Antenas - Tipos e propriedades

Antenas - Tipos e propriedades

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Capítulo 2 – Tipos de Antenas e suas propriedades 16

Utilização de Antenas de Transmissão

Tipos de Antenas e suas propriedades

Figura 20 - Tipos de antenas para TV e FM

Concentraremos a nossa análise nos modelos de antenas mais comuns utilizadas em sistemas de transmissão de radiodifusão (Televisão e Rádio FM), não trataremos neste texto de antenas de AM.

Embora o conceito de antena também possa ser aplicado a arranjos (ou agrupamentos) de antenas, neste momento focalizaremos a atenção nas propriedades de antenas tomadas individualmente, o tema

“Arranjos de antenas” será extensamente discutido no Capítulo 3 mais adiante.

Antenas Lineares:Antenas Lineares:

• Yagi-Uda • Log-Periódica

•Painel Dipolos MO/OC/X

•Painel H (Duplo Delta)

Antenas de Abertura:Antenas de Abertura:

• Parabólica • Slot

Antenas Lineares:Antenas Lineares: • Yagi-Uda

• Log-Periódica

•Painel Dipolos MO/OC/X

•Anel (ciclóide)

• Seta

Antenas de Abertura:Antenas de Abertura: • Parabólica

Antenas Lineares:Antenas Lineares:

• Yagi-Uda • Log-Periódica

•Painel Dipolos MO/OC/X

•Painel H (Duplo Delta)

Antenas de Abertura:Antenas de Abertura:

• Parabólica • Slot

Antenas Lineares:Antenas Lineares: • Yagi-Uda

• Log-Periódica

•Painel Dipolos MO/OC/X

•Anel (ciclóide)

• Seta

Antenas de Abertura:Antenas de Abertura: • Parabólica

A conceituação dos diversos tipos de antenas é muito ampla e neste texto adotaremos uma divisão bastante simplificada (mas não menos abrangente) em duas grandes famílias ou tipos de antenas onde podem ser classificadas as antenas que desejamos estudar.

Antenas de condutores lineares, ou simplificadamente antenas lineares tem a propriedade de apresentarem a dimensão transversal dos elementos condutores que radiam RF como uma fração (número << 1) do comprimento de onda da freqüência de operação, por exemplo em FM na freqüência de 100 Mhz, o comprimento de onda vale 3 metros (ou

3000 m), a seção transversal de um anel de FM em linha rígida de 1 5/8” (= 41,3 m) vale 0,01376 comprimentos de onda. Esta matemática, quando satisfeita, permite simplificar a análise da antena em termos eletromagnéticos e aproximar as correntes que circulam na antena como sendo apenas correntes de natureza linear e unidimensionais, facilitando sobremaneira a determinação das equações de campo e as propriedades de radiação da antena em análise.

Nesta categoria de antenas de condutores lineares recaem os tipos de antenas conhecidas como: yagi, log periódica, painel de dipolos (MO=meia onda, OC=onda completa, X=dipolos cruzados), painel H (ou duplo delta), superturnstile, anel de FM, seta de FM.

Antenas de abertura por sua vez estabelecem um mecanismo de radiação de energia de RF onde as correntes se distribuem em uma área ou abertura no espaço que determinam campos eletromagnéticos de natureza mais complexa e mais difíceis de serem analisados matematicamente quando comparados ao caso anterior. Para o caso de antenas de abertura o que se faz é determinar as propriedades dos campos Elétrico e Magnético na abertura de radiação da antena e à partir daí determinar as demais propriedades de radiação da antena em análise.

Nesta categoria de antenas de abertura recaem os tipos de antenas conhecidas como: parabólica e slot (ou antena de fendas).

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Utilização de Antenas de Transmissão

Figura 21 - Yagi - Uda

A Fig. 21 mostra a foto deste tipo de antena, onde se identificam o dipolo dobrado (elemento que está conectado na linha de transmissão) e os demais elementos parasitas, chamados de refletor (atrás do dipolo) e diretor (a frente do dipolo).

A antena Yagi pode ser implementada nas faixas de VHF e

UHF, opera segundo a orientação mecânica dos seus elementos em polarização linear horizontal ou linear vertical, mediante a incorporação de uma segunda antena mecanicamente a 90 graus e alimentada em quadratura de fase (defasada em 90 graus elétricos) com a primeira, a antena Yagi pode ser implementada para operação em polarização circular.

Os ganhos obtidos com este tipo de antena variam entre 3 e 16 dBd, quanto maior a quantidade de elementos maior o ganho e viceversa, note ainda que quanto maior o ganho mecanicamente maior e mais pesado será a antena bem como maior a área de exposição ao vento.

As antenas Yagi são eminentemente antenas de faixa estreita (operação monocanal) e dedicadas a aplicação no modo de recepção

Figura 2 – Yagi UHF em 75 ohms e no modo de transmissão em 50 ohms com potências, via de regra, não superiores a 100 W unitariamente.

As figuras 2 e 23 mostram as especificações de dois projetos de Yagi, na Fig. 2 uma antena com 2 elementos para UHF e na Fig. 23 uma antena com 4 elementos para VHF.

Nestas figuras o diagrama polar representa o corte de azimute do diagrama 3D e os diagramas retangulares (abaixo e à esquerda) representam o corte de elevação do diagrama 3D, sendo o diagrama 3D da antena apresentado no canto inferior direito.

Com relação aos diagramas retangulares (vide Fig.4), o primeiro mostra o setor angular [0,180] onde 0 graus representa o ângulo theta tomado sobre o eixo z (ou apontando para o céu), 90 graus representa o ângulo theta tomado sobre o eixo x (apontando para a linha do horizonte) e 180 graus representa o ângulo theta tomado sobre o

• Yagi-Uda Especificações :Especificações :

Faixa: VHF + UHF Polarização: linear ou circular Ganho: [3 -16] dBd Impedância: 50 / 75 W VSWR : 1: [1,2 -1,5] Conector: N / F Potência : < 100 W L x C : 0,5 lx [0,5 -6] l Pêso : [1 -15] Kg Área vento : [0,1 -0,4] m2

Yagi UHF

Especificações :Especificações : 22x elementos @ 16 dBd

HPBWH @32 graus HPBWV @36 graus F/C @-24 dB

El El

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Utilização de Antenas de Transmissão

Figura 23 – Yagi VHF eixo – z (ou apontando para o solo). O segundo diagrama retangular é um “zoom” ou corte ampliado do primeiro diagrama retangular ao redor da linha do horizonte, note que neste caso a nomenclatura dos ângulos foi modificada onde 0 graus representa a linha do horizonte, -15 graus representa o ângulo 15 graus acima da linha do horizonte e +45 graus representa o ângulo 45 graus abaixo da linha do horizonte.

Ainda nestes figuras, o termo HPBWH identifica o setor angular de meia potência de Azimute (ou do diagrama horizontal), HPBWV identifica o setor angular de meia potência de Elevação (ou do diagrama vertical) e F/C a relação frente costa em dB.

Note como estes parâmetros variam em cada Yagi e como existe uma correspondência entre estes parâmetros e o “desenho” dos diagramas polar, retangular e 3D apresentados.

Figura 24 – Log - Periódica

A Fig. 24 mostra a foto deste tipo de antena, onde se identificam o membro estrutural horizontal da antena compreendido pôr duas partes em paralelo (perfil quadrado neste caso) e elementos tipo “dipolos” ligados à cada membro estrutural formando pares intercalados, sendo a conexão à linha de transmissão feita na parte posterior da antena.

O termo Log-Periódica tem origem na propriedade deste tipo de antena exibir características de radiação que são repetitivas (ou periódicas) em função do logaritmo da freqüência de operação dentro de uma faixa de funcionamento.

Trata-se portanto de uma antena tipo faixa-larga e, ao contrário de Yagi, indicada para operação multicanal quer seja no modo de recepção em 75 ohms ou no modo de transmissão em 50 ohms com potências, via de regra, não superiores a 100 W unitariamente.

A antena Log-Periódica pode ser implementada nas faixas de

Yagi VHF

Especificações :Especificações : 4x elementos @ 5 dBd HPBWH @62 graus HPBWV @100 graus F/C @-14 dB

El El

•Log -Periódica Especificações :Especificações :

Faixa: VHF + UHF Polarização: linear ou circular

Ganho: [6 -10] dBd Impedância: 50 / 75 W VSWR : 1: [1,2 -1,5]

Conector: N / F Potência : < 100 W

L x C : 0,5 lx 1,5 l Pêso : [5 -15] Kg Área vento : [0,3 -0,6] m2

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Utilização de Antenas de Transmissão

VHF e UHF, opera segundo a orientação mecânica dos seus elementos em polarização linear horizontal ou linear vertical, mediante a incorporação de uma segunda antena mecanicamente a 90 graus e alimentada em quadratura de fase (defasada em 90 graus elétricos) com a primeira, a antena Log-Periódica pode ser implementada para operação em polarização circular.

Os ganhos obtidos com este tipo de antena variam entre 6 e 10 dBd, quanto maior a quantidade de elementos maior o ganho e vice- versa, note ainda que quanto maior o ganho mecanicamente maior e mais pesado será a antena bem como maior a área de exposição ao vento. As curvas de projeto para este tipo de antena tendem à assíntotas para ganhos maiores do que 10 dBd, tornando-as extremamente ineficientes em termos de custo-benefício (quantidade de elementos / ganho).

Figura 25 – Log-Periódica - VHF

Log -Periódica VHF

Especificações :Especificações : Banda I [canais 7 a 13]

9x elementos @ 7 dBd HPBWH @54 graus HPBWV @74 graus F/C @-24 dB

El El

Antenas tipo Log-Periódica fazem parte de uma família extensa de antenas conhecidas como “independentes com a freqüência” e apresentam a virtude de serem soluções faixa-larga, evidentemente mais onerosas do que soluções monocanal (Yagi por exemplo) porem mais eficientes para utilização em sites de recepção onde os azimutes de orientação estejam compreendidos dentro do HPBWH ou em sites de transmissão onde não se tenha um conhecimento , `a priori, do canal de operação mas exista conhecimento da banda de operação do sistema.

A Fig. 25 mostra as propriedades de uma antena projetada para operação em banda I de VHF, com os respectivos diagramas de radiação e figuras de mérito.

Figura 26 – Painel Dipolos DMO / DOC

Antenas tipo Painel Dipolos caracterizam-se sempre pela disposição mecânica de um ou mais dipolos (DMO=dipolo de meia onda, DOC=dipolo de onda completa, X=dipolos cruzados) a frente de um

•Painel Dipolos DMO / DOC Especificações :Especificações :

Faixa: VHF + UHF Polarização: linear Ganho: [5 -16] dBd

Impedância: 50 W VSWR : 1: 1,1 Conector: N / EIA Potência : < 2 kW

L x C :1 lx [1 -6] l Pêso : [10 -200] Kg

Área vento : [0,9 -7] m2OC MO

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Utilização de Antenas de Transmissão painel refletor, quer seja este painel do tipo sólido (usual em UHF e microondas) ou tipo grade (usual em VHF).

A Fig. 26 mostra três fotos, no extremo inferior designado como

MO, a foto de um painel de dipolo de meia onda para VHF, acima do lado direito designado como OC, a foto de um painel de dipolo de onda completa para UHF na configuração de 8 dipolos empilhados verticalmente e finalmente à esquerda a foto de um arranjo de painéis de UHF do tipo faixa larga ao redor de uma torre, onde o dipolo, refletor e demais componentes do painel são revestidos por uma capa de proteção (ou radome).

Esta categoria de painéis é amplamente utilizada em sistemas de radiodifusão de TV pois atende as faixas de VHF e UHF em várias especificações possíveis de ganho e níveis de potência unitários

Figura 27 – Painel Dipolos Cruzados TV compatíveis com sistemas de baixa, média e alta potência, tornando-os antenas propícias para utilização em arranjos de antenas para a composição de diagramas de radiação mais elaborados

Para a faixa de VHF, em função da freqüência de operação e presença de um dipolo acoplado e afastado de um painel refletor, as antenas tipo painel dipolos apresentam dimensões, peso e área de vento que as tornam pouco compactas e de difícil instalação, bem como

Figura 28 – Painel Dipolos Cruzados FM impõem restrições ao uso em qualquer tipo de estrutura portante ou torre. Já em UHF as menores dimensões e características mecânicas mais aliviadas as tornam de mais fácil instalação.

Quando o sistema de transmissão exige antenas que operem em polarização circular, o dipolo linear como utilizado nas geometrias da Fig. 26, é substituído pôr um conjunto de dois dipolos cruzados como mostrado na Fig. 27 para o caso de uma antena na faixa de TV em VHF ou como mostrado na Fig. 28 para o caso de antenas na faixa de FM. Nestes mesmos figuras as demais características elétricas e mecânicas estão relacionadas.

Nas figuras 29,30 e 31 estão apresentadas as especificações de painéis de dois dipolos empilhados verticalmente à frente de um único painel refletor.

•Painel Dipolos Cruzados Especificações :Especificações :

Faixa: VHF (TV)

Polarização: circular Ganho / polarização: 3,5 dBd AR: 3 dBmáx Impedância: 50 W VSWR : 1: 1,1 Conector: EIA Potência : < 10 kW L x C :0,7 lx 0,7 l Pêso : [100 -500] Kg

•Painel Dipolos Cruzados Especificações :Especificações :

Faixa: VHF FM (8-108) Polarização: circular Ganho / polarização: 3,5 dBd AR: 3 dBmáx

Impedância: 50 W VSWR : 1: 1,2

Conector: EIA (2x) Potência : < 10 kW L x C : 0,7 lx 0,7 l Pêso : [40 -80] Kg

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Utilização de Antenas de Transmissão

Figura 29 – Painel Dipolos VHF B 1/2

Em canais baixos de VHF (2 até 6), dado o elevado comprimento de onda de operação, implementam-se usualmente painéis com dipolos de meia onda como mostrado na Fig. 29, já em canais altos de VHF (7 até 13), implementam-se tanto painéis com dipolos de onda completa como com dipolos de meia onda como mostrado nas figuras 32 e 3.

Na Fig. 32 está apresentado a especificação de um painel de doze dipolos empilhados verticalmente à frente de um único painel refletor, bastante comum em UHF, note o estreitamento do diagrama vertical com a conseqüente redução do HPBWV comparativamente aos casos anteriores.

O maior empecilho construtivo das antenas tipo painel de dipolos é a necessidade de se utilizar dispositivos de equilíbrio de impedância ou “balun” para a interligação do dipolo com a linha de transmissão, além do que o requisito de faixa necessário para utilização em TV impõem a necessidade de se trabalhar com dipolos cilíndricos de

Figura 30 – Painel Dipolos VHF B3 dimensões significativas.

Ao contrário, o painel H (ou como chamado de painel duplo delta ou ainda painel rômbico) emprega uma filosofia de alimentação da antena que é desbalanceada portanto compatível com a linha de transmissão, bem como uma geometria do elemento “ativo” nada convencional se comparado ao dipolo, eliminando assim as principais desvantagens do painel de dipolos e agregando propriedades elétricas desejadas à esta categoria de antenas.

O painel H representa uma solução muito eficiente para emprego em sistemas de transmissão de TV em VHF tornando-os, a exemplo dos painéis de dipolos, antenas propícias para utilização em arranjos de antenas para a composição de diagramas de radiação mais elaborados. Quando comparados aos painéis de dipolos apresentam ainda menor peso e menor área de vento.

A Fig. 3 mostra a foto de um painel H onde pode-se identificar

Painel Dipolos VHF-B1/2

Especificações :Especificações : canal 2 até 6

2x dipolos de meia onda

HPBWH @72 graus HPBWV @54 graus F/C @-16 dB

El El

Painel Dipolos VHF-B3

Especificações :Especificações :

canal 7 até 13 2x dipolos de onda completa

HPBWH @62 graus

HPBWV @56 graus F/C @-16 dB

El El

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Utilização de Antenas de Transmissão

Figura 31 – Painel Dipolos VHF – B3 o painel refletor tipo grade e montado na sua frente o elemento tipo “dipolo” de geometria semelhante às asas de uma borboleta, onde está conectado a linha de transmissão.

A Fig. 34 apresenta a especificação de um painel H projetado para atender a faixa de TV em VHF correspondente aos canais 4 até 6, onde se verifica as aberturas de meia potência horizontal e vertical e a relação frente costa que se obtém com esta geometria. Cabe a ressalva de que o valor de HPBWV superior ao painel com dois dipolos de meia onda (vide Fig. 29) torna o ganho individual do painel H ligeiramente inferior.

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