T´ecnico em eletrˆonica 2017/1
Antenas
Filipe Andrade La-Gatta filipe.lagatta@ifsudestemg.edu.br
IF Sudeste MG/JF
Fundamentos
Base para funcionamento de sistemas de telecomunica¸c˜oes por ondas de r´adio. Fundamental para todo profissional das telecomunica¸c˜oes entender como funcionam as antenas e os principais tipos que existem.
A fun¸c˜ao da antena ´e ent˜ao transferir a energia gerada pelo transmissor para o espa¸co na forma de ondas.
No receptor intercepta as ondas que chegam, induzindo correntes levadas ao circuito de processamento.
Ao aplicar-se sinal de alta frequˆencia em uma antena formada por dois condutores, h´a o surgimento alternado dos campos el´etrico e magn´etico com intensidades m´axima na extremidade e no meio, respectivamente.
Antenas Fundamentos
As dimens˜oes de uma antena s˜ao importantes para sua eficiˆencia tanto na transmiss˜ao como na recep¸c˜ao dos sinais.
Para uma antena como a da figura anterior, o comprimento deve corresponder a 1/2 do comprimento da onda na frequˆencia que deve ser transmitida.
Com esse comprimento, os campos seguem a configura¸c˜ao mostrada, e as tens˜oes e correntes tem as seguintes distribui¸c˜oes:
Antenas Fundamentos
Em um circuito ressonante a reatˆancia capacitiva ´e igual `a reatˆancia indutiva (XL=XC) na frequˆencia de ressonˆancia.
Isso significa que uma antena deste tipo, na frequˆencia de ressonˆancia, se comporta como uma carga resistiva pura.
Essa componente ´e a impedˆancia da antena.
Essa impedˆancia tem um valor fixo: 73 ohms. Na pr´atica adota-se para os c´alculos 75 ohms (cabo coaxial de televis˜ao).
Nota-se que alguns fatores podem influenciar nesta impedˆancia tais como a espessura do fio usado, e a pr´opria velocidade de propaga¸c˜ao da onda no material de que ´e feita a antena.
A antena analisada ´e o chamado ”dipolo de meia onda”.
Impedˆancia ´e uma das caracter´ısticas importantes no projeto de uma antena, e depende do modo como ela ´e constru´ıda e de suas dimens˜oes, havendo diversos tipos.
No entanto, al´em da impedˆancia existem algumas caracter´ısticas das antenas que s˜ao de grande importˆancia no seu projeto para uma determinada aplica¸c˜ao.
Ganho
Uma antena ´e um elemento passivo tanto na transmiss˜ao como na recep¸c˜ao de sinais.
Portanto n˜ao h´a como produzir ganho efetivo no sinal, seja transmitido, seja recebido.
Usa-se o termo ganho para expressar a capacidade que uma antena tem para receber sinais de uma determinada dire¸c˜ao quando a comparada com uma antena usada como referˆencia.
Antenas Parˆametros
Se a antena concentra a energia transmitida numa certa dire¸c˜ao ela possui um ganho.
O mesmo vale para uma antena receptora.
Se ela consegue captar melhor os sinais que chegam de uma determinada dire¸c˜ao, tamb´em podemos falar que esta antena possui um ganho quando comparado ao desempenho da antena tomada como padr˜ao que recebe da mesma maneira os sinais que vˆem todas as dire¸c˜oes.
O ganho de uma antena pode ser calculado e normalmente ´e expresso na forma logar´ıtmica.
A(dB) = 10 logP1
P2 (1)
Sendo: A = ganho em dB (decibel) log = logaritmo na base 10
P1 = potˆencia da antena em mW P2 = potˆencia da antena padr˜ao em mW
Se uma antena irradia 20 W numa dire¸c˜ao quando a antena padr˜ao irradia 1 W, o ganho ser´a: A = 10 log (20/1) = 13 dB
Diretividade
Uma esfera met´alica ´e considerada uma antena ideal, porque irradia ou recebe sinais com a mesma intensidade em todas as dire¸c˜oes.
Em determinadas aplica¸c˜oes pr´aticas entretanto, pode n˜ao ser interessante ter um padr˜ao de irradia¸c˜ao desse tipo.
Por isso, formatos raramente esf´ericos, mas planejados para obter um comportamento diretivo.
Antenas Parˆametros
No diagrama plota-se as intensidades relativas do sinal (recebido ou transmitido) para cada dire¸c˜ao a partir daquela para a qual a antena ´e apontada.
O padr˜ao t´ıpico possui um l´obulo maior que corresponde aos sinais irradiados na dire¸c˜ao para a qual a antena est´a apontada, e outros l´obulos menores que indicam a irradia¸c˜ao de sinais em menor intensidade.
Tamb´em existem dire¸c˜oes em que nenhum sinal ´e irradiado (ou recebido). Quanto mais estreito for o l´obulo principal e menores os outros, mais diretiva ´e a antena e maior ´e o seu ganho na dire¸c˜ao para a qual est´a apontada.
Uma caracter´ıstica importante de uma antena muito diretiva ´e que ela tende a rejeitar com mais facilidade sinais que chegam lateralmente.
Isso ´e importante se ela for receptora e no local existirem fontes de interferˆencias.
O diagrama t´ıpico dessa antena tamb´em permite observar o que se denomina ”rela¸c˜ao frente/costa”de uma antena.
Sinais que chegam pela dire¸c˜ao para a qual ela foi apontada s˜ao muito melhor captados do que os que chegam pela dire¸c˜ao oposta, ou seja, pelas ”costas”.
Antenas Parˆametros
Polariza¸c˜
ao
Os campos magn´etico e el´etrico s˜ao perpendiculares um ao outro.
O modo como eles aparecem numa antena transmissora ou devem ser captados por uma antena receptora determina a sua polariza¸c˜ao.
Antenas comuns de TV para VHF que vemos nos telhados das casas tˆem suas varetas colocadas em posi¸c˜ao horizontal e n˜ao vertical (sinais de TV s˜ao polarizados horizontalmente).
A escolha de uma boa antena para um projeto de telecomunica¸c˜ao deve levar em conta v´arios aspectos, como:
Frequˆencia de opera¸c˜ao; Diretividade desejada; Espa¸co dispon´ıvel; Impedˆancia caracter´ıstica; Ganho; etc.
Lembrando que o tamanho da antena est´a diretamente ligado `a frequˆencia do sinal transmitido/recebido.
Em fun¸c˜ao disto, foram desenvolvidas v´arias geometrias para antenas, que interferem e determinam os parˆametros do projeto.
Antenas Tipos
Dipolo de meia onda
Uma das antenas mais populares, tanto na transmiss˜ao como na recep¸c˜ao de sinais para diversas faixas de frequˆencias.
Sua impedˆancia t´ıpica ´e de 50 ohms, valor que depende da espessura do fio usado. Pelas suas caracter´ısticas se presta `a transmiss˜ao e recep¸c˜ao de sinais numa pequena faixa de frequˆencias para a qual ela est´a sintonizada ou dimensionada.
Dipolo dobrado
Muito utilizado na recep¸c˜ao de sinais da faixa de VHF, principalmente para as esta¸c˜oes de TV convencionais desta faixa.
A impedˆancia t´ıpica de um dipolo dobrado ´e de 300 ohms.
Evidentemente, como as caracter´ısticas da antena dependem das suas dimens˜oes em rela¸c˜ao `a frequˆencia do sinal que est´a sendo recebido, ela se destina a recep¸c˜ao de uma pequena faixa de frequˆencias em torno da qual suas dimens˜oes determinam.
Antenas Tipos
Helicoidal
Muito comum para frequˆencias altas (links de microondas - TV Integra¸c˜ao). As dimens˜oes de todas as partes que a formam possuem uma rela¸c˜ao de valores bem definida com o valor do comprimento de onda do sinal que deve ser transmitido ou recebido.
Altera¸c˜oes desses valores mudam completamente suas caracter´ısticas.
Observe que uma antena deste tipo se presta apenas `a recep¸c˜ao e transmiss˜ao numa estreita faixa de frequˆencias que corresponde justamente `as suas dimens˜oes.
Yagi
H. Yagi a desenvolveu em 1926. Elemento ativo ´e um dipolo.
Possui um refletor e dois ou mais diretores.
O n´umero de elementos diretores desta antena determina o seu ganho e portanto a diretividade, al´em de influir no valor de sua impedˆancia.
Antenas Tipos
log-peri´
odica
Conhecida pelo nome de ”espinha de peixe”(sinais de TV da faixa de VHF e alguns sistemas de telecomunica¸c˜oes).
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 tˆem comprimentos que variam segundo a faixa de frequˆencias que ela deve operar.
Quando o sinal que chega a esta antena tem uma frequˆencia tal que seu
comprimento de onda se adapte ao conjunto de varetas X, as varetas que est˜ao `a sua frente (de comprimento menor) passam a funcionar como diretores enquanto que as varetas que est˜ao por tr´as 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 est´a sendo recebido.
Por essa capacidade de poder operar numa faixa ampla de frequˆencias, este tipo de antena ´e bastante popular na recep¸c˜ao dos sinais de TV da faixa de VHF que ocupam uma faixa relativamente ampla, para a qual, normalmente seriam necess´arias v´arias antenas no caso ideal de recep¸c˜ao.
O n´umero de elementos desta antena, al´em de determinar a faixa de frequˆencias na qual ela pode operar com rendimento m´aximo tamb´em ´e respons´avel por outras caracter´ısticas como a diretividade.
Antenas Tipos
Parab´
olica
Muito usada em muitos sistemas de telecomunica¸c˜oes, muito mais evidente nas antenas de TV via sat´elite de uso dom´estico.
Uma caracter´ıstica muito importante neste tipo de antena ´e a rela¸c˜ao entre a distˆancia focal (F) e o diˆametro da abertura da antena D.
Se a rela¸c˜ao ´e grande, a corneta (parte ativa) pode receber sinais tamb´em de fora da par´abola, tornando-se sens´ıvel `a interferˆencias.
Por outro lado, se F/D ´e pequena, a corneta n˜ao consegue ver os limites da par´abola e o rendimento do sistema cai.
Antenas Exerc´ıcios
Exerc´ıcios
42 Como se comportam corrente e tens˜ao em um antena do tipo dipolo de meia
onda? Represente graficamente sua resposta.
43 Como uma antena se comporta na frequˆencia de ressonˆancia? 44 Quais fatores podem influenciar na impedˆancia de uma antena?
45 Cite trˆes caracter´ısticas t´ecnicas importantes para o projeto de uma antena. 46 Explique cada uma das 3 caracter´ısticas citadas na pergunta anterior. 47 Explique basicamente como funciona a antena Yagi, para a recep¸c˜ao de
sinais. Fa¸ca um esbo¸co da antena, com todos seus componentes.
48 Quanto mais elementos, mais diretiva a antena. Explique esta afirma¸c˜ao,
considerando uma antena Yagi.
49 Qual a vantagem da antena log-peri´odica em rela¸c˜ao `a Yagi?
50 Qual o princ´ıpio b´asico de funcionamento de uma antena do tipo parab´olica?
Obrigado.
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