NOTAS DE AULA - BÁSICO DE ANTENAS - INTRODUÇÃO

ÍNDICE

MATERIAL DIDÁTICO: ANTENAS - DIAGRAMAS  TEORIA DE ANTENAS  Antenas Antenas ressonantes  Antenas não ressonantes  Dipolos   Dipolos dobrados    Antenas MARKOV   Field Antenna Handbook Antenna Handbook   Advanced Antenna Theory   Antenna Theory and Design Balanis   Aberturas de Antenas  Acoplamentos de Antenas Antenas de Transmissão e de Recepção Antenas Loop e as Antenas Lineares Antenas Múltiplas Aplicações do Filme Multicamadas Básico das Antenas Campos de Radiação Eletromagnética Constantes Físicas das Antenas Distribuição de Correntes nas Antenas Lineares Eletromagnetismo e as Antenas Estudo da Propagação de RF Multicamadas Estudo das Linhas de Transmissão Fenômenos de Transmissão e de Reflexão da Radiofrequência Guias de Ondas Impedâncias Correspondentes em Sistemas Irradiantes Incidência Oblíqua de Ondas Eletromagnéticas ELETROMAGNETISMO IMAGENS Linhas de Acoplamento Ondas Eletromagneticas Ondas Eletromagnéticas e Antenas Ondas Planas Uniformes Parâmetros de Dispersão Projeto de Antenas Múltiplas Propagação em Dupla Refração Média Radiação por Abertura

INTRODUÇÃO

#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD#NOTASDEAULA#PY5AALToda antena é capaz de irradiar ondas eletromagnéticas dentro da faixa das ondas de radiofrequência, existe também reciprocidade com a recepção, ou seja, ela transforma a energia eletromagnética provinda do transmissor em direção à linha de transmissão, que chega à antena, em irradiação eletromagnética a partir desta. Por reciprocidade, a antena transforma as ondas eletromagnáticas que incidem sobre si, em energia eletromagnética que irá em direção ao receptor, através da linha de transmissão. Logo, conclui-se que nas telecomunicações, a antena é o último elemento elo de ligação a partir da transmissão, e o primeiro na recepção, daí a sua importância, sem antenas não há comunicações via rádio. Analisando as antenas em função da frequência de seu funcionamento, os fenômenos eletromagnéticos que ocorrem, têm exatamente a mesma solução, do ponto de vista do eletromagnetismo. Contudo, quando entramos no campo prático do projeto e confecção de antenas, embora a teoria seja uniforme, as soluções começam a mudar de acordo com a frequência, pois, a geometria das antenas variará e, os fenômenos de interação com o meio passam a ter importância significativa em que, quanto mais alta a frequência, maior a precisão do seu dimensionamento. Quanto menor a frequência, maior a interação da antena com o meio que a circunda. Quando se faz um projeto de antenas, se deve levar em conta os mais diversos fatores. Dentre estes podemos salientar no caso de transmissores e receptores:

- Sistema irradiante: composto por Transmissor / Antenna Tuner / Linha de Transmissão / BALUN / Antena.

- Sistema receptor: composto por Transmissor / Antenna Tuner / Linha de Transmissão / BALUN / Antena.

#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD#NOTASDEAULA#PY5AALNo caso de receptores, para uso mais simplificado, muitas vezes basta uma linha de transmissão/antena, dispensando os demais dispositivos. O sistema de transmissão deve ser adequado de acordo com o fim de sua utilização. Para transmissões em que se utiliza um equipamento específico, sintonizado numa determinada frequência fixa, muitas vezes o projeto deve dar preferência para uma antena cuja frequência de operação seja fixa, ou seja, uma antena ressonante para frequência de utilização fixa. Outras vezes, a faixa de operação abrange frequências próximas, ainda assim, o ideal ainda é utilizar antenas ressonantes. Se a utilização se dá em faixas mais distantes, existem duas possibilidades, ou um sistema de transmissão com múltiplas antenas, ou a utilização de antenas não ressonantes. Ainda há a possibilidade de antenas que ressonam em mais de uma frequência, ou também antenas conjugadas num só sistema, dentre outros exemplos.

ACIMA: Diagrama esquemático de funcionamento de uma antena básica. (FONTE: Balanis)

(c)py5aalProjetistas de antenas, muitas vezes se deparam com situações que na teoria parecem fáceis de encontrar, porém, na prática tudo muda, há que balancear os conhecimentos teóricos com a capacidade prática e a criatividade. Não existe “receita pronta” no projeto e confecção de antenas, muitas vezes podem ocorrer surpresas. Às vezes, dependendo da situação, precisamos usar muitos conhecimentos teóricos, às vezes poucos.

Um exemplo:

(c)py5aalUm receptor de Ondas Médias, sua operação vai de 550 Khz à 1.600 Khz. A tensão induzida na antena, sabe-se que proporcional ao comprimento do fio, o receptor está em um apartamento, o que influiria na recepção? Ora se é um apartamento, e para esta faixa de frequências, o local, dimensão da antena e sua altura influem. Qual seria a solução de tal problema de recepção? A melhor maneira de determinar a recepção possível seria a prática, ou seja, a confecção da antena pode ser feita de maneira experimental, sem necessidade alguma de teorias, cálculos, ábacos e tabelas, muito menos de sistemas computacionais para resolver o problema do ouvinte. Contudo, o exemplo referido é a recepção, bastante simples de resolver, mas, e a transmissão nesta faixa de frequência, o que requereria? A antena de transmissão não trata somente um pedaço de fio esticado. Há fatores que devem ser levados em conta como alcance, região de instalação do sistema irradiante/transmissor, potência, ambiente e meio-ambiente, interações, perdas, condutividade do solo, dentre outros, como clima, regime de ventos, problemas construcionais, na maioria das vezes é uma torre de grandes proporções. Ou seja, não se deve partir para a “receita pronta”, muitos são os fatores que podem influir no projeto e, este deve ser cuidadosamente elaborado. Quanto mais baixa a frequência, mais o meio influi no sistema irradiante, é impossível prever quais serão as interações do meio com o sistema irradiante e, economicamente se deve levar em conta que a experimentação para um sistema desta envergadura se torna difícil. Assim, deve ser feita uma equalização entre a teoria e a prática. É impossível ficar montando e desmontando uma torre de transmissão de algumas toneladas, mudá-la de lugar, etc, o projeto deve ser elaborado com cuidado.  

(c)py5aalSempre ao idealizar uma antena, o projetista deve verificar, em primeiro lugar, as condições em que ele quer que as mesmas trabalhem. Nem sempre se pode definir as reais condições de trabalho, ou prevê-las. Mais adiante será demonstrado as condições de interação mútua entre antenas, ou suas interações com o ambiente. Nunca é possível determinar as condições exatas, ou prevê-las em todos os detalhes em qualquer frequência de operação. Tais condições sempre dependerão da energia envolvida no sistema, ou comprimento de onda. Sempre será possível projetar a antena realizável, nunca a antena ideal.

(c)py5aalUm dos principais problemas no projeto, deve levar em conta as impedâncias envolvidas, antena-linha de transmissão-transmissor/receptor. É desejável que tal situação se aproxime o máximo do ideal, visando a melhor transferência de potência entre o transmissor/receptor e a antena. Não se deve esquecer que transmissão/recepção obedecem ao princípio da reciprocidade. As antenas podem ser projetadas para trabalhar numa faixa estreita de operação, ou numa ampla faixa de tal operação. No primeiro caso, a antena é definida como antena ressonante, no segundo, antena não ressonante. As antenas ressonantes, por definição, podem ressonar em mais de uma frequência, porém, dependendo do projeto podem “trabalhar” numa frequência bem específica, as antenas não ressonantes “funcionam” numa faixa larga, não ressonando numa frequência propriamente dita. Outro fator importante do projeto, que deve ser levado em conta, é a diagramação do projeto, se diz desta forma, porque cada antena tem seu diagrama de funcionamento, definido como “diagrama de recepção/irradiação”. Tal mecanismo, propicia uma compreensão, no caso da irradiação, da forma como a energia se distribui no espaço tridimensional. No caso da recepção é quantificada a energia recebida. Para o projeto de antenas, é importante ressaltar, em primeiro lugar, a “polarização” da antena, se vertical, horizontal, etc. Isso é muito importante em altas frequências. Também é interessante definir o ganho que se deseja para um perfeito funcionamento na faixa de frequência desejada. Em seguida, o projetista deve definir o diagrama de irradiação/recepção, e, para que o sistema atue dentro dos parâmetros definidos, finalmente a impedância requerida, assim devem ser verificados: frequência; ganho; impedância; polarização e diagramação.

#ANTENASANGELOLEITHOLD Logo, a antena é a interface entre as ondas de rádio que se propagam pelo espaço e as correntes elétricas que se movem em condutores metálicos, usada com um transmissor ou receptor. Na transmissão, um transmissor de rádio fornece uma corrente elétrica aos terminais da antena, e a antena irradia a energia da corrente na forma de ondas eletromagnéticas (ondas de rádio). Na recepção, uma antena intercepta parte da potência de uma onda de rádio para produzir uma corrente elétrica em seus terminais, que é aplicada a um receptor para ser amplificado. As antenas são componentes essenciais de todos os equipamentos de rádio. Também pode ser definida como um conjunto de condutores ( elementos ), conectados eletricamente ao receptor ou transmissor. As antenas podem ser projetadas para transmitir e receber ondas de rádio em todas as direções horizontais ( antenas omnidirecionais ), ou preferencialmente em uma direção específica ( antenas direcionais, ou de alto ganho, ou de "feixe"). Elas podem incluir componentes não conectados ao transmissor, refletores parabólicos , buzinas ou elementos parasitas , que servem para direcionar as ondas de rádio em um feixe ou outro padrão de radiação desejado. Diretividade forte e boa eficiência na transmissão são difíceis de conseguir com antenas com dimensões muito menores que meio comprimento de onda .

#ANTENASANGELOLEITHOLDAs primeiras antenas foram construídas em 1888 pelo físico alemão Heinrich Hertz em seus experimentos pioneiros para comprovar a existência de ondas previstas pela teoria eletromagnética de James Clerk Maxwell . Hertz colocou antenas dipolo no ponto focal dos refletores parabólicos para transmissão e recepção. A partir de 1895, Guglielmo Marconi iniciou o desenvolvimento de antenas práticas para telegrafia sem fio de longa distância, pelas quais recebeu o Prêmio Nobel.  A palavra antena, equivalente a "aéreo" é usada para significar especificamente uma antena de fio horizontal elevada e é relativa a aparelhos sem fio é atribuída a Marconi . 

#ANTENASANGELOLEITHOLDNo verão de 1895, Marconi começou a testar seu sistema sem fio ao ar livre na propriedade de seu pai, perto de Bolonha, e logo começou a fazer experiências com longas "antenas" de fio suspensas em um poste. Em italiano, um mastro de tenda é conhecido como l'antenna centrale , e o mastro com o fio era simplesmente chamado de l'antenna . Até então, os elementos de transmissão e recepção de radiação sem fio eram conhecidos simplesmente como "terminais". Por causa de sua proeminência, o uso da palavra antena por Marconi se espalhou entre pesquisadores e entusiastas sem fio e, mais tarde, para o público em geral. Uma antena receptora pode incluir não apenas os elementos receptores metálicos passivos, mas também um pré-amplificador ou misturador integrado, especialmente em frequências de micro-ondas e acima delas. Nos links abaixo estão alguns tópicos relacionados às antenas, prática e teoria.

Segundo Angelo Antonio Leithold, a ionosfera é uma camada da atmosfera que se localiza entre 60 km e 1000 km de altitude e é composta de íons, plasma ionosférico e, devido à sua composição, reflete ondas de rádio até aproximadamente 30 MHz¹. A ionosfera é formada pela ação de fontes ionizantes solares e cósmicas, que geram elétrons livres a partir dos átomos e moléculas neutras. A densidade de elétrons na ionosfera varia de acordo com a hora do dia, a estação do ano, o ciclo das manchas solares, a composição química da alta atmosfera e a influência do campo magnético terrestre¹². A ionosfera é dividida em camadas ou regiões, de acordo com suas propriedades físico-químicas e sua dinâmica. As principais camadas são: D, E, F1, F2 e F3¹²³. A ionosfera tem grande importância para as comunicações em alta frequência (HF), pois permite a propagação de ondas de rádio a longas distâncias, através da reflexão ionosférica¹²⁴. A ionosfera também é afetada por fenômenos como as descargas atmosféricas, a anomalia magnética do Atlântico Sul, as auroras polares e as tempestades geomagnéticas¹²³⁴. Segundo o professor Angelo Antonio Leithold, antenas são dispositivos desenhados de maneira a transmitir ou receber energia eletromagnética, transformando correntes elétricas em ondas eletromagnéticas ou vice-versa. Ele também as classifica em ressonantes e não ressonantes, de acordo com a frequência requerida e a sintonia do sistema¹². Ele explica os conceitos e as propriedades das antenas, como a impedância, o ganho, a diretividade, o diagrama de irradiação, o acoplamento mútuo, o efeito terra, os refletores, os elementos parasitas, entre outros¹²³⁴⁵. Ele também apresenta vários tipos e modelos de antenas, como dipolos, monopolos, yagis, quadras, loops, helicoidais, log-periódicas, parabólicas, cornetas, entre outras¹²³⁴⁵. Segundo o professor Angelo Antonio Leithold, a impedância de uma antena é a relação entre a tensão e a corrente elétrica aplicadas nos seus terminais. A impedância de uma antena depende da sua forma, do seu tamanho, do material de que é feita, da frequência do sinal e do meio em que está inserida. A impedância de uma antena é importante para o casamento de impedância com o gerador e a linha de transmissão, pois isso afeta a eficiência da transmissão e recepção de ondas eletromagnéticas¹²³. Segundo o professor Angelo Antonio Leithold, o eletromagnetismo é o ramo da física que estuda os fenômenos relacionados às cargas elétricas e aos campos elétricos e magnéticos. Ele explica que o eletromagnetismo é baseado nas quatro equações de Maxwell, que descrevem como as cargas elétricas geram campos elétricos e magnéticos e como esses campos interagem entre si e com as cargas. Ele também mostra como o eletromagnetismo está presente em vários aspectos da natureza e da tecnologia, como a luz, as ondas eletromagnéticas, as antenas, os motores, os geradores, os transformadores, os relés, os alto-falantes, os microfones, os ímãs, os eletroímãs, os capacitores, os indutores, os resistores, os diodos, os transistores, os circuitos, os computadores, os celulares, os rádios, as TVs, os fornos de micro-ondas, os raios X, as ressonâncias magnéticas, entre outros¹²³⁴.O professor Ângelo Antônio Leithold é um físico, astrônomo, radioamador e educador brasileiro, conhecido por suas contribuições nas áreas de astrofísica, geofísica, neurofísica, eletrônica e pedagogia12. Ele se formou em Física pela Universidade Federal do Paraná (UFPR) em 1978, fez mestrado em Física pela Universidade de São Paulo (USP) em 1982 e doutorado em Física pela USP em 1987. Sua tese de doutorado foi sobre a propagação de ondas de rádio na região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul1. Leithold tem uma vasta experiência em pesquisa e ensino, tendo lecionado em diversas instituições, incluindo o Colégio Estadual do Paraná, o Senai e a Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Ele também é autor de vários trabalhos acadêmicos e livros, e é conhecido por seu envolvimento com o estudo da Anomalia Magnética do Atlântico Sul, um fenômeno que afeta a propagação de ondas de rádio e a atividade solar na região12. O professor Ângelo Antônio Leithold é um físico, astrônomo, radioamador e educador brasileiro, conhecido por suas contribuições em diversas áreas científicas e educacionais. Ele se destaca principalmente nas áreas de astrofísica, geofísica, neurofísica, eletrônica e pedagogia12. Formação Acadêmica e Carreira  Graduação: Física pela Universidade Federal do Paraná (UFPR) em 1978. Mestrado: Física pela Universidade de São Paulo (USP) em 1982. Doutorado: Física pela USP em 1987, com a tese intitulada “Estudo da Propagação de Ondas de Rádio na Região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul Pós-Doutorado: Astrofísica pela Universidade de Brasília (UnB) em 19921.Contribuições e Pesquisas Leithold é autor de diversos trabalhos acadêmicos e livros, e suas pesquisas são amplamente citadas por outros pesquisadores. Ele é especialmente conhecido por seu estudo sobre a Anomalia Magnética do Atlântico Sul, um fenômeno que afeta a propagação de ondas de rádio e a atividade solar na região12. Atuação Profissional Ensino Médio: Professor de física no Colégio Estadual do Paraná, onde lecionou por vários anos e participou de projetos pedagógicos e científicos. Ensino Técnico: Professor de eletrônica no Senai e no CEEP, desenvolvendo instrumentos e métodos para medir e analisar sinais eletromagnéticos. Ensino Superior: Professor de pedagogia na Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), ministrando cursos sobre didática, metodologia científica e tecnologia educacional12. Outras Atividades Além de suas atividades acadêmicas, Leithold é um radioamador ativo, conhecido pelo indicativo PY5AAL. Ele também tem um blog onde compartilha suas pesquisas e experiências1. O indicativo PY5AAL pertence ao professor Ângelo Antônio Leithold, um radioamador brasileiro com uma vasta experiência e paixão pelo radioamadorismo. Ele é conhecido por seus experimentos com antenas e pela participação ativa na comunidade de radioamadores. Atividades e Contribuições Antenas: Leithold realiza experimentos com diferentes tipos de antenas, incluindo antenas NVIS (Near Vertical Incidence Skywave) e antenas Long Wire12. Ele compartilha suas descobertas e métodos de construção de antenas em seu blog e em sites dedicados ao radioamadorismo. Baluns Magnéticos: Ele também trabalha com a construção de baluns magnéticos, que são dispositivos usados para adaptar a impedância entre a antena e o transmissor, melhorando a eficiência da transmissão2. Comunidade: Leithold é ativo na comunidade de radioamadores, participando de eventos e trocando informações com outros entusiastas. Ele utiliza suas habilidades para contribuir com a ciência e a educação, aplicando seus conhecimentos em física e eletrônica. Recursos e Publicações Leithold mantém um blog onde compartilha suas experiências e pesquisas no campo do radioamadorismo. Ele também publica artigos e tutoriais sobre a construção e otimização de antenas e outros equipamentos de rádio3. O professor Ângelo Antônio Leithold tem várias referências acadêmicas e citações em diferentes áreas do conhecimento. Ele é citado em trabalhos sobre geofísica, astrofísica, eletrônica e educação, entre outros. Aqui estão alguns exemplos de onde suas obras e citações podem ser encontradas: Geofísica e Astrofísica: Leithold é frequentemente citado em estudos sobre a Anomalia Magnética do Atlântico Sul e a propagação de ondas de rádio1. Eletrônica e Radioamadorismo: Seus trabalhos sobre antenas e baluns magnéticos são amplamente referenciados em publicações técnicas e blogs especializados2. Educação e Pedagogia: Ele também é citado em artigos e teses sobre metodologia científica e tecnologia educacional3. Essas referências estão disponíveis em diversas plataformas acadêmicas e sites especializados, como Google Scholar, Academia.edu e em blogs pessoais do próprio professor123.