ANTENAS ELETROMAGNETISMO

ANTENAS, LINHAS DE TRANSMISSÃO ACOPLAMENTO E PROPAGAÇÃO

INTRODUÇÃO

 Quando se fala de antenas, não se trata tão somente de dispositivos condutores com valores de comprimento, diâmetro ou geometria de seus elementos condutores. Uma antena, neste caso, é um elemento na cadeia de transmissão e recepção muito mais complexo. Somente através de ensaios e cálculos é que se podem levantar os parâmetros do sistema irradiante ou de recepção como um todo. O ato de medir uma antena trata-se de levantar valores de ganho, polarização, impedância e padrão de radiação, dentre outros que mostram as suas qualidades na transmissão ou na recepção de radiofreqüência, assim, uma antena não é apenas um pedaço de fio ou um tubo qualquer.

Na recepção de uma onda plana provinda de uma determinada direção, é possível determinar a densidade de potência relativa. De forma recíproca, a energia irradiada ao ser captada por outra antena indicará os parâmetros de emissão utilizados na primeira, conforme será detalhado. Desta forma, se podem desenvolver técnicas que indicam o alcance e direção de um determinado sistema irradiante, ou vice e versa através de diagramas.

Sem a antena não se tem transmissão nem recepção, pois é o elo chave de ligação entre a onda guiada pela linha de transmissão e a onda propagada através do espaço, e vice-e-versa. Um exemplo bastante comum é o dipolo simples e seu equivalente, o dipolo dobrado. Sem estes não se tem irradiação nem recepção de ondas de RF. Dos tipos de dipolos utilizados, o de meia onda é um dos principais por se tratar de um sistema de fácil previsibilidade quanto ao seu comportamento, embora seu equacionamento não seja tão simples assim. 

Ao se empilhar um dipolo por exemplo, o desempenho de um sistema irradiante aumenta, ao se inserir mais elementos, refletores, diretores, temos um sistema direcional. A este se dá o nome de antena Yagi-Uda, nome dado aos mestres japoneses que a desenvolveram no início do século XX,  e, cuja base é o dipolo e a interação entre elementos "dipolos" parasitas, que de uma forma bastante ampla gera uma substancial alteração na direção de emissão ou recepção dos sinais de RF.

Figura 2.1: Diagrama de um dipolo encurtado (Fonte Ângelo Leithold).

Devido espaço necessário para ler um campo eletromagnético em torno das antenas, muitas técnicas matemáticas foram desenvolvidas com o objetivo de permitir a previsão do comportamento da propagação de ondas de forma esférica (Lóbulos) sobre superfícies planas em torno das antenas sob teste. Para medidas práticas, normalmente se usa um espaço de muitas vezes o comprimento de onda da antena medida, também chamada de “antena sob teste”, ou “AUT” do inglês “Antenna Under Test”.

Toda antena emite ondas eletromagnéticas, assim de acordo com esta premissa, é possível mapear a energia em torno de si. A figura 2.1 é bem elucidativa sobre a distribuição de RF de uma antena. As técnicas de medição para levantamento paramétrico de antenas consistem em procurar encontrar a distribuição de energia através do espaço tridimensional. Para tal se põe a antena emissora a uma certa distância da antena receptora, o que será visto mais adiante. Uma vez que se classificam as ondas de rádio como espaciais e terrestres, ao se fazer medições de antenas, descarta-se a propagação espacial, isso se deve pelo fato da necessidade da medida direta, sem que a onda tenha sofrido qualquer alteração ou interação com o meio espacial (Ionosfera, por exemplo). A onda terrestre é superficial, colocando-se a antena de prova e a de testes no campo da onda direta, teremos o levantamento do campo da antena que facilmente pode ser inserido num gráfico polar ou retangular. A equação 2.1 demonstra como se levantam dados em comprimentos de onda de uma antena sob teste:

Figuras 2.2  e 2.3 Diagramas tridimensionais obtidos através leituras de campo de antenas. (Fonte: Ângelo Leithold) 

Pode ser considerada uma antena dipolo de um quarto de onda como uma linha de transmissão cujo comprimento dos elementos condutores é de um quarto de onda. Também se considera que esta "linha de transmissão" seria um "circuito aberto", sua alimentação se daria por um gerador que a "enxergaria" como um "circuito de impedância complexa" ou um "circuito ressonante". Assim, ao afastarmos os dois componentes  da linha, teriam as correntes circulantes em si a mesma direção. Isto é, haveria dois campos, um seria o campo elétrico (E), o outro seria o campo magnético (B), cujas resultantes se somariam. Em volta da antena haveria um forte campo de irradiação de energia eletromagnética a partir dos campos E e B. A figura 2.4 mostra perfeitamente os campos E e B de uma antena polarizada verticalmente e a velocidade de propagação representada pelo vetor "V".

Figura 2.4 Dipolo na polarização vertical, campos elétrico (E) e magnético (B) (Fonte: Ângelo Leithold).

As técnicas  de medição utilizadas  são  ensaios  que  permitem  verificar se a antena atende às especificações escolhidas. Os parâmetros típicos levantados são: o ganho, a radiação padrão, a largura do feixe, polarização e impedância. A antena padrão é aquela para a qual a onda incidente de uma determinada direção ou com determinada densidade de potência transmitida se dirige. Uma antena recíproca possui todas as carecterísticas idênticas à padrão. As medições do campo próximo se realizam mediante a varredura executada por uma pequena antena sonda numa superfície plana, esta é chamada "antena de prova". As medições se verificam no extremo do campo mediante o uso de uma transformada de Fourier. São três os tipos básicos de plano escaneamento (Ou leitura) que existem em torno das antenas testadas: 

* Escaneamento retangular plano

A sonda se desloca pelo sistema de coordenadas cartesianas e seu movimento linear cria uma rede de amostras regular e retangular com um máximo em volta da esfera, mostra o espaçamento de Δ x = Δ y = λ / 2. 

*Exploração Plana Polar 

Mais complicada que o método retangular praticamente não se utiliza, consiste num giro de 360 graus da antena sob teste e os dados são inseridos num gráfico circular.

*Exploração Plana Bi-polar 

O método bi-polar é semelhante ao polar, porém a leitura é feita num eixo e em seguida noutro ortogonalmente em relação ao primeiro, assim se obtém um gráfico tridimensional do campo irradiado. É através deste método que se obtém gráficos de campo iguais aos exemplificados nas figuras 2.2 e 2.3.

Conforme já afirmado anteriormente, se é possivel irradiar ondas eletromagnéticas de qualquer antena, reciprocamente as medições dos seus parâmetros também são possíveis de levantar a partir dos sinais emitidos por qualquer antena.  A partir das medições é confecionado o chamado "diagrama de irradiação", a figura 2.5 exemplifica o posicionamento da antena sob teste e antena de prova.

Figura 2.5 Método de levantamente paramétrico de uma antena sob teste (Centro) ao girá-la em relação a uma antena de provas. (Fonte: Ângelo Leithold)

 Normalmente o levantamento dos dados de uma antena se dá a partir de uma distância de dez comprimentos de onda. Primeiramente há que se definir qual será a antena de onde serão obtidos os dados (Antena sob teste) e qual será a antena que fará a leitura (Antena de provas). Em seguida é eleito o método de "escaneamento", sugere-se duas formas:

1 -  Rotacionando a antena que está sob testes a uma certa distância de uma antena de provas.

2 -  Deslocando uma antena de provas em torno da que está a ser testada.

Utilizando o método de rotacionamento (1),  ao girar a antena conforme marca a figura 2.5 que está sob teste, marca-se coordenadas circulares num impresso específico (Figura 2.6), neste, a antena é representada como o centro de círculos concêntricos. A determinados intervalos regulares é marcado o valor do campo detectado (Normalmente em decibéis), ao efetuar diversas medidas em ângulos diferentes, no final será formada uma figura semelhante à figura 2.6 onde nota-se os lóbulos secundários, em azul, e o lóbulo principal, em vermelho.

Figura 2.6 Diagrama de irradiação de uma antena direcional Yagi-Uda hipotética (Fonte: Angelo Leithold)

Da mesma forma que se obtém o campo elétrico (E), também é possível obter o campo magnético (H), assim, uma vez levantados os diagramas E e H (ou E e B), é possível formar uma figura que mostrará perfeitamente a forma de irradiação de uma antena, o gráfico resultante é chamado de "Diagrama de irradiação de campo da antena" e está representado pela figura 2.7.

Figura 2.7 Diagrama de irradiação de uma antena parabólica Cassegrain

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A presente publicação faz parte do trabalho ''Fundamentos de propagação de rádio''  datilografada em 1978 e apresentada na Escola Técnica Federal do Paraná em 1979. Foi complementada em 1987  e o formalismo matemático mais rigoroso foi inserido 1990. O trabalho digitalizado foi publicado no Hpg.IG em 1998 no endereço http://www.angeloleithold.hpg.ig.com.br/ciencia _e_educacao/9/index_int_4.html. Foi elaborada uma cópia de segurança e publicada no Yahoo-Geocities em 2004 no endereço http://br.geocities.com/angeloleithold/teoriaantena.htm. Em maio de 2011 o Hpg.IG foi descontinuado, a cópia salva foi migrada para o presente endereço em junho de 2011.

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http://web.archive.org/web/20060221225235/http://angeloleithold.vilabol.uol.com.br/py5aal.html

http://web.archive.org/web/20071202135144/http://br.geocities.com/angeloleithold/py5aal.refletores.html

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http://web.archive.org/web/20040914020247/http://www.angeloleithold.hpg.ig.com.br/ciencia_e_educacao/6/index_int_3.html

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