ANTENAS‎ > ‎

Ganho de Antenas

angelo antonio leithold py5aal

         O cálculo em antenas teóricas leva sempre em conta condições ideais, na prática, as influências causadas por fatores externos podem gerar margens de erro de até 35%. Portanto, ao invés de se ficar procurando uma função onde se busca uma solução integrável que mais se aproxime do diagrama levantado, é mais lógico buscar uma integração gráfica baseada em modelos práticos.
No caso de termos modelos de antenas unidirecionais, estima-se o valor D, verificando-se os ângulos de meia potência, porém mesmo assim, a margem de erro é bastante elástica, podendo desta forma o modelo não ter o resultado satisfatório, pois quanto menos diretiva e mais lobulada a antena maior o erro. Ganho de uma antena não é aumento de potência de transmissão, muito menos aumento de sensibilidade de recepção, pois antena não amplifica sinais. Pode-se definir neste caso que é o aumento de eficiência que pode ser definida como:

Ef = Rr  /  (Rr+Rp)

Onde:

Ef é a eficiência.

Rr é a resistência de radiação dada em valor por unidade. 

Rp é a resistência de perdas.

Para se ter o rendimento em decibnéis, o rendimento é igual a 10 vezes o log decimal da relação. Quanto mais diretiva uma antena melhor é sua distribuição de potência, portanto maior é seu ganho. Logo, ganho de antena é a expressão de quantas vezes ela é melhor do que outra padrão, este é dado por dB (decibel). O padrão pode ser um isotrópico, ou um dipolo de aferição semelhante à antena testada. Antena de maior ganho é aquela que entrega e recebe mais ''potência do meio'', ou seja, aquela que irradia e recebe a maior quantidade de energia. Sempre devemos adotar uma antena padrão para depois fazermos as comparações com outras antenas em relação a este padrão. As antenas padrões devem ser as de mais fácil construção, podendo desta forma ter um sistema de fácil calibração. Pode ser uma antena dipolo padrão (aproximadamente 2 dBi de ganho sobre o isotrópico) e a uma distância razoável da antena sob teste.

Para a definição de ganho e tendo as duas antenas à mão, fica fácil deduzir a fórmula básica de ganho. Logo, quando se fala em ganho de antenas, deve-se defini-lo em relação a uma antena teste ou sobre o isotrópico, ou seja:

*Ganho de uma antena é = maior campo da antena estudada / maior campo da antena de referência.
*Ganho de uma antena é = Máxima intensidade de irradiação de uma antena em estudo / Máxima intensidade de irradiação de uma antena de referência.
*Ganho (Em dB) = 10 log10  (P antena teste / P antena padrão)

*Deve ser obedecida a condição da potência de entrada de ambas antenas, esta deve ser idêntica.

A UNIDADE DE MEDIDA DO GANHO É O DECIBEL

Decibel é uma relação logarítmica utilizada entre tensões, usado para termos parâmetros de ganho, ou perda, podendo ser positivo ou negativo, dependendo do uso. Portando, o ganho de uma antena é sempre comparativo, ou seja, determina-se o ganho desta medindo-se o campo induzido em si e se dividindo pelo campo induzido num dipolo padrão de teste em condições idênticas multiplicada pelo logarítmo decimal.

DIPOLO PADRÃO:

Usa-se o dipolo padrão, cujo ganho teórico é 2,15 dB sobre o isotrópico, ou 2,15 dBi, este é teórico, portanto é usual se construir um dipolo de meia onda para se fazer a comparação entre a antena que se quer testar em relação à antena padrão. Isto é importante para se ter uma noção se a antena testada é melhor ou pior em termos de rendimento com a antena padrão.

MEDIDAS COMPARATIVAS:

Como o dipolo padrão tem 2,15 dBi, e se tivermos uma antena com 12,15 dBi de ganho logo ela terá 10 dB de ganho sobre o dipolo. Portanto, é usual se arbitrar 0 dB para o dipolo padrão.

Conceituação:

A conceituação prática é bem mais simples do que a teórica, não carecem de cálculos complexos para executá-la, porém sem o embasamento matemático, fica impossível determinar e atestar se o ganho de uma antena é real. Para executar testes de rendimento de antenas, o experimentador deve se basear em tabelas já formuladas e testadas na prática, e não se devem omitir alguns conceitos e fórmulas matemáticas. Sempre que medimos o ganho de uma antena, se deve levar em conta se estamos trabalhando nosso raciocínio com campos ou com potências. Uma vez determinado qual o padrão, este deve se manter.
As expressões do campo irradiado por um dipolo excitado por uma corrente senoidal disposta uniformemente sobre este pode ser expressa como:

u(t) = Re[ú (e)jwt] = Ucos(wt+
Ø)

a variação dos campos e correntes é senoidal, avança no tempo e é expressa pela representação complexa, cuja função escalar é representada por:

u(t) = Ucos  ( w t +Ø )

onde

ú = Uej.
Ø

multiplica-se a função original por :

ejwt

em quantidades vetoriais usamos o mesmo tratamento, como deduzido acima sendo as componentes de um vetor iguais às quantidades complexas associadas às componentes do vetor inicial, onde à medida em que nos distanciarmos da antena em estudo, o fluxo de potência terá somente a componente radial.
Assim sendo, chegamos à conclusão de duas componentes senoidais avançando através do espaço em determinado tempo, sendo uma de campo elétrico e outra de campo magnético, ligadas e defasadas em 90° ora no campo horizontal, ora no campo vertical. Na prática, temos duas formas de fazer medida de campo, uma é absoluta, outra é relativa.
A medição de campo absoluto pode ser feita em volts por metro usando-se diagrama linear.

A medida do campo relativo é feita tomando-se em conta a referência do valor máximo do campo ao longo da variação dos ângulos, normalizando-se desta forma as resultantes encontradas, temos o campo resultante:

E/Emax

As componentes do vetor do campo elétrico, além da variação prevista pelo inverso da distância, poderá variar também conforme os ângulos
q , Ø . Para cada antena deverá ser levantada a formulação adequada e particular, após o levantamento gráfico, embora possamos usar a formulação geral com boa aproximação. Embora para amadores não haja necessidade de tal purismo, profissionalmente este deve ser acompanhado de embasamento formal.

Para uma distância fixa de r temos:

Eq= fq ( q , Ø )

EØ = fØ (q , Ø)

Onde :

Prmax =(1 / 2 ) . ( E2max /h)

Pois

E2 = ( E q )2 + ( EØ )2

Temos:

E= campo elétrico total

E
q= amplitude da componente q.

E
Ø = amplitude da componente Ø.

Se:

r2Prmax = Umax

Então:

Pr/Prmax = U/Umax = ( E/Emax)2


*Se a intensidade de campo varia com o inverso do quadrado de r , estamos certamente no campo próximo.

*Se a variação for apenas com o inverso de r , estamos no campo distante.

Uma vez isto determinado, e com um bom medidor de campo em mãos, poderemos então determinar o ganho de determinada antena em função da antena padrão, tomando o cuidado quanto a reflexões e interações com o ambiente.
Outra maneira de determinar o ganho de uma antena é a distância, este porém, vai depender da honestidade e da acuidade perceptiva de quem utiliza o essímetro, além das condições momentâneas de propagação de sianal que podem levar a erros de avaliação.

GANHO, REFLETORES, EFEITO TERRA.

        Inicialmente utilizados em antenas monopolo, os refletores se disseminaram largamente nos sistemas irradiantes. A alteração de impedância e o diagrama resultante da distância de uma antena ao solo são conhecidos há muito tempo, por isso é tão largamente utilizada esta propriedade. Sempre poderemos controlar a forma e a distância do refletor à antena forçando desta maneira seu comportamento, isto é, se arbitrarmos um determinado diagrama, poderemos fazer nossa antena trabalhar dentro dele. Um dos parâmetros que imediatamente percebemos, é a relação frente/costas no caso de antenas direcionais, pois à medida que esta relação aumenta, conseqüentemente aumentará a diretividade da antena e seu ganho. Quanto mais próximo do ideal for um refletor tanto melhor. Mas neste caso devemos definir o que seria um refletor “ideal” (Sem discussões bobas de semântica) na prática, simplesmente seria aquele que se encaixa tanto na prática, quanto na teoria dentro dos rendimentos, ganho, impedância nas condições estabelecidas, (veja os gráficos de impedância e ganho), de antena dois elementos com refletor ou diretor. Com o passar do tempo e das experiências feitas com refletores, os pesquisadores e engenheiros da área chegaram à conclusão que estes praticamente se igualam em forma e dimensões aos dipolos ou monopolos dos quais fazem parte, configurando um sistema irradiante/receptor. Quando vemos uma antena cilíndrica, por questões práticas, observaremos que seu refletor também o será, a única diferença é o comprimento deste ligeiramente maior, na ordem de cinco a dez por cento. No caso de refletores planos sua superfície não precisa ser infinita, basta que seja ressonante, mas como será uma superfície refletora ressonante? Ora, basta uma superfície refletora contínua cuja malha não ultrapasse a 10% do comprimento de onda aplicado, é claro que neste caso trata-se para antenas direcionais. É óbvio que uma vez feito este procedimento haverá uma alteração na impedância e largura de faixa do sistema resultante, o dipolo, não mais será um dipolo isolado, passará a se comportar como uma rede com todas as características dadas pela disposição dos elementos interferentes. Quando temos uma antena situada à uma distância considerada "S" da superfície ressonante, teremos um sistema com uma antena real e uma antena virtual, isto é uma rede com seu dipolo e sua imagem à uma distância 2S, funciona como se fossem duas antenas interagindo, por isso temos que tomar certos cuidados quando montamos antenas próximas a estruturas metálicas.

ANTENA REAL E ANTENA IMAGEM

Arbitrando-se o plano de terra como condutor perfeito, as componentes tangencial e normal são anuladas entre si, desta forma, as cargas e correntes induzidas passam a fazer parte do sistema, pois teremos o efeito imagem e o efeito real. Tanto para o dipolo horizontal, quanto para o dipolo vertical, existe o dipolo imagem, este atua de forma que seu efeito, juntamente ao efeito terra alterem o diagrama de irradiação, impedância, ganho, dentre outros parâmetros da antena, daí para efetuar a análise podemos usar o sistema de estudo dos efeitos causados pela proximidade de duas antenas. (Mais detalhes veja aqui: Básico de eletromagnetismo.). Quando temos uma antena próxima a qualquer estrutura, seja terra, seja metálica, "n" dipolos, outra antena, ou antenas, forma-se o que podemos chamar de “rede”, esta rede, é claro, deve ter certos aspectos físicos de proximidade entre seus elementos em comprimentos de onda, obedecidas estas características, o sistema resultante terá um acoplamento concomitante, isto é, haverão interações de todas as características de todos os elementos interferentes, chama-se a isso, acoplamento mútuo (Acoplamentos de Antenas). O efeito do acoplamento mútuo, tanto para antena em polarização horizontal, quanto em polarização vertical, ambas tem em sua imagem a indução de cargas e correntes, suas impedâncias, seus lóbulos, e ganhos se interam, formando um sistema complexo. Sempre quando tiver uma antena numa determinada distância da terra teremos que analisar duas, a real e sua imagem. Quando variamos a distância de um dipolo ao solo, variará o ângulo de partida, o alcance, a impedância, entre outros parâmetros.  Conhecendo-se o ângulo de irradiação, e a altura da camada da ionosfera onde reflete o sinal, temos condições de calcular o alcance de nossa transmissão. Veja a tabela disponibilizada, usando como base a altura da camada ionosférica arbitrada para fins de cálculo em torno de 300 Km (camada F2), ( Lembre-se que a altura das camadas ionosféricas são dinâmicas e não estáticas, isto é, se alteram de acordo com a hora, propagação, época do ano , entre outras variáveis). As correntes induzidas no dipolo real terão seu equivalente no dipolo imagem, como descrito anteriormente, desta forma podemos deixar o dipolo vertical muito próximo ao solo reforçando o campo irradiado e o campo recebido, no caso do dipolo horizontal, devemos observar que a impedância resultante do sistema será muito próxima de zero, colocando o sinal em curto com a terra, anulando a antena. No caso do monopolo em polarização vertical, seu funcionamento quando no solo será similar ao dipolo vertical no espaço livre, pois sua imagem complementará o segmento real.

 



Altura dipolo   (comp de onda)  

0,28

0,30

0,33

 0,35

0,42 

0,485

0,56

0,635

0,71

0,79

0,87

0,955

1,03

 1,12

1,19

1,28

Ângulo de partida

63,5

56,3  

50,2 

45,0

36,8

31,0

26,6

23,2 

20,6

18,4

16,7

15,2

14,0 

13,0

12,1

11,3 

Primeira reflexão Km

300

400

500

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

 

Impedância dipolo polariz. horiz.

05  

10 

15 

20

25

30

35

40

45

50

55 

60 

65  

70

75

80

85

90

95

97,5

95

90

85

80

75

70

65

60

58,7

65

70 

75 

73,5 

80 

82,5

80 

75

73,5

70

65 

70 

73,5

75

80 

75 

73,5

70 

73,5

 

Dist. Terra (comp. onda)

0,001

0,015

0,031

 0,047

0,062

0,078

0,093

0,102

0,125

0,140

 0,156

0,172

 0,187

0,202

 0,218

0,234

0,250

0,266

0,281

0,312

0,375

0,406

0,437

0,469

0,500

0,531

0,562

0,581

0,625

0,687

0,719

0,734

0,750

0,781

0,844

0,937

0,981

1,000

1,044

1,144

1,200

1,250

1,281

1,375

1,481

1,500

1,625

2,000

 

           

Impedância dipolo polariz. vertic.

0

1

8

20

30

40

50

60

70

75

80

90

100

105

97,5

90

80

75

70

60

50

41

50

60

70

75

80

90

100

110

120

130

132.5

130

115

110

100

 

Comp.haste (Comp.onda)

0.5

0.10 

0.15

0.20 

0.24

0.26

0.275 

0.30

0.325

0.34

0.35 

0.375 

0.400  

 0.45

0,50

0,525

0.55

0,57

0.59 

0.62

0.65

0.70

0.74  

0.77

0.79

0.80

0.815

0.825

0.85

0.87

0.88

0.965

0.975

1.000

1.05

1.075

1.1

 


Bibliografia