ANTENAS NÃO RESSONANTES - NOTAS DE AULA

INSTITUTO DE FÍSICA ASTRONOMIA E CIÊNCIAS ESPACIAIS - IFAE

INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇO - IAE

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ANTENAS NÃO RESSONANTES - PÁGINA PRINCIPAL

ANTENAS EM REDES DE COMUNICAÇÕES

ANTENA G5RV

INTRODUÇÃO

#py5aal Quase não é encontrada uma literatura mais técnica sobre as antenas não ressonantes. Muito do que se vê pela Internet é resultado de puro empirismo, e muitas vezes conceitos totalmente equivocados. O estudo das antenas é muito complexo, deve ser tratado com seriedade. Os experimentos, por exemplo, ultimamente têm se resumido à puras simulações de computador, e sempre levando em conta fatores muito duvidosos. É impossível contextualizar o estudo de antenas sem levar em conta o terreno, elementos interferentes e interações das mais diversas. O simplismo muitas vezes tende a demonstrar uma realidade parcial, e muitos erros de projetos podem ser cometidos em função disto. Os fenômenos eletromagnéticos, e seu formalismo não são simples de se entender, carecem de estudo e dedicação. É sabido que o campo magnético de uma antena induz corrente elétrica em qualquer superfície condutora, no entanto, se essa superfície tem um comprimento característico da corrente induzida, esta será muito mais intensa.

#py5aal Uma antena ressonante é muito mais eficiente na conversão (de recepção ou transmissão) do campo em determinado comprimento de onda do que outras, isto não é mito, facilmente se demonstra.

#py5aal A antena não ressonante tem a vantagem de operar em diversas frequências, e também não é mito tal observação.

#py5aal Argumento incontestável acerca das estações profissionais (Broadcast), BBC de Londres, Rádio do Vaticano, etc, sobre antenas não ressonantes, é que, se fossem tão eficientes tais sistemas irradiantes, aquelas emissoras não teriam um parque de antenas ressonantes caríssimas. Seria mais fácil, por exemplo, utilizar um sistema irradiante policromático, ou seja, repetido para cada frequência de utilização.

#py5aal Assim, a escolha de qual tipo de antena de se deve usar, cabe a cada projeto específico e ao uso propriamente dito. Muitos, por exemplo, preferem por questões óbvias as antenas não ressonantes (espaço, praticidade, etc), enquanto outros as ressonantes.

#py5aal As antenas não ressonantes são projetadas para uma impedância de entrada constante, conforme está postulado mais adiante. A irradiação daqueles sistemas funciona numa ampla gama de freqüências. A dimensão máxima de uma antena não ressonante é próxima do limite da menor freqüência de irradiação. O modelo de utilização da antena não ressonante é muito parecido com o modelo da antena ressonante. Porém, a antena não ressonante pode inclusive ser mono direcional, neste caso, somente existem ondas diretas propagantes, isto é, o sinal se propaga direcionalmente e no mesmo sentido das ondas.

Figura 1 – Esquerda: Na antena não ressonante não existem ondas estacionárias, desde que seja inserida uma terminação correta ( R ) que assegura a não reflexão de potência. Direta: Cerca de 66% da potência é irradiada.(Fonte: Angelo Leithold py5aal)

#py5aal Um exemplo de antena não ressonante é a T2FD ("Tilted Terminated Folded Dipole), usada por forças armadas de todo o planeta, neste caso, não é direcional e, devida sua construção tem banda larga para HF. Trata de um dipolo dobrado com terminador resistivo de 600 Ohms no centro. O resistor não pode ser indutivo e é utilizado para antena não ressonar em uma frequência específica. A dissipação do terminador não pode ser inferior a ~33% da potência de transmissão. Assim, deve ser utilizado um balun para adaptar os 600 ohms de impedância característica da antena para 50 ohms, por exemplo. Os fios que compõe o dipolo dobrado podem ser de cobre ou aço inoxidável, neste caso não há um comprometimento em seu rendimento. A distância entre os fios deve ser ~ um centésimo do maior comprimento de onda utilizável. O comprimento dos condutores cerca de um terço do comprimento de onda máximo. É aconselhável que a menor distância do extremo mais baixo não seja inferior a 1,83 m (Para ~ 3.5 a 20 MHz) e a inclinação não seja inferior a 20° nem superior a 40°.

Figura 2 – Diagrama da antena T2FD (Fonte: Angelo Leithold py5aal)

#py5aal Um dipolo pode ser modificado de maneiras diferentes, de forma a estender sua ''largura de banda''. Mais precisamente, é possível estender sua atuação para a operação multibanda, deixando-o não ressoante, ou fazendo-o ressonar em diversas frequências. Embora pareça um conceito paradoxal, este explica porque certas antenas funcionam ''inexplicavelmente'' em frequências diversas dos harmônicos para os quais foram calculadas. Por exemplo, ao montar uma antena dipolo em determinado local, ela ressona na ''fundamental'' e em outras frequências. Neste caso pode-se considerar um fator interativo ''ambiental'', ou seja, cercas, varais, calhas, elementos metálicos, etc, ''interferem'' no funcionamento da antena pela interação ocorrida na região do campo próximo, e até certo ponto distante, cerca de 1/4 de onda de distância do sistema irradiante. A inserção proposital de elementos parasitas (Não confundir com antenas Yagi, ou antenas multi-elementos, embora os princípios sejam semelhantes.), podem ser definidos grosseiramente como ''armadilhas'', pois atuam através da interação entre a antena propriamente dita e os tais elementos, que no todo antena-parasita, pode ser considerado como um sistema irradiante. Um experimento a ser observado é verificar a indução de campos através de um medidor de campos, por exemplo. As armadilhas permitem a operação com a menor frequência fundamental para a qual o comprimento elétrico do dipolo é L/2 (L é o comprimento de onda Lâmbda), mas que seletivamente desconectam algumas porções do dipolo, inserindo assim uma componente de impedância que pode ser vista como uma alta impedância em série em freqüências mais altas do que a fundamental. Por isso, quando aproximamos ou afastamos um condutor metálico, por exemplo, podemos verificar que ocorrem alterações na transmissão ou recepção de um dado sinal. O formalismo disponiblizado adiante, prova o afirmado e deixa inequívocas as conclusões, inclusive comprovadas na prática.

Fig. 3 - Medida ponto de alimentação p/ R, X, ROE x freq. - Antena L/2 40 m, dist. solo10 m. Linhas sólidas dipolo 18 m radiador sem trap (dados da Tabela 20-1). Linhas tracejadas: Mesma antena com trap. Estendida p/ 80 m (L=30m) extensões adicionadas em cada extremidade para fazer a antena utilizáveis ​​em 80 m. (Fonte: Angelo Leithold, LACEC - Laboratório de Construção de Equipamentos Científicos - Campus de Pesquisas Geofísicas Major Edsel de Freitas Coutinho - IAE - Instituto de Aeronáutica e Espaço - FIES - Faculdades Integradas Espírita. 2007)

#py5aal A componente elétrica efetiva pode alterar o comprimento do dipolo encurtado para L / 2 sobre a banda de frequência mais alta. Mas, como tudo na natureza é harmônico, Quando existe um ''ganho'' em determinado sentido, gera um ''custo'' indesejável em outro. Ao utilizar o método da armadilha (Elemento interferente inserido propositadamente próximo à antena), é possível ao dipolo, por exemplo, uma operação multi-banda, claro que existem certos limites, e cabe ao experimentador descobri quais são. Um efeito, que é muito observado, é a ocorrência de uma alteração da largura de banda operacional em todas as frequências em que a armadilha do dipolo opera, esta é muito mais estreita do que o da separação em antenas dipolos simples com corte de L / 2 para cada banda, semelhante à operação de antenas muito próximas umas das outras.

#py5aal A freqüência de operação pode se afastar da ressonância de L / 2. A resistência elétrica e a reatância da antena alteram significativamente a ROE. A banda de operação tem uma alteração significativa e a ROE pode alterar rapidamente, o efeito armadilha pode necessitar da adição de ''trap's'' (Cuja tradução também é ''armadilha'') para melhorar o casamento. Os termos trap e armadilha neste caso, não podem ser confundidos, pois a armadilha cria uma espécie de realimentação, ou loop, enquanto o trap propriamente dito, é uma forma de melhorar o casamento, por isso, muitos amadores percebem um ''retorno'' de RF em suas estações. O tal retorno é causado pelo efeito armadilha, que devida a proximidade do sistema irradiante gera efeitos indesejáveis. Na figura 3 estão demonstrados os efeitos das alterações de ROE e impedância em dipolos ressonantes e não ressonantes.

1. Formalismo

#py5aal Diferente das antenas ressonantes, a solução das não ressonantes é bastante complicada e trabalhosa, pois envolve fatores diversos como superfícies planas próximas, e outros interferentes. Para desenvolver um formalismo matemático mais próximo dos resultados práticos, houve a necessidade de estabelecer certas condições. As expressões completas para uma antena não ressonante são bastante complexas, assim, o formalismo foi generalizado como fendas numa parede lateral de uma guia de ondas retangular (Pois este é mais observável em frequências muito altas). Isto se deve ao fato das interferentes ser muito extensas, e, tal generalização, das altas frequências, acaba por facilitar a análise. Embora os fenômenos descritos sejam muito próximos, a análise em frequências mais baixas se torna praticamente impossível. No desenvolvimento do formalismo, a preocupação maior foi com o tratamento matemático da impedância de uma antena não ressonante entalhada em uma parede lateral de um guia de ondas, que, de certa forma pode ser transferido para antenas não ressonantes ordinárias.

Fig 4: Antena Slotted numa parede lateral de um amplo guia de ondas retangular.

#py5aal Como mostrado na figura. 4, vamos tomar uma coordenada e assumir que tal slot tem uma área hxd, e está numa parede lateral infinita perfeita, há uma guia de ondas retangular de espessura desprezível a x b. Quando a onda é propagada na região, Z < 0, de um guia de onda, uma parte da energia eletromagnética irradiada será no espaço outra se propagará na superfície, Z > 0, e refletida na região Z < 0 da guia. Assim, a propagação das ondas eletromagnéticas se dará de forma bastante complexa e interativa no meio. Portanto, o campo eletromagnético no guia de ondas será perturbado devido à carga elétrica superficial e a corrente do circuito slot S1 e seu equivalente na ranhura no plano de referência S e S1, conforme pode ser assumida como mostrado na figura 5.

As antenas, quando instaladas próximas umas das outras ou mesmo de estruturas metálicas quaisquer, sempre sofrerão interações e alterações de suas impedâncias. A este efeito chama-se acoplamento mútuo, e a corrente de uma das antenas dependerá do campo irradiado pela outra. Assim, o diagrama de irradiação será a resultante das duas correntes. Por isso a impedância de entrada de uma antena sempre depende dos efeitos mútuos ambientais, principalmente se ocorre sintonia, ou dessintonia, isto é, comprimentos de ondas de estruturas próximas às antenas com comprimentos de ondas próximos e à distâncias entre comprimentos de ondas próximas também resultam sempre em interações mútuas. Desta forma, conforme o formalismo provado acima, uma antena não ressonante também pode ser enxergada, dependendo do caso, como um sistema irradiante não ressonante. Por isso, muitas vezes, quando algumas antenas são instaladas próximas umas das outras ou mesmo de estruturas metálicas, sofrem as tais interações, portanto alterações de suas impedâncias características globais e de suas frequências de ressonância. Também ocorrem alterações de seu fator de qualidade, ou seja, a sua gama de funcionamento, em função do acoplamento mútuo se altera. Isso ocorre porque a corrente de uma antena depende do campo irradiado por outra, ou outras. Desta forma, o diagrama de irradiação poderá ser resultante das correntes concomitantes. Logo, redundando, a impedância de entrada de uma antena sempre dependerá dos efeitos mútuos ambientais e as estruturas metálicas próximas às antenas com comprimentos de ondas semelhantes e à distâncias entre comprimentos de ondas próximas, terão como resultado uma antena ressonante, ou não ressonante.

> INTRODUÇÃO > Antenas não ressonantes > Antenas Ressonantes > Dipolos dobrados > MEDIÇÃO DE ANTENAS > DIPOLO > Propagação

O presente estudo foi utilizado no Campus de Pesquisas Geofísicas Major Edsel de Freitas Coutinho - Instituto de Aeronáutica e Espaço para as pesquisas referentes à Anomalia Magnética do Atlântico Sul.

Ângelo Antônio Leithold (c)1978 - 2016

0.antena@

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.

Mais informações estão nos seguintes endereços:

http://web.archive.org/web/20071112182438/http://br.geocities.com/angeloleithold/teoriaantena.html

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

http://www.angeloleithold.hpg.ig.com.br/ciencia_e_educacao/6/index_pri_1.html

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

A obra ANTENA NÃO RESSONANTE, UM ESTUDO de Angelo Antonio Leithold; Leithold, A. A.; Angeloleithold; py5aal foi licenciada com uma Licença Creative Commons - Atribuição - Uso Não Comercial - Obras Derivadas Proibidas 3.0 Não Adaptada. Com base na obra disponível em sites.google.com. Podem estar disponíveis permissões adicionais ao âmbito desta licença em https://sites.google.com/site/nonresonantantennapy5aal/.