Antenas/Definição de Antena

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Antena é o dispositivo cuja função é transformar energia eletromagnética guiada pela linha de transmissão em energia eletromagnética irradiada, pode-se também dizer que esta lei serve também no sentido inverso, isto é, transformar energia eletromagnética irradiada em energia eletromagnética guiada para a linha de transmissão. Portanto, sua função é primordial em qualquer comunicação onde exista radiofrequência.

Por sua natureza, na transmissão de ondas eletromagnéticas a antena está em último lugar na transmissão e é o primeiro dispositivo que recebe os sinais emitidos.

No estudo e projeto de antenas, não importa em que frequência do espectro seja aplicada, sempre serão usados os mesmos princípios físicos da teoria eletromagnética, ela é constante, imutável e invariável.

Por isso, quanto maior a frequência de utilização nas antenas, maior deve ser a precisão dos dispositivos, equipamentos e medições.

Campos de irradiação e propagação

Quando jogamos um objeto massivo numa lagoa (por exemplo: uma pedra) cujas águas estão em completo repouso, as ondas produzidas na massa líquida continuam se propagando mesmo depois do objeto ter atingido ao fundo. A pedra e sua queda, não são necessárias à manutenção das ondas, mas prementes à sua criação. Cessando a causa (queda da pedra), o efeito (propagação de ondas) teve seu prosseguimento, independentemente daquela ter cessado.

As linhas de fluxo concêntricas transportam energia em forma de ondas. Este deslocamento da energia, define-se como propagação, e a energia contida nas ondas, chama-se energia irradiada analogamente, campo distante. A água espirrada e acelerada pelo impacto da pedra e, em volta dela, pode ser por analogia definida (se fosse radiofrequência) como campo próximo.

Em eletromagnetismo existem dois tipos de distribuição de linhas de campo:

As mais próximas da antena que deixam de existir imediatamente ao cessar a causa chamadas de campo de "Fresnel", "campo de indução" ou "campo próximo" (quando cessa a corrente esta sofre a anulação por um semi-ciclo, as linhas não chegam a se fechar, portanto, não se propagam pelo espaço).
As linhas que chegam a se fechar se propagam no espaço, continuam carregando consigo energia irradiada, ao campo gerado se denomina "campo distante", " campo de Fraunhofer" ou "campo de irradiação".

A principal conclusão, é que o campo elétrico na região distante varia com o inverso da distância, enquanto que na região próxima isto não acontece. A região de indução (campo próximo) é geralmente usada no projeto de antenas com um ou vários "elementos" de forma a induzir nestes energia redirecionando-a induzindo-a aos elementos parasitas, tanto diretores, quanto refletor, se for o caso.

Existem duas expressões para a determinação das regiões próxima e distante:

R= 10 l

R= 2L2 / l

onde:

R= separação entre as duas regiões.
L= o maior tamanho da antena.
l= comprimento de onda.(lambda representado como l )

Irradiação e diretividade

Quando usada como elemento irradiante, a antena é um sistema que emite energia eletromagnética. A partir do processamento dos dados de irradiação, pode-se levantar sua eficiência e a distribuição da energia irradiada através do campo dentro do espectro conhecido, ou arbitrado.

O diagrama de irradiação de uma antena, nada mais é do que o mapeamento da energia irradiada ou recebida, levando em conta o campo tridimensional.

Existem diversas maneiras de levantar a "carta de irradiação" de uma antena. Algumas mais simples, outras mais trabalhosas. Neste caso, vale o princípio científico da Navalha de Ocam, onde se um ou mais sistemas de análise chegarem ao mesmo resultado, sempre se utilizará o mais simples.

Para se levantar o diagrama de irradiação, o ponto de partida deve levar em conta uma distância e localização onde não seja possível a interferência de elementos estranhos ao meio onde se encontram a antena de prova e a antena de teste.

A distância entre as antenas de prova e teste não podem ser inferiores a dez vezes ao comprimento de onda da frequência central. Por exemplo, se um sistema que opera no comprimento de onda de quarenta metros, deve-se tomar as medições no mínimo à quatrocentos metros de distância.

Diagrama de irradiação

Para levantar o diagrama de irradiação de uma antena, devem ser usados alguns procedimentos básicos. Em primeiro lugar, devem ser utilizadas uma antena de prova, e uma antena de teste.

Deixa-se a antena de teste a uma distância confiável da antena de prova, de forma a não haver interação de sinais entre elas e o meio circundante.

Após tomadas precauções mínimas para evitar interações com o meio, inicia-se o processo de levantamento do diagrama.

Gira-se a antena sob teste de forma a descrever um círculo.
A intervalos regulares, a cada dez graus por exemplo, toma-se a medida do campo irradiado de forma a obter-se um gráfico retangular.
Os valores devem ser anotados ou em valores absolutos, ou em valores relativos ao seu máximo.

As medidas e características servem tanto para transmissão quanto para a recepção, obedecendo a lei da reciprocidade.

Levantado o diagrama de irradiação do campo da antena é importante verificar se tratamos de campo ou de potência; se a polarização é vertical , ou horizontal; e o levantamento deve ser executado em 360 graus.

No caso de uma antena dipolo, na polarização horizontal, é perfeitamente possível a diagramação da irradiação em dois sentidos, isto é, existem duas frentes de onda, há um lóbulo principal de irradiação e lóbulos secundários de menor amplitude.

Para antenas de feixe estreito, helicoidais, antenas de radar, por exemplo, é melhor utilizar o diagrama retangular.

Devido à dualidade da energia emitida e à lei de reciprocidade, pode-se usar a análise gráfica tanto para irradiação, quanto para campo, próximo e distante.

Num diagrama de irradiação de campo cujo valor máximo arbitra-se igual a unidade (1,0) a amplitude correspondente à meia potência equivale a 0,707.

O diagrama de fase da antena é a representação espacial da variação de fase do campo irradiado.

Considerando uma antena irradiando uma potencia total (W), situada ao centro de um campo espacial cuja superfície seja uma esfera perfeita. Imaginemos esta esfera flutuando no espaço e o ponto de irradiação, ou seja a antena esteja em seu centro geométrico onde seu raio (r) seja imensamente maior do que o tamanho físico da antena, de forma que a vejamos como se fosse um ponto infinitesimal.

Onde (P) seja o valor médio da densidade de potência provocada pela antena à distância (r).

Onde (Pr) seja o valor médio da densidade de potência provocada outra antena idêntica à primeira antena à distância (r).

Tenderemos à definir a diretividade da primeira antena em relação à segunda em relação à segunda como:

D = P / Pr .

Como a densidade é função do ponto, a diretividade também o será, portanto temos como medir a capacidade de concentração de energia de uma antena numa região pré-determinada do espaço tridimensional.

Quanto mais agudo o lóbulo principal, maior a irradiação ou iluminação desta antena e seu lóbulo, numa determinada direção.

Antena Isotrópica

A diretividade e a densidade de potência são funções de ponto. Um cone cuja geratriz é um ponto e a distribuição de densidade de potência pode ser deduzida como função de área de uma semi-esfera se propagando através do tempo e aumentando sua área em função deste até atingir a parede interna de uma esfera virtual iluminando-a.

Podemos usar a densidade de potência para medir a capacidade que uma antena tem de concentrar energia (iluminar) numa determinada região do espaço.

Quanto mais agudo o ângulo do cone de propagação formado pelo lóbulo principal (mais estreito o feixe), maior é a diretividade da antena, maior é a densidade de potência que ilumina uma pré determinada área do espaço na direção de máxima irradiação, na esfera virtual.

Para se ter um parâmetro de comparação, temos necessidade de usar uma antena hipotética, onidirecional, que ilumine a parede interna de uma esfera virtual hipoteticamente flutuando no espaço.

Esta é a definição de antena isotrópica onde:

Pr = Po

A diretividade (D) ficará :

D = P/ Po

Imaginemos uma esfera perfeita, uma bolha de sabão por exemplo, esta esfera contém em seu centro uma lâmpada sem refletor de espécie alguma , emitindo luz para todos os pontos.

A iluminação, se a fonte for um ponto, será uniformemente distribuída em toda a área interna da esfera, logo, a distribuição de potência seguirá ao mesmo princípio, isto é energia irradiada em todas as direções isotropicamente.

Imaginemos uma esfera com uma lâmpada em seu centro. A lâmpada, não é mais sendo um ponto, e sim um segmento em forma de filamento.

Como temos um segmento longitudinal (semelhante ao filamento de uma lâmpada) no centro de uma esfera perfeita, se olharmos de frente para este segmento, veremos um fio esticado emitindo luz, se girarmos esta esfera em noventa graus no sentido horizontal, ao invés de enxergarmos um traço enxergaremos um ponto emitindo luz. Ao observarmos o fio esticado de lado, a luz não irradiará em todos os sentidos, ela se propagará em sua maioria para frente, para trás, para cima, e para baixo. Não haverá iluminação nas laterais (ou esta será mínima).

Imaginemos que ao invés de esfera tenhamos cubo perfeito, observaremos mais claramente este efeito.

Houve uma alteração da diretividade em relação ao isotrópico (fonte pontual), ficam duas faces do cubo sem receber iluminação (as laterais) e as outras quatro recebem equitativamente a quantidade de luz que não foi para as laterais. Desta forma verificamos a validade do fenômeno do ganho. Não houve aumento da luz, o que houve foi um redimensionamento da distribuição em outras direções. Portanto, o ganho sempre é referente ao redirecionamento de uma porção de energia para uma determinada direção.

Esse processo de emissão de ondas eletromagnéticas pode ser realizado por estruturas denominadas antenas. Apesar de qualquer estrutura poder emitir ondas eletromagnéticas, as antenas emitem com maior eficiência. Uma antena irradia seu sinal eletromagnético