Antenas: alguns tipos básicos

Antenas são dispositivos passivos, que transmitem ou recebem radiações eletromagnéticas. Nesta página, algumas considerações básicas sobre este importante componente das telecomunicações.

As formulações matemáticas de alguns parâmetros podem ser bastante complexas e, nestes casos, são dados apenas os resultados, evitando-se considerações mais profundas.

Dipolo de meia onda

É um tipo básico de antena, formado por dois condutores retilíneos, cada um de comprimento de 1/4 do comprimento de onda da radiação a ser transmitida ou recebida (fig 1A).

No vácuo (e de forma aproximada para o ar), a relação entre o comprimento de onda e a freqüência é dada por:
l = 3 10⁸ / f, onde l é o comprimento de onda em metros e f, a freqüência em hertz. A constante
3 10⁸ é a velocidade aproximada de propagação (velocidade da luz).

Desde que a velocidade de propagação nos meios condutores é menor, na prática os comprimentos das antenas são cerca de 95% dos calculados pela fórmula anterior.

A figura 1B dá uma idéia da variação e tensão e corrente (em valores absolutos) ao longo do dipolo. No centro a corrente é máxima e a tensão é mínima. Isso permite deduzir que o dipolo é equivalente a um circuito ressonante RLC série (Fig 1C).

Na ressonância, as reatâncias indutiva e capacitiva se anulam e, portanto, a impedância é puramente resistiva. Para dipolos de meia onda, a impedância na freqüência de ressonância é aproximadamente 72 ohms (lembrar que impedância não significa necessariamente um resistor físico. Afinal os elementos são eletricamente separados. É uma característica que pode ser calculada. Ver página Linhas de transmissão para uma analogia).

Antena isotrópica

Uma antena isotrópica pode ser considerada como um elemento puntiforme, cuja potência irradiada (ou recebida) é a mesma em todas as direções (Pi da figura 2 ao lado).

Na prática ela não existe. É apenas um modelo matemático para comparação com antenas reais. Pode ser simulada de forma aproximada por uma combinação de dipolos de meia onda.

As antenas reais não são isotrópicas, isto é, a potência irradiada (ou recebida) varia de acordo com a orientação (é claro que se considera o aspecto tridimensional, isto é, no espaço. Algumas antenas práticas irradiam de forma aproximadamente uniforme em um determinado plano).

Ganho de uma antena

O conceito de ganho de uma antena deve ser entendido de forma diferente do de um amplificador. Antenas são elementos passivos, não amplificam sinais. O ganho de uma antena expressa a relação com uma antena de referência. Veja exemplo a seguir.

A figura 3 dá a curva aproximada da potência irradiada por um dipolo de meia onda. Um vetor traçado do centro do dipolo até um ponto qualquer da curva representa a potência irradiada na direção do vetor. Assim, a potência máxima irradiada é dada pelo vetor P (ou o oposto de 180°, na outra parte da curva).

Considere agora uma antena isotrópica conforme item anterior, na mesma posição do dipolo e alimentada com a mesma potência da linha de transmissão. Ela irradia uma potência máxima Pi, que é a mesma para todas as direções. Então, o ganho do dipolo de meia onda tendo como referência a antena isotrópica é dado pela relação ente essas potências, expressa em decibéis. Portanto, ganho = 10 log (P/Pi). E o valor encontrado é simbolizado por dBi, para indicar a antena isotrópica como referência (para mais informações sobre decibéis, ver a página Sons e decibéis neste site). Uma antena isotrópica tem ganho de 0 dBi.

Um dipolo de meia onda apresenta um ganho de 2,14 dBi. Alguns fabricantes de antenas indicam o ganho tendo como referência o dipolo de meia onda. Assim, para efeito de comparação, é importante saber a referência, pois há uma diferença de 2,14 dB entre as duas.

Polaridade da radiação

O ângulo que a antena faz com o plano horizontal determina a orientação dos campos elétrico e magnéticos irradiados, os quais são perpendiculares entre si.

Para maior eficiência do conjunto transmissor e receptor, as antenas de ambos devem ter a mesma polarização.

A figura 4 ao lado dá uma representação gráfica.

Antena de quarto de onda

É um arranjo bastante utilizado em comunicação móvel, pois oferece um padrão onidirecional no plano horizontal.

O elemento excitador é um condutor vertical retilíneo de comprimento igual a 1/4 do comprimento de onda do sinal, que é conectado ao condutor central do cabo coaxial. Os elementos auxiliares (4 ou mais) fazem um plano de terra horizontal e as ondas refletidas interagem com a incidente, resultando em uma distribuição uniforme no plano horizontal. A impedância característica está na faixa de 36 ohms.

Notar que as hastes que formam o plano terra podem ser dispensadas quando um já existe, como, por exemplo, o teto de um automóvel.

Antena não múltipla de quarto de onda

Se o comprimento do elemento excitador da antena não é múltiplo de 1/4 do comprimento de onda do sinal, ela não será ressonante, ou seja, não terá o melhor desempenho.

Veja exemplo da Figura 6: uma antena de 5/8 do comprimento de onda tem uma reatância líquida capacitiva. Um indutor L colocado na base com uma reatância indutiva igual, em valor absoluto, a essa reatância líquida anula a mesma e o conjunto se torna ressonante na freqüência do sinal.

Dipolo fechado

Conforme Fig 7, pode ser considerado como dois dipolos de meia onda em paralelo. Nesta situação, a impedância é multiplicada por 2² (4) e, portanto,
Z = 4 x 72 = 288 ohms. É um valor bastante próximo da impedância dos fios paralelos de 300 ohms e, por isso, bastante usados em sinais de VHF, como TV. Se fossem 3, a impedância seria multiplicada por 2³ (8).

Antena Yagi

O nome se deve ao seu inventor, professor Hidetsugu Yagi que, junto com seu assistente Shintaro Uta, desenvolveu por volta de 1924 uma antena sensível e bastante direcional.

É formada por um dipolo de meia onda como elemento excitador, um refletor e um ou mais diretores, conforme Fig 8.

Na transmissão, a interação eletromagnética entre os elementos produz múltiplas irradiações do sinal, na direção dos diretores, com significativo ganho do total irradiado. Na recepção, a malha formada pelos diretores e refletor reforça o sinal.

Devido à simetria e igualdade de impedâncias, não há corrente entre elementos e um suporte condutor pode ser usado. Apenas o dipolo deve ser isolado.

A impedância é baixa, em geral menor que 50 ohms. Para aumentá-la, muitas vezes é usado um dipolo fechado conforme item anterior.

Dependendo do número de diretores, o ganho pode ser alto. Valores típicos vão de 7 a 15 dB.

Conforme já dito, é bastante direcional. Na Fig 9, uma curva aproximada da potência de irradiação.

Apresenta uma largura de banda estreita, o que pode ser vantajoso para algumas aplicações e limitante para outras.

Embora possa ser usada para transmissão, não é adequada para altas potências devido ao efeito corona entre os elementos.

Conforme dito no início desta página, por enquanto não cabem aqui considerações matemáticas mais profundas. Apenas para esclarecimento, o nome se deve à variação periódica de alguns parâmetros com o logaritmo da freqüência.

A Fig 10 dá a disposição de uma com 5 elementos. São dipolos de comprimentos diferentes e com espaçamentos diferentes, interligados de forma alternada e com um loop no final.

O arranjo confere uma vantagem importante: a ampla faixa de freqüências em que pode operar.

Se, por exemplo, o receptor sintoniza um sinal de freqüência igual ou próxima à de ressonância do segundo dipolo (da esquerda para a direita), o primeiro atua como refletor e os outros como diretores. E de forma análoga para os demais dipolos. Pode-se assim dizer que o elemento excitador varia de acordo com a freqüência do sinal.

Na prática, antenas log-periódicas podem ser construídas para operar em faixas de freqüências da ordem de 2:1 ou mesmo superiores. Ganhos da ordem de 6,5 a 10,5 dBi são comuns.

Devido à elevada largura de banda, este tipo é amplamente empregado na recepção de sinais de televisão aberta, evitando o uso de múltiplas antenas, conforme ocorrido até certa época.

Antena parabólica

Quando as freqüências chegam à faixa de microondas, isto é, com valores contados em gigahertz, o comportamento das antenas muda. As indutâncias e capacitâncias próprias dos condutores tornam-se significativas e, de forma simplificada, pode-se dizer que os sinais tendem mais a se refletirem nos condutores do que serem conduzidos pelos mesmos.

A Fig 11 dá exemplo de uma antena tipo corneta para microondas. É um tipo de guia de ondas de formato cônico, fechado em uma extremidade. Os sinais captados pela corneta são levados ao circuito por um pino condutor, indicado em vermelho na figura.

Desde que as dimensões da corneta têm relação com o comprimento de onda, elas são pequenas e o ganho não é dos maiores. Para contornar isso, usa-se um refletor parabólico, conforme arranjo da Fig 12.

A parábola é uma curva matemática que tem uma propriedade especial: todos os raios incidentes paralelos ao eixo são refletidos para o mesmo ponto, chamado foco da parábola. Portanto, uma corneta situada no foco recebe uma intensidade significativa de sinal, tanto maior quanto maiores as dimensões do refletor.

O conjunto permite formar antenas com os maiores ganhos. Valores como 60 dB ou maiores são possíveis. Isso é fundamental para a recepção de sinais de satélites, uma vez que as limitações do artefato impedem a transmissão com potências altas.