Tipos de antenas

Este artigo abrange certos tipos de antenas básicos, dentre eles os tipos horizontal e vertical, assim como as antenas compostas e o uso de elementos parasitas. Como existem numerosos tipos de antenas, destinados a uma grande variedade de aplicações, alguns modelos especiais serão também abordados.

Tipos básicos de antenas

Antenas Horizontais

A antena fundamental de televisão é um dipolo de meia onda horizontal. A Figura 1A mostra uma antena típica deste tipo. A antena receptora de televisão é provavelmente o tipo horizontal mais extensamente usado.

A antena de meia onda horizontal pode ser considerada como um circuito ressonante e o Q da antena, como o Q de qualquer circuito ressonante, depende da relação da reatância para a resistência. A curva de resposta de frequência de uma antena de meia onda é bastante similar à de um circuito ressonante comum, formado por indutância e capacitância. A largura da curva de resposta depende do tipo de construção da antena. Quando esta é feita de fio de cobre fino, a antena se comportará como um circuito sintonizado muito seletivo, ou de alto Q. Tal antena funcionaria satisfatoriamente apenas em uma reduzida faixa de frequências, da mesma forma que o circuito sintonizado altamente seletivo, ou de faixa estreita. À medida que o diâmetro dos condutores vai sendo aumentado em relação ao seu comprimento total, a antena se torna menos seletiva em sua sintonia e passa a cobrir uma faixa mais ampla de frequências.

Figura 1 — Antenas horizontais básicas.

Em termos elétricos, o dipolo ou antena de meia onda é o equivalente de uma linha de transmissão de um quarto de onda com saída aberta. Tal antena proporciona uma irradiação considerável, em virtude de suas características de ressonância. Uma onda eletromagnética se move ao longo da superfície de uma antena, de modo que a antena tem um comprimento de onda, da mesma forma que as ondas eletromagnéticas no espaço têm um comprimento de onda. Devido à resistência do fio, entretanto, o movimento das ondas de rádio através da antena é um pouco mais lento do que o movimento dessas ondas no espaço. Por causa disso, o comprimento de onda de uma antena é ligeiramente menor do que o da onda correspondente no espaço livre. Uma antena é cerca de 6% mais curta do que o meio comprimento da onda que se desloca no espaço. Por exemplo, em 300 MHz, o comprimento de onda é igual a 1 metro, ou 100 centímetros. Uma antena com um comprimento de onda, nesta frequência, deve ter um comprimento físico de 94 cm, de acordo com a redução percentual mencionada acima.

A antena dipolo básica, quando alimentada pelo centro, tem uma impedância de 73 ohms. Muitas das primeiras antenas de televisão eram deste tipo e usavam cabo coaxial de 73 ohms como linha de transmissão. Os projetistas de antena, no entanto, logo chegaram à conclusão de que o  dipolo dobrado (Figura 1B), tendo uma impedância de entrada de 300 ohms, quando alimentado pelo centro, é mais eficiente do que o dipolo básico. Os fios da linha de transmissão podiam ficar mais afastados, por causa da maior impedância, permitindo que a largura de faixa da curva de resposta da antena fosse maior. Isto é muito necessário na recepção de televisão, devido a largura de faixa de 6 MHz dos canais de TV. A impedância de 300 ohms é hoje um padrão consagrado em televisão e praticamente todas as antena de TV, linhas de transmissão, entrada de seletores, etc., usam atualmente esta impedância.

O dipolo dobrado é na realidade, um simples condutor de meia onda colocado sobre os dois condutores de um quarto de onda que constituíam o dipolo simples, como mostra a Figura 1B. Isto não somente resulta em uma maior impedância de entrada entre o receptor e a antena, como também proporciona maior captação de sinal. O diagrama direcional desta antena, todavia, é virtualmente igual ao diagrama do dipolo básico.

Antenas Verticais

A antena vertical merece uma atenção especial por ser também de uso muito difundido. Um dos tipos de antena vertical é a de um quarto de onda ligada à terra, conhecida como Marconi (Figura 2). A parte vertical acima da terra tem um comprimento igual a um quarto de onda e há uma antena virtual ou refletida na própria terra; o diagrama de irradiação da antena vertical de um quarto de onda reflete-se a partir do solo, de modo que aparentemente, há uma antena de um quarto de onda enterrada no solo. O diagrama de uma antena deste tipo assemelha-se a uma "rosquinha" cortada ao meio, com a antena projetando-se para cima no centro da meia "rosquinha". Assim sendo, o diagrama de irradiação horizontal desta antena é circular. Sua impedância de entrada é de cerca de 37 ohms.

Figura 2 — Antena vertical de 1/4 de onda, ligada à terra (Marconi).

A antena Marconi é usada em muitos tipos de unidades de comunicações móveis, porque permite a transmissão e recepção em todas as direções. Quando é necessária ou desejável uma maior cobertura, este tipo de antena pode ser montado acima do solo. Isto é feito instalando-se a antena bem alto em um mastro e alimentando o sinal por um cabo coaxial. Este tipo de antena é conhecido como monopolo de um quarto de onda (Figura 3). O condutor externo do cabo coaxial de alimentação é ligado à terra. Essa antena também produz um diagrama de irradiação onidirecional (não direcional), como acontece com outros tipos de antenas verticais.

Figura 3 — Antena monopolo de um quarto de onda.

Uma antena monopolo leva consigo sua terra. Seu diagrama de irradiação é similar ao de uma antena de meia onda. Embora ela seja na realidade uma antena de um quarto de onda, suas características são muito semelhantes às de uma antena de meia onda montada verticalmente. A linha de transmissão coaxial e as seções extremas, de um quarto de onda, dos condutores externo e interno podem ser usados para fazer uma transformação de impedâncias, permitindo o casamento entre a antena e a linha, como se vê na Figura 4.

Figura 4 — Processos de casamento de impedâncias da antena monopolo com a linha de transmissão.

Em outros tipos de monopolos, ou antenas verticais coaxiais, um "sistema de terra artificial" serve como terra para radiofrequência. Para isto, diversas hastes de um quarto de onda são ligadas ao condutor externo, como na Figura 5A. Elas atuam efetivamente como um plano da terra, como mostra a Figura 5B.

Figura 5 — Antena com plano de terra.

Conjuntos

Um conjunto é uma antena composta de vários elementos. O desenvolvimento do diagrama de irradiação de um conjunto, ou antena composta, é feito a partir dos diagramas das antenas individuais e depende também das fases relativas com que são alimentadas e das distâncias que as antenas componentes guardam entre si. Veja, por exemplo, a Figura 6. Duas antenas, A e B, os dois sinais se cancelam porque as distâncias percorridas por ambos são as mesmas e os sinais estão exatamente fora de fase. Esta figura é também conhecida como um diagrama vetorial; os dois sinais no ponto Q são de mesma intensidade, mas de fases opostas, e o vetor resultante é nulo.

Figura 6 — Dedução do diagrama direcional de um conjunto. Antenas espaçadas de 180º e alimentadas 180º fora de fase.

Entretanto, se considerarmos um ponto P, situado sobre a mesma linha reta que passa pelas antenas A e B, haverá adição dos dois sinais. Como um dos sinais parte de B para chegar ao ponto P e o outro parte da antena A para chegar ao ponto P, as distâncias percorridas pelos dois sinais diferentes entre si de 180 graus elétricos. E, como os dois sinais deixam as antenas respectivas em oposição de fase, os diagramas de irradiação se somam quando os sinais chegam ao ponto P. Recorrendo novamente à linguagem vetorial, o vetor que representa a quantidade de energia irradiada no ponto P pode ser considerado como a soma das energias irradiadas por cada uma das antenas.

Assim podemos ver, por meio de uma análise vetorial simples, que haverá uma adição ou reforço de sinal ao longo da linha que passa pelas duas antenas e uma diminuição ou cancelamento de sinal ao longo da linha perpendicular à primeira.

Considere um outro caso, ilustrado na Figura 7. Aqui se trata de duas antenas distanciadas 90º, mas alimentadas em fase. Quando examinamos os dois vetores como no caso anterior, vemos que no ponto Q haverá adição de sinais, porque os dois sinais individuais estão em fase e as distâncias de Q a A e de Q a B são exatamente iguais. Assim teremos no ponto Q uma soma direta dos dois sinais. Contudo, no ponto P, o sinal da antena B tem de vencer a distância PB, enquanto o sinal da antena A se desloca de uma distância AP, ou seja, 90º a mais. Os dois sinais não se cancelarão no ponto P; também não se adicionarão diretamente. Ao invés disso, eles se somarão vetorialmente, de modo que a quantidade de energia irradiada no ponto P será maior do que a de uma simples antena, porém menor do que a soma de duas antenas. Isto é mostrado pelo diagrama vetorial.

Figura 7 — Dedução do diagrama direcional de um conjunto. Antenas espaçadas de 90º e alimentadas em fase.

Neste ponto é interessante considerar o espaçamento físico entre os elementos de uma antena composta e o seu espaçamento elétrico, em termos de fase do sinal alimentado pelo transmissor. Diversas são as técnicas usadas para a alimentação das antenas, empregando-se praticamente quase qualquer relação de fase desejada e quase qualquer separação física desejada, entre as antenas.

A Figura 8 mostra três conjuntos de antenas. Cada um deles tem antenas separadas entre si de 180º (meio comprimento de onda). Na Figura 8A, uma linha de transmissão liga entre si as duas antenas, ao passo que a linha de alimentação proveniente do transmissor é conectada exatamente no ponto médio entre as duas antenas. Estas são alimentadas em fase, porque as distâncias entre o transmissor e cada uma das antenas são exatamente iguais. Este é, portanto, o caso em que duas antenas estão separadas de meio comprimento de onda e são alimentadas com sinais exatamente em fase.

Figura 8 — Diferentes formas de alimentação de antenas compostas.

Na Figura 8B, as antenas estão dispostas em série, sendo a linha de alimentação do transmissor ligada primeiramente à antena B, e depois à antena A. Com esta disposição, o sinal deve percorrer um meio comprimento de onda a mais, para ir do transmissor à antena A, em comparação com o percurso do transmissor à antena B. As duas antenas estão, por conseguinte, sendo alimentadas com sinais 180º fora de fase, embora a sua separação física seja exatamente a mesma que a anterior.

Por vezes é conveniente alimentar as antenas uma após a outra, como na Figura 8B, porém com sinais em fase. Isto pode ser feito como mostra a Figura 8C, simplesmente cruzando-se os fios. Observe na Figura 8C que, embora o sinal tenha que vencer um meio comprimento de onda adicional, a transposição dos dois fios tem por efeito alimentar as duas antenas em fase. O comprimento extra de percurso é contrabalançado pelo cruzamento. Assim, a Figura 8C mostra as duas antenas alimentadas em fase, exatamente como na Figura 8A.

Diagrama de Irradiação Longitudinal

Existem numerosas combinações de antenas que produzem diagramas de irradiação muito úteis. Duas que podem ser consideradas fundamentais são apresentadas na Figura 9. Também aqui se trata de antenas verticais, de modo que estamos em presença de diagramas de irradiação horizontais. A Figura 9A é conhecida como um diagrama longitudinal e resulta de duas antenas afastadas entre si de 180º e alimentadas 180º fora de fase. Como foi discutido anteriormente, isto resulta em uma adição de sinais, ao longo da linha que passa pelas antenas, e em cancelamento de sinais nos pontos equidistantes das duas antenas, isto é, sobre a perpendicular a AB, traçada exatamente no ponto médio entre as duas antenas. Assim, se considerarmos as antenas A e B como transmissoras e imaginarmos quatro receptores colocados nos pontos P, Q, R e S, haverá o sinal máximo nos receptores P e S e sinal mínimo nos receptores Q e R. Observe que o sinal mínimo não significa ausência se sinal, porque haverá algum sinal nos pontos Q e R, embora mais fraco.

Diagrama de Irradiação Transversal

A Figura 9B mostra o diagrama de irradiação transversal, resultante de antenas ainda distanciadas de 180º, porém agora alimentadas em fase. Haverá sinal máximo nos receptores em Q e R, e mínimo em P e S. Assim é possível, neste sistema rudimentar, orientar o diagrama de irradiação segundo uma direção desejada, quer em linha com as antenas, como na Figura 9A, quer em ângulo reto com esta linha, como na Figura 9B.

Figura 9 — Diagramas direcionais de conjuntos de antena básicos.

Este diagrama pode se tornar mais delgado aumentando-se o número de antenas. Isto estreita e alonga o feixe. Considere a Figura 10. Nela estão representadas quatro antenas — A, B, C e E — estando cada par de antenas consecutivas com uma separação de meio comprimento de onda. Também aqui as antenas podem ser alimentadas segundo qualquer um aos dois critérios. Se forem alimentadas fora de fase, haverá o máximo de sinal no ponto P, situado sobre a linha que une as antenas, e o mínimo no ponto Q, sobre uma reta perpendicular à linha de A a E.

Figura 10 — O aumento do número de antenas torna adelgaçado o diagrama direcional do conjunto.

Se as antenas forem alimentadas em fase, haverá o máximo de sinal no ponto Q e o mínimo no ponto P.

Conjunto Colinear

Outra forma básica de antena composta direcional é o conjunto colinear representado na Figura 11. É um tipo de antena de irradiação transversal cuja irradiação máxima se dá em ângulo reto com a linha dos elementos da antena.

Figura 11 — Conjunto colinear.

Como se vê, uma composição colinear consiste em um certo número de elementos de antena de meia onda dispostos ponta a ponta. Cada um desses elementos está em série e é alimentado em fase com o seguinte.

Refletores

Conforme foi visto, podem ser obtidos sistemas direcionais de antena usando diversos elementos de antena, cujo espaçamento e fase alteram o diagrama de irradiação básico. Um outro método consiste em usar refletores em conjunto com um dipolo como único elemento ativo. Em televisão, na faixa de UHF, é frequente o uso de uma antena com um refletor, como, por exemplo, a da Figura 12. Nesta, o elemento ativo é uma antena "borboleta" (dois elementos triangulares reunidos de modo a formar um dipolo). Elementos desse tipo permitem cobrir uma maior largura de faixa de frequências do que os construídos com fio fino.

Figura 12 — Antena "borboleta" com refletor, para a faixa de UHF.

Parte da energia do sinal que chega pela frente será captada diretamente pelo dipolo, enquanto outra parte irá atingir os elementos do refletor, sendo refletida de volta ao dipolo. Devido à distância entre o refletor e o dipolo, a energia refletida irá somar-se à que foi recebida diretamente pelo dipolo. A energia que chega pela retaguarda não será captada pelo dipolo, dando como resultado um sistema de antena unidirecional. Usa-se uma estrutura aberta como refletor porque esta oferece menor resistência ao vento do que um refletor maciço.

Figura 13 — Antena "borboleta" com refletor em ângulo.

É possível conseguir um ganho maior usando-se um refletor em ângulo, como o que se vê na Figura 13. Cada perna do sistema refletor tem doze dipolos ligados à terra (inativos). Eles se combinam de modo muito eficiente para formar um feixe frontal bem definido. A Figura 14 mostra quatro frentes de ondas de rádio (A, B, C e D) penetrando em um refletor em ângulo. Conforme a figura evidencia, as ondas não são refletidas para um único ponto focal central, mas para diversos pontos ao longo de uma linha, como os pontos G e H. Assim, este tipo de antena proporciona um ganho adicional, mas este ganho é menor do que seria obtido com um refletor parabólico.

Figura 14 — Ação do refletor em ângulo sobre as ondas de rádio.

Tipos especiais de antenas

As antenas abrangem um campo muito vasto de aplicações. Alguns tipos especiais serão descritos e servirão como uma amostra das variedades de projeto de antenas.

Antenas para Frequências Muito Baixas (VLF)

As antenas destinadas ao uso nas faixas de frequências muito baixas (VLF, de 10 a 30 kHz) são muito complexas por causa do enorme comprimento de onda dos sinais nesta faixa. Um bom exemplo é a antena da Marinha dos Estados Unidos, instalada em Cutler, Maine. O transmissor, que cobre uma faixa de 14 a 30 kHz, é usado para comunicações de longo alcance com navios e submarinos. A Marinha adotou esta frequência por causa das vantagens da faixa de VLF, no que diz respeito à propagação. A informação transmitida a submarinos submersos tem que ser irradiada com portadora de frequência muito baixa porque somente estes sinais penetram o suficiente na água salgada. Uma portadora em VLF oferece outra vantagem: ela se propaga principalmente ao longo da curvatura da Terra, sem reflexões pela ionosfera. Isto elimina as áreas em que não há recepção, chamadas zonas de silêncio, que ocorrem nas frequências mais altas, em consequência das reflexões na ionosfera. A absorção terrestre, que aumenta com a frequência, apresenta-se mínima nesta faixa de frequências.

Os conjuntos de antenas do sistema mencionado acima assemelham-se a uma gigantesca teia de aranha estendida no céu. A antena pode ser visualizada como um enorme capacitor; a teia de fios forma uma placa do capacitor e uma rede de fios colocada na terra para reduzir as perdas forma a segunda placa do capacitor. Os fios de terra se estendem para o oceano a fim de formar um melhor condutor. Ambas as teias que constituem as placas do capacitor cobrem uma área de mais de cinco quilômetros quadrados. A península em que o transmissor está instalado, com uma superfície de mais de dez quilômetros quadrados, está inteiramente tomada por um sistema de malha de terra, que utiliza cerca de 3.500.000 metros de fio de cobre número 6. O sistema de antena consiste em dois conjuntos em forma de estrela de seis pontas, cada qual formado por seis painéis em forma de losango, com oito cabos cada um. Os seis losangos são suportados por uma torre central de quase 300 metros de altura, seis torres interiores de 267 metros e seis torres exteriores de 244 metros — um total de 26 torres para os dois conjuntos. As estruturas foram projetadas para resistir a ventos com velocidade de até 192 km/h. A distância entre duas pontas opostas de cada estrela é de 1.859 metros, de modo que os dois conjuntos abrangem uma largura de quase dois quilômetros e um comprimento superior a três quilômetros.

O sistema de terra tem como finalidade coletar as fortes correntes espaciais que se desenvolvem sob o sistema de antena, e a maior concentração de fios se verifica diretamente abaixo dos painéis da antena. Nesta área de maior concentração há seis fios radiais por grau. Existem fios coletores que se estendem radialmente para o centro de cada conjunto, enquanto outros se estendem para a linha litorânea, onde existe um fio de união periférico. Há 446 terminais marítimos, de onde partem cabos para o oceano, abaixo dos níveis de maré baixa. Cada terminal marítimo termina na praia, em um cilindro de concreto, onde sua corrente pode ser medida para verificar se está intacto após a ocorrência de tempestades. Os dois conjuntos do sistema de antena são excitados em dois pontos de alimentação separados, um ao norte e outro ao sul do edifício do transmissor, a uma distância de quase um quilômetro.

Os equipamentos em cada uma das duas construções destinadas à alimentação do sistema de antena são idênticos. A antena é sintonizada por uma bobina helicoidal com mais de 12 metros de altura, sendo o diâmetro do enrolamento de aproximadamente 5,5 metros. A estrutura que suporta a hélice tem aproximadamente 8 metros de diâmetro e o seu teto fica a 21 metros de altura. A hélice é enrolada em duas seções de cinco espiras, quatro espiras, duas espiras e uma espira. Isto permite fazer conexões, no painel de ligações, para variar a frequência entre 14 e 30 kHz. Em série com a hélice há um variômetro de 6 metros de altura, com um estator de 3,7 metros de diâmetro e um rotor de 3 metros de diâmetro. O variômetro é usado para o ajuste fino da sintonia e para compensar as variações nas condições do sistema de antena.

Antenas de Fios Longos

Se a antena é um dipolo ressonante simples, seu diagrama de irradiação tem a forma de um número oito, como já foi explicado. Contudo, se a antena tem um comprimento maior do que um comprimento de onda, haverá quatro lóbulos principais, assim como alguns lóbulos secundários. Estes quatro lóbulos  principais são vistos na Figura 15. Podem interligar-se diversos fios longos de modo que os lóbulos de seus diagramas se somem, resultando em um maior ganho. Há várias maneiras de fazer isso; duas delas, que serão descritas a seguir, são a antena V e a antena rômbica.

A Antena V

A Figura 15A mostra uma antena V típica, para televisão. Cada uma das pernas do V mede pelo menos um comprimento de onda. Os diagramas individuais de cada perna se somam (como mostra a Figura 15B) e o diagrama resultante tem lóbulos frontal e traseiro característicos de uma antena bidirecional. Além dos dois lóbulos principais, há importantes lóbulos secundários; assim, é possível a recepção de diversas direções. Este fato dificulta a orientação da antena, a menos que os lóbulos sejam reconhecidos e levados em conta.

Figura 15 — Antena "V" para televisão.

Tendo em vista a sua característica de faixa larga, esta antena pode ser usada nas faixas de VHF e UHF, desde que a orientação não seja um fator crítico. Seu uso nas áreas de sinal fraco tem dado bons resultados.

Como o ganho desse tipo de antena aumenta com o comprimento das pernas, surgem problemas de instalação quando as pernas são muito longas. A vibração causada pelos ventos produz flutuações na imagem. Além disso, aumenta a possibilidade de estrago por ação do vento. Se o suporte é fixado em uma extremidade, a vibração será mais intensa; se for fixada ao longo da perna, a estrutura será mais rígida.

As antenas comerciais de televisão são projetadas com pernas de aproximadamente 1,30 a 1,50 metros, com cada perna tendo vários comprimentos de onda na parte superior da faixa de UHF e pelo menos dois comprimentos de onda na parte inferior. O ângulo entre as pernas é bem próximo de 50 graus.

Quando estas antenas são empilhadas, o ganho pode ser aumentado mantendo-se uma separação vertical de cerca de um quarto de onda, na frequência de operação mais baixa.

A antena rômbica

A antena rômbica tem sido pouco usada na faixa de VHF, por causa do seu grande tamanho. Suas características, entretanto, são bastante convidativas e em UHF, ela se torna prática por ser menor o tamanho necessário. Cada perna L (Figura 16) deve ter vários comprimentos de onda na frequência de operação. Quanto mais longas forem as pernas de uma rômbica, maior será o seu ganho e mais acentuadas as suas características direcionais. Por causa disso, essa antena tem uma curva de ganho que aumenta com a frequência, pois à medida que o comprimento de onda do sinal vai ficando menor, a antena vai ficando eletricamente mais longa.

Figura 16 — Uma antena rômbica.

O ângulo Φ (Figura 16) varia com o comprimento das pernas, de forma a manter um equilíbrio conveniente. Este ângulo vai aumentando à medida que as pernas vão se tornando maiores. Valores típicos para o ângulo Φ são: 130º para pernas com quatro comprimentos de onda, 120º para pernas com três comprimentos de onda e 100º para as de dois comprimentos de onda. Em uma instalação, o ângulo Φ mantém-se constante, ao passo que o comprimento elétrico das pernas varia com a frequência.

Um diagrama unidirecional, que usualmente é o desejado, pode ser conseguido usando-se um resistor de 500 ohms como terminação para a antena rômbica; sem ele, esta antena apresenta características bidirecionais. O resistor de 500 ohms é ligado ao vértice aberto, na extremidade oposta à da linha de alimentação. O feixe direcional é orientado no sentido do resistor.

Com a inclusão do resistor de terminação, a antena rômbica não somente se torna unidirecional, como também apresenta uma distribuição uniforme de corrente ao longo de suas linhas. Desse modo, ela não será ressonante em uma frequência determinada e responderá a frequências dentro de uma ampla faixa. Na faixa de UHF para televisão, na qual a relação entre a frequência mais alta e a mais baixa é menor do 2 para 1, pode-se cobrir toda a faixa com uma única antena rômbica bem projetada e com terminação resistiva. Se cada perna tiver pouco mais do que 60 cm, a antena terá cerca de dois comprimentos de onda na frequência mais alta e aproximadamente um comprimento de onda na frequência mais baixa da faixa. Comprimentos maiores significarão, naturalmente, maior ganho em ambos os extremos da faixa.

Pode-se recorrer ao empilhamento para aumentar o ganho, como acontece com outros tipos de antena. A separação normal é de meio comprimento de onda (na frequência central da faixa de operação). O empilhamento aumenta o ganho e torna mais concentrado o lóbulo frontal. Contribui também para aumentar a diretividade vertical, ajudando a eliminar interferências devidas à reflexão pela terra. O ângulo do feixe de uma antena rômbica simples é de cerca de 25 graus.

Antenas com elementos parasitas

O dipolo básico de meia onda é usado em toda a indústria de comunicações como uma referência, em relação à qual as características de todas as demais antenas (particularmente o ganho) são estabelecidas. O ganho de uma antena significa o aumento de tensão no elemento excitado desta antena, em relação à tensão que seria induzida em um dipolo colocado na mesma posição e dimensionado para ressonância na frequência que está sendo usada. O ganho de uma antena é sempre expresso como uma relação de tensões, medida em termos de decibéis. Assim, se uma antena desenvolve uma tensão de sinal duas vezes maior do que a tensão no dipolo de referência, diz-se que essa antena tem um ganho de 6 dB.

Figura 17 — Dimensões físicas e diagramas de elementos parasitas.

O ganho de um dipolo comum pode ser aumentado pelo acréscimo de elementos parasitas, colocados à frente ou atrás do dipolo ou elemento excitado. Estes elementos parasitas são chamados diretores e refletores, conforme seu comprimento e sua posição em relação ao elemento excitado. Embora eles não sejam ligados diretamente ao elemento dipolo excitado, a energia de sinal neles induzida é acoplada ao dipolo por indução e por campos de irradiação. A Figura 17 mostra o espaçamento adequado e o diagrama polar resultante, para os dois tipos de elementos parasitas.

Refletor

Quando um elemento parasita (também chamado antena secundária ou auxiliar) é colocado aproximadamente a 0,15 de comprimento de onda, atrás do elemento excitado (em relação à direção de onde vem o sinal) e tem um comprimento aproximadamente 5% maior do que o do elemento excitado, esse elemento parasita tem o nome de refletor. Na Figura 18 mostra-se o efeito de um refletor sobre um campo de irradiação que por ele passa. As frentes de onda são vistas, cortando primeiro o dipolo excitado e atingindo em seguida o refletor. Estas frentes de onda estão representadas por linhas cheias. As ondas representadas em linha tracejada mostram a ação do refletor.

Figura 18 — Efeito do refletor sobre o campo de irradiação.

As correntes de sinal são induzidas no refletor da mesma maneira como o são no dipolo, mas como o refletor não está ligado a uma carga resistiva, a maior parte da energia das correntes induzidas no refletor é novamente irradiada. Devido ao espaçamento entre o refletor e o dipolo a energia reirradiada, ou secundária, retorna ao dipolo em fase com a energia primária que vem do transmissor. A energia refletida induz assim correntes no dipolo e estas correntes se somam com as que são induzidas pelo sinal primário. O conjunto assim formado proporciona então em ganho, ou aumento de captação de sinal em relação ao que seria captado pelo dipolo sozinho. Um refletor também é usado por seus efeitos direcionais, pois os sinais que chegam por trás, ou seja, pelo lado do refletor, estarão fora de fase ao chegarem ao dipolo e desse modo enfraquecerão as correntes induzidas no dipolo por este sinal.

A combinação dipolo-refletor produz um diagrama polar semelhante ao que se vê na Figura 19A. Para fins de comparação, vê-se na Figura 19B o diagrama típico, em forma de oito, do dipolo padrão de meia onda. Como se pode notar, o lóbulo frontal foi um tanto alongado e estreitado, indicando um aumento de captação de sinal na direção frontal e, ao mesmo tempo, uma melhoria nas características direcionais da antena. Além disso, a resposta aos sinais vindos de trás foi consideravelmente reduzida, como mostra o lóbulo traseiro.

Figura 19 — Diagrama de um dipolo com refletor, comparado com o de um dipolo comum.

A intensidade com que são captados os sinais pela frente, em comparação com os que vêm pela retaguarda, constitui também uma especificação de uma antena, muito importante em certos tipos de comunicação por ondas de rádio (relação frente-costa).

Diretor

O outro tipo de elemento parasita é o diretor (Figura 17B). O diretor é geralmente colocado à frente do elemento excitado, a uma distância de 0,1 comprimento de onda deste e dimensionado 5% mais curto do que o elemento excitado. Ele contribui para intensificar as correntes de sinal no elemento principal, de modo muito semelhante ao do refletor. Seu efeito principal, contudo, consiste em estreitar o diagrama direcional em sua parte frontal. A adição de mais diretores aumenta apenas ligeiramente o ganho, mas estreita consideravelmente o lóbulo frontal. A Figura 20 ilustra a diferença entre os diagramas polares de um conjunto com apenas um diretor e de um outro com três diretores.

A Antena Yagi

Em geral, qualquer antena composta tendo um elemento ativo e dois ou mais elementos parasitas (um refletor e um ou mais diretores) é conhecida com antena Yagi, por ter sido esta antena criada pelo físico japonês Hidetsugu Yagi.

Figura 20 — Efeito de diretores adicionais sobre o diagrama direcional.

A Yagi básica é uma das antenas de maior ganho até hoje desenvolvidas. Contudo, por causa de sua ressonância intrínseca, sua cobertura de frequência é um tanto reduzida. Diversos são os fatores que afetam a resposta de frequência de uma antena. Entre eles, podem ser citados o número de elementos, o diâmetro destes e as distâncias que os separam. Assim sendo, mesmo uma Yagi, embora seja basicamente uma antena ressonante, pode ser construída de forma a proporcionar uma maior ou menor cobertura de frequência, conforme o tipo de serviço para o qual se pretenda utilizá-la.

Quanto mais elementos são acrescentados a uma antena Yagi, mais baixa será a impedância do elemento excitado. Isto é verdadeiro para qualquer sistema Yagi. O reforço do sinal, produzido por ação dos elementos parasitas, aumenta as correntes se sinal induzidas no elemento principal, reduzindo consideravelmente a impedância deste. Para uma antena Yagi de 6 a 10 elementos, em que a alimentação seja feita no centro do elemento excitado, a impedância típica é de 4 a 16 ohms. Para um dipolo simples, alimentado no centro, a impedância é de 72 ohms. À medida que os pontos de alimentação da antena são afastados do centro, em direção às extremidades, a impedância aumenta. Pode-se perceber isso pelas curvas de tensão e corrente de um dipolo típico, Figura 21. Há um máximo de corrente e um mínimo de tensão nos pontos centrais de alimentação, como se vê em A. Conforme vamos nos deslocando em direção às extremidades dos elementos, a tensão aumenta e a corrente diminui; ora. como impedância é igual a tensão dividida pela corrente, a impedância aumenta à medida que os pontos de alimentação são deslocados para os extremos. Assim, a impedância em B é maior do que em A, e em C é maior do que em B.

Figura 21 — A impedância de um dipolo aumenta à medida que os pontos de alimentação se afastam do centro.

A baixa impedância central de uma Yagi pode ser aumentada por meio de um "Y" ou "delta", ligado como na Figura 22, permitindo casar a impedância típica de 300 ohms de uma linha de transmissão com os pontos de 300 ohms do dipolo.

Figura 22 — Processos "delta" ou "Y" de alimentação para o casamento de impedâncias de um dipolo com a linha de transmissão.

O diagrama direcional de uma Yagi apresenta um lóbulo principal dianteiro bem estreito e muitos outros lóbulos menores, secundários e traseiros. Por causa deste lóbulo bem concentrado, a Yagi exige uma cuidadosa orientação. Para que se obtenham os melhores resultados, a estação transmissora deve ficar em linha reta com a direção de máxima captação. A Figura 23 mostra antenas Yagis típicas.

Figura 23 — Antenas Yagi típicas.

Antenas Helicoidais

Como vimos anteriormente, algumas antenas com reconhecidas qualidades de ganho e diretividade não têm sido usadas em VHF e outras faixas de frequências mais baixas somente por causa das grandes dimensões que deveriam ter nessas frequências. Contudo, em frequências mais altas (UHF e acima), os menores comprimentos de onda tornam estas antenas muito práticas. Uma das que se enquadram nesse caso é a rômbica, discutida acima. Outra é a antena helicoidal, que apresenta um ganho muito alto e uma faixa passante estritíssima. Como se vê na Figura 24, uma bobina de fio, ou hélice, é montada sobre um refletor de tela de fio. O número de espiras, o diâmetro da hélice e o espaçamento entre as espiras influenciam o funcionamento dessa antena. A seta Z indica a direção de recepção; a energia do sinal que vem dessa direção é captada pela antena. A distância d representa o espaçamento entre espiras e d/4 a distância entre a hélice e o refletor. Se os pontos 1 e 2 estão em fase ao longo do fio, os sinais captados nestes dois pontos se somam. Isto acontece ao longo de todo o fio da hélice, que atua assim como um sistema de diagrama longitudinal empilhado, proporcionando um alto ganho.

Figura 24 — Antena helicoidal.

É possível obter ganhos de até 20 dB, igualando o desempenho desta antena ao de uma Yagi com 8 a 10 elementos. A antena helicoidal tem a vantagem de uma estrutura mais simples.

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