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Antenas & Antenas

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Antenas & Antenas

Mensagem por ALF007 em Sab 23 Jul 2011 - 1:32

A eficiência de qualquer meio de comunicação por meio do rádio, principalmente tratando-se de equipamento QRP, depende em grande parte da antena ou conjunto de antenas que são utilizadas.
É por esta razão que se deve ter o máximo cuidado na escolha da antena; caso contrário, ela se transformará num fator limitante.
A antena determina se a potência disponível será irradiada em todas as direções ou não, qual ângulo sobre o horizonte e qual o fator de ganho. Além disso, freqüentemente será ela que eliminará interferências provenientes de alguma direção conhecida, além de evitar uma série de outros inconvenientes. Por todos esses motivos é que se impõe um cuidadoso estudo para a escolha correta da antena, para obter, em cada caso particular, a melhor recepção possível.
Primeiramente devemos observar que não existe um sistema de irradiação ideal, mas sim diversos tipos; o melhor sistema dependerá da análise de cada caso particular. Somente depois dessa análise poderemos determinar qual o melhor tipo para a situação que se tem pela frente.
Acontece freqüentemente que quando melhoramos uma característica acabamos piorando outra. Por exemplo, aumentando o ganho de uma antena numa determinada direção, teremos nessa direcção privilegiado um ganho bem maior, mas com o inconveniente de que nas outras direções o ganho será inferior.
Quando o objetivo é a comunicação com uma única estação, não há nenhum problema em
reduzir o ganho nas demais direções, pois assim as estações indesejáveis serão atenuadas,
melhorando sensivelmente o sinal recebido.
Se, porém, queremos contatar várias estações ao mesmo tempo, esse procedimento já não será aconselhável. Por isso, o fundamental é adequar cada sistema de irradiação a seus objectivos e necessidades específicas, bem como ao seu equipamento de rádio.

COMPRIMENTO DE ONDA:
Em radiofreqüência utiliza-se uma unidade de medida diferente das quais estamos acostumados, como por exemplo o metro, o centímetro e a polegada. Quando nos referimos a comprimento ou distância, ou seja, todos ou quase todas as relações existentes em radiofreqüência são medidas em comprimento de onda, cujo símbolo é: l
Assim, quando dizemos que uma linha de transmissão é de 1/4l, estamos nos referindo a um trecho de linha com um tamanho igual a 1/4l do comprimento de onda naquela linha, que pode ser um cabo coaxial ou outro tipo qualquer. Existe uma velocidade de propagação diferente da onda electromagnética para cada tipo de meio de propagação, por isso existem também diferentes comprimentos de onda para freqüências iguais.
Para sabermos qual o comprimento de onda em uma determinada freqüência, basta dividirmos a velocidade de propagação da onda eletromagnética no vácuo
( 300 000 000 m/s) pela freqüência (em Hertz). Por exemplo, para sabermos qual o comprimento de onda eletromagnética na freqüência de 7 MHz devemos fazer:

l = 300 000 000/7 000 000 = 42,86 metros

É por isso que a freqüência de 7 MHz é conhecida como faixa dos 40 metros. Assim acontece com todas as outras faixas. Quando calculamos antenas devemos subtrair 5% da velocidade de propagação eletromagnética, pois agora ela não está mais no vácuo e sim no meio físico que é o cobre do cabo coaxial. Alterando-se o material do cabo, teremos portanto outro valor de comprimento de onda, mas todos muito próximos do comprimento no vácuo. Após ajustes finos da antena, tais diferenças são compensadas. Veremos que quando calculamos o comprimento da antena deixamos um pouco mais de elemento irradiante para compensarmos as diferenças. Observe que em electrónica nada é exato, tudo tem uma tolerância.

DIAGRAMA DE IRRADIAÇÃO:
O diagrama de irradiação é a representação gráfica do ganho de uma antena num determinado plano.
Pode-se escolher qualquer plano, mas na prática dois deles são mais usuais: o diagrama de irradiação horizontal e o vertical.
Vamos considerar o diagrama de irradiação como sendo uma figura sólida no espaço. Então, o diagrama de irradiação horizontal é apenas a figura resultante do corte horizontal desse sólido.
Podemos observar que uma antena tem um determinado diagrama de irradiação "espacial", ou seja, em três dimensões. No entanto, é muito pouco prático fazer o levantamento desse diagrama sempre que se for testar uma antena. É por isso que foram escolhidos os dois planos mais importantes, que dão uma boa idéia de como a antena irradia.
Para se compreender bem esta figura e demais diagramas, devemos raciocinar da seguinte maneira: imaginemos a antena localizada no centro do diagrama, isto é, no ponto de cruzamento dos eixos X, Y e Z e com uma dimensão tão pequena que seja imperceptível a olho nu. A forma do sólido que surge dos diagramas de irradiação de uma antena é definida pela quantidade de energia de radiofreqüência que ela irradia em cada direção. A direção em que ela irradia mais apresenta uma figura mais alongada, e na direção em que a irradiação é menor a figura tem um formato mais afinado.
Assim, na figura acima, o plano definido pelos eixos X e Z representa o mínimo de irradiação da antena, e na direção da reta Y a irradiação é máxima.
Tudo o que foi dito é válido também para recepção. Assim, na direção em que houver maior
irradiação, haverá também maior ganho na recepção ocorrendo o contrário no caso inverso.

dB = 10 x log P2/P1

Por essa equação podemos calcular quantos decibels (o plural de decibel é mesmo decibels e não decibéis, conforme SI) uma dada potência P2 é maior que P1. Devemos notar que essa é uma medida relativa e que nos dá o quanto uma grandeza (potência) é maior que outra.
Agora, se um sinal for 6 dB mais potente que outro, por uma propriedade característica dos
logaritmos, o primeiro será 2 x 2 = 4 vezes maior que o segundo (6 dB = 3 dB + 3 dB). No caso de termos 9 dB, fazemos o desdobramento:

9 dB = 3 dB + 3 dB + 3 dB , o que nos dá 2 x 2 x 2 = 8 vezes

Quando tivermos 10 dB, a potência P2 será 10 vezes maior que P1. E assim, quando quisermos saber quantas vezes uma certa potência é maior que outra, basta separá-la (os dB) em somas de 3 dB e multiplicar por 2 cada vez que tivermos um 3. Se tivermos um múltiplo de 10 é ainda mais fácil, pois basta multiplicar por 10. Veja os exemplos:

6 dB = 3 dB + 3 dB = 2 x 2 = 4 vezes
13 dB = 10 dB + 3 dB = 10 x 2 = 20 vezes
16 dB = 10 dB + 3 dB + 3 dB = 10 x 2 x 2 = 40 vezes
26 dB = 10 dB + 10 dB + 3 dB + 3 dB = 10 x 10 x 2 x 2 = 400 vezes
e assim por diante.

Como podemos perceber, é até mais fácil do que usar a calculadora e com um pouco de prática pode ser feito até de cabeça. Não devemos, porém, confundir os dB de potência e de tensão. Este último é dado por outra relação semelhante, expressa pela seguinte equação:

dB = 20xlogV2/V1

Voltando às antenas, podemos aplicar esse conceito ao que já vimos. Como referência podemos usar qualquer valor, mas na prática consagrou-se o uso do isotrópico ou do dipolo meia onda.
Se compararmos a antena com uma fonte de luz, a antena isotrópica equivaleria a uma lâmpada que ilumina igualmente a superfície interna de uma esfera que a envolve. Já uma antena direcional, que irradia preferencialmente em uma dada direção, seria comparada com uma lanterna que ilumina somente uma parte da área da esfera considerada.
Podemos então perceber que um modo de medir o ganho seria dividir a área total da esfera pela área "iluminada" pela antena. Quanto menor for essa área, maior o quociente e tanto maior o ganho.
Como a luz da lanterna não ilumina só aquela área, mas sim uma área difusa, sem contornos
definidos, foi escolhida a área iluminada a meia potência como aquela que seria usada como
referência.
Quando comparamos a área total com a área referenciada estamos fazendo a comparação entre uma antena real e o isotrópico, e isso deve ser observado. No caso de usar o dipolo meia onda como referência, teríamos diferentes áreas, o que daria números diferentes para o mesmo valor do ganho. Por isso é importante indicar em qual referência o ganho é dado.

ANTENA ISOTRÓPICA:
Antena isotrópica é aquela que irradia igualmente em todas as direções. Os diagramas de irradiação vertical e horizontal são em forma de circunferência, pois o diagrama no espaço seria equivalente a uma esfera. Essa antena pode ser comparada a uma lâmpada que ilumina igualmente em todas as direções.
A antena isotrópica existe somente na teoria (não existe antena ideal), e sua finalidade é servir como padrão de referência na medição de outras antenas, embora alguns fabricantes considerem a antena dipolo um elemento bem melhor como padrão de referência, porque ela é uma antena real e não imaginária.
De qualquer forma, a escolha de uma ou outra referência não altera em nada as características da antena medida. É a mesma coisa que medir uma mesa em metros ou polegadas, apesar dos números se apresentarem diferentes o tamanho da mesa será igual. É lógico que sempre é necessário indicar qual a unidade que foi usada (metros ou polegadas). A mesma coisa acontece no caso da antena: devemos indicar qual o padrão de referência que usamos para expressar o seu ganho.
Ainda mais: no caso de uma comparação, deve-se ter o cuidado de expressar ambos os ganhos comparados em relação à mesma referência. Voltando ao nosso exemplo, só podemos comparar uma medida em cm com outra também em cm; não podemos comparar centímetros com polegadas. Por isso é que não tem validade alguma afirmar que uma antena tem um ganho de 10 dB, para que a afirmativa seja válida é necessário indicar se esses 10 dB são em relação à antena isotrópica ou a outra referência escolhida, daí vermos em manuais valores expressos em dBi (de isotrópica) ou dBd (de dipolo).

COEFICIENTE DE ONDA ESTACIONÁRIA(R.O.E.):
Toda antena tem uma determinada impedância, que é igual à resistência de irradiação mais uma componente reativa, acontecendo o mesmo com os cabos coaxiais (ou outra linha de transmissão qualquer), só que esses não apresentam a parte reativa. Acontece que se não houver casamento entre a impedância da antena e a do cabo, ao alimentarmos tal conjunto com um sinal de radiofrequência, teremos um efeito que se chama onda estacionária, efeito esse que será tanto maior quanto maior for o descasamento entre o cabo e a antena.
Um dipolo ou outro tipo qualquer de antena apresenta uma certa impedância entre seus terminais na frequência de ressonância. Vamos considerar que nesse ponto sua impedância esteja perfeitamente casada com a do cabo. Se mudarmos um pouco a freqüência do sinal para cima ou para baixo em relação à freqüência de ressonância, a impedância da antena também será alterada ocasionando assim um descasamento entre ela e o cabo de alimentação, o que nos leva a um aumento do coeficiente de ondas estacionárias.
A sigla R.O.E. (relação de onda estacionária) ou COE (coeficiente de ondas estacionárias) podem também aparecer como SWR, que vem do inglês standing wave ratio.
Quando não for possível a medição do coeficiente de ondas estacionárias, existe um método de cálculo muito simples que nos dará esse valor. No entanto, ele só é válido quando a impedância da antena for puramente resistiva. A ROE será dada por:

ROE = Zl/Za ou ROE = Za/Zl

O uso de uma ou outra dessas fórmulas depende apenas de Zl (impedância resistiva da linha) e da Za (impedância resistiva da antena). Como a ROE tem sempre que ser maior que um, basta colocar o valor maior sempre no numerador. Vamos ver um exemplo:
Qual a ROE para uma antena de 80 W de impedância ligada a um cabo coaxial de 50 W?
80 W/ 50 W = 1, 6 = ROE (então a ROE é 1,6 : 1)

ANTENA DIPOLO:
Este é o tipo mais comum dentre as várias categorias de antenas. Seu ganho sobre o isotrópico é de aproximadamente 1,6 dB. Geralmente ela sozinha não constitui o próprio sistema de irradiação, é uma parte básica dele, como é o caso das antenas direcionais. Existem dipolos de vários tamanhos: o de meia onda, e o mais comum, o de uma onda e meia (1,5 l).
Se tivermos um dipolo de l/2 que esteja funcionando numa dada freqüência, ao dobrarmos a
frequência esse mesmo dipolo será ressonante nesta nova freqüência, só que desta vez em onda completa. No entanto, a impedância no ponto de alimentação não é muito adequada, e seria recomendável alimentá-lo fora de centro em um ponto que apresente melhor casamento.

CÁLCULO PRÁTICO:
Vejamos agora como podemos dimensionar um dipolo de l/2 para uma freqüência qualquer desejada. Como visto em COMPRIMENTO DE ONDA temos: o comprimento de onda em uma determinada frequência é igual à velocidade de propagação da onda eletromagnética no vácuo ( 300 000 000 m/s) dividido pela freqüência (em Hertz) em questão ou então:

l = 300/ f (MHz)

Na situação acima, f é dado em MHz e l, em metros. Como a velocidade de propagação da onda electromagnética no vácuo é máxima e que em outros meios ela é menor, o fio condutor da antena terá o comprimento de onda 5% menor. Dessa forma, l será:

l = 0,95 x 300 / f (MHz) = 285 / f (MHz)

Como um dipolo meia onda é l/2, resulta:

l/2 = (1/2) x (285/f) = 142,5 /f (MHz) = comprimento total ( extremo a extremo)
Com esta equação temos um meio de calcular o tamanho para a antena desejada. Vejamos um exemplo:
Qual deve ser o comprimento de uma antena de meia onda para um transmissor que trabalha em 7050 MHz?
Comprimento da antena = 142,5/7,050 = 20,21 metros
O comprimento de 20,21 metros é de extremo a extremo, portanto teremos dois pedaços de fio de 10,10 metros. Veremos como efetuar a instalação de uma antena dipolo clássica a seguir.
COMO INSTALAR UMA ANTENA DIPOLO PARA HF:
A instalação desse tipo de antena é muito fácil, mas deve-se ter alguns cuidados para evitar campos parasitas e valores de ROE indesejáveis. Como ela é uma das mais usadas, vale a pena nos aprimorarmos um pouco mais no assunto.
A primeira coisa a fazer é o cálculo do comprimento da antena pelas equações vistas anteriormente.
Por exemplo, para calcularmos um dipolo que funcione em 7060 MHz, temos:
l = l/2 = 142,5 /7,060 (MHz) = 20,18 metros

Feito isso, o próximo passo é a escolha do fio a ser empregado. Na maioria das vezes o que se costuma fazer é utilizar uma bitola de fio que sirva para os casos mais freqüentes, ou seja, casos em que temos potências envolvidas relativamente pequenas. Essa bitola pode ser 12 ou 14 AWG para potências de até 1 kW (1000 watts). Estações de radioamadores, faixa do cidadão e alguns serviços comerciais se enquadram perfeitamente nessa categoria. Os QRPistas(operadores de equipamentos de transmissão com baixa potência) não enfrentam tal problema, mas a bitola do fio maior será interessante, pois assegura boa resistência mecânica. Utilize preferencialmente o fio 12 AWG, pode ser encapado mesmo.
A maneira tecnicamente correta de se instalar um dipolo de l/2 onda é pendurá-lo por suas
extremidades, deixando o cabo coaxial sair em ângulo reto para baixo de seu centro ou então prendê-lo em sua parte central pelo isolador, fazendo com que as duas metades formem um V invertido, num ângulo de 90 graus. Essa configuração chama-se justamente V invertido.
Qualquer que seja a configuração escolhida, vemos que o fio ficará tracionado, o que acabará por alongá-lo, principalmente porque a liga geralmente empregada nos condutores não é pura. Devemos então compensar um pouco esse efeito, alongando um pouco o fio antes de fazer a antena. Isso evitará que com o passar do tempo o próprio peso do cabo coaxial acabe por deformar o dipolo. Para
alongá-lo , amarra-se uma das pontas do fio a ser usado em uma árvore ou poste, e por meio de um apoio amarrado na outra ponta puxa-se o fio até que tenhamos um alongamento de uns 5% do tamanho original.
Um outro detalhe, posso mesmo utilizar fio encapado? Sim, não há motivo para preocupação, pois tanto o fio encapado como esmaltado se prestam igualmente a isso. O único detalhe é que no caso do fio esmaltado devemos raspá-lo antes de soldá-lo.
Quando efectuar a soldagem, procure raspar bem todas surperfícies antes de juntá-las para a solda.
Uma boa ideia seria a de dar uma estanhada nos dois lugares antes de uni-los, para garantir que a solda faça contato quando as superfícies são bem limpas.
Depois de esticar o fio, com auxílio de uma trena medimos o comprimento l e, deixando uma certa folga (mais ou menos 1 metro) para ambos os lados, cortamos o fio no seu ponto central.
O cabo coaxial deverá ter a sua extremidade desencapada (capa preta de vinil) uns cinco
centímetros; a malha deve ser desfiada e agrupada como um único condutor. O condutor central deverá ter o isolante do coaxial removido um centímetro a partir da ponta, soldando-se a malha e o fio interno do coaxial num dos extremos de cada fio utilizado um isolador central que pode ser comprado em casas especializadas ou feito de madeira ou plástico.
Como último detalhe temos as pontas extremas da antena. poderemos usar castanhas de cerâmica ou isoladores de material plástico, vendido em casas do ramo.
A antena está pronta para ser instalada entre dois pontos previstos para essa finalidade. Não devemos esquecer que essa é uma antena direcional e que o máximo desempenho, tanto na transmissão como recepção, se dá nas direções perpendiculares ao eixo do fio condutor.

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