Técnico em eletrônica Segundo módulo
2018/1
Antenas
Filipe Andrade La-Gatta filipe.lagatta@ifsudestemg.edu.br
IF Sudeste MG/JF
Fundamentos
Base para funcionamento de sistemas de telecomunicações por ondas de rádio. Fundamental para todo profissional das telecomunicações entender como funcionam as antenas e os principais tipos que existem.
A função da antena é então transferir a energia gerada pelo transmissor para o espaço na forma de ondas.
No receptor intercepta as ondas que chegam, induzindo correntes levadas ao circuito de processamento.
Ao aplicar-se sinal de alta frequência em uma antena formada por dois condutores, há o surgimento alternado dos campos elétrico e magnético com intensidades máxima na extremidade e no meio, respectivamente.
Antenas Fundamentos
As dimensões de uma antena são importantes para sua eficiência tanto na transmissão como na recepção dos sinais.
Para uma antena como a da figura anterior, o comprimento deve corresponder a 1/2 do comprimento da onda na frequência que deve ser transmitida.
Com esse comprimento, os campos seguem a configuração mostrada, e as tensões e correntes tem as seguintes distribuições:
Antenas Fundamentos
Em um circuito ressonante a reatância capacitiva é igual à reatância indutiva (XL=XC) na frequência de ressonância.
Isso significa que uma antena deste tipo, na frequência de ressonância, se comporta como uma carga resistiva pura.
Essa componente é a impedância da antena.
Essa impedância tem um valor fixo: 73 ohms. Na prática adota-se para os cálculos 75 ohms (cabo coaxial de televisão).
Nota-se que alguns fatores podem influenciar 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 analisada é o chamado "dipolo de meia onda".
Impedância é uma das características importantes no projeto de uma antena, e depende do modo como ela é construída e de suas dimensões, havendo diversos tipos.
No entanto, além da impedância existem algumas características das antenas que são de grande importância no seu projeto para uma determinada aplicação.
Ganho
Uma antena é um elemento passivo tanto na transmissão como na recepção de sinais.
Portanto não há 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 direção quando a comparada com uma antena usada como referência.
Antenas Parâmetros
Se a antena concentra a energia transmitida numa certa direção ela possui um ganho.
O mesmo vale 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.
A(dB) = 10 logP1
P2 (1)
Sendo: A = ganho em dB (decibel) log = logaritmo na base 10
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: A = 10 log (20/1) = 13 dB
Diretividade
Uma esfera metálica é considerada uma antena ideal, porque irradia ou recebe sinais com a mesma intensidade em todas as direções.
Em determinadas aplicações práticas entretanto, pode não ser interessante ter um padrão de irradiação desse tipo.
Por isso, formatos raramente esféricos, mas planejados para obter um comportamento diretivo.
Antenas Parâmetros
No diagrama plota-se as intensidades relativas do sinal (recebido ou transmitido) para cada direção a partir daquela para a qual a antena é apontada.
O padrão típico 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.
O diagrama típico dessa antena também permite observar o que se denomina "relação frente/costa"de uma antena.
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".
Antenas Parâmetros
Polarização
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.
Antenas comuns de TV para VHF que vemos nos telhados das casas têm suas varetas colocadas em posição horizontal e não vertical (sinais de TV são polarizados horizontalmente).
A escolha de uma boa antena para um projeto de telecomunicação deve levar em conta vários aspectos, como:
Frequência de operação; Diretividade desejada; Espaço disponível; Impedância característica; Ganho; etc.
Lembrando que o tamanho da antena está diretamente ligado à frequência do sinal transmitido/recebido.
Em função disto, foram desenvolvidas várias geometrias para antenas, que interferem e determinam os parâmetros do projeto.
Antenas Tipos
Dipolo de meia onda
Uma das antenas mais populares, tanto na transmissão como na recepção de sinais para diversas faixas de frequências.
Sua impedância típica é de 50 ohms, valor que depende da espessura do fio usado. Pelas suas características se presta à transmissão e recepção de sinais numa pequena faixa de frequências para a qual ela está sintonizada ou dimensionada.
Dipolo dobrado
Muito utilizado na recepção de sinais da faixa de VHF, principalmente para as estações de TV convencionais desta faixa.
A impedância típica de um dipolo dobrado é de 300 ohms.
Evidentemente, como as características da antena dependem das suas dimensões em relação à frequência do sinal que está sendo recebido, ela se destina a recepção de uma pequena faixa de frequências em torno da qual suas dimensões determinam.
Antenas Tipos
Helicoidal
Muito comum para frequências altas (links de microondas - TV Integração). 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 frequências que corresponde justamente às suas dimensões.
Yagi
H. Yagi a desenvolveu em 1926. Elemento ativo é um dipolo.
Possui um refletor e dois ou mais diretores.
O número de elementos diretores desta antena determina o seu ganho e portanto a diretividade, além de influir no valor de sua impedância.
Antenas Tipos
log-periódica
Conhecida pelo nome de "espinha de peixe"(sinais de TV da faixa de VHF e alguns sistemas de telecomunicações).
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 frequências que ela deve operar.
Quando o sinal que chega a esta antena tem uma frequência 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 frequências, 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 frequências na qual ela pode operar com rendimento máximo também é responsável por outras características como a diretividade.
Antenas Tipos
Parabólica
Muito usada em muitos sistemas de telecomunicações, 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.
Se a relação é grande, a corneta (parte ativa) pode receber sinais também de fora da parábola, tornando-se sensível à interferências.
Por outro lado, se F/D é pequena, a corneta não consegue ver os limites da parábola e o rendimento do sistema cai.
Antenas Exercícios
Exercícios
42 Como se comportam corrente e tensão em um antena do tipo dipolo de meia
onda? Represente graficamente sua resposta.
43 Como uma antena se comporta na frequência de ressonância? 44 Quais fatores podem influenciar na impedância de uma antena?
45 Cite três características técnicas importantes para o projeto de uma antena. 46 Explique cada uma das 3 características citadas na pergunta anterior. 47 Explique basicamente como funciona a antena Yagi, para a recepção de
sinais. Faça um esboço da antena, com todos seus componentes.
48 Quanto mais elementos, mais diretiva a antena. Explique esta afirmação,
considerando uma antena Yagi.
49 Qual a vantagem da antena log-periódica em relação à Yagi?
50 Qual o princípio básico de funcionamento de uma antena do tipo parabólica?
Obrigado.
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