UM POUCO DE TEORIA BÁSICA E OS FUNDAMENTOS INICIAIS DE UMA ANTENA

Antena:

Antena é o dispositivo cuja função é transformar energia 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 onde exista radiofreqüência.
Por sua natureza, deduz-se a antena, na cadeia de transmissão/recepção, ocupa sempre o último lugar na transmissão e o primeiro lugar na recepção, daí a importância de seu estudo e entendimento.

Em geral, no estudo e projeto de antenas, pode-se dizer que não importa em que freqüência do espectro seja aplicada, sempre serão usados os mesmos princípios matemáticos e práticos da teoria eletromagnética, ela é constante, imutável e invariável. A relação entre as potências de emissão e recepção é proporcional e obedece à Lei de Friis.

As primeiras antenas presume-se, foram criadas por Heinrich 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 teoria eletromagnética, esta proposta pelo matemático e físico James Clerk Maxwell. Por isso quanto maior a freqüência de utilizada nas antenas, maior deve ser a precisão dos dispositivos, equipamentos e medições.


Campos de irradiação e propagação:


O velho 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, isto é, cessou a causa (Queda da pedra), porém o efeito (propagação de ondas) teve seu prosseguimento, independentemente daquela ter cessado. As linhas de fluxo, concêntricas em forma de ondas transportam energia, este deslocamento da energia, define-se como propagação, e 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, chama-se campo próximo.
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 semiciclo, e não chegam a se fechar, portanto, não se propagam, chama-se a este efeito campo próximo, de Fresnel ou campo de indução.
Quanto às linhas que se fecham, portanto se propagam no espaço e continuam carregando consigo energia irradiada, análogo ao exemplo acima, denomina-se campo distante ou de Fraunhofer, ou para ser mais exato, campo de irradiação. Na antena com refletor, ambos são importantíssimos.
A principal dedução exemplificada tanto na teoria quanto na prática, é que o campo elétrico na região distante varia com o inverso da distância, enquanto que na região próxima isto não acontece.
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, aproveitando-a, induzindo-a ao elemento parasita, tanto diretor, quanto refletor, se for o caso.
A região distante é importante para as radiocomunicações, portanto, deve ser delimitada a fronteira entre elas.

Existem duas expressões para esta delimitação:

O-----------------------------------------------O----------------------------------------------O
R= 10l e R= 2L2 / l

R= separação entre as duas regiões.
L= o maior tamanho da antena.
l= comprimento de onda.(lâmbda representado como l )
O----------------------------------------------------------------------------------------------------O

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


IRRADIAÇÃO E DIRETIVIDADE DE UMA ANTENA:

A antena é um sistema que irradia energia eletromagnética, podemos conhecela a partir do processamento da irradiação, da eficiência e da distribuição da energia irradiada através do campo, dentro do espectro conhecido, ou arbitrado.
O diagrama de irradiação nada mais é do que o mapeamento prático/teórico da distribuição de energia irradiada, levando em conta o campo tridimensional.
Existem diversas maneiras de levantá-lo, algumas mais simples outras mais trabalhosas, portanto vale aqui o princípio científico da Navalha de Ocam, onde se um ou mais sistemas de análise chegarem ao mesmo resultado, sempre valerá o mais simples, isto é aquele menos trabalhoso.
Para levantar-se o diagrama de irradiação, deve-se toma-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.
Normalmente levanta-se o diagrama à separações entre antenas de prova e teste não inferiores a dez vezes ao comprimento de onda da freqüência de teste, por exemplo, se estamos levantando um sistema que opera no comprimento de onda de quarenta metros, deve-se tomar as medições no mínimo à quatrocentos metros de distância.

DIAGRAMA DE IRRADIAÇÃO:

Para levantar-se o diagrama de irradiação de uma antena, devem ser usados alguns procedimentos básicos.Em primeiro lugar, deve-se ter uma antena de prova, e uma antena de teste.

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

Três passos devem se seguidos, após tomadas todas as precauções acima.
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.



As medidas e características servem tanto para transmissão quanto para a recepção, obedecendo a lei da reciprocidade.
Na resultante da experiência acima 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 potência, se a polarização é vertical , ou horizontal, e o principal, o levantamento, sempre que possível deve ser executado em 360 graus.

No caso de uma antena dipolo, na polarização horizontal, é perfeitamente possível a diagramação da irradiação em dois sentidos, isto é, existem duas frentes de onda.
O diagrama representado nesta página FIG 1 é típico de um diagrama de irradiação em representação polar no plano.

Observe que há um lóbulo principal de irradiação e lóbulos secundários de menor amplitude.
Para antenas de feixe estreito, helicoidais, antenas de radar, por exemplo, carece utilizar o diagrama retangular e não o polar, devido à precisão necessária, este tópico não será abordado, devido ao estudo dirigir-se às antenas com refletor.
Devido à dualidade da energia emitida e à lei de reciprocidade, exemplificado anteriormente, 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 à 0,707, pois devemos lembrar que estamos trabalhando com lóbulos, e o cálculo é muito semelhante ao cálculo senoidal.
Verifiquemos que o diagrama de fase da antena nada mais é do que 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, imagine 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 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.
Dedução lógica: quanto mais agudo o lóbulo principal maior a irradiação ou iluminação desta antena e seu lóbulo, numa determinada direção.

Para ser dada continuidade de raciocínio e para deduções posteriores existe a necessidade de definir a antena isotrópica...

DEFINIÇÃO DE ANTENA ISOTRÓPICA:

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.
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, onidirecional, que ilumine a parede interna de uma esfera virtual uniformemente.
Esta é o que podemos chamar de antena isotrópica onde se hipoteticamente Pr = Po então logicamente a diretividade ficará :

D = P/ Po

Não cabe aqui usar o cálculo integral para deduzir densidade de potência sobre superfície esférica. Usarei a seguir exemplos intuitivos para tentar explicar e simplificar deduções matemáticas ( para aqueles que tiverem a curiosidade a respeito dos cálculos, peçam-me por e-mail e os mesmos serão enviados sem problema algum ).


A potência total irradiada por uma antena pode ser imaginada da seguinte forma:
Imagine 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 desta esfera.
Veja que 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.
Pronto! Esta é a nossa antena isotrópica, melhor sem a matemática, embora impossível sem ela não é?
Agora, imagine esta mesma esfera com a mesma lâmpada em seu centro.
Porém a lâmpada, não é mais um ponto, e sim um segmento, no centro da esfera, um filamento, digamos.
O que acontece agora com a iluminação, nas paredes internas de nossa esfera? Como é a distribuição da iluminação nestas paredes?
Raciocinemos, 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. Fica fácil então continuar o raciocínio sem utilizar maçantes exemplos matemáticos.
Como fica então a iluminação da parede interna de nossa esfera? Vejamos; ao observarmos nosso 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. Aí 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.
Pronto, agora já podemos entender o porquê da importância da antena isotrópica como padrão de comparação tanto em relação a ganho, quanto em relação a diretividade, que diga-se de passagem, todos esses parâmetros estão intimamente co-relacionados.

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