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Conheça o Cofasamento de Antenas (TEL179)

Dois é sempre melhor do que um? A utilização de duas antenas no carro para transmissões na faixa do cidadão nem sempre pode levar aos resultados esperados. Veja neste artigo porque o uso de antenas cofasadas nos carros exige muito cuidado e nem sempre traz resultados satisfatórios.

Obs. Este artigo foi escrito em 1981 visando as antenas para a faixa do cidadão (11 metros), mas os conceitos básicos são válidos para outras faixas.

Toda antena tem um padrão de irradiação. Este padrão é uma indicação de como os sinais são irradiados por esta antena em todas as direções possíveis.

Assim, dizemos que uma antena é unidirecional quando ela irradia do mesmo modo seus sinais em todas as direções. Representando este comportamento num gráfico, temos algo como mostra a figura 1.

 

Figura 1 – Padrão unidirecional de irradiação
Figura 1 – Padrão unidirecional de irradiação

 

Veja que todos os pontos da figura são equidistantes do centro tomado como referência indicando, portanto, que a intensidade com que os sinais são irradiados em qualquer direção é a mesma.

Se uma antena apresenta uma certa diretividade, por exemplo, o que teremos num gráfico semelhante será a figura 2, em que há um lobo maior que representa a direção segundo a qual a intensidade de sinal é maior.

 

Figura 2 – Padrão direcional de irradiação
Figura 2 – Padrão direcional de irradiação

 

Este tipo de padrão é obtido, por exemplo, numa antena dipolo com um refletor na parte traseira. Para uma antena dipolo simples o padrão obtido será o da figura 3.

 

Figura 3 – Padrão de irradiação de um dipolo
Figura 3 – Padrão de irradiação de um dipolo

 

As antenas verticais ou pIano-terra usadas pelos PX são projetadas para.terem um padrão de irradiação semelhante ao mostrado na figura 1 pois deseja-se a facilidade de comunicação em qualquer direção sem a necessidade de se mexer na sua posição.

Entretanto, o comportamento indicado para este tipo de antena depende não só do desenho da própria antena como também da sua instalação.

Verifica-se que a presença de objetos nas proximidades da antena ou mesmo sua localização num telhado irregular ou num local em que o pIano-terra seja alterado (pois o formado pelas varetas da própria antena não é perfeito) podem afetar sensivelmente o padrão de irradiação da antena levando-a a apresentar pontos de menor rendimento, conforme mostra a figura 4.

 

Figura 4 – Padrão real de irradiação de uma antena plano-terra
Figura 4 – Padrão real de irradiação de uma antena plano-terra

 

Nas comunicações fixas este problema não é grave, mas nas comunicações móveis quando o veículo muda constantemente de posição em relação à estação contatada é muito importante que o rendimento da antena seja o mesmo em qualquer direção.

Muitos PX têm usado duas antenas em lugar de uma no seu veículo, numa configuração denominada “cofasada" visando com isso obter não só maior rendimento na irradiação, mas também maior uniformidade no padrão de irradiação. Entretanto, o uso de antenas cofasadas é um assunto ainda muito controvertido pois nem sempre pode levar aos resultados esperados. (figura 5)

 

Figura 5 – Antenas cofasadas
Figura 5 – Antenas cofasadas

 

O QUE SÃO ANTENAS COFASADAS?

Se colocarmos duas antenas verticais de 1/4 de comprimento de onda em posição paralela, conforme mostra a figura 6 e as ligarmos a um transmissor por meio de cabos de igual comprimento, os sinais do transmissor chegarão a estas antenas no mesmo instante.

 

Figura 6 – Conexão de antenas para cofasamento
Figura 6 – Conexão de antenas para cofasamento

 

Dizemos então que estes sinais estão em fase (6 : 0°) e que as antenas são cofasadas. Veja que neste caso não é importante o comprimento exato que os cabos de ligação devem ter mas apenas o fato deles terem o mesmo comprimento.

Mas não é só o comprimento do cabo que é importante. A separação das antenas é que determinará o padrão de irradiação.

Se as antenas estiverem separadas por uma distância equivalente a 1/8 do comprimento da onda, o padrão obtido será o da figura 7 que sem dúvida não é desejado no caso de uma estação móvel.

 

Figura 7 – Padrão obtido com 1/8 do comprimento de onda
Figura 7 – Padrão obtido com 1/8 do comprimento de onda

 

Se a separação for de 1/4 do comprimento da onda, o padrão obtido já será o da figura 8 que é muito melhor para a nossa finalidade.

 

Figura 8 – Padrão com ¼ do comprimento de onda
Figura 8 – Padrão com ¼ do comprimento de onda

 

Mas, se levarmos em conta que, na faixa de PX, uma separação de 1/4 de comprimento de onda significa algo como 2,7 metros, o leitor já percebe que as dimensões de seu carro começam a ficar algo críticas para a colocação das antenas.

Para a utilização de separação de 1/8 de comprimento de onda é preciso que o comprimento da antena seja equivalente à 1/4 de onda, conforme mostra a figura 9.

 

Figura 9 – Como fazer a separação
Figura 9 – Como fazer a separação

 

Entretanto, é preciso levar em conta que o plano terra perfeitamente condutor e infinito que nos leva a estes resultados de modo algum têm semelhança com o representado pelo carro.

Naturalmente nenhum fabricante de automóveis leva em conta ao projetar seu veículo o fato dele eventualmente ter de servir como pIano-terra para uma antena daí os resultados obtidos ficarem muito a desejar quando colocamos uma antena qualquer em suas capotas ou em qualquer parte.

 

OS TESTES

Levando em conta que os veículos apresentam uma geometria toda especial e que testes feitos com antenas cofasadas ou de outros tipos são muito difíceis em escala real pois os objetos próximos sempre podem distorcer os resultados, a NASA realizou provas de um modo muito interessante com veículos em escala reduzida.

O que se faz então é usar um modelo de carro 10 vezes menor que o real, quando então, ficando reduzida à 1/10 o comprimento da antena e, portanto, o comprimento de onda, para se obter um comportamento análogo basta elevar 10 vezes a frequência do transmissor.

Veículos miniatura podem então ser montados em plataformas giratórias numa câmara com paredes totalmente não refletivas de RF, e com antenas miniatura ligados à pequenos transmissores. (figura 10)

 

Figura 10 – Fazendo testes com antenas miniatura
Figura 10 – Fazendo testes com antenas miniatura

 

Para o caso da faixa do cidadão basta então operar estes veículos miniatura com transmissores de 270 MHz, o que corresponde a uma redução de 1:10 das suas dimensões.

É o mesmo processo de análise que se faz nos túneis de vento para o projeto de aeronaves, pois se sabe que o comportamento manifestado por uma miniatura de mesmo formato será igual o apresentado pelo avião definitivo. (figura 11)

 

Figura 11 – Túnel de vento
Figura 11 – Túnel de vento

 

Os gráficos de padrões de irradiação revelados por estes testes mostram muita coisa importante e com muita facilidade, levando em conta principalmente a estrutura do veículo.

 

OS RESULTADOS

Os resultados dos testes feitos com antenas cofasadas revelam que realmente, em princípio, seu funcionamento é válido com bons padrões de irradiação, mas isso somente se o plano terra representado pelo veículo preencher certas exigências.

Conforme sabemos, nenhum carro é projetado para servir de plano-terra para antenas de PX ou de qualquer outra faixa, de modo que, se analisarmos os modelos existentes no mercado observamos a existência de uma variedade de curvas muito grande, que podem influir sensivelmente no padrão de irradiação de um par de antenas.

Se o carro tiver uma estética desfavorável, ou mesmo dimensões reduzidas, isso pode influir bastante no rendimento de antenas cofasadas que não terão o padrão desejado de irradiação.

Se desejarmos um padrão direcional, ele pode não ser uniforme na direção desejada, e se desejarmos um padrão unidirecional, isso sem dúvida não será conseguido com a presença de muitas irregularidades, conforme a figura 4 mostra.

Podemos dizer que as antenas serão mais eficientes nos veículos que apresentarem grandes superfícies planas como plano-terra o que nos leva a concluir que seu desempenho será muito melhor na capota de um ônibus ou de um carro grande do que na capota de um carro pequeno.

 

NA PRÁTICA

Na prática a instalação de antenas cofasadas exige muito cuidado do amador. Além da disposição conveniente das antenas que deve ser estudada com a ajuda de um medidor de intensidade de campo e um medidor de ROE, é preciso dimensionar muito bem os comprimentos dos cabos e fazer corretamente as ligações.

Para a ligação das antenas, por exemplo, são utilizados conectores triplos, conforme mostrado na figura 12.

 

Figura 12 – Conectores triplos
Figura 12 – Conectores triplos

 

Outro ponto importante que deve ser observado é o referente ao casamento de impedâncias das antenas com o transmissor. A ligação de duas antenas ao mesmo transmissor modifica o seu comportamento elétrico que deve ser compensado com a ajuda de circuitos especiais.

Estes circuitos casadores de impedância são então colocados entre o sistema de antena e o transmissor de modo a se obter o rendimento desejado na transferência de energia.

 

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