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O foco das antenas parabólicas (TEL021)

A posição do alimentador num sistema de recepção de sinais de TV via satélite é fundamental para se garantir que tudo funcione corretamente. Se bem que, em função da geometria da antena, seja óbvio para a maioria dos leitores que o alimentador deva ficar no centro geométrico do "prato" parabólico, nem sempre isso é verdade e neste artigo mostramos que existem algumas variações possíveis para o projeto dos refletores. Trata-se, sem dúvida de um artigo bem interessante para os leitores que se dedicam à instalação de antenas parabólicas.

 

Os sinais de altas frequências na faixa de gigahertz que são enviados pelos satélites possuem um comportamento peculiar que se aproxima bastante do comportamento da luz. Assim, com base em muitas leis da óptica física e da óptica geométrica podem ser projetados os dispositivos que vão operar com estes sinais.

Por este motivo, ao falarmos em sistemas de antenas de TV via satélites, muitos dos dispositivos possuem um comportamento que fica muito mais fácil de explicar se analisarmos os sinais captados como se eles fossem luz, ou seja, sinais luminosos emitidos por um ponto no espaço, que é o satélite (figura 1).

 

Podemos imaginar um satélite como um ponto de luz no espaço.
Podemos imaginar um satélite como um ponto de luz no espaço.

 

Para analisarmos então o porque do formato das chamadas antenas parabólicas devemos começar justamente com uma primeira lei da óptica. Esta lei nos diz que a reflexão de um raio de luz que incida sob um determinado ângulo numa superfície sempre reflete segundo o mesmo ângulo em relação a uma vertical denominada normal (N) e ainda de tal forma que o raio refletido e o raio incidente fiquem no mesmo plano, conforme mostra a figura 2.

 

Reflexão da luz numa superfície polida.
Reflexão da luz numa superfície polida.

 

As micro-ondas emitidas pelos satélites usados nas emissões de TV se comportam da mesma forma, e praticamente qualquer superfície de metal pode servir como refletor, diferentemente da luz que, por seu comprimento de onda extremamente pequeno, necessita que ela seja polida.

Um tipo de refletor importante tanto para a óptica como para as comunicações com micro-ondas é o que tem a forma parabólica.

Esta forma vem de uma curva bastante conhecida dos estudantes do segundo grau que é a parábola que pode ser descrita por meio de uma equação do segundo grau, conforme mostra a figura 3.

 

Parábola (curva de segundo grau).
Parábola (curva de segundo grau).

 

Se uma curva, cuja equação que a descreva seja do segundo grau girar em torno do seu eixo de simetria que no caso da figura 3 é o eixo Y, teremos a produção de uma superfície denominada "parabolóide", conforme mostra a figura 4.

 

Superfície gerada por uma parábola que gira em torno de y.
Superfície gerada por uma parábola que gira em torno de y.

 

Um parabolóide como o descrito pode ser "cortado" segundo diversos ângulos por meio de planos, caso em que obtemos superfícies parabólicas de diversos tipos, conforme mostra a figura 5.

 

Dois cortes possíveis do parabolóide formando
Dois cortes possíveis do parabolóide formando "refletores" parabólicos.

 

Estas superfícies, se transposta da matemática que as analisa como entidades imaginárias, para a física que as torna reais, passam a apresentar propriedades interessantes em relação à luz e às micro-ondas.

Tomemos inicialmente a superfície parabólica que seja cortada segundo um plano perpendicular ao eixo Y, ou seja, que tenha um eixo conforme mostra a figura 6.

 

Os sinais refletidos passam pelo foco.
Os sinais refletidos passam pelo foco.

 

Todos os sinais de micro-ondas ou a luz que incidir nesta superfície paralelamente ao seu eixo, ao se refletir passa por um ponto único denominado foco.

Em outras palavras, uma superfície refletora como este pode concentrar os sinais que venham segundo a direção de seu eixo no seu foco que, neste caso está na perpendicular ao seu centro geométrico.

Este é o formato da maioria das antenas que estamos acostumados a ver e que posicionam o alimentador com o LNB justamente neste foco, conforme mostra a figura 7, de modo que toda a energia captada possa ser concentrada num único ponto, onde ela é necessária.

 

Antena parabólica comum com alimentador centralizado.
Antena parabólica comum com alimentador centralizado.

 

No entanto, para termos o mesmo efeito não é absolutamente necessário que o corte da superfície seja feita da forma indicada.

Assim, se fizermos um corte inclinado, conforme mostra a figura 8, passamos a ter uma configuração bastante interessante e cômoda para uma antena parabólica ou mesmo um refletor usado num telescópio.

 

Uma codificação mais cômoda com alimentador lateral.
Uma codificação mais cômoda com alimentador lateral.

 

Veja então que passamos a ter um foco deslocado, mas o funcionamento é absolutamente o mesmo.

Na verdade esta antena pode até ter uma vantagem em relação ao tipo tradicional: enquanto que na antena com o alimentador na frente parte do sinal é bloqueada pelo próprio alimentador, nesta não!

As antenas com o alimentador no centro são denominadas do tipo "offset" enquanto que as que têm o alimentador lateralmente são denominadas "prime focus".

Na verdade, podemos até citar algumas vantagens adicionais para as antenas com o foco deslocado, além do alimentador não ficar na frente.

Uma delas é que a antena prime focus pode ficar numa posição mais favorável para a captação dos sinais do que a offset. Estando "mais inclinada" ela tem menos possibilidade de acumular água, sujeira ou neve, se não for do tipo de tela, conforme mostra a figura 9.

 

Antena
Antena "mais em pé" não acumula água.

 

Outra consideração importante que pode ser feita ainda em relação ao formato das antenas é a sua abertura.

O importante numa antena é que a superfície que a gere seja uma parábola e para esta finalidade podemos tomar qualquer trecho da curva.

Isso significa que, conforme mostra a figura 10, podemos obter antenas mais abertas ou fechadas conforme o trecho considerado da curva geradora.

 

Tipos de antena quanto à abertura
Tipos de antena quanto à abertura

 

A abertura de uma antena parabólica é importante no sentido de serem evitadas interferências locais, principalmente devido a links terrestres.

Uma antena mais profunda, ou seja, que tenha uma curvatura maior, é menos sensível a ruídos e interferências ambientes.

O que ocorre é que em condições normais poucas são as fontes comuns de radiação na faixa de micro-ondas.

No entanto, em algumas localidades podem existir links na faixa de microondas operados por serviços de telecomunicações.

Estes links, conforme mostra a figura 11 operam na faixa de micro-ondas que pode abrange a utilizada pelos satélites ou que podem ter harmônicas ou espúrias em tais faixas.

 

Interferência de link terrestre.
Interferência de link terrestre.

 

Como os sinais que vêm dos satélites são extremamente fracos devido à sua distância (36 000 quilômetros) qualquer fonte de sinal próxima, por fraca que seja, pode ser ainda mais forte que o sinal que chega à antena e com isso provocar interferências, conforme mostra a mesma figura.

Estes sinais podem ter uma reflexão irregular no próprio prato e com isso parte dele pode chegar ao alimentador causando interferências.

Uma antena mais profunda é menos sensível a este problema, daí pode ser feita a escolha do tipo em função da existência deste tipo de interferência.

O próprio posicionamento da antena é importante no sentido de se evitar a captação desses sinais e neste ponto, uma antena de foco lateral pode ficar em situação desfavorável se a direção do satélite for a mesma da fonte de interferência (link terrestre) conforme mostra a figura 12.

 

O tipo de antena também se relaciona com a imunidade à interferências.
O tipo de antena também se relaciona com a imunidade à interferências.

 

 

CONCLUSÃO

A forma dos refletores dos sistemas de TV via satélite não é apenas ditada por comodidade ou estética, mas sim por leis físicas muito bem estabelecidas. O técnico deve estar atento a estas formas e também ao posicionamento no sentido de não ter surpresas e entender melhor os problemas que ocorrerem quando for necessário encontrar uma solução.

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