, conhecimentos profundos sobre ondas eletromagnéticas, como elas se comportam em torno de um condutor, como se propagam, saber calcular circuitos ressonantes resistivos, capacitivos e indutivos etc... Às vezes levamos anos pesquisando sobre o assunto, para conseguir melhorar um tipo de antena ou criar um modelo que mais se adapte ao nosso clima ou ainda especificamente para um projeto mais audacioso.
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