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O dipolo de meia onda (TEL002)

A antena mais comum e universalmente conhecida, a partir da qual são projetados e mesmo avaliados outros tipos de antena é o dipolo de meia onda. Se o leitor é estudante de telecomunicações ou um profissional da área que deseja rever seus conhecimentos sobre esta antena este artigo pode ser de grande utilidade. De modo didático o dipolo de meia onda tem suas características e aplicações abordadas de forma que todos possam entender.

Quando uma onda eletromagnética é interceptada por um condutor, surgem neste condutor correntes induzidas cujas características vão depender tanto do formato do objeto, de suas dimensões como da própria frequência do sinal interceptado.

Se o objeto tem um formato não definido, como mostra a figura 1, as correntes induzidas circulam em percursos fechados dissipando a energia da onda interceptada na forma de calor.

 

 

No entanto, podemos aproveitar a energia do sinal interceptado para excitar um circuito externo, caso em que o objeto será usado como uma antena.

É claro que se ligarmos o objeto ao circuito externo a partir de pontos em que as tensões induzidas apresentam mesmo valor não haverá disponibilidade de energia externa e ele não funciona eficientemente como antena. A figura 2 mostra isso.

 

Para que o objeto funcione como uma antena é importante que ele tenha formato e dimensões calculados de tal forma a maximizar a tensão induzida quando ele intercepta uma onda eletromagnética de alta frequência.

Neste caso, a diferença de potencial induzida no circuito externo pode ser suficientemente grande para que haja sua excitação e o objeto funciona de modo eficiente como uma "antena". A figura 3 ilustra isso.

 

Demonstra-se que um objeto que seja dimensionado para funcionar como uma eficiente antena na recepção de um sinal de determinada frequência também seré eficiente na transmissão de sinais desta frequência quando correntes correspondentes forem obrigadas a circular por ele.

Na prática usamos as antenas tanto receptoras como transmissoras em muitos sistemas de telecomunicações que vão desde a TV e FM comuns até a telefonia celular, pagers, comunicações via satélite, GPS e muitos outros.

As antenas usadas nestes sistemas podem ter os mais diversos formatos e dimensões dependendo da faixa de frequência de operação, diretividade, sensibilidade e alguns outros fatores desejados.

No entanto, todas elas partem da antena mais simples em seu princípio de funcionamento que é justamente o dipolo, assunto de nosso artigo.

 

 

O DIPOLO DE MEIA ONDA

O dipolo de meia onda é formado por dois elementos condutores dispostos da maneira indicada na figura 4 e cujas dimensões estão diretamente relacionadas com a frequência do sinal que deve ser recebido (ou transmitido).

 

 

Conforme podemos ver, a distância entre as extremidades do dipolo corresponde à metade do comprimento da onda.

A onda eletromagnética ao incidir nesta antena, conforme mostra esta figura terá seus valores de pico nas extremidades da antena de modo que a tensão induzida obtida é máxima.

A antena dipolo pode ser compara a um circuito ressonante tipo série com uma impedância teórica nula na frequência de ressonância.

No entanto, demonstra-se que na realidade este dipolo comporta-se como uma resistência que deve absorver a potência de radiação cujo valor é calculado em 72 ohms.

Liga-se então o fio ao circuito externo no centro do dipolo onde temos uma condição de corrente nula e tensão máxima, deixando-se uma pequena separação conforme mostra a figura 5.

 

 

No entanto, a ligação no ponto indicado não é uma regra.

Estudos mostram que os fios podem ser ligados em pontos intermediários de cada elemento, conforme mostra a figura 6, através do que se denomina de "adaptador delta".

Com a ligação em pontos diferentes dos elementos podemos modificar a impedância da antena de modo que ela case melhor com as características da linha de transmissão usada. Em outras palavras o adaptador se comporta como se fosse um casador de impedâncias.

Um ponto importante que deve ser levado em conta ao se falar que o dipolo de meia onda tem dimensões equivalentes a metade do comprimento da onda do sinal a ser trabalhado é que nos metais a velocidade de propagação dos sinais é menor do que no ar (e no vácuo).

Isso significa que, na prática as dimensões dos elementos de uma antena de meia onda devem ser um pouco menores do que a corresponde a metade do comprimento de onda, conforme mostra a figura 6.

Um outro ponto importante que deve ser considerado no dimensionamento prático de uma antena é que a espessura do elemento e não só seu comprimento influem em suas características.

Os elementos possuem indutâncias e capacitâncias que dependem da espessura do elemento além de seu comprimento.

Na prática demonstra-se que se o elemento for mais grosso o comprimento deve ser menor em relação às dimensões da onda de modo que os efeitos que estas dimensões têm (que são opostos) sejam compensados.

Uma fórmula empírica pode ser usada para se calcular o comprimento de um dipolo de meia onda em função da espessura dos elementos usados:

 

L = 150 x k/f

 

Onde: L é o comprimento da antena em metros

f é a frequência de operação em megahertz

k é uma constante que depende da relação entre o comprimento e a espessura dos elementos podendo ficar entre 0,9 e 0,99 nos casos mais comuns.

Na prática, para antenas que operam na faixa de VHF (TV e FM) o valor de k pode ser tomado como 0,95.

 

Exemplo:

Vamos calcular como exemplo o comprimento que deve ter um dipolo de meia onda para operar na frequência de 100 MHz.

 

L = ?

k = 0,95

f = 100 MHz

 

L = 150 x 0,95/100

L = 1,424 metros

 

IMPEDÂNCIA

O valor 72 ohms para a impedância de um dipolo supõe as condições ideais que seria uma espessura nula para os elementos.

No entanto, na prática pode-se alterar esta impedância de diversas formas além de outras características da antena como por exemplo seu fator de qualidade (fator Q).

O que ocorre é que em certas aplicações, como por exemplo em TV e mesmo telecomunicações a antena deve ser dimensionada para ter um certo ganho não apenas numa frequência mas sim numa faixa de frequências, conforme mostra a figura 7.

 

 

O fator de qualidade (Q) mede justamente a largura da faixa que a antena pode receber e é dado por:

 

Q = Xc/R

 

Onde: Q é o fator de qualidade

Xc é a reatância capacitiva da antena (ohms)

R é a resistência própria do condutor usado (ohms)

 

(Veja que usando materiais de baixa resistividade e de diâmetro maior diminuímos o valor do denominador do segundo membro da expressão o que significa aumentar o fator de qualidade da antena).

Veja que a impedância de uma antena se mantém constante apenas no seu centro e que ela aumenta em direção as extremidade numa proporção tanto maior quanto mais fino seja o condutor usado.

Isso nos leva a concluir que se temos de projetar uma antena para trabalhar numa faixa muito estreita de frequências, como por exemplo numa estação fixa de telecomunicações os condutores usados no dipolo devem ser os mais finos possíveis de modo a obtermos maior Q, conforme mostra a figura 8.

 

 

Por outro lado, se a antena for usada para trabalhar com uma faixa mais larga de frequência, como por exemplo em TV devemos usar elementos mais grossos.

Na prática existe uma solução interessante para se evitar o uso de um elemento muito grosso para uma antena que deva ter uma faixa larga, como por exemplo no caso de V.

Mostra-se que a utilização de disposições de elementos finos como as mostradas na figura 9 se comportam como se fossem grossos.

 

 

Esta técnica bastante conhecida, como por exemplo nas conhecidas antenas "pé de galinha" para TV.

As antenas de UHF para TV que tem o elemento dipolo na forma de "gravata borboleta" conforme mostra a figura 10.

 

 

DIRETIVIDADE

Uma das características mais importantes de uma antena é a sua diretividade.

No caso do dipolo de meia onda não se pode captar os sinais com igual eficiência quando eles incidem de diferentes direções.

A sensibilidade máxima ocorre quando os sinais incidem segundo um plano perpendicular ao plano determinado pelos elementos e uma linha qualquer perpendicular a ele, conforme mostra a figura 11.

 

 

A partir deste plano a sensibilidade reduz com a obtenção de um padrão na forma de um 8 conforme mostra a figura 12.

 

Se levarmos em conta os sinais que venham apenas num plano horizontal podemos perceber que o dipolo pode recebê-los com igual sensibilidade quando eles venham tanto de frente como por trás.

Devemos entretanto observar que a característica de diretividade na forma de 8 só é válida quando a frequência dos sinais correspondem à frequência para a qual a antena foi dimensionada.

Se sinais de frequências diferentes, como por exemplo harmônicas, incidirem nesta antena, lobos podem aparecer mudando completamente suas características conforme mostra a figura 13.

 

 

CONCLUSÃO

Não basta ter simplesmente os elementos do dipolo dimensionados de maneira correta para a operação numa determinada frequência para se ter o melhor desempenho sob determinadas condições.

Uma antena é um elemento crítico com muitos fatores influindo no seu desempenho. O técnico de telecomunicações ou simplesmente o profissional instalador de antenas de TV e outros equipamentos deve estar atento procurando entender muito bem como elas funcionam.  Entender de que modo pequenas coisas, aparentemente sem importância, podem modificar o a antena é fundamental para o sucesso do profissional.

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