04 ANTENAS RESSONANTES

(c)py5aal Uma antena ressonante pode ser definida como um elemento de um circuito que possui constantes distribuídas como indutância, capacitância, e resistência, o que pode ser feito de modo a formar um circuito ressonante.

(c)py5aal As equações de Maxwell determinam os modos de propagação da energia eletromagnética e representam o conjunto de ondas eletromagnéticas que são guiadas de maneira estável nas antenas. Estas admitem apenas um número discreto de modos propagando-se ao longo de seu comprimento:

Transversal Eletromagnético - TEM: campo elétrico e magnético sem componentes na direção de propagação da onda;

Transversal Elétrico - TE: campo elétrico sem componente na direção de propagação da onda;

Transversal Magnético - TM: campo magnético sem componente na direção de propagação da onda.

(c)py5aal Uma antena deve ter obrigatoriamente um tamanho físico, pois depende das tensões e correntes associadas em impedâncias complexas num sistema chamado como "sistema irradiante", sendo que pela lei da reciprocidade o mesmo pode ser usado para transmissão de ondas eletromagnéticas e recepção das mesmas.

(c)py5aal O melhor rendimento de uma antena é ligado ao seu comprimento e frequência, as distribuições de energia sobre uma linha bifilar se comportam como irradiador. O campo elétrico atinge um nulo a cada meia onda, e um pico na metade do intervalo de cada meia onda, seja em um quarto de onda. O comprimento L de uma LT é o extremo do dipolo da linha bifilar, assim, L/2 marca o ponto onde se abre um dipolo, o diâmetro do condutor da antena é proporcional a sua largura de banda, quanto maior, menor o Q, quanto menor, consequentemente maior o Q de uma antena. O menor tamanho físico de uma antena ressonante é meia onda, sendo o maior sem um limite, desde que em tamanhos ou comprimentos harmônicos ao fundamental. Por exemplo, para quatro meios comprimentos de onda na frequência do transmissor, ela está na quarta harmônica da sua menor frequência de ressonância, ou é um meio comprimento de onda de um quarto da frequência de funcionamento. Sendo a antena considerada como radiadora de energia, a energia despendida sob a forma de radiação pode ser pensada como uma perda I2Rt, em que Rt é chamada de resistência de radiação.

(c)py5aal Entre muitos fatores que interessam no projeto de antenas, alguns podem ser considerados sua ressonância, largura de banda, comprimento efetivo, dentre outros, estas características são muito importantes no equacionamento do seu rendimento. De maneira sucinta, se pode considerar uma antena como um circuito sintonizado, composto de uma indutância e de uma capacitância, e, como conseqüência, tem uma freqüência ressonante quando as reatâncias capacitiva e indutiva são nulas. Neste ponto, a antena aparenta ser puramente resistiva, ou seja, a impedância, uma combinação de fatores de resistividade e resistência de radiação propriamente dita é enxergada pelo circuito de saída do transmissor como uma resistência pura.

(c)py5aal A impedância de entrada nos terminais de antena é importante em termos de eficiência tanto na transmissão quanto recepção da energia. Se o transmissor está numa antena não ressonante, uma perda de potência é causada pelos componentes reativos que compõe a impedância global da antena. Por outro lado, se a frequência do transmissor for alterada, o comprimento elétrico da antena também muda. Se a frequência é um pouco mais elevada, o comprimento elétrico é maior, e uma reatância indutiva é adicionada à impedância . Se a frequência é reduzida, o comprimento é encurtado, e uma reatância capacitiva é adicionada à impedância .

(c)py5aal A capacitância e indutância de uma antena são determinadas pelas suas propriedades físicas do meio ambiente circundante e as suas dimensões. Por exemplo, quanto menores os seus elementos, maior é a freqüência ressonante. As antenas de UHF têm elementos relativamente pequenos, à medida que se aumenta o seu comprimento, a freqüência de ressonância diminui. A maioria das antenas são explotadas em todo seu ponto de ressonância. Isto significa que só existe uma largura reduzida de banda em que se pode operá-las de maneira eficiente. Fora da ressonância, os níveis de reatâncias dão lugar a parâmetros que podem ser demasiado fora para o seu funcionamento satisfatório. A largura de banda é especialmente importante quando se trata de transmissores muito sensíveis, pois a antena, se é operada fora de sua gama de funcionamento e o transmissor de potência não estando adequadamente protegido, certamente este se danificará. Para efeitos de recepção, o rendimento de uma antena é menos crítico, se pode, por exemplo, operar fora de sua banda normal e dependendo da linha de transmissão, seu comprimento ajudará inclusive a receber várias estações distantes e por se tratar de um circuito sintonizado, para a melhor recepção é necessário garantir que o rendimento da antena seja ótimo

Conforme já afirmado, uma das principias características de uma antena é a sua impedância, quando se varia a freqüência do transmissor, pelo fato da antena ser um circuito sintonizado, sua impedância varia, e, é provocada assim uma variação da potência refletida. Se a antena é utilizada em transmissão, pode ser que a partir de um determinado nível de potência refletida ocorra algum tipo de dano ao transmissor. Assim, a largura de banda é um fator que limita o funcionamento de uma emissora. Atualmente, a maioria dos transmissores tem alguma forma de proteção “SWR”, ou algum tipo de circuito que evita os danos causados ao sistema. Isso ocorre devida redução de potência de saída a um nível aceitável, se comparado aos aumentos dos níveis de potência refletida. Por sua vez, se a eficiência da estação está fora de uma determinada largura de banda, esta para ser melhorada necessita de uma série de correções. Uma delas é a utilização de elementos de maior diâmetro na antena, outra seria, no caso de um dipolo, uma técnica de “dobradura”, ou seja, dobrar o seu comprimento físico em forma de loop de uma espira.

Quando se trata de comprimento de uma antena, se deve levar em conta alguns detalhes. Dependendo da freqüência de operação, esta sendo extremamente baixa, o sistema irradiante pode se tornar tão grande que sua construção seria proibitiva. No caso de freqüências muito altas, as dimensões extremamente reduzidas dos irradiadores também causariam inconvenientes devido diâmetro ou geometria dos tais.

Quando se trata de baixas frequências, cujos comprimentos das antenas excedem aos 100 m, no caso de antenas verticais, sua altura, ou seu comprimento é que determinarão o grau de dificuldade de sua construção. Assim, conceituou-se a efetividade do comprimento de uma antena, isto é, até que ponto o sistema irradiante deve ter incrementada a sua dimensão. Assim, o comprimento efetivo de um sistema irradiante ou receptor , chamado de “hef”, pode ser definido como a relação entre a “fem” induzida nos seus terminais e o campo que lhe gera, podemos expressa-la como a equação 4.1:

(4.1)

No caso de um dipolo, por exemplo, sua resposta em freqüência seria igual a um circuito ressonante, cujas indutância e capacitância estariam concentradas. Assim a largura de faixa do circuito ressonante depende do tipo de configuração mecânica ou construção da antena. De algumas características físico-mecânicas, poderia ser exemplificada uma antena construída de fio de cobre fino. O comportamento do circuito, (como será visto adiante), seria de um circuito sintonizado cujo "Q" é bastante elevado. Isso resulta numa antena altamente seletiva, que redundaria numa resposta de funcionamento numa faixa muito "fina ou estreita" de frequências.

(c)py5aal Há dois problemas para resolver quando se sintoniza uma antena (qualquer antena, e não apenas o dipolo ): ressonância e casamento de impedância. Embora frequentemente tratada na literatura como o mesmo problema, eles não são. Procurarei assim demonstrar como é o processo de sintonizar uma antena à ressonância desejada, não confundir com a calculada e cuidado com os termos "ideal", "desejável" e "praticável".

(c)py5aal Embora nem todas as formas de antena sejam ressonantes, o dipolo é um exemplo de uma antena que funciona dentro de uma faixa de frequência preditiva. Há muita desinformação no relativa ao ajuste de antenas, talvez muito do que se acredita provém do fato que VSWR é utilizado como o indicador entre impedância e de ressonância, além de erros crassos acerca da calibração do medidor. Muitos "acreditam" (Ciência e crença não se combinam) que o ROE pode ser "sintonizado", ajustando o comprimento da linha de alimentação para "acertar a antena" e esquecem de observar que a LT mesma faz parte do sistema irradiante e que sua impedância é invariante, e, ainda no caso do cabo coaxial seu comprimento não tem nada a ver com a antena, salvo se usado como transformador de impedâncias. Sobre Linhas de Transmissão ver o material disponibilizado. Logo ao alterar o comprimento do cabo coaxial pode alterar sua indutância e sua capacitância se utilizado como transformador de uma impedância Z qualquer e diferente de Zo, para Zo=Ro+j0, usando um cabo com impedância característica Zo. Também há que atentar para o fato de que se uma linha está desbalanceada ela irradia, ou seja, pode fazer parte da antena, como elemento irradiante da mesma, ou seja, o sistema está trabalhando de forma errada.

(c)py5aal Assim existe uma controvérsia acerca do comprimento da LT alimentada pelo fato de que os instrumentos de tensão ou de detecção de corrente que são usados ​​para a medição VSWR são afetados pelo comprimento da linha de transmissão. Mas este fato é causado por uma falha dos instrumentos, e não pela física do Eletromagnetismo. Existe apenas uma maneira correta para sintonizar uma antena dipolo: ajustando o seu comprimento, e não se deve "mexer" da linha de transmissão para sintonizar a antena. Muitos para resolver o problema dos instrumentos e suas medições "deixam a linha de transmissão dentro do comprimento da frequência de uso", isso é importante para deixar o sinal em fase, mas não para a impedância propriamente dita, conforme explicarei em outras seções.

(c)py5aal O indicador de que um sistema está em ressonância é o ponto mínimo no VSWR mostrado pela curva da Figura 4.1. Esta mostra um gráfico de VSWR X Frequência para vários casos diferente. A curva A representa alta VSWR por toda a banda, significa que não há ressonância. O valor real de VSWR pode ser qualquer, a partir de 3,5 : 1 a 10: 1, a causa é no entanto a mesmo, a antena está aberta ou em curto-circuito ou está longe da ressonância.

Figura 4.1- Curvas representativas do VSWR de um dipolo de meia onda (Fonte: Angeloleithold)

(c)py5aal Na Figura 4.1 a curva B representa uma antena ressonante dipolo de tubo metálico de grande diâmetro (Banda larga ou Broadband) que é relativamente plana em toda a banda e não exibem VSWR excessivas até que a frequência esteja fora da banda. A curva C também é de um dipolo que ressona dentro da banda, mas tem um Q muito superior à curva B. A antena da curva B (Broadbanded) é melhor que a antena da curva C, mas esta afirmação somente pode ser verdadeira se a sua amplitude não for adquirida à custa da eficiência. As perdas tendem a alargar uma antena e reduzir a sua eficiência, é um grande erro afirmar que uma antena que ressone em toda a banda seja eficiente. Se a largura de banda é comparada com o risco de aumento da perda, então a antena não é considerada eficiente, logo é menos do que desejável algo assim.

(c)py5aal As curvas D e E são de uma antena ressonante fora da banda de interesse, a curva marcada com D é ressonante a uma frequência abaixo da banda, de modo que o dipolo é muito longo. Neste caso, é necessário encurtá-la para elevar o ponto de ressonância dentro da banda. A curva E representa uma antena que é ressonante para além do limite superior da banda, de modo que esta antena é demasiado curta, deve ser alongada. A alteração de comprimento de uma antena depende de dois fatores: o quão longe a frequência desejada está do ponto de ressonância, e qual banda está sendo usada. Esta última exigência vem do fato de que a "frequência por unidade de comprimento" varia de uma banda para outra.

(c)py5aal Em antenas loop o E variará de acordo com a orientação, assim o hef corresponderá à intensidade de campo máxima tanto na transmissão quanto na recepção dos sinais. No caso de um dipolo, por exemplo, sua resposta em freqüência seria igual a um circuito ressonante, cujas indutância e capacitância estariam concentradas. Assim a largura de faixa do circuito ressonante depende do tipo de configuração mecânica ou construção da antena.

PROCEDIMENTOS PARA AJUSTE DE ANTENAS

1. Calcular o comprimento necessário para a extremidade superior da banda.

2. Calcular o comprimento necessário para a extremidade inferior da banda. 3. Calcular a diferença de comprimentos para as extremidades superior e inferior da banda. 4. Calcular a largura da banda em kilo Hertz, tomando a diferença entre o limite de frequência superior e o limite de frequência mais baixa. 5. Dividir a diferença de comprimento pela diferença de frequência; o resultado está em kHz por unidade de comprimento.

(c)py5aal A diferença entre a ressonância e a correspondência de impedância é vista no valor do mínimo VSWR. Enquanto o mínimo indica o ponto de ressonância, o seu valor é uma medida da relação entre a impedância de ponto de alimentação da antena e da impedância característica da linha de transmissão, conforme as equações 4.1 e 4.2.

Onde

Zo é a impedância característica do cabo coaxial Rr é a resistência de irradiação da antena

(c)py5aal Embora o conhecimento da VSWR não vai mostrar qual situação é verdadeira, é possível saber que há uma alta probabilidade de que um deles é verdadeiro, assim é possível experimentar na prática e ajustar a antena. É claro que, se o VSWR é inferior a cerca de 1,5 : 1 ou 2: 1, muitos técnicos em telecomunicações não perdem tempo com ajustes muito finos. Quando uma antena é acoplada a um transmissor equipado com uma rede de saída sintonizável (transmissores valvulados ou PA ), é possível acomodar uma gama relativamente ampla de impedâncias de antenas. Os modernos amplificadores finais de estado sólido tendem a ser um pouco mais exigentes sobre impedância de carga, geralmente são utilizados antena tuning (ATU).

(c)py5aal As antenas dipolo quando dimensionadas nas frequências de corte são ressonantes, de modo que naturalmente tendem a funcionar numa frequência sobre outras. A ROE será bastante baixa no ponto de ressonância (assumindo que não há problemas de incompatibilidade feedline), e vai subir em frequências acima e abaixo da ressonância. Se a antena é um modelo de alto Q, o efeito é bastante profundo e pode tornar a antena quase inútil a frequências na extremidade da mesma banda. Os transmissores equipados com circuitos VSWR de desligamento não funcionarão com este tipo de antenas, ou seu rendimento será reduzido. A Figura 4.2 mostra um método para resolver a variação de sintonia de antenas de alto Q, em que uma antena que é demasiadamente fina para a frequência de ressonância desejada age indutivamente, ou seja, irá mostrar uma impedância de ponto de alimentação da forma Z = R + JXL.