Antena é o dispositivo cuja função  é transformar energa eletromagnética  guiada pela linha de transmissão em energia eletromagnética  irradiada, pode-se também dizer que esta lei serve também no sentido inverso, isto é, transformar energia eletromagnética irradiada em energia eletromagnética guiada para a linha de transmissão. Portanto, sua função é primordial em qualquer comunicação  ondehá radiofrequencia . A relação entre as potências de emissão e recepção é proporcional e obedece á formula de Friis.

Histórico : 

As primeiras antenas presume-se, foram criadas por Henrich Hertz , em 1886, com a finalidade de auxiliar no estudo e desenvolvimento das teorias eletromagnéticas.

Hertz pesquisou diversos dispositivos durante a realização de seus experimentos para testar e provar a teroria eletromagnética , esta proposta pelo matemático e físico James Clerk Maxwell .

As primeiras antenas que se tem notícia foram produzidas por Hertz. Na verdade eram duas placas de metal conectadas a dois bastões metálicos . Estes dispositivos eram ligados a d, e estas separadas entre si por uma distância pré-determinada. Nas esferas era adaptada uma bobina  que gerava descargas por centelhamento . As centelhas por sua vez, ao atravessar o espaço entre esferas, produziam ondas eletromagnéticas oscilatórias nos bastões.

Desde as primeiras antenas até a atualidade, os princípios físicos que regem seu projeto e desenvolvimento foram sendo aprimorados e descobertas novas maneiras e tecnologia  de se transmitir e receber sinais eletromagnéticos.

Atualmente, as antenas em alguns casos são estruturas de extrema complexidade e importância nas comunicações , sendo talvez para o homem moderno tão importantes quanto foi a descoberta do fogo  e a invenção da roda  para o desenvolvimento tecnológico humano.


Definição de antena : 
 

Antena é definida pelo dicionário como:

"Um dispositivo metálico para irradiar ou receber ondas de rádio"

A Definição oficial do IEEE é mais simples ainda:

"Um meio para irradiar ou receber ondas de rádio"

Estas definições estão corretas, as antenas são um meio para irradiar e receber ondas de rádio. Na qual aplicam-se diversas técnicas de diretividade, onde fatores como a frequencia e ganho desejado são fundamentais para definir seu formato e dimensão.

De uma forma geral, existe uma razão de proporção entre o comprimento da onda eletromagnética e o tamanho da antena.

Por sua natureza, deduz-se que a antena ocupa sempre o último lugar na cadeia de transmissão  e o primeiro lugar na cadeia de recepção, daí a importância de seu estudo e entendimento para as telecomunicações .

No estudo e projeto de antenas, pode-se dizer que não importa em que freqencia do espectro eletromagnético  seja aplicada, sempre serão usados os mesmos princípios matemáticos , físicos e práticos da teoria eletromagnética, ela é constante, imutável e invariável.

Quanto maior a frequência utilizada nas antenas, maior deve ser a precisão dos dispositivos, equipamentos e medições.
 

Campos de irradiação e propagação : 

O princípio da pedra jogada numa lagoa, é o mais elucidativo exemplo de campos de irradiação e propagação .

As ondas produzidas no meio de uma massa líquida  por uma pedra lançada, depois que chegou ao fundo, continuam se propagando.
A pedra e sua queda , não são necessárias à manutenção das ondas, mas foram prementes à sua criação, cessou a queda  (Queda da pedra), porém o efeito (propagação de ondas) teve seu prosseguimento, independente daquela ter cessado.
As linhas de fluxo , concêntricas em forma de ondas transportam energia, a este deslocamento, define-se como propagação. A energia contida nas ondas, chama-se energia irradiada ou campo distante  (analogamente no caso da água), a água espirrada acelerada pelo impacto da pedra e, em volta dela, para efeito de analogia pode ser definida campo próximo .

 

Tipos de linhas de campo :

 

Existem dois tipos de distribuição de linhas de campo , as mais próximas da antena que deixam de existir imediatamente ao cessar a causa. Isto é, quando cessa a corrente  esta sofre a anulação por um semi-ciclo , e as linhas não chegam a se fechar, portanto, não se propagam. Este efeito é definido "campo próximo, de fresnel ou campo de indução .
 

Campo distante : 

Quando as linhas se fecham, portanto se propagam no espaço carregando consigo energia irradiada, análogo ao exemplo acima, denomina-se "campo distante, ou de fraunhofer , ou campo de irradiação."

  • Nas antenas que utilizam refletores , ambos são importantíssimos, : "o campo elétrico  na região distante varia com o inverso da distância, enquanto que na região próxima isto não acontece".

Importância do campo próximo : 

A região de indução (campo próximo) é geralmente usada no projeto de antenas com um ou vários elementos de forma a induzir nestes a energia que estaria perdida. Desta forma aproveitando-a, induzindo-a ao elemento parasita , tanto diretor r, quanto refletor, se for o caso.

 

Importância do campo distante :

A região distante é importante para as radiocomunicações , portanto, deve ser delimitada a fronteira  entre elas. O campo distânte tende ao infinito, e o campo elétrico é nulo, sendo uma regiao despresivél diferente da região de campo próximo.

 

Delimitação de campos próximo e distante : 

R = 10λ
R = 2L2 / λ
Onde
R = separação entre as duas regiões.
L = o maior tamanho da antena.
λ = comprimento de onda.

As fórmulas acima são arbitradas e são aproximações abstratas para chegar-se a um valor preliminar inicial razoável.
 

Parâmetros de antenas : 

Existem diversos parâmetros críticos de antenas a se considerar para o projeto. A performance da antena é afetada por parâmetros ajustados no projeto, tais como : Frequencia de ressonancia, impedanca , ganho ,diagrama de irradiação , polarização , eficiencia e largura de banda . As antenas transmissoras também tem a máxima potência, e as antenas receptoras diferem nas características de rejeição a ruído.

 

Irradiação e diretividade de uma antena :

 

A antena é um sistema que irradia (ou recebe) energia eletromagnética. Se pode conhecê-la a partir do processamento da irradiação, da eficiencia  e da distribuição da energia irradiada através do campo, dentro do espectro  conhecido, ou arbitrado. A diretividade é a razão entre a intensidade de radiação de uma antes e a intensidade de radiação média.

D=u(teta,fi)/Uo

o calculo aproximado para medir a diretividade de uma antena, é pela fórmula de Kraus e Tai Pereira:

Krauss --> aproxima a área do feixe pelo produto da LFMP de dois planos perpendiculares. onde: B= área do feixe. D= diretividade.

D=4pi/B

Tai Pereira --> sugerem a aproximação da diretividade.

Nas antenas ominidirecionais, aplica-se a fórmula de MC-donald e a de pozar. onde MC-donald conta se com mais precisão para diagramas omnidirecionais com lóbulos secundário. Pozar aplica-se o mesmo e é ideal sem lóbulos secundários.
 

Diagrama de irradiação : 

O diagrama de irradiação nada mais é do que o mapeamento da distribuição de energia irradiada, levando em conta o campo tridimensional . Este se faz de duas maneiras, ou em campo ou através de simulação computacional.

Geralmente a radiação de uma antena é mensurada através da unidadde Dbi .

Para levantar-se o diagrama de irradiação, deve-se tomá-lo a partir de uma distância e localização onde não seja possível a interferência de elementos estranhos ao meio onde se encontram a antena de prova e a antena de teste.

Esquema para prova de antenas.

Elementos estranhos que interferem podem ser desde árvores, calhas, rufos, arames, linhas de transmissão de energia ou telefônicas. Estruturas de concreto armado também interferem no resultado de um diagrama de irradiação/recepção pelo fato de existir ferro em seu interior.

Portanto, para executar experiências de aferição de antenas, estas devem ser em campo aberto.
 

Procedimentos

Normalmente levanta-se o diagrama à separações entre antenas de prova e teste não inferiores a dez vezes ao comprimento de onda  da frequência de teste.

Deixa-se a antena de teste a uma distância confiável da antena de prova (Em campo aberto), de forma a não haver interação de sinais entre elas e o meio circundante.

Três passos devem se seguidos, após tomadas todas as precauções:

  1. gira-se a antena sob teste de forma a descrever um círculo ;
  2. a intervalos regulares, a cada dez graus por exemplo, toma-se a medida do campo irradiado de forma a obter-se um gráfico;
  3. os valores devem ser anotados ou em valores absolutos, ou em valores relativos ao seu máximo.
Após o término do levantamento do diagrama de irradiação, têm-se uma figura semelhante a esta que indica todos os lóbulos da antena em estudo.

As medidas e características servem tanto para transmissão quanto para a recepção, obedecendo a lei da reciprocidade.

 

Resultante do diagrama de irradiação :

Na resultante da experiência temos o que se chama diagrama de irradiação  do campo da antena, e por conseqüência torna-se mister em suas especificações se tratamos de campo ou de potencia , se a polarização é vertical  ,ou horizontal , e o principal, o levantamento, sempre que possível deve ser executado em 360 graus .

 

Antenas de feixe estreito :

Para antenas de feixe esreito , helicoidais , antenas de radar, por exemplo, carece utilizar o diagrama retangular  e não o polar , devido à precisão necessária.

Devido à dualidade da energia emitida e à lei de reciprocidade, pode-se usar a análise gráfica tanto para irradiação, quanto para campo, próximo/distante.

Devemos lembrar que num diagrama de irradiação de campo cujo valor máximo arbitra-se igual a unidade (1,0 ) a amplitude correspondente à meia potência equivale a 0,707.

O diagrama de fase é a representação espacial da variação de fase do campo irradiado. Consideremos uma antena irradiando uma potencia total ( W ), situada ao centro de um campo espacial fictício cuja superfície seja uma esfera perfeita, imaginemos uma bola de sabão flutuando no espaço e o ponto de irradiação, ou seja a antena esteja em sua superfície esférica  onde seu raio  ( r ) seja imensamente maior do que o tamanho físico da antena, de forma que a vejamos como se fosse um ponto infinitesimal.

Onde (P) seja o valor médio da densidade  de potência provocada pela antena à distância (r).
Onde (Pr) seja o valor médio da densidade de potência provocada outra antena idêntica à primeira antena à distância (r).
Tenderemos à definir a diretividade da primeira antena em relação à segunda como:
D = P / Pr .
Como a densidade é função do ponto , a diretividade também o será, portanto, temos como medir a capacidade de concentração de energia de uma antena numa região pré-determinada do espaço.
Quanto mais agudo o lóbulo  principal maior a irradiação ou iluminação desta antena e seu lóbulo, numa determinada direção.

 

Antena isotrópica : 

Definição : 

A antena isotrópica é uma antena virtual, na prática não existe, a antena que mais se aproxima de uma isotrópica é a dipolo em polarização vertical. Mesmo assim existem limitações nos campos emitidos pela falta de lóbulo transversal.

As antenas isotrópicas tem por função um comparativo entre as antenas reais e as ideais.

A diretividade e a densidade de potência são funções de ponto, isto é um cone teórico cuja geratriz  é um ponto e a distribuição de densidade de potência pode ser deduzida como função de área de uma semi esfera se propagando através do tempo e aumentando sua área em função deste até atingir hipoteticamente a parede interna de uma esfera virtual iluminando-a.

 

Concentração de energia : 

Podemos usar a densidade de potência para medir a capacidade que uma antena tem de concentrar energia numa determinada região do espaço.

Quanto mais agudo  o ângulo do cone  de propagação formado pelo lóbulo principal (mais estreito o feixe), maior é a diretividade da antena, maior é a densidade de potência que ilumina uma pré determinada área do espaço na direção de máxima irradiação, na esfera virtual.

Para se ter um parâmetro de comparação, temos necessidade de usar uma antena hipotética, onnidirecional , que ilumine a parede interna de uma esfera virtaul uniformemente.

Esta é o que podemos chamar de antena isotrópica onde se hipoteticamente Pr = Po então logicamente a diretividade ficará :

D = P/ Po

Emissão do isotrópico : 

Imaginemos uma esfera perfeita, uma bolha de sabão por exemplo, esta esfera contém em seu centro uma lâmpada sem refletor de espécie alguma , emitindo luz para todos os pontos.
A iluminação, se a fonte for um ponto, será uniformemente distribuída em toda a área desta esfera, logo a distribuição de potência seguirá ao mesmo princípio.

Dipolo : 

Numa antena dipolo , na polarização horizontal, é perfeitamente possível a diagramação da irradiação em dois sentidos, isto é, existem duas frentes de onda.

Sempre há um lóbulo principal de irradiação e lóbulos secundários de menor amplitude .

 

Emissão do dipolo : 

Agora, a lâmpada, não é mais um ponto, e sim um segmento, no centro da esfera, um filamento , digamos.

Como temos um segmento longitudinal (semelhante ao filamento de uma lâmpada) no centro de uma esfera perfeita, se olharmos de frente para este segmento,veremos (no exemplo de filamento), um fio esticado emitindo luz, se girarmos esta esfera em noventa graus, ao invés de enxergarmos um traço enxergaremos um ponto emitindo luz.
Ao observarmos o fio esticado de lado, a luz não irradiará em todos os sentidos, ela se propagará na frente, nas costas, em cima, em baixo, só não haverá iluminação nas laterais (ou esta será mínima). Para facilitar este raciocínio, transformemos nossa esfera em cubo perfeito, observaremos mais claramente este efeito.
Houve uma alteração da diretividade em relação ao isotrópico (fonte pontual), ficam duas faces de nosso cubo  sem receber a luz  (as laterais) e as outras quatro recebendo equitativamente a quantidade de luz que não foi para as laterais.

Ganho : 

Podemos verificar a validade do fenômeno do ganho . Não houve aumento da luz, o que houve foi um redimensionamento da distribuição em outras direções portanto, o ganho sempre é referente a uma determinada direção.

Muitos leigos no universo das antenas relacionam erroneamente ganho de uma antena com aumento da potência. Ganho de uma antena é nada mais do que a capacidade que a antena tem de focar o sinal eletromagnético em uma determinada direção. Uma antena não amplifica sinal, uma vez que toda antena é um elemento passivo.

Antena direcional : 

 

A Antena direcional é usada na área de telecomunicações  que só possui uma direção na emissão de informação e quando o trafego na linha não é muito grande.

É um equipamento opcional para redes sem fio que proporciona mais qualidade e intensidade do sinal, isto é, maior potência e alcance.

Utilizada pelo sistema de internet ( Wireless ) torna possível a comunicação sem fio em longas distâncias.

Tem inúmeras aplicações na faixa de freqüência de 2.4 GHz.

Antena com refletor :

As antenas de radares  são exemplos típicos do uso de refletores parabólicos. No exemplo ilustrado temos um radar que utiliza antena  Cassegrain


Uma antena com refletor é aquela em que se utilizam elementos extras cujas principais funções são a adequação do sistema irradiante e receptor às melhores condições de ganho e diretividade do sinal irradiado e recebido. Os sistemas de reflexão  podem ser de diversos tipos, desde os semi-segmentos em forma de hastes utilizadas em antenas plano-terra, hastes sintonizadas de antenas Yagi-Uda, refletores planos em antenas helicoidais, refletores parabólicos utilizados em radiotelescopia , comunicações por satélites  artificiais, radares , entre muitas outras aplicações. O primeiro tipo de antena com refletor foi a antena monopolo .
 

Variação da impedância de uma antena tendo o solo como refletor : 

A alteração de impedancia  e o diagrama  resultante da distância de uma antena ao solo  são conhecidos há muito tempo, por isso é tão largamente utilizada esta propriedade em radiocomunicações.

Sempre poderemos controlar a forma e a distância do refletor à antena forçando desta maneira seu comportamento, isto é, se arbitrarmos um determinado diagrama, poderemos fazer nossa antena  trabalhar dentro dos limites impostos pelo projeto.
 

Relação frente/costas antenas direcionais : 

Um dos parâmetros que imediatamente percebemos, é a relação frente/costas no caso de antenas direcionais , pois à medida que esta relação aumenta, conseqüentemente aumentará a diretividade da antena e seu ganho.

Com o passar do tempo e das experiências feitas com refletores, chegou-se à conclusão que estes praticamente se igualam em forma e dimensões aos dipolos ou monopolos  dos quais fazem parte, configurando um sistema irradiante / receptor de qualidade excepcional.

 

Dimensionamento refletor físico/antena : 

Na figura temos de cima para baixo: No topo a representação esquemática de um dipolo e seu refletor.Logo abaixo temos um gráfico que representa a variação do ganho em função da distância entre os elementos.Na base temos a variação da impedância da antena em função da distância entre elementos.
 

Quando observamos uma antena cilíndrica, notaremos que seu refletor também o será, a única diferença é o comprimento deste ligeiramente maior, entre cinco a dez por cento (Sistema Yagi-Uda) em relação ao dipolo.

No caso dos refletores planos sua superfície não precisa ser necessariamente infinita, basta que seja ressonante, isto é, uma superfície refletora contínua cuja malha não ultrapasse a 10% do comprimento de onda aplicado.

Uma vez feito este procedimento haverá uma alteração na impedância e largura de faixa do sistema resultante. O dipolo, não mais será um dipolo isolado, passará a se comportar como uma rede com todas as características dadas pela disposição dos elementos interferentes.

No gráfico ao lado estão sendo mostrados dois parâmetros importantes para uso do projetista de antenas.

No topo da figura está representada uma antena de dois elementos, sendo o menor (a linha horizontal de cima) o elemento "ativo", ou seja, o dipolo que irradia a radiofreqüência ou recebe-a.

Logo embaixo representando o elemento refletor há outra linha horizontal, um pouco mais longa qua a correspondente superior. Este comprimento varia entre cinco a dez por cento.

  • É importante ressaltar que o comportamento de uma antena se dá em "dupla via", ou seja, as leis que servem para a transmissão, são as mesmas que servem para a recepção.
  • No ítem acima existem algumas restrições relativas à potência de irradiação, porém no caso deste artigo não são relevantes.

Logo embaixo da representação esquemática da antena e seu refletor temos um gráfico que mostra a variação do ganho do sistema irradiante (Antena e seu refletor concomitantes) em função da distância dipolo/refletor.

Ao variarmos a distância do dipolo em relação ao refletor, haverá uma variação também no sistema de impedâncias, esta variação está representada no gráfico imediatamente embaixo.

Portanto, quando se projeta uma antena com refletor, usando os parâmetros pré determinados representados nos gráficos ao lado, existe grande probabilidade de inserir o sistema irradiante dentro de valores ótimos de trabalho.
 

Interação refletor/antena : 

Este gráfico demonstra a variação da impedância de antenas quando próximas à terra ou próximas de refletores planos ou não, que possam ser enxergados pelas antenas como um terra virtual.

Caso uma antena esteja situada à uma distância considerada “S” da superfície ressonante , teremos um sistema com uma componente real e outra virtual, isto é, uma rede com seu dipolo e sua imagem à uma distância 2S. Simplificadamente podemos afirmar que a antena e seu refletor funcionam como se fossem duas antenas interagindo.

Antena real/antena imagem :

Se o dipolo for de meia onda e estiver na polarização horizontal, temos uma rede com os elementos 1 e 2, real e virtual respectivamente. O ganho do sistema pode ser considerado como no plano f, ou G( f ), onde a antena real passa a ser elemento 1, e a virtual ou imagem elemento 2.

Imagem na superfície plana :

Funcionando um dipolo sobre uma superficie  plana, ou seja, a antena em frente a um refletor, haverá um incremento no campo na ordem de 2,3 vezes em relação ao dipolo sem refletor, ou, algo em torno de 7 dB, é claro que na prática este ganho vai ser menor, entre 5 a 6 dB em direção à frente de onda.

 Variação de impedâncias em função da distância :

A variação de impedância R11 e R12 para dois dipolos de meia onda no espaço livre estando um em frente ao outro em função da distância S é conhecida e finita podendo ser prevista em gráficos e ábacos.

Estas conclusões também podem ser utilizadas para um dipolo sobre o solo cujas variações de impedância variam de acordo com a altura em comprimentos de onda. (Gráfico acima à esquerda)

Dipolos sobre superfície refletora : 

Imaginemos diversas antenas dispostas paralelamente sobre uma superfície perfeitamente refletora.

Obedecendo as afirmações anteriores teremos uma situação que levam à percepção da existência do dobro de dipolos devido às imagens da rede. Isto quer dizer que para cada antena, haverá uma imagem (uma antena refletora) respectivamente. Desta forma, existe a distribuição de energia numa só direção; logo teremos um ganho imenso, pois a cada vez que se dobra a estrutura metálica de uma rede teremos um incremento no ganho do sistema acrescido em 3 dB.
 

Utilização de dois refletores defasados em noventa graus : 

Seguindo o raciocínio mostrado anteriormente, se usarmos dois refletores dispostos em 90 graus entre si, e estando a rede à uma distância dentro dos parâmetros funcionais do sistema, teremos a multiplicação dos diagramas resultantes, ou seja, ao dobrar o plano refletor em dois semi planos muito grandes em relação aos dipolos dobraremos a imagem, logo o ganho  aumentará substancialmente.

Este efeito pode ser utilizado em freqüências muito altas (SHF), na construção antenas impressas .
As antenas impressas são dipolos construídos em circutos impressos

Dependendo da altura do dipolo à terra seu comportamento poderá variar de forma substancial.
 

Efeito Terra : 

Quando se monta uma antena tanto na polarização horizontal, quanto na vertical, o efeito terra pode ser analisado como um refletor perfeito desde que dentro das faixas de frequencia  admissíveis, quer dizer, freqüências baixa, média e alta. Ao instalar antenas próximas à terra ou a uma superfície que seja enxergada pela antena como se fosse um plano de terra (No caso de satélites artificiais, o corpo do objeto é o plano de terra), temos que levar em conta a influência desta ao elemento irradiante.

A princípio devemos ter certas condições controladas para poder analisar o efeito terra. Uma delas é a distância da antena à terra que pode ser considerada como se fosse um refletor/plano  de condutividade  perfeita, outra, que nosso objeto de estudo inicial deve ser a interação entre um dipolo elementar em polarização horizontal ou vertical e seu plano de terra respectivo.

Efeito imagem e efeito real : 

Arbitrando-se o plano terra  como condutor  perfeito, as componentes tangencial e normal são anuladas entre si. Desta forma, as cargas e correntes induzidas passam a fazer parte do sistema, pois teremos o efeito imagem e o efeito real

Tanto para o dipolo horizonta, quanto para o dipolo vertical, existe o dipolo imagem. Este atua de forma que seu efeito, juntamente ao efeito terra alterem o diagrama de irradiação, impedância, ganho, dentre outros parâmetros da antena. Ou seja, como se fosse um refletor, daí para efetuar a análise podemos usar o sistema de estudo dos efeitos causados pela proximidade de duas antenas.

Efeito proximidade, interações e acoplamento mútuo : 

Quando temos uma antena próxima a qualquer estrutura, seja terra, seja metálica, "n" dipolos, outra antena, ou antenas, forma-se o que podemos chamar de rede. A rede interage simultaneamente em todos os seus elementos, reais e virtuais.

A interação do sistema deve obedecer a certos aspectos físicos de proximidade entre seus elementos em comprimentos de onda . Obedecidas características arbitradas pelo projetista de antenas, o sistema resultante terá um acoplamento concomitante, isto é, haverá somatórias de todas as características de todos os elementos interferentes. O nome dado a este sistema é acoplamento mútuo.


 Acoplamento mútuo : 

O efeito do acoplamento  mútuo, tanto para antena em polarização  horizontal, quanto em polarização vertical, têm em sua imagem a indução de cargas e correntes. Suas impedâncias, seus lóbulos, e ganhos se interam, formando um sistema complexo, pois, o campo eletromagnético irradiado pode ser estudado pelo sistema de imagens .

 Antenas real e imaginária : 

Sempre quando tivermos uma antena numa determinada distância de um elemento terra teremos que analisar duas, a antena real e a sua imagem.

As correntes induzidas no dipolo real terão seu equivalente no dipolo imagem , desta forma podemos deixar um dipolo vertical  muito próximo ao solo reforçando o campo irradiado e o campo recebido.

No caso do dipolo horizontal, devemos observar que a impedância resultante do sistema será muito próxima de zero ohm, colocando o sinal em curto-circuito com a terra, anulando a antena (interação destrutiva). No caso do monopolo em polarização vertical, seu funcionamento quando no solo será similar ao dipolo vertical no espaço livre , pois sua imagem complementará o segmento real.


Ângulo de partida/chegada, ionosfera : 

Esta tabela é um guia prático dos efeitos que ocorrem nas alterações dos ângulos de partida ou chegada do sinal de radiofreqüência em relação à terra e á ionosfera . As freqüencias variam dentro da MUF  . A distância de chegada na coluna direita é dada em quilômetros.
 

Quando variamos a distância de um dipolo ao solo, ou a um refletor ressonante que a antena enxergue como "solo", variará o ângulo de partida/chegada de sinal, para a ou da ionosfera, o alcance, a impedância, entre outros parâmetros.

Conhecendo-se o angulo de irradiação , e a altura da camada da ionosfera  onde reflete o sinal, teremos condições de calcular o alcance de nossa transmissão.

A altura das camadas ionosféricas são dinâmicas e não estáticas, isto é, se alteram de acordo com a hora, com o sol , propagação ,  época do ano,manchas solares , vento solar  , condições de atmosfera , entre outras variáveis.


Quando temos um dipolo de meia onda, dependendo da sua altura em comprimento de onda do elemento terra, o efeito deste sobre aquele é de substancial importância. Além de alterar o ângulo de partida da antena, também teremos um efeito sobre a impedância no sistema irradiante, cabe aqui uma observação da aplicação do termo sistema  de transmissão  .
 

As interações nos sistemas de transmissão/recepção na presença da "terra" : 

O sistema de transmissão é um termo utilizado devido ao fato de que uma antena passa a se comportar de forma sistêmica, isto é, começa a haver um efeito de interação entre antena, elemento terra, e demais interferentes do meio que passam a ser enxergados pela antena também como elementos terra. Por este fato o elemento terra pode ser considerado como um refletor perfeito de dimensão infinita, formando uma imagem da antena tal qual a imagem formada por um objeto qualquer num espelho com todas as implicações conveniências e inconveniências causadas por este.

Na presença da terra  temos o incremento do efeito imagem, isto é, as terra e antena passam a ter uma interação e desta surge uma componente reativa, resultando uma variação na sintonia  ( Ressonancia ) , impedancia  e ganho das antenas.

A cada quarto de onda acima do plano terra temos uma impedância próxima de 73ohms .

Em função do disposto acima podemos ter uma relação nos diversos parâmetros no sistema de acordo com a altura da antena ao solo (Descrito no início do artigo), devido ao efeito da terra sobre esta, os principais, são o ganho que pode ser até 6 dB (decibéis sobre o dipolo no espaço livre) e impedância (podendo ser em média em torno de 73.5 ohms a cada quarto de onda) , além do ângulo de partida.

 

Certas considerações sobre antenas:

Algumas pessoas pensam que antena é simplesmente um pedaço de metal ou qualquer vara de alumínio colocado sobre o telhado, outros usam lâmpadas fluorescentes, antena de carro na janela ou colocam uma antena móvel no centro de uma bacia de alumínio, dizendo ser uma antena parabólica !?!?.

Na realidade, antena é um elemento muito mais importante que qualquer invenção maluca e deve ser considerada com respeito pois é a "alma" de uma estação de rádio.
Existe uma certa arte nas antenas que envolve frequências, direções, polarizações e principalmente ondas estacionárias (R.O.E). Aquele que trabalha construindo antenas, precisa ter além das ferramentas adequadas para sua construção, o conhecimento total do seu funcionamento sem esquecer da sua resistência aos ventos fortes que ela venha a sofrer.
Para classificar entendendo melhor sobre as antenas, descrevo agora os elementos básicos do seu funcionamento:

Frequência : Determina o tamanho da bobina ou dos seus elementos, que dependerá da frequência que ela trabalhará (diz-se estar em corte). Cada antena construída, precisa estar na frequência desejada para um melhor rendimento e sem riscos de danos posteriores no transmissor.
Impedância : Para cada tipo de antena, existe um tipo de impedância. Antenas de televisão, são fabricados com impedâncias de 75 e 300 ohms. Para os Radio Amadores, as antenas são fabricadas geralmente com impedância de 50 ohms, alguns tipos de antenas, necessita de linha de transmissão (o cabo ) em 75 ohms.
Direção : Determina uma direção da transmissão e recepção desejada ou específica eliminando as áreas indesejáveis. Antenas construídas com direção determinada, são chamadas de antenas direcionais e podem ser horizontal ou vertical dependendo da sua frequência de corte e preferências de uso. Antenas diretivas, são muito usadas geralmente para armar repetidoras quando se está a grandes distâncias, fazer contatos familiares e DX ( contatos interestaduais ou para outros países ).
Polarização : As estações de rádio em comunicação devem possuir as suas antenas fixadas na mesma polarização pois é muito difícil haver um bom contato entre estações que usam antenas com polarizações diferentes. Dependendo do tipo de uso do transceptor e da frequência usada, a antena pode estar na posição vertical ou horizontal. Em frequências baixas, pode-se aproveitar as propagações da ionosfera para contatos interestaduais ou até internacionais e nesse caso as antenas deverão estar no sentido horizontal pois as ondas de rádio que conseguem trafegar e refletir na ionosfera, estarão apenas nessa polarização. Em outros casos quando a frequência usada é muito alta (acima de 70 mhz), faz se necessário o uso de antenas na posição vertical para contatos locais entre várias estações ou para "armar" uma repetidora distante pois a propagação na ionosfera é muito fraca ou não existe e a ausência dos ruídos das baixas frequências estimula a construção de estações repetidoras em morros altos. Antenas parabólicas, também usam no seu alimentador, polarizações verticais e horizontais. As antenas cúbica de quadro (conhecidas como quadra cúbica) são consideradas como as melhores da atualidade, principalmente porque elas possuem altos ganhos e capacidade de dupla polarização ao mesmo tempo.
R.O.E : Relação de ondas estacionárias, é a quantidade de rf que retorna da antena e fica estacionado no transmissor. Isso acontece quando a antena está mal sintonizada, está muito baixa, próximo de obstáculos, fora da impedância ou apresenta algum erro de montagem. Quanto maior o desajuste ou seu erro, maior será o retorno e as possibilidades de queima do transistor principal do transmissor. Um medidor de R.O.E deve ser usado para que se possa detectar esse erro possibilitando o ajuste correto da antena na frequência ou seu conserto obtendo assim um R.O.E 1:1,1 (diz-se 1 por1). É muito importante saber que um medidor de R.O.E é um pequeno aparelho que somente mede as relações de retorno da antena e não um aparelho que conserta isso. Se for constatado uma antena com muito retorno, significa que alguém terá que ir até ela e corrigir os erros.

Se você quer saber mais sobre medidor de R.O.E, então clique aqui

Tabela de R O E e potencia irradiada usando 5 watts como exemplo :

R O E

CÁLCULO

SAÍDA (W)

RETORNO (W)

1,1

5 / 1

5 watts

0 watts

1,2

5 / 1,2

4,16 watts

0,840 watts

1,5

5 / 1,5

3,33 watts

1,66 watts

1,8

5 / 1,8

2,77 watts

2,23 watts

2,1

5 / 2.1

2,38 watts 

2,62 watts 

2,5 

5 / 2,5

2 watts 

3 watts 

3,1

5 / 3 

1,6 watts 

3,4 watts 

5,1

5 / 5 

1 watts 

4 watts 

Esses elementos juntos, comprovam que a antena é o componente mais importante de uma estação de RadioAmador, merecendo muita atenção na sua construção e instalação que deve ser feita por pessoas competentes e sempre com ajuda (nunca se instala uma antena de radioamador sozinho). Para sua maior eficiência, a antena deve estar situado em uma torre segura, longe de fios elétricos e o mais alto possível (quanto mais alto melhor). Isso resulta em eficiências capazes de melhorar a estação de rádio em muitos watts de ganho (equivalente ao uso de equipamento complementar de transmissão conhecido como botina) e para impedir interferências indesejáveis em aparelhos de som e televisores (TVI).

Pode parecer difícil mas não há muita complicação se um iniciante desejar construir sua própria antena. A mais fundamental de todas as antenas, é um dipolo de meia onda e para tal, basta apenas saber a velocidade da luz que está um pouco abaixo de 300000 km por segundo (3000000000 metros por segundo), a polarização preferencial e a frequência central de transmissão do seu transceptor.

 Exemplo de quem tem um rádio PX (27 mhz ou 27000000 hz) :

l=300000000 e f=27000000

Para saber o tamanho da onda : 

l

 

300000000

 

 

f

ou

27000000

 =

11.11 metros

Para cálculos de 1/4 da onda : 

l

 

11.11

 

 

4

 ou

4

 =

2.78 metros

Para cálculos de 5/8 da onda :

5l

 

5x11.11

 

 

8

 ou

8

 =

6.94 metros


Devemos primeiramente saber o tamanho da onda bastando dividir 300000 por 27000 que dá o resultado de 11.11 .
Agora que sabemos que a nossa onda tem 11 metros (11.1111111), temos que usar apenas a sua metade e como um dipolo usa 2 elementos distintos em seu conjunto, cada um deles usará 1/4 da onda partindo do seu centro. Devemos então dividir a nossa onda em 4 partes para ajustar a vareta da antena ao tamanho exato de 1/4 da onda, então temos que dividir 11.11 por 4 que dá 2.78 ( 2 metros e 78 centímetros ) sendo então esse o tamanho de cada vareta da nossa antena de meia onda..

Propagação :
Para a alegria dos aficionados em rádio, existe na natureza, um elemento que envolve nosso planeta responsável pela reflexão de certas frequências de rádio funcionando como um satélite natural permitindo que as emissões de rádio, alcançam distancias intercontinentais. A ionosfera é a terceira camada acima do solo terrestre entre 80 a 400 km formada de diversos elementos ionizados enriquecidos pelas atividades solares com variações a cada hora do dia que determina o que chamamos de propagação. Graças a ela, é possível fazer contato com o Brasil e algumas partes do mundo. A ionosfera, pode refletir com eficiência, frequências que vão de alguns khz até 70 mhz, mas dependendo de certas condições raras ocorre reflexões eficientes de até 100 mhz.

Mosca branca :
O magnetismo que envolve o planeta juntamente com sua geografia, só permite um contato terrestre (rádio a rádio em linha reta) até uns 100 km com o uso de uma boa antena, o sinal de rádio que chega até aionosfera, tem sua primeira reflexão a uma distância de uns 450 km. O espaço existente de 100 a 450 km fica fora da área de captação de rádio resultando em uma zona de silêncio conhecido como mosca branca. Isso explica porque fica difícil falar do Rio de Janeiro para São Paulo, Minas Gerais e Espírito Santo, mas é fácil falar do Rio de Janeiro para Brasília, Paraíba e até outros países que são muito mais distantes. As vezes ocorrem variações especiais na propagação capaz de burlar essa lei permitindo rápidos contatos com estações localizados nessas áreas.

Modulação :
Muita confusão é feita por causa do que se diz hoje em dia com relação a tipos de modulação e frequências. Quando se diz FM, logo se pensa em um rádio que toca músicas em estéreo, o mesmo com o AM que logo se faz pensar em radinho de pilha para ouvir futebol, notícias etc... .
FM e AM na realidade são 2 tipos de modulação de portadora bem diferentes um do outro e pouco tem a ver com as frequências que elas modulam, mas há certas preferências com relação a modulação x frequências que acabou por causar essa confusão como usar AM (amplitude modulada) geralmente em frquências baixas e FM (frequência modulada) em freqûencias altas. Mas isso não quer dizer não é possível usar modulação em AM em transmissores de frequências altas e vice-versa. Os exemplos estão nos rádios de aviação que operam entre 110 a 136 mhz modulando em AM e a faixa do Cidadão (PX) possuindo rádios que operam em 27 mhz e modulam também em FM.
Aquele rádio que toca músicas em estéreo, é na realidade um rádio de VHF porque as emissoras que ele sintoniza, transmitem entre 88 a 108 mhz (faixa do vhf ) e o radinho de pilha que ouve futebol e notícias, é um rádio LF porque as emissoras que ele recebe, estão nas frequências de 640 khz a 1.6 mhz. 

A tabela abaixo mostra as preferências de modulação (padrão) mas isso não quer dizer que deve ser exatamente assim. É possível que alguns transceptores que operam acima de 300 mhz, possa estar modulando em AM e transceptores operando abaixo de 3 mhz, modulando em FM 

MODO

LARGURA

MODULAÇÃO

VLF

De 3 khz a 30 khz

AM

LF

De 30 khz a 300 khz

AM

MF

De 300 khz a 3 mhz

AM

HF

De 3 mhz a 30 mhz

AM / FM

VHF

De 30 mhz a 300 mhz

AM / FM

UHF

De 300 mhz a 3 ghz

FM

SHF

De 3 ghz a 30 ghz

FM

Casador de impedância :
Quando a impedância da antena não casa com a impedância do cabo, evidentemente a antena não responderá corretamente ao sistema oferecendo muitas perdas a cada metro do cabo e uma estacionária (R.O.E) muito acima do aceitável colocando o transceptor em risco de algum problema futuro. A solução correta para esses casos é a manutenção da antena e calcular o tamanho do cabo para que este tenha a menor perda possível a cada metro. Só que existe alguns casos que impede qualquer tipo de manutenção como o tempo muito ruim, altura arriscada, possuir um rádio de muitas frequâncias sendo inviável o uso de uma única antena ou usar amplificadores lineares (botinas) sem ajuste na entrada. Nesses casos, uma alternativa é usar um pequeno aparelho de montagem simples e que não necessita de energia de uma fonte de voltagens para funcionar corrigindo os problemas de casamento errado entre o cabo e a antena conhecido como casador de impedâncias que é capaz de ajustar no caminho do cabo as diferenças de impedâncias com a antena protegendo o rádio de uma possível queima de transmissão. Com ele é possível ter um rádio de muitas frequências e praticamente um sistema irradiante ajustada para todos os canais do rádio sem se preocupar com R.O.E alto, ajustar a impedância de entrada dos lineares, usar antenas provisórias e muitos outros usos. Mas ele não é a solução perfeita de uma estação de radioamador pois se uma antena apresenta R.O.E alta, ela  não esta cortada na frequência certa ou tem algum erro sério, isso significa que a antena está apresentando muitas perdas de ganho efetivo e mesmo usando um casador de impedâncias e ajustando a R.O.E, essas perdas não serão corrigidas mesmo com os medidores indicando baixa estacionária, na realidade a antena continua errada e o problema deve ser corrigida nela.

Simples casador de impedâncias

O simples circuito acima é de um casador de impedâncias que pode ser usado nas frequências da faixa HF entre 3 mhz a 30 mhz e seu uso é bem simples precisando apenas do auxílio de um medidor de R.O.E para fazer o ajuste ou que o rádio seja um tipo que já tenham o medidor embutido. Os 2 capacitores variáveis do esquema, são de 510 pf podendo ser os mesmos usados nos rádios antigos chamados de "rabo quente" e podem ser encontrados em lojas de eletrônica. Ficam em paralelo com um indutor de ar entre eles de construção caseira que deve ter entre 5 a 8 voltas de fio de cobre grosso enrolado em uma fôrma de 2 cm de diâmetro com espaçamento de 5mm em cada volta. (apos a construção da bobina, retire o molde para que ela fique enrolada sem núcleo). Não existe entrada e saída definido sendo possível trocar os conectores mas o "rabicho" usado para a ligação não deve ser maior que 40 cm. Todo o conjunto deve ser montado em uma caixa de alumínio com os conectores na traseira e os eixos dos variáveis na frente ou em cima. Se o rádio não possuir um medidor de ROE interno, deve-se usar um medidor externo entre o casador e o rádio como referência na hora de ajustar.

Ondas curtas :
Na realidade, as antigas ondas curtas captadas pelos rádios de várias faixas de ondas e RadioAmadores LF, são hoje em dia ondas bem compridas. São frequências entre 1800 khz a 21 mhz  cobrindo ondas de 180 metros a 15 metros (essa largura é aproximada e depende da banda de captação de cada modelo e marca de rádio) Se comparados ao tamanho da onda dos rádios chamados MW que sintonizam entre 560 khz a 1600 khz cobrindo as ondas de 470 a 180 metros, são realmente bem curtas. Mas hoje sabemos que o tamanho das ondas nas frequências de RadioAmador na faixa do VHF em 144 mhz, atinge a casa dos 2 metros, a faixa de UHF em 440 mhz chega a centímetros. As frequências dos satélites estão em torno de 12000 mhz ( 12 ghz )  e as  Microondas então ? Só vendo no microscópio.

O cabo :
Muito se pergunta sobre o cabo da estação a ser usado como o seu tamanho e melhor tipo. Inicialmente o tamanho deve ser o menor possível mas existem cálculos que respeitam a cada tipo de cabo para que se tenha a menor perda possível por metro usado. Quando o tamanho do cabo consegue interferir em uma indicação de R.O.E, significa que a antena está fora da sintonia ou de impedância e o cabo influi nesse erro podendo até ser corrigido mas somente a antena é responsável pelas frequências e o cabo é apenas a linha de transmissão que geralmente é o mesmo para vários tipos de antenas nas mais variadas frequências, isso significa que quando o "canal" é alterado, somente a antena percebe a troca e o cabo não. O resultado disso é a R.O.E considerado baixo em uma escala muito curta de frequências (menos canais).
Para obter o melhor rendimento em uma estação e consequentemente um R.O.E baixo em um número maior de canais, vai abaixo os cálculos a ser usado para cada tipo específico de cabo:

CABOS DE 50 OHMS PIRELLI RG58 ou RG213 :
Cálculo com um número ímpar do cabo usando o indexador 1,825

CABOS DE 50 OHMS CELULAR :
Cálculo com um número ímpar do cabo usando o indexador 2,25

Ao final do corte correto do cabo, deve-se ajustar a antena até a obtenção do menor R.O.E possível.

TVI (TV interferência) :
Um dos assuntos mais complicados e de grandes aborrecimentos que envolve o RadioAmador é sem dúvida nenhuma o que chamamos de TVI ( interferências em algum aparelho eletrônico provocado pelo transmissor ). Embora um receptor de TV possua muita sensibilidade capaz de captar sinais de transmissores próximos, os aparelhos de TV da atualidade, vem de fábrica com filtros capazes de impedir a entrada de outras frequências que não sejam as que o aparelho está projetado para captar e portanto quando a interferência acontece, significa que a coisa está séria e aquele "filtrinho" colocado na antena do receptor certamente não vai resolver o problema pois a RF que está "vazando" do transmissor até a casa da "vítima", possui intensidade suficiente para que isso seja levado bem a sério. A antena do Radio Amador com R.O.E 1:1, elimina apenas um dos muitos motivos que causam as interferências e portanto essa antena não está livre de poder ser a grande culpada de tudo.
Um dos fatores que mais provoca o TVI é a geografia do local onde uma ou ambas das partes está localizado possuindo muito próximo um morro alto, uma casa com telhado de zinco, muitos fios elétricos de alta tensão um prédio etc.. que contribuem com uma fortíssima reflexão interferindo até mesmo em telefones, rádios, decodificadores de satélites etc... ou até mesmo em geladeiras, liquidificadores, chuveiros elétrico e outros aparelhos :-))).
A solução exata para resolver esse problema, pode não estar na manutenção das antenas da TV, na antena do transceptor colocando-o com estacionária baixa ou resolvendo os problemas de casos isolados como o som, telefones, rádios etc... e sim na eliminação total da "carga" de RF que a estação do RadioAmador está injetando na casa do interferido e para eliminar essa carga, devemos :

Trocar o tipo de antena: Isso não quer dizer que a antena usada é um tipo que provoca interferências mas um tipo que não pode ser instalada naquele local. Convém lembrar que essa antena pode ser a solução de um outro local. As vezes uma simples troca de localização da antena no telhado, pode ser a solução definitiva do problema.
Levantar mais alto a antena: Uma antena tem seu funcionamento mais acentuado quando ela está instalada em local alto. Isso impede também dessa antena refletir em obstáculos próximos.
Usar cabos de qualidadeOs cabos grossos e os celulares, são perfeitos nesses casos mas existem muitos tipos de cabos comuns que possuem blindagem acirradas e são de boa qualidade.

É claro que é necessário a colocação de filtros na antena do transceptor para barrar os harmônicos da frequência central mas a finalidade principal é demonstrar que se está fazendo algo para resolver o problema. As vezes colocando certos filtros baratos como os vendidos em ambulantes (camelôs) é uma solução simples que pode resolver de vez o problema, mas sempre é bom prestar atenção nas dores de cabeça que essa simples ou outras interferências pode trazer principalmente se o interferido ser um tipo de pessoa que sofre de problemas psicológicos necessitando um contato pessoal o mais pacífico possível mesmo que isso seja difícil de se fazer.

 

OBS: A obra acima, é de exclusiva autoria do Professor Angelo Antônio Leithold radioamador sob o indicativo PY5AAL. Apenas disponibilizamos em nosso site, para ajudar a divulgar este importante conteúdo para um maior númrero de rádio operadores. Solicitamos que o esforço e tempo utilizado da sua criação, fossem  reconhecidos e mantidos os méritos autorais.  
Acesse : https://sites.google.com/site/0antena/home/ndice/altura-da-antena-em-relao-ao-solo-para-leitura-de-rudo-de-fundo.
Lá você encontrará ótimas informações.

 

 

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