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INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇO - IAE - PLANEJAMENTO DE PESQUISAS - Plano Trabalho Progr Cientifico Convenio CRS UNIBEM.pdf - 121 KB Download - CTA PLANO DE TRABALHO nov 2006.pdf - e113 KB Download Antena Yagi apontada para cima - Prof. Angelo Antônio Leithold.
PARA ENTENDER O PRESENTE ARTIGO LEIA: GANHO
INTRODUÇÃO
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL Uma antena Yagi–Uda , ou simplesmente antena Yagi , é uma antena direcional que consiste em dois ou mais elementos de antena ressonantes paralelos em um conjunto de disparo final ; [1] esses elementos são geralmente hastes de metal (ou discos) atuando como dipolos de meia onda . [2] As antenas Yagi–Uda consistem em um único elemento acionado conectado a um transmissor ou receptor de rádio (ou ambos) por meio de uma linha de transmissão e radiadores passivos adicionais sem conexão elétrica, geralmente incluindo um refletor e qualquer número de diretores . [2] [3] [4] Foi inventado em 1926 por Shintaro Uda da Universidade Imperial de Tohoku , Japão , [5] com um papel menor desempenhado por seu chefe Hidetsugu Yagi . [5] [6] Os elementos refletores (geralmente apenas um é usado) são ligeiramente mais longos do que o dipolo acionado e colocados atrás do elemento acionado, oposto à direção da transmissão pretendida. Os diretores, por outro lado, são um pouco mais curtos e colocados na frente do elemento acionado na direção pretendida. [4] Esses elementos parasitas são tipicamente elementos dipolo de curto-circuito desafinados, ou seja, em vez de uma quebra no ponto de alimentação (como o elemento acionado), uma haste sólida é usada. Eles recebem e reirradiam as ondas de rádio do elemento acionado, mas em uma fase diferente determinada por seus comprimentos exatos. Seu efeito é modificar o padrão de radiação do elemento acionado . As ondas dos vários elementos se sobrepõem e interferem para aumentar a radiação em uma única direção, aumentando o ganho da antena nessa direção. Também chamada de antena de feixe [4] e matriz parasita , a Yagi é amplamente usada como uma antena direcional nas bandas HF , VHF e UHF . [3] [4] Ela tem ganho moderado a alto de até 20 dBi , [3] dependendo do número de elementos usados, e uma relação frente-trás de até 20 dB. Ela irradia ondas de rádio polarizadas linearmente [3] e geralmente é montada para polarização horizontal ou vertical. É relativamente leve, barata e simples de construir. [3] A largura de banda de uma antena Yagi, a faixa de frequência na qual ela mantém seu ganho e impedância do ponto de alimentação , é estreita, apenas alguns por cento da frequência central, diminuindo para modelos com ganho mais alto, [3] [4] tornando-a ideal para aplicações de frequência fixa. O maior e mais conhecido uso é como antenas de televisão terrestre de telhado , [3] mas também é usado para links de comunicação fixa ponto a ponto, [2] radar, [4] e comunicação de ondas curtas de longa distância por estações de transmissão e rádios amadores . [2] A antena foi inventada por Shintaro Uda da Universidade Imperial de Tohoku , Japão , [5] em 1926, com um papel menor desempenhado por Hidetsugu Yagi . [6] [7]
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL No entanto, o nome Yagi se tornou mais familiar, enquanto o nome de Uda, que aplicou a ideia na prática ou estabeleceu a concepção por meio de experimentos, é frequentemente omitido. Isso parece ter sido devido ao fato de Yagi ter baseado seu trabalho no pré-anúncio de Uda [5] e desenvolvido o princípio do fenômeno de absorção que Yagi havia anunciado anteriormente. [8] Yagi entrou com um pedido de patente no Japão sobre a nova ideia, sem o nome de Uda, e mais tarde transferiu a patente para a Marconi Company no Reino Unido. [9] Aliás, nos EUA, a patente foi transferida para a RCA Corporation . [10] As antenas Yagi foram amplamente utilizadas pela primeira vez durante a Segunda Guerra Mundial em sistemas de radar pelo Japão, Alemanha, Reino Unido e Estados Unidos. [7] Após a guerra, elas tiveram amplo desenvolvimento como antenas de televisão doméstica . A antena Yagi–Uda normalmente consiste em uma série de elementos de hastes finas paralelas, cada uma com aproximadamente meia onda de comprimento. Raramente, os elementos são discos em vez de hastes. Frequentemente, eles são suportados em uma barra transversal perpendicular ou "boom" ao longo de seus centros. [2] Normalmente, há um único elemento acionado por dipolo consistindo em duas hastes colineares, cada uma conectada a um lado da linha de transmissão, e um número variável de elementos parasitas , refletores de um lado e, opcionalmente, um ou mais diretores do outro lado. [2] [3] [4] Os elementos parasitas não são conectados eletricamente à linha de transmissão e servem como radiadores passivos , reirradiando as ondas de rádio para modificar o padrão de radiação . [2] Os espaçamentos típicos entre os elementos variam de cerca de 1 ⁄ 10 a 1 ⁄ 4 de um comprimento de onda, dependendo do projeto específico. Os diretores são ligeiramente mais curtos do que o elemento acionado, enquanto o(s) refletor(es) são ligeiramente mais longos. [4] O padrão de radiação é unidirecional, com o lóbulo principal ao longo do eixo perpendicular aos elementos no plano dos elementos, fora da extremidade com os diretores. [3]
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL Convenientemente, os elementos parasitas dipolo têm um nó (ponto de tensão RF zero ) em seu centro, de modo que podem ser fixados a um suporte metálico condutor naquele ponto sem necessidade de isolamento, sem perturbar sua operação elétrica. [4] Eles geralmente são aparafusados ou soldados à lança de suporte central da antena. [4] A forma mais comum do elemento acionado é aquela alimentada em seu centro, de modo que suas duas metades devem ser isoladas onde a lança as suporta. O ganho aumenta com o número de elementos parasitas usados. [4] Normalmente, apenas um refletor é usado, pois a melhoria do ganho com refletores adicionais é pequena, mas mais refletores podem ser empregados por outros motivos, como largura de banda mais ampla. Yagis foram construídos com 40 diretores [3] e mais. [11] A largura de banda de uma antena é, por uma definição, a largura da banda de frequências com um ganho dentro de 3 dB (metade da potência) de seu ganho máximo. O conjunto Yagi–Uda em sua forma básica tem uma largura de banda estreita, 2–3 por cento da frequência central. [4] Há uma compensação entre ganho e largura de banda, com a largura de banda estreitando à medida que mais elementos são usados. [4] Para aplicações que exigem larguras de banda maiores, como televisão terrestre , as antenas Yagi–Uda geralmente apresentam refletores trigonais e condutores de diâmetro maior, a fim de cobrir as porções relevantes das bandas VHF e UHF. [12] Uma largura de banda maior também pode ser obtida pelo uso de "armadilhas", conforme descrito abaixo.
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL As antenas Yagi–Uda usadas para rádio amador são algumas vezes projetadas para operar em múltiplas bandas. Esses projetos elaborados criam interrupções elétricas ao longo de cada elemento (ambos os lados) em que um circuito LC paralelo ( indutor e capacitor ) é inserido. Essa chamada armadilha tem o efeito de truncar o elemento na banda de frequência mais alta, tornando-o aproximadamente meio comprimento de onda em comprimento. Na frequência mais baixa, todo o elemento (incluindo a indutância restante devido à armadilha) está próximo da ressonância de meia onda, implementando uma antena Yagi–Uda diferente . Usando um segundo conjunto de armadilhas, uma antena "triband" pode ser ressonante em três bandas diferentes. Dados os custos associados à montagem de uma antena e sistema rotador acima de uma torre, a combinação de antenas para três bandas amadoras em uma unidade é uma solução prática. O uso de armadilhas não é isento de desvantagens, no entanto, pois elas reduzem a largura de banda da antena nas bandas individuais e reduzem a eficiência elétrica da antena e sujeitam a antena a considerações mecânicas adicionais (carga de vento, entrada de água e insetos). Considere um Yagi–Uda consistindo de um refletor, elemento acionado e um único diretor, como mostrado aqui. O elemento acionado é tipicamente um dipolo de 1 ⁄ 2 λ ou dipolo dobrado e é o único membro da estrutura que é diretamente excitado (conectado eletricamente à linha de alimentação ). Todos os outros elementos são considerados parasitas . Ou seja, eles reirradiam a energia que recebem do elemento acionado. Eles também interagem entre si, mas esse acoplamento mútuo é negligenciado na seguinte explicação simplificada, que se aplica a condições de campo distante .
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL Uma maneira de pensar sobre a operação de tal antena é considerar um elemento parasita como um elemento dipolo normal de diâmetro finito alimentado em seu centro, com um curto-circuito em seu ponto de alimentação. A parte principal da corrente em uma antena receptora carregada é distribuída como em uma antena acionada pelo centro. Ela é proporcional ao comprimento efetivo da antena e está em fase com o campo elétrico incidente se o dipolo passivo for excitado exatamente em sua frequência de ressonância. [13] Agora imaginamos a corrente como a fonte de uma onda de energia na porta (em curto-circuito) da antena. Como é bem conhecido na teoria da linha de transmissão , um curto-circuito reflete a tensão incidente 180 graus fora de fase. Então, pode-se também modelar a operação do elemento parasita como a superposição de um elemento dipolo recebendo energia e enviando-a por uma linha de transmissão para uma carga correspondente, e um transmissor enviando a mesma quantidade de energia pela linha de transmissão de volta para o elemento da antena. Se a onda de tensão transmitida estivesse 180 graus fora de fase com a onda recebida naquele ponto, a superposição das duas ondas de tensão daria tensão zero, equivalente a curto-circuitar o dipolo no ponto de alimentação (tornando-o um elemento sólido, como é). No entanto, a corrente da onda reversa está em fase com a corrente da onda incidente. Essa corrente impulsiona a reirradiação do elemento dipolo (passivo). A alguma distância, o campo elétrico reirradiado é descrito pelo componente de campo distante do campo de radiação de uma antena dipolo . Sua fase inclui o atraso de propagação (relacionado à corrente) e um deslocamento de fase de atraso adicional de 90 graus. Assim, o campo reirradiado pode ser pensado como tendo uma fase de atraso de 90 graus em relação ao campo incidente.
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL Elementos parasitas envolvidos em antenas Yagi–Uda não são exatamente ressonantes, mas são um pouco mais curtos (ou mais longos) do que 1 ⁄ 2 λ, de modo que a fase da corrente do elemento é modificada em relação à sua excitação do elemento acionado. O chamado elemento refletor , sendo mais longo do que 1 ⁄ 2 λ , tem uma reatância indutiva , o que significa que a fase de sua corrente atrasa a fase da tensão de circuito aberto que seria induzida pelo campo recebido. O atraso de fase é, portanto, maior do que 90 graus e, se o elemento refletor for feito suficientemente longo, o atraso de fase pode ser imaginado para se aproximar de 180 graus, de modo que a onda incidente e a onda reemitida pelo refletor interferem destrutivamente na direção direta (ou seja, olhando do elemento acionado em direção ao elemento passivo). O elemento diretor , por outro lado, sendo mais curto do que 1 ⁄ 2 λ , tem uma reatância capacitiva com a fase da tensão atrasada em relação à corrente. [14] O atraso de fase é, portanto, menor que 90 graus e, se o elemento diretor for suficientemente curto, o atraso de fase pode ser imaginado como se aproximando de zero e a onda incidente e a onda reemitida pelo refletor interferem construtivamente na direção direta.
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL A interferência também ocorre na direção para trás. Essa interferência é influenciada pela distância entre o elemento acionado e o passivo, porque os atrasos de propagação da onda incidente (do elemento acionado para o elemento passivo) e da onda reirradiada (do elemento passivo de volta para o elemento acionado) devem ser levados em conta. Para ilustrar o efeito, assumimos atraso de fase de zero e 180 graus para a reemissão do diretor e do refletor, respectivamente, e assumimos uma distância de um quarto de comprimento de onda entre o elemento acionado e o passivo. Sob essas condições, a onda reemitida pelo diretor interfere destrutivamente com a onda emitida pelo elemento acionado na direção para trás (para longe do elemento passivo), e a onda reemitida pelo refletor interfere construtivamente. Na realidade, o atraso de fase dos elementos dipolo passivos não atinge os valores extremos de zero e 180 graus. Assim, os elementos recebem os comprimentos e espaçamentos corretos para que as ondas de rádio irradiadas pelo elemento acionado e aquelas re-irradiadas pelos elementos parasitas cheguem todas à frente da antena em fase, de modo que se sobreponham e se adicionem, aumentando a intensidade do sinal na direção para frente. Em outras palavras, a crista da onda para frente do elemento refletor atinge o elemento acionado no momento em que a crista da onda é emitida por esse elemento. Essas ondas atingem o primeiro elemento diretor no momento em que a crista da onda é emitida por esse elemento, e assim por diante. As ondas na direção reversa interferem destrutivamente , cancelando-se, de modo que a intensidade do sinal irradiada na direção reversa é pequena. Assim, a antena irradia um feixe unidirecional de ondas de rádio da frente (extremidade diretora) da antena. Embora a explicação qualitativa acima seja útil para entender como elementos parasitas podem aumentar a radiação dos elementos acionados em uma direção às custas da outra, a suposição de uma mudança de fase adicional de 90 graus (dianteira ou atrasada) da onda reemitida não é válida. Normalmente, a mudança de fase no elemento passivo é muito menor. Além disso, para aumentar o efeito dos radiadores passivos, eles devem ser colocados perto do elemento acionado, para que possam coletar e reemitir uma parte significativa da radiação primária. m modelo mais realista de uma matriz Yagi–Uda usando apenas um elemento acionado e um diretor é ilustrado no diagrama anexo. A onda gerada pelo elemento acionado se propaga nas direções direta e reversa (bem como em outras direções, não mostradas). O diretor recebe essa onda ligeiramente atrasada no tempo (totalizando um atraso de fase de cerca de 45°, o que será importante para os cálculos da direção reversa posteriormente). Devido ao comprimento mais curto do diretor, a corrente gerada no diretor é avançada em fase (em cerca de 20°) em relação ao campo incidente e emite um campo eletromagnético, que atrasa (sob condições de campo distante) essa corrente em 90°. O efeito líquido é uma onda emitida pelo diretor que é cerca de 70° (20° - 90°) retardada em relação àquela do elemento acionado , neste projeto específico. Essas ondas se combinam para produzir a onda direta líquida com uma amplitude um pouco maior do que as ondas individuais.
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL Na direção reversa, por outro lado, o atraso adicional da onda do diretor devido ao espaçamento entre os dois elementos (cerca de 45° de atraso de fase atravessado duas vezes) faz com que ele fique cerca de 160° (70° + 2 × 45°) fora de fase com a onda do elemento acionado. O efeito líquido dessas duas ondas, quando adicionadas, é o cancelamento parcial. A combinação da posição do diretor e do comprimento mais curto obteve, portanto, uma resposta unidirecional em vez da bidirecional do elemento acionado (dipolo de meia onda) sozinho. Quando um radiador passivo é colocado próximo (menos de um quarto de distância do comprimento de onda) do dipolo acionado, ele interage com o campo próximo , no qual a relação fase-distância não é governada pelo atraso de propagação, como seria o caso no campo distante. Assim, a relação de amplitude e fase entre o elemento acionado e o passivo não pode ser entendida com um modelo de coleta e reemissão sucessivas de uma onda que se tornou completamente desconectada do elemento radiante primário. Em vez disso, os dois elementos da antena formam um sistema acoplado, no qual, por exemplo, a autoimpedância (ou resistência à radiação ) do elemento acionado é fortemente influenciada pelo elemento passivo. Uma análise completa de tal sistema requer o cálculo das impedâncias mútuas entre os elementos dipolo [15], o que implicitamente leva em consideração o atraso de propagação devido ao espaçamento finito entre os elementos e os efeitos de acoplamento do campo próximo. Modelamos o elemento número j como tendo um ponto de alimentação no centro com uma tensão V j e uma corrente I j fluindo para ele. Considerando apenas dois desses elementos, podemos escrever a tensão em cada ponto de alimentação em termos das correntes usando as impedâncias mútuas Z ij :
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL Com apenas o elemento acionado presente, a impedância do ponto de acionamento teria sido simplesmente Z 11 , mas agora foi modificada pela presença do elemento parasita. E agora, conhecer a fase (e amplitude) de I 2 em relação a I 1 conforme calculado acima nos permite determinar o padrão de radiação (ganho como uma função de direção) devido às correntes que fluem nesses dois elementos. A solução de tal antena com mais de dois elementos prossegue nas mesmas linhas, definindo cada V j = 0 para todos, exceto o elemento acionado, e resolvendo as correntes em cada elemento (e a tensão V 1 no ponto de alimentação). [16] Geralmente, o acoplamento mútuo tende a diminuir a impedância do radiador primário e, portanto, antenas dipolo dobradas são frequentemente usadas devido à sua grande resistência à radiação, que é reduzida para a faixa típica de 50 a 75 Ohm pelo acoplamento com os elementos passivos. Não existem fórmulas simples para projetar antenas Yagi-Uda devido às relações complexas entre parâmetros físicos, como
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL comprimento e espaçamento do elemento
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL diâmetro do elemento
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL características de desempenho: ganho e impedância de entrada
#PROFESSORANGELOANTONIOLEITHOLDPY5AAL No entanto, usando os tipos de análise iterativa acima, pode-se calcular o desempenho de um dado conjunto de parâmetros e ajustá-los para otimizar o ganho (talvez sujeito a algumas restrições). Como com uma antena Yagi–Uda de n elementos, há 2 n − 1 parâmetros para ajustar (os comprimentos dos elementos e espaçamentos relativos), este método de análise iterativa não é direto. As impedâncias mútuas plotadas acima aplicam-se apenas a elementos de comprimento λ /2 , então estes podem precisar ser recalculados para obter boa precisão. A distribuição de corrente ao longo de um elemento de antena real é dada apenas aproximadamente pela suposição usual de uma onda estacionária clássica, exigindo uma solução da equação integral de Hallen levando em conta os outros condutores. Uma análise exata tão completa, considerando todas as interações mencionadas, é bastante avassaladora, e aproximações são inevitáveis no caminho para encontrar uma antena utilizável. Consequentemente, essas antenas são frequentemente projetos empíricos usando um elemento de tentativa e erro , muitas vezes começando com um projeto existente modificado de acordo com o palpite de alguém. O resultado pode ser verificado por medição direta ou por simulação de computador. Uma referência bem conhecida empregada na última abordagem é um relatório publicado pelo National Bureau of Standards (NBS) dos Estados Unidos (agora o National Institute of Standards and Technology (NIST)) que fornece seis projetos básicos derivados de medições conduzidas a 400 MHz e procedimentos para adaptar esses projetos a outras frequências. [17] Esses projetos, e aqueles derivados deles, são às vezes chamados de "NBS yagis". Ajustando a distância entre os diretores adjacentes é possível reduzir o lóbulo posterior do padrão de radiação.
VARIAÇÃO DE GANHO VERSUS IMPEDÂNCIA EM RELAÇÃO À VARIAÇÃO DE DISTÂNCIA ENTRE ELEMENTOS EM ANTENAS YAGI DOIS ELEMENTOS by LEITHOLD, ANGELO ANTONIO, 1983 PY5AAL is licensed under a Creative Commons Atribuição-Uso Não-Comercial-Vedada a Criação de Obras Derivadas 3.0 Brasil License.
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