(c) angelo antonio leithold py5aal

Acoplamento mútuo de antenas

Acoplamento mútuo de antenas: Quando a antena e outros elementos (inclusive outras antenas) da estrutura estão muito próximos entre si, o acoplamento mútuo altera diversos parâmetros de desempenho como a distribuição de corrente, o comportamento de radiação, e a impedância de entrada, dentre outros. A alteração da impedância de entrada de uma antena é importante, pois afeta o casamento de impedâncias com a linha de transmissão que a conecta ao rádio, e consequentemente, os níveis de transmissão de potência entre essas pontas.  A compreensão dos mecanismos de acoplamento mútuo entre estruturas mais simples ajuda a entender as variações de desempenho das antenas em cenários mais complexos. Neste sentido, um caso canônico importante é o do acoplamento entre duas antenas dipolo de meia onda, idênticas, no espaço livre, e dispostas paralelamente ou colinearmente entre si. Os efeitos do acoplamento mútuo entre antenas e as estruturas podem ser significativos, e como tal, precisam ser considerados.

Antenas e objetos interagem uns com os outros, alterando a distribuição de corrente e, consequentemente, a impedância dos seus terminais, quando comparados com a situação em que estão isolados. Esta interação é chamada de acoplamento mútuo. Para ilustrar este efeito, são apresentadas, na Figura 2.1, as antenas m (parasita) e n (alimentada) em modo de transmissão. A antena n propaga energia do gerador (sinal 0) para o espaço (sinais 1 e 2), sendo uma pequena porção desta energia na direção da antena m (sinal 2), que ao atingir a antena m gera uma corrente que espalha parte dessa energia para o espaço novamente (sinais 3 e 5) e permite que o resto se propague até o gerador (sinal 4). Uma pequena parte da energia espalhada pela antena m (sinal 5) pode alcançar a antena n e, novamente, o processo se repetirá. Essa interação entre antenas próximas depende das características de radiação de cada uma delas, da separação entre elas e do posicionamento relativo entre elas e pode interferir no desempenho de ambas. Assim, o desempenho da antena depende não somente de sua própria corrente de excitação, mas também, das correntes nos elementos vizinhos.

A impedância de entrada de uma antena é calculada pela soma da sua auto-impedância (impedância de entrada quando uma antena está radiando em um meio livre de obstáculos ou de outras antenas) com parcelas proporcionais às impedâncias mútuas decorrentes do acoplamento entre os diversos elementos. A impedância de entrada de uma antena depende não só da sua própria excitação, mas também da excitação da antena que está acoplada a ela, o que pode ser extrapolado para o caso de múltiplas antenas.

Como exemplo, duas antenas dipolo idênticas no espaço livre, com comprimento de 1 /2 onda, de espessura praticamente infinitesimal (raio interno da antena igual a 10-4 m) e alimentação no centro dos dipolos. Antenas e objetos interagem uns com os outros, alterando a distribuição de corrente e, consequentemente, a impedância dos seus terminais, quando comparados com a situação em que estão isolados. Esta interação é chamada de acoplamento mútuo. Para ilustrar este efeito, são apresentadas, na Figura 2.1, as antenas m (parasita) e n (alimentada) em modo de transmissão. A antena n propaga energia do gerador (sinal 0) para o espaço (sinais 1 e 2), sendo uma pequena porção desta energia na direção da antena m (sinal 2), que ao atingir a antena m gera uma corrente que espalha parte dessa energia para o espaço novamente (sinais 3 e 5) e permite que o resto se propague até o gerador (sinal 4). Uma pequena parte da energia espalhada pela antena m (sinal 5) pode alcançar a antena n e, novamente, o processo se repetirá. Essa interação entre antenas próximas depende das características de radiação de cada uma delas, da separação entre elas e do posicionamento relativo entre elas e pode interferir no desempenho de ambas. Assim, o desempenho da antena depende não somente de sua própria corrente de excitação, mas também, das correntes nos elementos vizinhos. Uma das consequências esperadas do acoplamento mútuo é a degradação de vários parâmetros de desempenho das antenas, entre os quais o coeficiente de reflexão (S11). Portanto, outro critério possível para análise da distância de desacoplamento é observar o efeito no coeficiente de reflexão. Tomando por base o casamento de impedância com uma porta de 50 Ohms , pode-se considerar como aceitável uma variação de 1 dB do parâmetro S11 em relação ao da situação de referência, uma antena dipolo de 1/2 onda no espaço livre. O melhor casamento de impedância não ocorre na frequência natural de ressonância, mas sim, um pouco antes dela.

Na impedância mútua ou parâmetros Y cruzados são similares, enquanto o critério embasado no coeficiente de reflexão apresenta resultados diferentes, sendo menos rígido que os demais. Em todos os critérios pode-se observar que antenas dispostas de forma paralela entre si são mais acopladas que quando dispostas colinearmente.  Na configuração colinear as antenas se desacoplam a uma distância menor em relação à configuração paralela.

Quando as antenas estão muito próximas entre si, com separação d até 0,75 de comprimento de onda, há perda de simetria em relação ao ganho, de forma que o lóbulo principal se altera, e a diferença do ganho entre lóbulos principal e secundário alcança máximo de 6 medida que a distância entre as antenas aumenta, a diferença do ganho entre os lóbulos principal e secundário diminui. A partir de 3 comprimentos de onda de distância entre as antenas, o diagrama de ganho volta a apresentar simetria em relação e há uma tendência a assumir forma similar à da referência. Além dessa distância, os diagramas obtidos são praticamente iguais, com variações de até 0,3 dB, podendo considerá-los praticamente sobrepostos. À medida que a separação entre as antenas aumenta, há o surgimento de mais lóbulos secundários, processo conhecido como scalloping, e a oscilação de valores do diagrama de ganho para um determinado afastamento entre as antenas se reduz significativamente. Após certa distância, o diagrama de ganho pode ser considerado aproximadamente circular, com variação do ganho para todos os ângulos menor que 1 dB. O ganho máximo em  = 90º (direção de máxima radiação) é maior que o da situação de referência. Porém, à medida que a distância entre as antenas aumenta,  há uma diminuição do ganho máximo. Quando as antenas estão distantes o suficiente para serem consideradas desacopladas, o ganho máximo em  = 90º  tende a alcançar valor próximo ao da referência. Para uma antena em que há uma antena parasita disposta colinearmente próximo a ela, não há diferenças entre os diagramas de radiação de ganho obtidos para afastamentos  diferentes .

Para antenas dispostas colinearmente entre si é esperado que o comportamento de radiação não tenha grandes alterações em relação ao da referência, pois, nesta configuração, o comportamento da impedância é. que as antenas apresentem um acoplamento menor do que quando estão dispostas de forma paralela entre si. Para separações maiores que um comprimento de onda,  os diagramas de ganho são idênticos e estão praticamente sobrepostos.

Para monopolos centralizados, os efeitos do tamanho e da forma do plano-terra nos parâmetros de desempenho da antena quanto ao comportamento de radiação, há alterações principalmente na direção de ganho máximo, tanto para planos quadrados quanto para circulares. Quanto maior o plano-terra, mais os resultados se aproximam daqueles do caso de referência. A forma do plano-terra pouco influencia o comportamento geral. A impedância de entrada, por sua vez, é relativamente robusta, com alterações pouco significativas para frequências até a de ressonância. Quanto maior o comprimento da antena, melhores são os parâmetros da antena, menores são as variações nos demais parâmetros. Antenas menores levam vantagem quanto ao acoplamento, pois as distâncias relativas  são maiores que as observadas para as antenas maiores.