Tipos de Antenas Antenas e Propagação Antenas • Segundo o dicionário Webster, antena pode ser definida como um dispositivo geralmente metálico para radiação ou recepção de ondas de rádio; • A padronização do IEEE designa que antena é um dispositivo para radiação e recepção de ondas de rádio; Antenas • Segundo Balanis (2009), antena é uma estrutura intermediária entre o espaço livre e os dispositivo de guiamento; Antenas • O dispositivo de guiamento, também chamado de linha de transmissão pode ter forma de cabo coaxial ou guia de onda; • Este dispositivo é usado para transportar a energia eletromagnética da fonte a antena ou da antena para o receptor; Antenas • O sistema de alimentação de uma antena pode ser representado por um sistema equivalente de Thevenin; Antenas • Para o equivalente o gerador é modelado como um gerador ideal e a linha de transmissão por sua impedância característica; • A antena é vista como uma carga para a fonte de tensão e conectada a linha de transmissão (ZA); ππ΄ = π πΏ + π π + πππ΄ Antenas • A resistência RL representa as perdas de condução e dielétrica associadas a antena; • A resistência Rr é a chamada de resistência de radiação da antena; • A reatância XA representa a parte imaginária associada a radiação da antena; • A impedância de radiação da antena é a representação fictícia da potência de radiação emitida ou recebida pela antena; Antenas • Na prática existem perdas por condução e dielétricas por causa de imperfeições no material usado nas linhas de transmissão; • A linha de transmissão deve ser bem casada com a antena de modo a evitar ou reduzir as perdas por reflexão na interface; • Para a máxima transferência de potência o casamento de impedância deve ser conjugada; Antenas • As ondas refletidas em conjunto com ondas viajantes na linha de transmissão provocam interferências chamadas de ondas estacionárias; • Estas ondas representam armazenamento e concentração de energia característicos de circuitos ressonantes; Antenas • Em caso de dimensionamento inadequado, a linha de transmissão poderá funcionar como um dispositivo de armazenamento de energia; • Se a intensidades das ondas estacionárias forem suficientemente grandes podem causar centelha no interior da linha de transmissão; • As perdas devido a linha de transmissão podem ser minimizadas pela seleção de linhas de baixas perdas; Antenas • As perdas relacionadas à antena podem ser minimizadas com a redução das perdas por condução e perdas dielétricas também com materiais de baixa perda; • É exigido para tecnologias sem fio (Wireless) que otimize e reforce a energia de radiação em determinadas direções e suprime em outras; Antenas • Deste modo a antena opera como um dispositivo direcional em conjunto com a emissão e recepção de energia eletromagnética; • Além disso, estes dispositivos devem assumir diversas formas para atender determinadas necessidades Tipos de Antenas • Devido as suas formas e aplicações específicas as antenas e conjuntos de antenas podem ser: – Antenas Filamentares; – Antenas de Abertura; – Antenas de Plaqueta; – Antenas Refletoras; – Antenas-Lente; Antenas Filamentares • As antenas filamentares são aquelas que apresentam estrutura física como fio ou filamento condutor e uma determinada disposição geométrica; Antenas Filamentares • Fios condutores são materiais que apresentam a característica de livre movimentação de cargas e a criação de um fluxo de corrente; Antenas Filamentares • Presumindo que a densidade volumétrica de cargas é distribuída em um fio cilíndrico com seção reta A e volume V; • A carga Q se move no interior do volume do fio na direção Z com velocidade uniforme vz; • A densidade de corrente no fio será: π½π§ = ππ§ π£π§ Antenas Filamentares • Para um fio muito fino, com raio tendendo a zero a corrente que transita pelo fio será: • Onde ql é a comprimento; πΌπ = ππ π£π§ carga por unidade de Antenas Filamentares • Para a corrente variante no tempo e considerando um fio muito fino: ππΌπ§ ππ£π§ = ππ = ππ ππ§ ππ‘ ππ‘ • Para um fio de comprimento l: ππΌπ§ ππ£π§ π = πππ = πππ ππ§ ππ‘ ππ‘ Antenas Filamentares • As equações anteriores denotam que para que exista radiação deve existir uma corrente variante no tempo ou uma aceleração de cargas; • As correntes, em geral, são correntes harmônicas variantes no tempo; • Para a representação da aceleração o fio deve ser curvo, vergado, terminado ou descontínuo; Antenas Filamentares • A aceleração ou a corrente variante é criada quando a carga oscila em movimento harmônico no tempo; Antenas Filamentares • Desta forma pode-se afirmar que: – Se a carga não está em movimento, não existe corrente e não existe radiação; – Se a carga esta em movimento uniforme: • Não há radiação se o fio for reto e de comprimento infinito; • Existirá radiação se o fio for curvo, vergado, descontínuo, terminado ou truncado; – Se a carga oscila em movimento temporal, existe radiação mesmo em um fio retilíneo; Antenas Filamentares • O mecanismo de radiação pode ser entendido como uma fonte geradora de pulsos conectado a um fio e a terra; • Com a energização, os elétrons livres se movimentam pela ação das linhas de força provocadas pela fonte; • As cargas são aceleradas na extremidade próxima à fonte e desaceleradas durante a reflexão na outra extremidade; Antenas Filamentares • Esta oscilação provoca a produção de campo eletromagnéticos em cada uma das extremidades do fio; • A radiação é mais intensa e com espectro de frequência mais largo em pulso mais curtos, ou seja, de menor duração; • Para um carga com oscilação contínua e harmônica no tempo produz, idealmente, uma única frequência determinada pela frequência de oscilação do pulso; Antenas Filamentares • A aceleração das cargas é efetuadas pela fonte externa, devido a forças que colocam as mesmas em movimento; • A desaceleração ocorre devido a forças internas promovidas por campo induzidos criados pela concentração de cargas na extremidade; Antenas Filamentares • Desta forma, a aceleração de cargas é promovido por um campo elétrico de excitação; • Já a desaceleração esta relacionada a descontinuidades de impedâncias ou curvaturas suaves no fio; Antenas Filamentares • Considerando dois fios, uma fonte de tensão conectada entre eles cria um campo elétrico entre os condutores; Antenas Filamentares • Com o surgimento do campo elétrico existirão linhas de forças elétricas tangenciais com intensidade proporcional ao campo elétrico; • As linhas de forças elétricas tenderão a agir sobre os elétrons livres encontrados no condutor de modo a deslocá-los; • Este movimento cria uma corrente elétrica que, por sua vez, cria um campo magnético induzido Antenas Filamentares • Com a presença de um campo magnético serão produzidas linhas de força magnética tangenciais ao campo; • Presumindo que a fonte de tensão é senoidal (oscilante no tempo) espera-se que o campo elétrico seja também senoidal; • A amplitude do campo elétrico é determinada pela concentração das linhas de força elétrica entre os condutores; Antenas Filamentares • A criação de campo variantes no tempo formam ondas eletromagnéticas que se propagam ao longo da linha de transmissão; • As ondas eletromagnéticas criadas penetram na estrutura da antena e a elas associadas existem cargas e correntes elétricas correspondentes; • Ondas no espaço livre ser criadas pela interligação das linhas de forças elétricas; Antenas Filamentares • As ondas se propagam no espaço livre em relação a uma referência P0; Antenas Filamentares • Este ponto P0 se afasta da antena com a velocidade da luz e viaja a uma distância de λ/2 ate o ponto P1 com um intervalo de tempo igual a meio período; • O desprendimento das ondas eletromagnéticas nas antenas acontecem devido a perturbações de natureza elétrica ; Antenas Filamentares • Se a fonte de tensão promover determinados pulsos elétricos de curta duração as ondas geradas viajarão pela linha de transmissão até a antena; • Penetrando na antena as ondas serão radiadas como ondas no espaço livre mesmo que a fonte seja suprimida; Antenas Filamentares • Se a perturbação for contínua a radiação das ondas eletromagnéticas existirão de modo contínuo e com deslocamento, um atrás dos outros; • Quando as ondas são radiadas formam curvas fechadas e não há cargas para sustentar a sua propagação; • Para excitação de campos as cargas elétricas são necessárias, mas dispensáveis na propagação das ondas no espaço livre; Antena Dipolo • A antena dipolo é um tipo de antena filamentar de dois condutores contendo em seu comprimento total o tamanho desejado da onda que se deseja captar; Antena Dipolo • Considerando um dipolo curto uma fonte de tensão alimenta a antena e o campo elétrico é criado para um quarto de período de onda no intervalo que as cargas atingem o seu valor máximo; Antena Dipolo • As linhas de forças se afastam em direção radial a uma distância de um quarto de comprimento de onda (λ/4); • Durante o próximo quarto de tempo as linhas de campo viajam mais um quarto de comprimento de onda; • Este comprimento adicional totaliza meio comprimento de onda (λ/2) retornando ao ponto inicial e a densidade de cargas diminui; Antena Dipolo • A redução na densidade de corrente se dá pela introdução de cargas opostas no final da primeira metade do período neutralizam as cargas nos condutores; • As cargas opostas do segundo quarto do período viajam um quarto de comprimento de onda; Antena Dipolo • Deste modo parte das linhas de força apontam em um sentido e parte aponta no sentido oposto; • Sem carga líquida fazendo com que as linhas de forças se unam formando curvas fechadas e se desprendem dos condutores; Antena Dipolo • Na segunda metade do período este processo segue o mesmo procedimento mas com linhas orientadas em sentidos opostos; • Após isso o processo continua indefinidamente; Antenas de Abertura • Antenas de abertura são antenas mais sofisticadas que são úteis para utilização em frequências muito altas; • São usadas em bandas UHF, SHF e EHF designadas a faixa de microondas ou ondas “Centimétricas e Milimétricas”; Antenas de Abertura • As configuração mais comuns são as derivações de um guia de onda circular ou retangular ou cornetas eletromagnéticas; Antenas de Abertura • São muito úteis em aplicações aeronáuticas ou espaciais e podem ser montadas em fuselagem de aviões e naves espaciais; • Estas antenas podem ser cobertas com um material dielétrico para proteção de intempéries externas; Antenas de Plaqueta • As antenas de plaqueta mais comuns são as antenas de microfita; • Estas antenas se tornaram populares na década de 70 em determinadas aplicações espaciais; • Apresentam baixo perfil e de fácil construção o que contribuiu para a sua popularização; Antenas de Plaqueta • As antenas de microfita consiste basicamente de uma plaqueta metálica colocada sobre o substrato dielétrico aterrado; • A plaqueta pode apresentar diversas formas geométricas: Antenas de Plaqueta • Elas são discretas, moldáveis a superfícies curvas, de baixo custo e compatíveis com a tecnologia de circuitos impressos; • Apresentam versatilidade em termos de frequência de ressonância, polarização, diagrama de radiação e impedância. • São encontradas em naves espaciais, aeronaves, satélites, mísseis, automóveis e em telefones celulares; Antenas Refletoras • As antenas refletoras foram criadas pela necessidade de propagação das ondas eletromagnéticas em grandes distâncias; • O principal exemplar destas antenas são as antenas parabólicas ou antenas com refletor parabólico; • Para alcançar grandes distâncias e ganho relativamente alto as dimensões destas antenas são relativamente grandes; Antenas Refletoras • A radiação é feita através de refletores que direcionam a radiação eletromagnética em determinadas direções; Antenas-Lente • As lentes são usadas para direcionar a energia incidente divergente de modo a evitar o espalhamento da radiação em direções indesejadas; • Com a correta escolha da lente e da configuração geométrica as lentes transformam diversas formas de energia divergente em ondas planas; Antenas-Lente • As antenas-lente podem ser aplicadas em refletores parabólicos especialmente em frequências elevadas; • Para baixas frequências o seu peso e dimensões se tornam excessivamente grandes; • E são classificadas de acordo com o material da lente e sua forma geométrica; Antenas-Lente • As disposições geométricas mais comuns podem ser de acordo com as lentes básicas encontradas na óptica geométrica;
