O que é Antena?

Postado por leopedrini domingo, 20 de março de 2011 09:09:00 Categories: Curso
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Se perguntarmos apenas apenas em relação ao dispositivo, com certeza você saberá definir o que é uma antena, ou pelo menos já tenha visto. Também sabe que alterando certas condições ou características, por exemplo o direcionamento das mesmas, elas melhoram a comunicação no enlace.

 

 

Mas se alguém pedir para descrever técnicamente o que é uma antena, você saberia descrever como ela funciona?

Pois é sobre isso que vamos falar hoje.

 

Conceitos Básicos

Antes de começarmos a definir o funcionamento de uma antena, vamos conhecer (ou relembrar) alguns conceitos básicos.

Entendendo esses conceitos, será mais fácil de entender o funcionamento de uma antena.

 

Comprimento de Onda

Ondas de rádio(eletromagnéticas) tem parâmetros físicos, dos quais podemos destacar a freqüência. Sabemos que não é fácil visualizar.

Então, vamos fazer nossa primeira analogia: imagine uma gota d'água caindo na superfície plana de um balde com água.

 

Após a gota atingir a água em repouso, conseguimos visualizar as ondas formadas.

Em telecom especificamente podemos descrever o modelo de ondas senoidais: o comprimento de onda é distâncias entre dois máximos.

 

Matematicamente, o comprimento de onda (λ) é definido pela velocidade com que a onda se propaga (c), dividido pela frequência (f) da mesma.

λ = c / f

Comprimento de Onda (λ): é representado pela letra grega λ;Velocidade (c): considerando que as nossas ondas se propagam no ar, podemos considerar como a velocidade da luz no vácuo – c – 300.000.000 m/s ( que pode ser representado por 300M m/s);Frequência (f): frequência do sinal estaremos utilizando.

Por exemplo, em um sistema de 900 MHz, temos: λ = (300 Mm/s)/(900 MHz) = 0.33333... ou 33.33 cm.

 

Polarização

Quando falamos de ondas eletromagnéticas, outro conceito importante é o de polarização, ou seja, qual o plano da componente elétrica na qual a onda se propagará.

Ok, começou a complicar? Então vamos explicar melhor.

As ondas eletromagnéticas são compostas por dois planos – horizontal e vertical. Esses planos representam os campos elétrico e magnético. Estas componentes são sempre ortogonais entre si, vetores defasados em 90 graus. Eles variam em fase - ou com zero graus - de defasamento elétrico.

A velocidade (também vetor) de propagação desses dois campos por sua vez se propaga a 90 graus dos dois.

A figura a seguir nos ajuda a visualizar esses vetores.

 

Então, dependendo da forma como o acoplamento do sinal seja feito - a antena esteja orientada - temos a sua definição de polarização.

Se o transmissor for tal que a onda esteja totalmente no plano vertical (plano Elétrico E), então temos polarização Vertical. Se a onda estiver no plano horizontal (plano Magnético B), temos polarização Horizontal. Existem também outros tipos de polarização, como polarização Cruzada e polarização Circular (direita e esquerda), que na verdade são combinações das polarizações Vertical e Horizontal, e também da diferença de fase.

O conceito de polarização é muito importante em antenas, principalmente porque quando um sinal é transmitido em uma polarização deve ser recebido na mesma polarização, caso contrario, teremos uma atenuação(perda) denominada de polarização cruzada.

Para entender melhor a polarização de ondas, vamos ver alguns exemplos, onde destacamos apenas a componente E - campo elétrico. (Lembre-se porém que sempre existem um campo magnético a 90 graus do campo elétrico).

 

E veja como fica a onda (componente elétrica E) para polarização Cruzada – combinação das polarizações Vertical e Horizontal, eletricamente em Fase.

 

Vamos parar por aqui, nossa habilidade artística (?) nos limita. Mas uma onda de polarização Circular (componente elétrica E) - combinação de duas ondas polarizadas – uma Vertical e outra Horizontal, eletricamente defasadas em 90 graus, mas com mesma amplitude, seria "mais ou menos" como desenhamos abaixo. Com certeza, a onda real é pelo menos "tremida".

 

Como exemplo de antenas com polarização Circular temos as Antenas Helicoidais ou Yagi Cruzadas com Polarização Circular (a esquerda ou a direita), mais conhecida como RHCP (Right Hand Circular Polarization) ou LHCP (Left Hand Circular Polarization). Veremos mais sobre suas aplicações oportunamente.

 

Antenas

Certo, após breve introdução de alguns conceitos basicos, vamos falar de antenas.

Por definição, uma antena é um dispositivo criado para transmitir ou receber energia eletromagnética, casando essas fontes de energia e o espaço. Muitas vezes também são chamadas de sistemas irradiantes. Note que o mesmo dispositivo pode ser usado para transmitir ou receber esta energia.

Vamos começar vendo uma representação simplificada de um sistema de transmissão e recepção.

 

A informação original é alterada, por exemplo através de algum tipo de modulação e tratamento, e continua transmitida ou guiada por um cabo até a antena. A antena então irradia essa informação pelo meio(ar), até que ela chega a outra antena, que nesse caso fará a recepção do sinal, fazendo com o mesmo continue o caminho pelo cabo até o dispositivo que fará por exemplo a demodulação (e outros tratamentos), recuperando a informação original. Nota: Apenas como exemplo, não estamos considerando as perdas existentes.

Certo, mas como a antena funciona? Como ela irradia a informação?

Para entender isso de verdade, precisamos de uma pequena revisão atômica!

Calma, vamos apenas falar sobre átomos: Os átomos são as menores partes possíveis de qualquer elemento químico. É, tudo que existe é formado por elementos.

Simplificadamente, em sua maioria os átomos são formados por, prótons, elétrons e nêutrons. No núcleo do átomo temos os nêutrons e prótons. Já os elétrons ficam se movimentando livremente ao redor desse núcleo, numa trajetória como carros de uma corrida maluca.

 

Uma atração (positivo-negativo) é o que torna possível que os elementos existam.

 

Mas o que isso tem a ver com o funcionamento da antena?

As antenas geralmente são feitas com matériais metálicos (aluminio/latão). Esses metais, são formados por átomos. Quando todos os átomos são reunidos – para formar o metal, temos então um conjunto de elétrons livres.

E quando esse conjunto de elétrons livres é submetido a uma Tensão Elétrica (campo elétrico), os mesmos começam a se movimentar e vibrar.

Quando os elétrons vibram de um lado a outro da antena, eles criam uma radiação eletromagnética na forma de ondas de rádio.

 

Pausa: Está conseguindo acompanhar como a energia é irradiada pela antena?

Bom, então você já entendeu tudo. Porque agora, simplesmente acontece o inverso.

As ondas de rádio eletromagnéticas que saem da antena de transmissão viajam pelo meio, por exemplo o ar, e chegam até a outra antena - recepção. O efeito desse campo eletromagnético atingindo a outra antena é fazer com que os elétrons livres da mesma vibrem – o que agora gera uma corrente elétrica com o sinal que foi enviado a partir da antena de transmissão.

 

Então agora podemos concluir: na transmissão as antenas convertem a corrente elétrica (elétrons) em onda eletromagnética (fótons), e na recepção fazem o inverso – transformam as ondas eletromagnéticas (fótons) em corrente elétrica (elétrons).

A informação é preservada porque a antena atua como um transdutor casando os condutores que geram esses campos. Por exemplo na transmissão, o campo eletromagnético gerado corresponde a determinada tensão e corrente alternada. Já na recepção, a mesma referência de tensão e corrente alternada será induzida.

 

 

Uma Antena Simples

Continuando, considere a representação do tipo mais simples de antenas, a antena dipolo. Como o próprio nome sugere, é uma antena com dois pólos.

É um dos modelo de antenas mais fácil de se fazer, e consiste de dois pedaços de fio de mesmo comprimento, separados um do outro por um isolador central, podendo ter um isolador em cada extremidade para fixá-lo a um suporte.

Na figura abaixo temos um exemplo de uma antena dipolo (isoladores mostrados em vermelho na figura).

 

Vamos usar esse exemplo para falar de antenas, mas agora vamos a uma questão basicamente simples, mas que muita gente não consegue explicar:

"Como é possível haver uma corrente na antena, se as duas partes finais estão abertas? Isso foge totalmente daquilo que aprendemos, onde para haver corrente, precisamos de um circuito fechado, não?"

Para responder isso, novamente voltamos aos conhecidos conceitos de circuitos elétricos.

Você deve se lembrar do conceito de Capacitância (C), definida através do uso de capacitores. E existe um tipo de inevitável de capacitância que sempre surge entre os compontentes próximos uns aos outros no circuito – e geralmente indesejada: a capacitância parasita.

Só que no nosso caso, essa capacitância é o que permite que a antena funcione!

 

Em alta frequência, a capacitância parasita entre os dois braços da antena apresenta baixa impedância, e representa o caminho de retorno da corrente.

Resumindo: uma antena sintonizada pode ser considerada como um circuito RLC (Resistência R, Indutância (L) e Capacitância (C)!)

Está começando a ficar mais claro?

Nota: você pode se perguntar: "E no caso de antennas com um braço apenas?" Não se preocupe, a antena vai sempre procurar um plano de referência para atuar como "terra", como por exemplo uma haste de metal próxima.

 

Pelo que foi mostrado, podemos afirmar que toda antena requer duas partes para irradiar energia. E também que essa energia é proporcional a corrente do dipolo.

Tudo bem até agora? Após tantas pausas para explicações complementares, vamos continuar falando sobre ainda mais conceitos.

 

Ressonância

Relembrando o que vimos até o momento, as ondas elétricas nas antenas têm geralmente um comprimento de onda fixo.

Também vimos que uma antena pode ser considerada como um circuito RLC, onde essas caracterísitcas são dadas pelo ambiente onde as antenas estão, e pelas suas propriedades físicas – principalmente sua dimensão.

Pronto para mais um conceito? Então vamos lá: Ressonância!

De forma geral, a ressonância é o fenômeno que ocorre em uma determinada frequência onde temos uma transferência de energia máxima possível.

No caso de antenas, para que haja ressonância, o seu tamanho (comprimento físico) deve ser múltiplo de seu comprimento de onda. Nesse caso, teremos então uma frequência principal onde a antena entrega a máxima quantidade de energia possível - ressonante. E quanto maior o tamanho (comprimento) dos elementos da antena, menor é a frequência ressonante.

Em termos mais técnicos, temos ressonância na frequência onde as reatâncias capacitivas e indutivas se anulam – temos uma impedância puramente resistiva.

 

A maioria das antenas são utilizadas em sua frequência de ressonância. Isso porque quando nos afastamos dessa frequência de ressonância, os níveis de reatâncias dão lugar a parâmetros que podem comprometer o funcionamento, por exemplo o SWR, já explicado em um outro tutorial. A impedância da antena deixa de ser puramente resistiva, apresentando uma impedância complexa – nois dois sentidos da palavra, o que acaba trazendo um comportamento indesejado.

É claro que uma antena não ressonante também funciona – transmite e recebe. Mas precisa de um transmissor muito mais potente (pois uma menor parte da energia de entrada vai estar presente na saída). E pelo mesmo motivo, precisa de um receptor com uma sensitividade muito maior. Ou seja, a eficiência do sistema será bem menor!

 

Comprimento de Onda X Comprimento da Antena

Só para concluir por hoje, você deve se lembrar que falamos que para haver ressonância o tamanho físico da antena deve ser múltiplo de seu comprimento de onda.

Vamos tentar entender porque exatamente esse valor? Para variar, vamos relembrar mais conceitos...

Lembre-se que um circuito elétrico – já que também já falamos que uma antena sintonizada funciona como um circuito RLC – a Tensão (Diferença de Potencial):

em um Curto Circuito é igual a Zero;em um Circuito Aberto é Máxima.

Pois bem, na extremidade da antena, temos um Circuito Aberto - portanto o ponto com a Máxima Tensão.

E considerando as duas extremidades – uma com a máxima tensão positiva, e outra com a máxima tensão negativa – temos no centro o ponto com Tensão Zero.

 

Essa distância ente a extremidade e o ponto central é a distância entre o ponto de Máxima Tensão (bolinha amarela na figura) e o ponto de Tensão Zero (bolinha verde na figura) – e é de um quarto do comprimento de onda!

 

Propriedades e Tipos de Antenas

Após nosso breve resumo, focado principalmente no funcionamento das antenas, podemos prosseguir com vários outros conceitos, tipos de antenas, etc.

Alguns conceitos – por exemplo Impedância – também foram mencionados, porém não foram bem descritos.

Mas por hoje, nosso tutorial já se estendeu demais, e também fica muito difícil absorver mais conhecimento do que o que foi exposto aqui, de uma só vez. Assim, vamos deixar essa complementação, bem como a continuação do assunto de antenas para próximos tutoriais. Ainda há muita coisa a ser falada, muitas dúvidas a serem eliminadas.

Esperamos que você tenha conseguido entender pelo menos um pouco dos conceitos básicos das antenas.

 

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Ficaremos muito felizes com a sua participação. Muito obrigado, de verdade!

 

Conclusão

Hoje tivemos uma primeira abordagem sobre antenas, um assunto indiscutivelmente importante, e um sistema essencial para a boa performance de qualquer rede.

Como sempre numa linguagem mais informal, tentamos fluir o assunto de maneira simplificada, pois um assunto bem entendido é uma base para quaisquer outros aprofundamentos e detalhamentos, sempre que necessário.

Novos tutoriais sobre o assunto serão publicados oportunamente, sempre com um foco cada vez mais profundo.