NOTAS DE AULA - ANTENAS NÃO RESSONANTES

INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇO - IAE

FACULDADES INTEGRADAS ESPÍRITA

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CONVÊNIO 2002-2012

ÍNDICE ANTENAS ANTENAS NÃO RESSONANTES - NOTAS DE AULA PY5AAL

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(c) py5aal Quase não é encontrada uma literatura mais técnica sobre as antenas não ressonantes. Muito do que se vê pela Internet é resultado de puro empirismo, e muitas vezes conceitos totalmente equivocados. O estudo das antenas é muito complexo e apaixonante, e deve ser tratado com seriedade. Os experimentos, por exemplo, ultimamente têm se resumido à puras simulações de computador, e sempre levando em conta fatores muito duvidosos. É impossível contextualizar o estudo de antenas sem levar em conta o terreno, elementos interferentes e interações das mais diversas. O simplismo muitas vezes tende a demonstrar uma realidade parcial, e muitos erros de projetos podem ser cometidos em função disto. Os fenômenos eletromagnéticos, e seu formalismo não são simples de se entender, carecem de estudo e dedicação. É sabido que o campo magnético de uma antena induz corrente elétrica em qualquer superfície condutora, no entanto, se essa superfície tem um comprimento característico da corrente induzida, esta será muito mais forte.

(c) py5aal Uma antena ressonante é muito mais eficiente na conversão (de recepção ou transmissão) do campo em determinado comprimento de onda, e isto não é mito, como está demonstrado mais adiante. A antena não ressonante tem a vantagem de operar em diversas frequências mas não é tão eficiente, pois, se assim o fosse as estações profissionais (Broadcast) tais com o BBC de Londres, e outras tantas, não teriam um parque de antenas ressonantes, seria mais fácil, por exemplo, utilizar somente um sistema irradiante repetido para cada frequência de utilização. Assim a escolha de qual tipo de antena de se deve usar cabe a cada projeto específico e ao uso propriamente dito. Muitos amadores, por exemplo, preferem por questões óbvias as antenas não ressonantes, enquanto outros as ressonantes.

(c) py5aal As antenas não ressonantes são projetadas para uma impedância de entrada constante, conforme está provado no formalismo matemático mais adiante. A irradiação daqueles sistemas funciona numa ampla gama de freqüências. A dimensão máxima de uma antena não ressonante é próxima do limite da menor freqüência de irradiação. O modelo de utilização da antena não ressonante é muito parecido com o modelo da antena ressonante. Porém, a antena não ressonante pode inclusive ser mono direcional, neste caso, somente existem ondas diretas propagantes, isto é, o sinal se propaga direcionalmente e no mesmo sentido das ondas.

(c)py5aal De uma forma simples, o exemplo da mecânica clássica de uma pedra jogada numa lagoa, mostra claramente o comportamento de campos de irradiação e propagação. As ondas produzidas no meio de uma massa líquida por uma pedra lançada, depois que chegou ao fundo, continuam se propagando. A pedra e sua queda, não são necessárias à manutenção das ondas, mas foram prementes à sua criação, cessando causa (Queda da pedra), o efeito (propagação de ondas) teve seu prosseguimento, independe daquela ter cessado. As linhas de fluxo, concêntricas em forma de ondas transportam energia, este deslocamento da energia, define-se como propagação, e a energia contida nas ondas, chama-se energia irradiada ou campo distante (analogamente no caso da água), a água espirrada acelerada pelo impacto da pedra e, em volta dela, pode ser definido o análogo de um campo próximo. Existem dois tipos de distribuição de linhas de campo, as mais próximas da antena que deixam de existir imediatamente ao cessar a causa, isto é quando cessa a corrente esta sofre a anulação por um semiciclo, e não chegam a se fechar, portanto, não se propagam, chama-se a este efeito campo próximo, de Fresnel ou campo de indução. Quanto às linhas que se fecham, portanto se propagam no espaço e continuam carregando consigo energia irradiada, análogo ao exemplo acima, denomina-se campo distante ou de Fraunhofer, ou para ser mais exato, campo de irradiação. Na antena com refletor, ambos são importantíssimos. O campo elétrico na região distante varia com o inverso da distância, enquanto que na região próxima isto não acontece. A região de indução (campo próximo) é geralmente usada no projeto de antenas com um ou vários elementos de forma a induzir nestes a energia que estaria perdida, aproveitando-a, induzindo-a ao elemento parasita, tanto diretor, quanto refletor, se for o caso.

Figura 1 – Esquerda: Na antena não ressonante não existem ondas estacionárias, desde que seja inserida uma terminação correta ( R ) que assegura a não reflexão de potência. Direta: Cerca de 66% da potência é irradiada.(Fonte: Angelo Leithold py5aal)

(c)py5aal Um exemplo de antena não ressonante é a T2FD ("Tilted Terminated Folded Dipole), ela não é direcional e devida sua construção tem banda larga para HF. Trata de um dipolo dobrado com terminador resistivo de 600 Ohms no centro. O resistor não pode ser indutivo e é utilizado a antena não ressonar em uma frequência específica. A dissipação do terminador não pode ser inferior a 35% da potência de transmissão. Deve ser utilizado um balun de ferrite para adaptar os 600 ohms de impedância característica da antena para 50 ohms. Os fios que compõe o dipolo dobrado podem ser de cobre ou aço inoxidável. A distância entre os fios deve ser um centésimo do maior comprimento de onda utilizável e o comprimento dos condutores cerca de um terço do comprimento de onda máximo. É aconselhável que a menor distância do extremo mais baixo não seja inferior a 1,83 m e a inclinação não seja inferior a 20° nem superior a 40°.

Figura 2 – Diagrama da antena T2FD (Fonte: Angelo Leithold py5aal)

(c)py5aal Um dipolo pode ser modificado de maneiras diferentes, de forma a estender sua ''largura de banda''. Mais precisamente, é possível estender a atuação de um dipolo para a operação multibanda, deixando-o não ressoante, ou fazendo-o ressoar em diversas frequências. Embora pareça um conceito paradoxal, este explica porque certas antenas funcionam ''inexplicavelmente'' em frequências diversas dos harmônicos para os quais foram calculadas. Por exemplo, ao montar uma antena dipolo em determinado local, la ressona na ''fundamental'' mas também em outras frequências, este poderia ser considerado um fator ''ambiental'', ou seja, cercas, varais, calhas, elementos metálicos, etc, ''interferem'' no funcionamento da antena pela interação ocorrida na região do campo próximo. A inserção proposital de elementos parasitas (Não confundir com antenas Yagi, ou antenas multi-elementos, embora os princípios sejam semelhantes.), que podem ser definidos grosseiramente como ''armadilhas'', atuam através da interação entre a antena propriamente dita e os tais elementos. Estas armadilhas permitem a operação com a menor frequência fundamental para a qual o comprimento elétrico do dipolo é L/2 (L é o comprimento de onda Lâmbda), mas que seletivamente desconectam algumas porções do dipolo, inserindo assim uma componente de impedância que pode ser vista como uma alta impedância em série em freqüências mais altas do que a fundamental.

Fig. 3 - Medida ponto de alimentação p/ R, X, ROE x freq. - Antena L/2 40 m, dist. solo10 m. Linhas sólidas dipolo 18 m radiador sem trap (dados da Tabela 20-1). Linhas tracejadas: Mesma antena com trap. Estendida p/ 80 m (L=30m) extensões adicionadas em cada extremidade para fazer a antena utilizáveis em 80 m. (Fonte: Angelo Leithold, LACEC - Laboratório de Construção de Equipamentos Científicos - Campus de Pesquisas Geofísicas Major Edsel de Freitas Coutinho - IAE - Instituto de Aeronáutica e Espaço - FIES - Faculdades Integradas Espírita. 2007)

c) py5aal A componente elétrica efetiva pode alterar o comprimento do dipolo encurtado para L / 2 sobre a banda de frequência mais alta. Mas, como tudo na natureza é harmônico, Quando existe um ''ganho'' em determinado sentido, gera um ''custo'' indesejável em outro. Ao utilizar o método da armadilha (Elemento interferente inserido propositadamente próximo à antena), é possível ao dipolo, por exemplo, uma operação multi-banda, claro que existem certos limites, e cabe ao experimentador descobri quais são. Um efeito, que é muito observado, é a ocorrência de uma alteração da largura de banda operacional em todas as frequências em que a armadilha do dipolo opera, esta é muito mais estreita do que o da separação em antenas dipolos simples com corte de L / 2 para cada banda, semelhante à operação de antenas muito próximas umas das outras.

(c) py5aal A freqüência de operação pode se afastar da ressonância de L / 2. A resistência elétrica e a reatância da antena alteram significativamente a ROE. A banda de operação tem uma alteração significativa e a ROE pode alterar rapidamente, o efeito armadilha pode necessitar da adição de ''trap's'' (Cuja tradução também é ''armadilha'') para melhorar o casamento. Os termos trap e armadilha neste caso, não podem ser confundidos, pois a armadilha cria uma espécie de realimentação, ou loop, enquanto o trap propriamente dito, é uma forma de melhorar o casamento, por isso, muitos amadores percebem um ''retorno'' de RF em suas estações. O tal retorno é causado pelo efeito armadilha, que devida a proximidade do sistema irradiante gera efeitos indesejáveis. Na figura 3 estão demonstrados os efeitos das alterações de ROE e impedância em dipolos ressonantes e não ressonantes.

1. Formalismo

(c)py5aal Diferente das antenas ressonantes, a solução das não ressonantes é bastante complicada e trabalhosa, pois envolve fatores diversos como superfícies planas próximas, e outros interferentes. Para desenvolver um formalismo matemático mais próximo dos resultados práticos, houve a necessidade de estabelecer certas condições. As expressões completas para uma antena não ressonante são bastante complexas, assim, o formalismo foi generalizado como fendas numa parede lateral de uma guia de ondas retangular (Pois este é mais observável em frequências muito altas). Isto se deve ao fato das interferentes ser muito extensas, e, tal generalização, das altas frequências, acaba por facilitar a análise. Embora os fenômenos descritos sejam muito próximos, a análise em frequências mais baixas se torna praticamente impossível. No desenvolvimento do formalismo, a preocupação maior foi com o tratamento matemático da impedância de uma antena não ressonante entalhada em uma parede lateral de um guia de ondas, que, de certa forma pode ser transferido para antenas não ressonantes ordinárias.

Fig 4: Antena Slotted numa parede lateral de um amplo guia de ondas retangular.

(c)py5aal Como mostrado na figura. 4, vamos tomar uma coordenada e assumir que tal slot tem uma área hxd, e está numa parede lateral infinita perfeita, há uma guia de ondas retangular de espessura desprezível a x b. Quando a onda é propagada na região, Z < 0, de um guia de onda, uma parte da energia eletromagnética irradiada será no espaço outra se propagará na superfície, Z > 0, e refletida na região Z < 0 da guia. Assim, a propagação das ondas eletromagnéticas se dará de forma bastante complexa e interativa no meio. Portanto, o campo eletromagnético no guia de ondas será perturbado devido à carga elétrica superficial e a corrente do circuito slot S1 e seu equivalente na ranhura no plano de referência S e S1, conforme pode ser assumida como mostrado na figura 5.

Fig. 5:(a): Visão vertical da antena de fenda na face de uma placa, (b) circuito equivalente da antena de fenda, (c): circuito equivalente do lado esquerdo da antena de fenda.

Como mostrado na figura 5 (a), quando a guia de ondas é dividida em duas seções, num plano simétrico So (Z = h / 2), o circuito equivalente para a esquerda região de uma guia de ondas pode ser mostrada na fig. 5 (c). Se o plano simétrico So, do guia é aberto, como mostrado na figura 5 (a), a admitância de entrada Yf na referência plano S é normalizado para a admitância característica de H

assim

CONCLUSÃO

Quanto às interações, as antenas, quando instaladas próximas umas das outras ou mesmo de estruturas metálicas quaisquer, sempre sofrerão interações e alterações de suas impedâncias. A este efeito chama-se acoplamento mútuo. A corrente de uma das antenas dependerá do campo irradiado pela outra. Assim, o diagrama de irradiação será a resultante das duas correntes. Por isso a impedância de entrada de uma antena sempre depende dos efeitos mútuos ambientais, principalmente se ocorre sintonia, ou dessintonia, isto é, comprimentos de ondas de estruturas próximas às antenas com comprimentos de ondas próximos e à distâncias entre comprimentos de ondas próximas também resultam sempre em interações mútuas, portanto alteração de banda. Desta forma, conforme o formalismo provado acima, e comprovado na prática, uma antena não ressonante também pode ser enxergada, dependendo do caso, como um sistema irradiante não ressonante, e uma antena ressonante, pode se comportar como um sistema irradiante não ressonante. Por isso, muitas vezes, quando algumas antenas são instaladas próximas umas das outras ou mesmo de estruturas metálicas, sofrem as tais interações, portanto alterações de suas impedâncias características globais e de suas frequências de ressonância. Também ocorrem alterações de seu fator de qualidade, em função do acoplamento mútuo que se altera. Isso ocorre porque a corrente de uma antena depende do campo irradiado por outra, ou outras. Desta forma, o diagrama de irradiação poderá ser resultante das correntes concomitantes. Logo, a impedância de entrada de uma antena sempre dependerá dos efeitos mútuos ambientais (estruturas metálicas etc próximas às antenas com comprimentos de ondas semelhantes e à distâncias entre comprimentos de ondas próximas) e haverá como resultado um ''sistema'' ressonante, ou não ressonante, sendo o ressonante de baixa eficiência, sempre, em relação ao ressonante.

Outros endereços:

ANTENAS NÃO RESSONANTES, UM ESTUDO DE SEU FORMALISMO.

ANTENA NÃO RESSONANTE

Estudo da interação_entre 2 dipolos finos py5aal.pdf 7369k

0.antena@

A presente publicação faz parte do trabalho ''Fundamentos de propagação de rádio'' datilografada em 1978 e apresentada na Escola Técnica Federal do Paraná em 1979. Foi complementada em 1987 e o formalismo matemático mais rigoroso foi inserido 1990. O trabalho digitalizado foi publicado no Hpg.IG em 1998 no endereço http://www.angeloleithold.hpg.ig.com.br/ciencia _e_educacao/9/index_int_4.html. Foi elaborada uma cópia de segurança e publicada no Yahoo-Geocities em 2004 no endereço http://br.geocities.com/angeloleithold/teoriaantena.htm. Em maio de 2011 o Hpg.IG foi descontinuado, a cópia salva foi migrada para o presente endereço em junho de 2011.

Mais informações estão nos seguintes endereços:

http://web.archive.org/web/20071112182438/http://br.geocities.com/angeloleithold/teoriaantena.html

http://web.archive.org/web/20060221225235/http://angeloleithold.vilabol.uol.com.br/py5aal.html

http://web.archive.org/web/20071202135144/http://br.geocities.com/angeloleithold/py5aal.refletores.html

http://www.angeloleithold.hpg.ig.com.br/ciencia_e_educacao/6/index_pri_1.html

http://web.archive.org/web/20040914020247/http://www.angeloleithold.hpg.ig.com.br/ciencia_e_educacao/6/index_int_3.html

A obra ANTENA NÃO RESSONANTE, UM ESTUDO de Angelo Antonio Leithold; Leithold, A. A.; Angeloleithold; py5aal foi licenciada com uma Licença Creative Commons - Atribuição - Uso Não Comercial - Obras Derivadas Proibidas 3.0 Não Adaptada. Com base na obra disponível em sites.google.com. Podem estar disponíveis permissões adicionais ao âmbito desta licença em https://sites.google.com/site/nonresonantantennapy5aal/.

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=> O presente capítulo é apenas um pequeno resumo sobre as antenas não ressonantes. Para se aprofundar mais no assunto clique aqui => ANTENAS NÃO RESSONANTES, UM ESTUDO DE SEU FORMALISMO.

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leithold angelo antonio py5aal Quando Φ^*, Φ; H, E resultam num vetor hertziano ao longo do z-axis (Eixo z), e subscritos em I e II, representados I e II na guia de onda, ψ_II^*, ψ_II; H, E, resultam num potencial vetorial de Hertz ao longo do eixo-y, a^I_mn, e b^I_mn, no coeficiente de reflexão dos modos m e n, a^II_mn, b^II_mn, c^II_mn e d^II_mn e nos coeficientes de transmissão de cada modo γ_mn e β_mn , as constantes de propagação no modo m, n, ao longo dos eixos z, y, Zg; serão os comprimentos de ondas no guia de ondas. Neste caso, o plano So é aberto, a autofunção de ψ_II^*, ψ_IIserá formada com os modos m = m', n = 2n'-1. Assumindo que os potenciais vetoriais acima, em cada região do guia de ondas, é tangencial ao campo elétrico acima do campo S, serão aportados pelos potenciais vetoriais ao longo dos dois eixos e têm componentes Ex(xy) e Ey(xy). Além disso, os campos elétricos tangenciais a S1, serão aportados por estes ao longo do eixo-y e, em geral componentes Ex(xz) e Ez(xz). Portanto, a_mn, e b_mn, podem ser mostrados como funções de Ex(xy) e Ey(xy) e cmn e dmn, também podendo ser representados como funções de Ex(xz) e Ez(xz) utilizando as propriedades ortogonais das autofunções. Os campos magnéticos tangenciais H_x^I(xy) e H_x^II(xy), sobre ambos os lados do plano S, levam à integral leithold py5aal antena não ressonante, não ressonante antena.

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