Como todo componente, as antenas se caracterizam por certas propriedades a elas inerentes. A formulação destas propriedades é fundamentada em definições impostas ao estudo das antenas. São, justamente, algumas destas definições e propriedades o assunto do nosso tema.
Nota: o artigo é de 1976
Evidentemente, outras propriedades mais específicas permitirão, ao engenheiro antenista ou mesmo ao antenista instalador, informações necessárias para a avaliação da "performance" da antena para uma dada aplicação prática; porém isto se encontra fora do escopo deste trabalho, cuja finalidade é a de fornecer e tecer ideias nas quais se fundamenta uma teoria bastante complexa que é a teoria dos sistemas radiantes ou, simplesmente, antenas ou, ainda, radiadores.
De início devemos dizer que a descrição da radiação de uma antena requer dois gráficos, ou modelos de radiação, em dois planos ortogonais entre si: um horizontal e outro vertical. Os gráficos de radiação desses dois planos são geralmente suficientes para descrever com certa precisão, as propriedades direcionais da antena.
Em realidade, um plano de radiação descreve a quantidade de intensidade do campo ou potência irradiada pela antena nas várias direções no plano em pauta. Evidentemente, se a antena é empregada para a recepção, o mesmo gráfico irá descrever a quantidade de intensidade do campo ou potência que a antena capta de sinais proveniente de várias direções do espaço.
O diagrama de potência de uma antena pode ser confeccionado de diversos modos, a saber:
1 - pela intensidade de campo elétrico em diversos pontos do espaço: a unidade de intensidade de campo elétrico, no SI (Sistema Internacional de Medidas), é Volt por metro ou, abreviadamente, V/m;
2 -. pela densidade de potência nos diversos pontos do espaço; sendo expressa em W/m2 no SI;
3- por Decibéis: 20 vezes o logaritmo da intensidade do campo ou 10 vezes o logaritmo da densidade de potência, ambos relativos a níveis de referência arbitrários.
Paralelamente, os diagramas podem ser plotados em coordenadas retangulares ou polares. As primeiras já são "velhas" conhecidas através, por exemplo, das curvas características dos semicondutores, enquanto as coordenadas polares, assim como as retangulares, também são constituídas por um par de números: o primeiro fornece a direção angular (ângulo) da radiação em relação a um ângulo de referências num plano enquanto o outro número fornece a amplitude (intensidade) do campo, da potência ou mesmo do nível de Decibéis de radiação no ponto em questão.
Os gráficos plotados em termos de intensidade de campo ou em densidade de potência podem ser absolutos ou relativos. Os primeiros são identificados quando a escala for rotulada em números definidos na unidade coerente - V/m ou W/m2 - para cada caso. Quando a escala é normalizada para que o gráfico tenha um valor máximo igual à unidade ou se o gráfico não tiver um número definido para sua escala, é dito relativo isto é: o gráfico expressa simplesmente a intensidade de campo ou densidade de potência nas várias direções em relação ao seu valor máximo de intensidade ou densidade conforme for o caso.
Como sabemos as antenas irradiam para o espaço tridimensional uma boa parte da energia que receberam para tal fim e, portanto, o seu gráfico de radiação irá descrever as suas características de radiação só (e somente) no plano de radiação considerado; porém, como já dissemos, podemos ter uma avaliação satisfatória do radiador (antena) se considerarmos apenas dois planos, um vertical e outro horizontal. O primeiro escreve a intensidade de radiação da antena para os diversos ângulos de elevação acima da horizontal enquanto o outro, o horizontal, descreve o comportamento da antena para os diversos ângulos tomados, a partir de uma referência fixa - um plano vertical - horizontalmente. Normalmente, o plano vertical de radiação é tomado perpendicularmente ao eixo da antena passando intermediaria-mente entre os pontos de alimentação da antena. O outro plano de radiação - horizontal - é considerado paralelamente ao eixo da antena, contendo-o. Estes dois planos podem ser mais bem visualizados na figura 1 em que se considerou um dipolo; enquanto isso a figura 2 nos mostra dois gráficos de radiação típicos de uma antena direcional, isto é, uma antena cujo feixe é bem estreito e unidirecional - este feixe, mostrado pelos gráficos da fig. 2, recebe o nome de lóbulo de radiação ou simplesmente lóbulo. Dependendo da estrutura física e geométrica do radiador, os diagramas de radiação podem apresentar vários lóbulos em diversas direções.
Os diagramas de antenas com o feixe unidirecional do tipo mostrado na fig. 2 são caracterizados por um lóbulo maior de radiação denominado feixe principal, os outros lóbulos menores ou àqueles que não nos interessam para uma determinada aplicação da antena, recebem o nome de lóbulos menores, lóbulos laterais ou ainda lóbulos secundários. Normalmente estes lóbulos menores são indesejáveis, mas estão inevitavelmente presentes: eles representam radiação em direções indesejáveis sendo, em alguns casos, prejudiciais pois representam potência perdida - esta potência está sendo irradiada para uma outra direção diversa daquela onde aponta o lóbulo maior (principal) e, segundo a qual, o receptor, digamos assim, se deve encontrar para poder absorver com maior eficácia, parte da energia irradiada.
O nível dos lóbulos laterais é, normalmente, expresso em Decibéis como 10 vezes o logaritmo decimal entre as densidades de potência, respectivamente, do maior lóbulo (principal) e do lóbulo lateral em pauta. Esta relação em dB é chamada "relação ao nível do lóbulo menor ou lóbulo lateral" sendo deveras importante na maior parte das rádios - comunicações como bem o podem afirmar os PY!
A lâmpada de faixa é o "comprimento", no gráfico, entre dois pontos para os quais a densidade de potência irradiada, pelo lóbulo principal, é a metade do seu valor máximo de radiação. Se o gráfico estiver plotado em termos de intensidade de campo em vez de densidade de potência como anteriormente foi mostrado, a largura feixe da antena é medida entre os pontos para os quais a intensidade do campo é 71% (ou 1/ 42), da intensidade máxima do lóbulo principal.
Entendemos por antena isotrópica como a que irradia a potência recebida uniformemente em todas as direções do espaço - tais antenas não existem na prática. Posto isto, podemos definir o ganho de potência de uma antena: é a relação, em dB, da densidade de potência máxima irradiada pela antena em uma direção - usualmente a direção do lóbulo principal - a uma certa distância da mesma e a intensidade de potência irradiada por uma antena isotrópica nas mesmas condições e com as mesmas considerações que a primeira antena. Disto, é imediato concluir que o ganho de uma antena isotrópica é nulo isto é, O dB i (dB i é a sigla empregada para representar o ganho, em dB, de uma antena tomando como referência a antena isotrópica).
Obs.: uma antena em si não apresenta ganho propriamente dito, quer seja de intensidade de campo irradiado ou de densidade de potência; o que realmente sucede é o fato da antena, para uma dada direção, apresentar um melhor rendimento de radiação do que a antena isotrópica para àquela específica direção. É óbvio que, nestas circunstâncias, a primeira antena em relação à isotrópica apresenta um ganho de intensidade de campo sendo, portanto, expresso em unidade Decibel cuja simbologia para este caso específico de antenas, como já vimos, é dB i (o" i " refere-se à antena isotrópica).
A resistência de radiação de uma antena é definida como sendo a relação da potência total irradiada pelo quadrado da corrente, em valor eficaz (RMS), na antena (no ponto da antena onde este valor é máximo).
Quando a antena é alimentada, isto é, é conectada a uma linha de transmissão, em seu ponto de máxima corrente, verifica-se que, praticamente, toda a potência é liberada pela antena sob forma de radiação; nestas condições a impedância no ponto de alimentação é praticamente igual à resistência de radiação da antena. Isto nos permite afirmar que as perdas devidas às resistências dos condutores da antena e dos isoladores são pequenas. Quando existem perdas apreciáveis, a resistência do ponto de alimentação (composta da componente de radiação e da componente de perdas) deve ser diferente da resistência de radiação. Para ter-se uma ideia da variação da impedância de uma antena ao longo do seu eixo, são mostrados na fig. 3 as curvas típicas de tensão e corrente para um dipolo de meia onda; a impedância Z é obtida pela lei generalizada de Ohm a partir destas duas curvas características V e I da antena dipolo de meia onda em pauta. Quando a antena ilustrada na fig. 3 é igual ou menor que um dipolo de 1/2 onda ou é um número ímpar de 1/2 comprimento de onda maior, o ponto de alimentação também será um ponto de máxima corrente. Quando o ponto de alimentação não é o ponto de máxima corrente, a impedância será maior que a resistência de radiação, quando medida para a corrente máxima.
Em verdade a impedância do ponto de alimentação deverá também possuir uma componente reativa. Geralmente, essa impedância será equivalente a uma resistência em combinação com uma capacitância ou indutância.
Como sabemos, a direção de polarização de uma onde eletromagnética, é definida como sendo a direção do vetor campo elétrico, podendo ser polarizada linearmente, circularmente ou elipticamente; por esta razão a radiação de uma antena deve atender à polarização da onda eletromagnética. A maior parte das antenas possuem polarização linear e vertical, isto é, o valor campo elétrico é perpendicular à superfície terrestre, outras, também comuns, apresentam uma polarização linear, porém horizontal (o vetor campo elétrico é paralelo à superfície terrestre que, numa primeira aproximação, pode ser considerada plana). Evidentemente, uma vez projetada uma antena transmissora com uma certa polarização, a antena receptora também deve ser capaz de receber esta determinada polarização e somente esta, rechaçando as opostas.
Obs.: quando se projeta uma antena transmissora para uma dada aplicação prática, automaticamente estará projetada a antena receptora para aquela aplicação prática - ambas são idênticas como pudemos constatar anteriormente.
Desde que a posição relativa de uma antena com a superfície terrestre determina o tipo de polarização podemos dizer que uma antena vertical em relação à terra irradiará ondas verticalmente polarizadas; da mesma forma uma antena horizontal irradiará ondas horizontalmente polarizadas que, tanto num caso como no outro, deslocar-se-ão no espaço até atingir, com a mesma polarização, as suas respectivas antenas receptoras.
Em verdade, para baixas frequências, o fenômeno descrito se verifica, isto é, a onda conserva a sua polarização à medida que "caminha" no espaço; porém, para altas frequências, a polarização varia na maioria dos casos; isto ocorre porque a onda se divide em alguns componentes que seguem "caminhos" diferentes. Desde que esses "caminhos" não tenham o mesmo comprimento, os vetores elétricos recombinados não serão geralmente paralelos e, dependendo da configuração geométrica do caminho traçado por um ponto de vetor campo elétrico, este pode ser circular, elíptico etc., e tais campos de radiação são conhecidos como sendo campos circulante, elipticamente etc., polarizados.
A capacidade de uma antena operar efetivamente melhor sobre uma banda de frequências do que sobre uma outra é traduzida pela sua largura de faixa. Este termo também se refere à capacidade que possui uma antena em operar, com eficácia, numa certa banda de frequências. Uma antena que esteja operando com uma pequena faixa de frequências é denominada antena de faixa estreita; quando, porém, é capaz de operar com uma faixa de frequências, é denominada antena de faixa larga. Estes dois tipos de antena são conhecidos, respectivamente, pelas expressões inglesas: "narrow-band" e "wide-band".
Pelo que se expôs, diremos que as antenas estão limitadas a uma faixa de frequências em virtude das suas características de ressonância; este fenômeno de ressonância é semelhante ao fenômeno de ressonância dos circuitos sintonizados. As antenas apresentam um pico de resposta para uma determinada frequência - frequência de ressonância - e, para frequências afastadas, a resposta sofre atenuações que serão mais ou menos intensas conforme, respectivamente, a sua largura de faixa for estreita ou larga.
Praticamente podemos dizer que uma antena operará satisfatoriamente sob uma faixa de frequências igual a 10% da nominal de operação - este tipo de antena caracteriza uma antena de faixa estrita; já as antenas de faixa larga operam satisfatoriamente dentro duma largura de faixa 10:1 isto é, a frequência limite superior é 10 vezes maior que a limite inferior; isto corresponde a uns 80% da frequência nominal de operação! Evidentemente, este tipo de antena só deve ser empregado em aplicações onde uma ampla gama de frequência está sendo recebida pelo receptor, pois estas antenas apresentam um ganho menor que as antenas de faixa estreita, caso comumente usados pelos radioamadores.
