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INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇOCAMPUS DE PESQUISAS GEOFÍSICAS MAJOR EDSEL DE FREITAS COUTINHOPROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLDNOTA DE AULA 16402 ANTENA DIRECIONAL DE DOIS ELEMENTOSGANHO X DISTÂNCIA DOS ELEMENTOSANTENA DIRECIONAL DE DOIS ELEMENTOS © 1987 por PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD está licenciada sob Creative Commons Atribuição-NãoComercial-SemDerivações 4.0 Internacional
SUMÁRIO; ANTENA DIDÁTICA DE DOIS ELEMENTOS PARA 40 m
A presente publicação faz parte das notas de aula ''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.html. Em maio de 2011 o Hpg.IG foi descontinuado, a cópia salva foi migrada para o presente endereço em junho de 2011:http://web.archive.org/web/20071112182438/http://br.geocities.com/angeloleithold/teoriaantena.htmlhttp://web.archive.org/web/20060221225235/http://angeloleithold.vilabol.uol.com.br/py5aal.htmlhttp://web.archive.org/web/20071202135144/http://br.geocities.com/angeloleithold/py5aal.refletores.htmlhttp://www.angeloleithold.hpg.ig.com.br/ciencia_e_educacao/6/index_pri_1.htmlhttp://web.archive.org/web/20040914020247/http://www.angeloleithold.hpg.ig.com.br/ciencia_e_educacao/6/index_int_3.htmlINTRODUÇÃO
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD Uma antena direcional é uma antena que irradia ou recebe maior potência de ondas de rádio em direções específicas. Antenas direcionais podem irradiar ondas de rádio em feixes, quando se deseja uma maior concentração de radiação em uma determinada direção, ou, em antenas receptoras, receber ondas de rádio de apenas uma direção específica. Isso pode aumentar a potência transmitida aos receptores nessa direção ou reduzir a interferência de fontes indesejadas. Isso contrasta com antenas omnidirecionais, como as antenas dipolo, que irradiam ondas de rádio em um ângulo amplo ou recebem ondas de um ângulo amplo. A extensão em que a distribuição angular da potência irradiada de uma antena, seu padrão de radiação, é concentrada em uma direção é medida por um parâmetro chamado ganho da antena. Uma antena de alto ganho (HGA) é uma antena direcional com uma largura de feixe estreita e focada , permitindo um direcionamento mais preciso dos sinais de rádio. Mais comumente referidas durante missões espaciais, essas antenas também são usadas em toda a Terra, com mais sucesso em áreas planas e abertas, onde não há montanhas para interromper as ondas de rádio.
A ANTENA YAGI DOIS ELEMENTOS
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD A antena Yagi de dois elementos é uma das configurações mais simples e eficientes da família Yagi-Uda, composta por apenas dois elementos principais, o elemento ativo, o refletor, ou o diretor. Esse tipo de antena é muito utilizado em aplicações de rádio amador, recepção de televisão e sistemas de comunicação sem fio, devido ao seu bom ganho direcional, simplicidade construtiva e baixo custo. O elemento ativo, excitado ou irradiante, geralmente é um dipolo simples ou dobrado de meia onda, onde o sinal de rádio é aplicado ou recebido. É o único elemento conectado diretamente à linha de transmissão.
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD No caso de uso de um refletor, este é posicionado atrás do elemento ativo, tem comprimento aproximadamente 5% maior que o dipolo. Sua função é refletir a energia irradiada pelo elemento ativo, reforçando o sinal na direção oposta ao refletor e aumentando a diretividade da antena. Se usado um diretor, este é posicionado em frente do elemento ativo, tem comprimento aproximadamente 5% menor que o dipolo. Sua função é direcionar a energia irradiada pelo elemento ativo estreitando o lóbulo na direção pretendida, reforçando o sinal e aumentando a diretividade.
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD Alguns autores afirmam que a antena Yagi de dois elementos não possui diretores, o que é um erro, pois na Enegenharia de Antenas são estudados e experimentados os dois modos. A afirmação é que o ganho e a diretividade são menores do que em arranjos com três ou mais elementos, porém, a antena yagi com um diretor (Sem refletor) tem um ganho um pouco menor, porém semelhante à antena com refletor, e, um ganho bem maior do que um dipolo simples.
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD O funcionamento da Yagi-Uda com refletor baseia-se nos princípios de interferência construtiva e destrutiva, o elemento ativo irradia ondas eletromagnéticas, o refletor, ao ser atingido por essas ondas, induz correntes que irradiam ondas em fase oposta, cancelando parte da radiação para trás e reforçando o feixe para frente. O resultado é um feixe de radiação mais concentrado e ganho de sinal na direção desejada, tornando a antena direcional, o que será descrito a seguir.
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD No caso da antena Yagi de dois elementos, com um diretor, ela funciona através da interação de campos eletromagnéticos, mesmo sem o refletor, esta configuração apenas com o diretor ainda oferece direcionalidade. Neste caso, no elemento excitado, dipolo simples ou dobrado, o sinal de RF é aplicado na transmissão ou recepção, devida a reciprocidade. O drive tem um comprimento de onda próximo à metade do comprimento de onda da frequência de operação (meia onda). Quando excitado, ele irradia ondas eletromagnéticas. O elemento diretor: O diretor ou "parasita", não é diretamente conectado ao rádio. Ele é colocado à frente do elemento excitado, na direção desejada de irradiação/recepção, e é ligeiramente mais curto que o elemento excitado, entre 5 % e 10 %. As ondas eletromagnéticas irradiadas pelo elemento excitado induzem correntes elétricas no diretor.
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD Devido ao seu comprimento ligeiramente menor, o diretor se comporta de forma capacitiva. Isso faz com que a corrente induzida no diretor tenha uma fase que adianta a da onda incidente. Essa relação de fase entre as ondas irradiadas pelo elemento excitado e as ondas reirradiadas pelo diretor causa uma interferência construtiva na direção do diretor (para frente) e uma interferência destrutiva na direção oposta (para trás). Isso resulta em um padrão de radiação mais focado ou direcional nessa direção. Mesmo com apenas um diretor, a antena Yagi de dois elementos já apresenta uma direcionalidade significativa, concentrando a energia em uma direção específica. No entanto, o ganho e a relação frente-costas, a capacidade de suprimir sinais vindos da parte traseira da antena, serão menores do que em uma Yagi com refletor. Embora uma Yagi de dois elementos com diretor tenha ganho, este será menor do que em configurações com mais elementos. Normalmente são usadas em aplicações onde uma diretividade moderada é suficiente, e onde o espaço ou a complexidade de uma antena maior são limitantes.
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD O ganho típico das antenas Yagi com o diretor ou refletor, é aproximadamente 5,5 dBd (decibéis em relação a um dipolo). A impedância de entrada pode ser calibrada para 50 Ohms, facilitando o acoplamento com transmissores e receptores padrão. Tanto o refletor, quanto o diretor, deve ser posicionado a uma distância de 0,1 a 0,125 do comprimento de onda em relação ao dipolo ativo. Por exemplo, para uma antena de 40 metros, essa distância seria cerca de 4,6 metros, ver ábacos práticos.
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD Quanto à polarização, a antena Yagi pode ser montada em polarização horizontal ou vertical, dependendo da aplicação. Ela é muito utilizada pelas Forças Armadas e por operadores para comunicações a longa distância, radioamadores, devido ao seu ganho e direcionalidade, é comum também em TV de áreas rurais ou onde o sinal é fraco, pois concentra a recepção na direção da emissora, além do uso para direcionar sinais Wi-Fi ou em sistemas de comunicação ponto a ponto. Dentre as principais vantagens, bom ganho direcional em relação ao dipolo, baixo custo e facilidade de ajuste, as desvantagens são a menor diretividade e ganho comparado a Yagis com três ou mais elementos e a largura de feixe mais ampla, o que pode captar mais interferências laterais.
EXEMPLO PRÁTICO
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLD Conforme descrito anteriormente, a antena Yagi 2 elementos é uma antena versátil e fácil de construir. A antena full-size é relativamente grande, mas possui ótima relação ganho e impedância. Comparação entre distância entre distância do solo e distância entre elementos. Em 0,225 de comprimento de onda entre dipolo e refletor se tem 50 Ohms com um ganho aproximado de 4,5 dBd com altura menor que 1/4 de onda, o que muda na medida em que forem feitos ajustes. Os ábacos das figuras 2 e 3 fazem a relação ganho x impedância sobre o dipolo. Os gráficos abaixo são resultantes de 50 medições em 50 dias diferentes estações dos anos, em condições climáticas variáveis. Cada medição é resultante de duzentas amostragens (tomadas de medida espaçadas de 3 minutos). A aferição foi feita utilizando enlace VHF e on-line entre o Campus de Pesquisas Geofísicas Major Edsel de Freitas Coutinho e o Campus UNIBEM das Faculdades Integradas Espírita - Instituto de Aeronáutica e Espaço - IAE.
Gráfico: Variação Comprimento de Onda x Impedância
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