Um elemento fundamental para o bom desempenho de todos os sistemas de telecomunicações que fazem uso de ondas de rádio é a antena. Sem ela, o sistema não funciona, e com uma má antena, não adianta empregar a melhor tecnologia do mundo. Dessa forma, é fundamental para todo profissional das Telecomunicações entender como funcionam as antenas e os principais tipos que existem. Neste artigo, apresentamos alguns fundamentos sobre a antenas, assunto de grande valia para os leitores que desejam reciclar seus conhecimentos ou ainda não tiveram um embasamento teórico nos seus cursos que possa ser considerado excelente.
Nota: Artigo publicado na revista Eletrônica Total 155 de 2013.
Todo sistema de telecomunicações que faz uso de ondas eletromagnéticas tem como elemento importante para seu funcionamento: a antena. No transmissor, correntes de altas frequências geram as ondas eletromagnéticas. A função da antena é, então, transferir a energia gerada pelo transmissor para o espaço na forma de ondas.
No receptor a antena é usada para interceptar as ondas que chegam até ele, induzindo correntes que são levadas ao circuito de processamento.
Na figura 1 mostramos o que ocorre quando aplicamos um sinal de alta frequência numa antena, tomando como exemplo a configuração formada por dois condutores. Observe que aparecem alternadamente dois campos: o elétrico e o magnético.
As dimensões de uma antena são importantes para sua eficiência tanto na transmissão quanto na recepção dos sinais. Assim, a antena em questão deve ter um comprimento que corresponda a 1/2 do comprimento da onda na frequência que deve ser transmitida.
Veja, pela figura 2, que nessa antena a corrente e a tensão se distribuem de modos diferentes.
Nas extremidades temos os pontos de tensão máxima e no centro da antena, os pontos em que a intensidade da corrente é máxima. Podemos dizer que essa configuração equivale a um circuito ressonante ideal, como o ilustrado na figura 3.
Note que, em um circuito ressonante a reatância capacitiva é igual à reatância indutiva (X1 = XC) na frequência de ressonância. Isso significa que uma antena deste tipo, na frequência de ressonância ela se comporta como uma carga resistiva pura. Essa componente é a impedância da antena.
Numa antena do tipo analisado, os cálculos mostram que essa impedância tem um valor fixo: 73 ohms. Na prática, adota-se como valor mais apropriado para os cálculos 75 ohms. Observe que existem alguns fatores que podem influir nessa impedância, tais como a espessura do fio usado, e a própria velocidade de propagação da onda no material de que é feita a antena. A antena que analisamos é o chamado "dipolo de meia onda': Todavia, existem outros tipos que abordaremos mais adiante.
Conforme vimos, uma das características importantes no projeto de uma antena é a sua impedância. Esta, depende do modo como a antena é construída e de suas dimensões, havendo diversos tipos que serão analisados no próximo item.
Entretanto, além da impedância existem algumas características das antenas que são de grande importância no seu projeto para uma determinada aplicação. Estudemos, a seguir, algumas delas.
Ganho
Quando nos referimos ao ganho, isso não significa que uma antena possa "amplificar" os sinais que transmite ou que recebe. Uma antena é um elemento passivo tanto na transmissão quanto na recepção de sinais. Não existem elementos que possam introduzir um ganho efetivo em um sinal de uma antena.
Usamos o termo ganho para expressar a capacidade que uma antena possui para receber sinais de uma determinada direção, quando a comparamos com uma antena usada como referência. Podemos entender melhor esse significado tomando como exemplo a antena exibida na figura 4.
Se essa antena concentra a energia transmitida numa certa direção, ela possui um ganho, pois a intensidade da energia na direção considerada é maior do que aquela de uma antena comum tomada como referência, que irradie o sinal com a mesma intensidade em todas as direções. O mesmo é válido para uma antena receptora. Se ela consegue captar melhor os sinais que chegam de uma determinada direção, também podemos dizer que esta antena possui um ganho, quando comparado ao desempenho da antena tomada como padrão que recebe da mesma maneira os sinais que vêm todas as direções.
O ganho de uma antena pode ser calculado e normalmente é expresso na forma logarítmica, conforme mostra a seguinte fórmula:
Ga(dB) = 10log(P1/P2)
Onde:
Ga = ganho em dB (decibel)
Log = logaritmo = potência da antena em mW
P1 = potência da antena-padrão em mW.
Se uma antena irradia 20 W numa direção quando a antena-padrão irradia 1 W, o ganho será:
Ga = 10log(20/1) = 17dB
Como o ganho na recepção é medido comparando-se a intensidade do sinal recebido pela antena com a intensidade do sinal recebido no mesmo local com uma antena-padrão, a mesma fórmula pode ser usada para seus cálculos.
Diretividade
Uma esfera pode ser considerada uma antena ideal. Ela irradia ou recebe sinais com a mesma intensidade em todas as direções.
Evidentemente, para as aplicações práticas pode não ser interessante ter um padrão de irradiação desse tipo. Na realidade, as antenas devem concentrar os sinais em determinadas direções. Para isso, seus formatos raramente são esféricos, mas sim planejados para se obter um comportamento diretivo.
Podemos então falar na diretividade de uma antena como a sua capacidade de concentrar sinais e expressar isso através de um diagrama, observe a figura 5. Nesse diagrama, plotamos as intensidades relativas do sinal (recebido ou transmitido) para cada direção a partir daquela para a qual a antena é apontada.
O padrão típico mostrado na figura 5 possui um lóbulo maior que corresponde aos sinais irradiados na direção para a qual a antena está apontada, e outros lóbulos menores que indicam a irradiação de sinais em menor intensidade. Também existem direções em que nenhum sinal é irradiado (ou recebido). Quanto mais estreito for o lóbulo principal e menores os outros, mais diretiva é a antena e maior é o seu ganho na direção para a qual está apontada.
Uma característica importante de uma antena muito diretiva é que ela tende a rejeitar com mais facilidade sinais que chegam lateralmente. Isso é relevante se ela for receptora e no local existirem fontes de interferências. Os sinais dessas fontes podem ser naturalmente rejeitados pela simples escolha de uma antena apropriada, conforme ilustra a figura 6.
O diagrama típico dessa antena nos permite igualmente observar o que se denomina "relação frente/costa" de uma antena. Veja no exemplo que os sinais que chegam pela direção para a qual ela foi apontada são muito melhor captados do que os que chegam pela direção oposta, ou seja, pelas "costas'.'
Polarização
Os campos elétrico e magnético que correspondem a uma onda transmitida (ou recebida) por uma antena possuem uma orientação específica. Eles são perpendiculares um ao outro, e o modo como aparecem numa antena transmissora (ou devem ser captados por uma antena receptora), determinará a sua polarização. Uma antena com polarização vertical, observe a figura 7, não recebe de maneira eficiente sinais que chegam com uma polarização horizontal.
É por este motivo que as antenas comuns de TV para VHF que vemos nos telhados das casas têm suas varetas colocadas em posição horizontal, e não vertical. Os sinais de TV são polarizados horizontalmente.
Tipos de antena
A escolha do tipo de antena que deve ser usada em um sistema de telecomunicações depende de diversos fatores:
• Frequência de operação
• Diretividade desejada
• Espaço disponível
Se levarmos em conta que as dimensões da antena estão diretamente ligadas ao comprimento da onda do sinal que deve ser transmitido ou recebido, que dependendo da aplicação precisaremos ter antenas mais ou menos diretivas, existem diversos tipos de antenas disponíveis, cada qual com suas características específicas para a aplicação que temos em mente. Os principais tipos de antena possuem denominações especiais que o profissional deve conhecer. Assim, analisaremos as principais.
Yagi
O nome dessa antena se deve ao seu criador, H. Yagi, que a desenvolveu em 1926. A antena Yagi tem como elemento ativo um dipolo. Além disso possui um refletor e dois ou mais diretores, veja a figura 8.
O número de elementos diretores desta antena determina o seu ganho e, portanto, a diretividade, além de influir no valor de sua impedância. A impedância típica desse tipo de antena é de 50 ohms.
Antena helicoidal
Este tipo de antena é muito comum nos sistemas que operam com frequências muito altas como os links de micro-ondas. Seu formato é visto na figura 9.
Observe que, como em qualquer antena, as dimensões de todas as partes que a formam possuem uma relação de valores bem definida com o valor do comprimento de onda do sinal que deve ser transmitido ou recebido. Alterações desses valores mudam completamente suas características. Note que uma antena deste tipo se presta apenas à recepção e transmissão numa estreita faixa de frequências que corresponde justamente às suas dimensões.
Dipolo de meia onda
Esta é uma das antenas mais populares, tanto na transmissão como na recepção de sinais para diversas faixas de frequências. A figura 10 exibe um dipolo de meia onda típico. Observe que sua impedância típica é de 50 ohms, valor que depende da espessura do fio usado.
Evidentemente este tipo de antena, pelas suas características, se presta à transmissão e recepção de sinais numa pequena faixa de frequências para a qual ela está sintonizada ou dimensionada.
Dipolo dobrado
Este tipo de antena é muito empregado na recepção de sinais da faixa de VFH, principalmente para as estações de TV convencionais dessa faixa. A impedância típica de um dipolo dobrado é de 300 ohms. Na figura 11 mostramos como esta antena é construída e suas dimensões em relação ao comprimento de onda.
Obviamente, como as características da antena dependem das suas dimensões em relação à frequência do sinal que está sendo recebido, ela se destina à recepção de uma pequena faixa de frequências em torno da qual suas dimensões determinam.
Dipolo/plano terra
A antena dipolo/plano de terra, utiliza a terra como um elemento de irradiação. Na figura 12 temos o aspecto desta antena que tem uma impedância da ordem de 30 ohms.
Observe que esta antena irradia com igual intensidade em todas as direções, sendo por isso bastante utilizada em sistemas que exigem esta característica.
Log-Periódica
Esta antena é popularmente conhecida pelo nome de "espinha de peixe", sendo utilizada tanto na recepção de sinais de TV da faixa de VHF como também em alguns sistemas de telecomunicações. Conforme podemos ver pela figura 13, esta antena é formada por um conjunto de varetas que formam os elementos ativos e um par de varetas que formam o refletor.
As varetas que compõem os elementos ativos têm comprimentos que variam segundo a faixa de frequências que ela deve operar.
Assim, quando o sinal que chega a esta antena tem uma frequência tal que seu comprimento de onda se adapte ao conjunto de varetas X, as varetas que estão à sua frente (de comprimento menor) passam a funcionar como diretores, enquanto as varetas que estão por trás se comportam como refletores. Em suma, nesta antena, as varetas que integram a parte ativa da antena dependem apenas do comprimento de onda do sinal que está sendo recebido. Por essa capacidade de poder operar numa faixa ampla de frequências, esse tipo de antena é bastante popular na recepção dos sinais de TV da faixa de VHF que ocupam uma faixa relativamente ampla, para a qual normalmente seriam necessárias várias antenas no caso ideal de recepção. O número de elementos desta antena, além de determinar a faixa de frequências na qual ela pode operar com rendimento máximo, também é responsável por outras características como a diretividade.
Rômbica
Na figura 14 temos uma antena rômbica, cuja impedância típica com as dimensões indicadas é de 600 ohms.
Antena de Quadro
Uma outra antena utilizada em sistemas de telecomunicações, principalmente para a faixa de ondas curtas e VHF, é a antena cúbica de quadro, ilustrada na figura 15.
Usando dois elementos, esta antena tem o mesmo ganho da antena Yagi, sendo bastante empregada por radioamadores.
Antenas para Microondas
À medida que as frequências dos sinais se tornam mais elevadas, seu comportamento muda. Na faixa das micro-ondas, os sinais já apresentam propriedades bastante semelhantes às da luz, caso em que tanto para sua recepção como transmissão podemos encontrar dispositivos parecidos a lentes e espelhos.
Assim, a antena básica para microondas é a corneta radiadora, mostrada na figura 16, observando-se que suas dimensões estão intimamente ligadas ao comprimento de onda do sinal emitido.
Nessa figura vemos também as dimensões que essa corneta deve ter para se obter um bom desempenho.
Outro tipo de configuração bastante usada na recepção e transmissão de sinais de frequências muito altas é a que faz uso do refletor parabólico. O que ocorre é que as cornetas não são muito convenientes quando se deseja ter um ganho elevado, pelas dimensões que precisam ter. Desse modo, o que se faz é concentrar os sinais provenientes de uma certa direção e refleti-los em direção a uma corneta, veja exemplo na figura 17.
Esta configuração é usada em muitos sistemas de telecomunicações, mas, para os leitores que não são da área, muito mais evidente nas antenas de TV via satélite de uso doméstico. Uma característica muito importante neste tipo de antena é a relação entre a distância focal F e o diâmetro da abertura da antena D.
De acordo com a figura 18, se a relação é grande, a corneta pode receber sinais também de fora da parábola, tornando-se, portanto, sensível a interferências.
Por outro lado, se F/D é pequena, a corneta não consegue ver os limites da parábola e o rendimento do sistema cai. Nas aplicações práticas, a relação F/D deve estar entre 0,3 e 0,6.
Conclusão
Além destas aqui abordadas, existem diversas outras antenas que encontramos nos equipamentos de telecomunicações modernos.
Como a tendência atual é de que os sistemas de telecomunicações ocupem faixas de frequências cada vez mais elevadas, isso implica que as antenas se tornam cada vez menores, passando a ser embutidas nos próprios equipamentos.
Assim, na faixa dos giga-hertz (faixa centimétrica) as antenas têm ordem de comprimentos de alguns centímetros no máximo. É o que acontece no caso dos GPS dentro de relógios, tablets, celulares, redes sem fio, etc.
Todavia, qualquer que seja o seu tamanho, as configurações e tamanhos dos elementos seguem as mesmas regras que vimos para os diversos tipos de antenas neste artigo. As dimensões e as formas determinarão suas características elétricas e, com isso, de que forma os sinais serão recebidos ou irradiados.
