Tipos Antenas Telecomunicações

ANT – Antenas e Propagação
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA
CAMPUS SÃO JOSÉ – SANTA CATARINA
Prof. Ramon Mayor Martins, MEng.
ramon.mayor@ifsc.edu.br / mayor@linuxmail.org
PARTE 5_1: Tipos de Antenas
Disponível em: http://goo.gl/kzvSbd

IFSC – Engenharia de Telecomunicações - ANT - Prof. Ramon Mayor Martins - 2016
5. – Fundamentos de Antenas
5.4 – Tipos de Antenas
Dipolo de Meia Onda:
Dipolo Dobrado
Antenas Omnidirecionais
Antena Turnstile
Dipolo Vertical
Antena Plano-Terra (Marconi) – vertical ¼
de onda
Arranjo Parasita (Yagi):
Arranjo Acionado:
– Colinear
– Transversal
– Longitudinal
– Log-Periódica

5 – Fundamentos de Antenas
5.4 – Tipos de Antenas:

Dipolo de Meia Onda
O perfil de uma antena dipolo de meia onda montada
horizontalmente tem forma de rosca, observando o perfil de
radiação horizontal, percebe-se a energia irradiada para todos
os lados.
Por causa da forma de rosca (na horizontal), a radiação
vertical é zero e a radiação a partir da horizontal é diminuída.
A impedância do dipolo é 73 ohms


Dipolo de Meia Onda: Variação do padrão de irradiação
do Dipolo com a altura
Dependendo da altura do dipolo à terra haverá variação dos
parâmetros da antena.
Tanto na polarização horizontal, quanto na vertical, o efeito
terra pode ser analisado como um refletor perfeito, desde que
dentro das faixas de frequência admissíveis.
As cargas e correntes induzidas passam a fazer parte do
sistema, ocorrerão dois efeitos, o imagem e o real.
Tanto para o dipolo horizontal, quanto para o dipolo vertical,
existe o dipolo imagem. Este atua de maneira que a terra
altera o diagrama de irradiação, impedância, ganho, dentre
outros parâmetros.
Assim uma antena próxima a qualquer estrutura condutiva,
seja terra, metal, "n" dipolos, outras antenas, etc, forma-se
uma rede de antenas.


Dipolo de Meia Onda


Monopolo


Dipolo Dobrado
Variação do dipolo meia onda
-Como o dipolo padrão (meia onda) tem comprimento de meio
comprimento de onda
-Consiste de 2 condutores paralelos ligados na extremidade
com o centro aberto (conexão com a linha de transmissão).
-Impedancia é de 300 ohms
-Fazendo com que o casamento com (fita paralela) seja
perfeito – pois tem 300 ohms também
-Para antenas de alta frequência o espaçamento entre os 2
condutores: 1 pol
-Para baixa frequência o espaçamento: 2 ou 3 pol.
-Perfil de radiação igual do dipolo
-Oferece maior largura de banda
-A impedância da resistência pode ser alterada pela variação
do tamanho dos condutores e o espaçamento.
-Utilizada para recepção de TV e FM.


Dipolo Turnstile
conjunto de duas antenas dipolos idênticas alinhados em
ângulos retos entre si e alimentados em quadratura de fase.
-as duas correntes aplicadas para os dipolos são 90º fora de
fase
-dipolos cruzados
-Usado de dois modos:
Modo Normal – pode haver varias dipolos umas acima da
outra, irradia omnidirecionais, horizontalmente polarizados.
Modo Axial – cada dipolo orienta perpendicularmente a linha d
comunicação,
A antena irradia circularmente polarizado, a emissão axial, um
dipolo reforça o outro, frequentemente utilizado para
comunicações por satélite,


Dipolo Cruzado
2 dipolos em V opostos
Alinhados de forma desbalanceada, com uma inclinação que
determina a polarização circular/eliptica
Utilizado em radiodifusão FM
Utilizando polarização circular, tem o efeito de produzir uma
maior penetração em edifícios e áreas de recepção difícil, do
que sinais com única polarização


Plano-Terra (Marconi) – vertical ¼ de onda
Omnidirecionais: antenas que transmitem uma quantidade
igual de energia na direção horizontal
Comprimento da antena:
-1/4 de onda (Lambda/4) radiador principal , ¼ de onda radiais
plano terra.
-características omnidirecionais
-Fornece quantidade ideal de radiação em todas as direções
-Uso:
-Estações de radiodifusão AM (MF)
-Estações centrais (polícia, radiotaxi)
Funcionamento:
-Alimentada com cabo coaxial – o condutor central é
conectado a esse radiador
-Enquanto a blindagem é conectada na terra
-Com esse arranjo, a terra funciona como um “espelho
elétrico” – fornecendo o outro ¼ de onda da antena.
-Tornando um equivalente ao dipolo vertical
-O resultado é uma omnidirecional polarizada verticalmente.


-a eficácia depende de um bom contato elétrico com a terra
-Um terra razoável pode ser obtido cravando uma haste de
cobre embaixo da terra
-Entretanto se a terra estiver seca e tiver alta resistência – a
haste será insuficiente
Em frequências muito altas – qdo as antenas são curtas, uma
superfície metálica pode servir como plano-terra
-Ex: teto metálico de um carro para VHF e UHF
- Em qualquer caso, o plano-terro deve ser grande o suficiente
para que ele tenha um raio maior do que ¼ de comprimento
de onda na menor frequência.


Em frequências muito altas – qdo as antenas são curtas, uma
superfície metálica pode servir como plano-terra
-Ex: teto metálico de um carro para VHF e UHF


Resistencia de Radiação:
-a impedância de uma antena plano-terra vertical é
exatamente metade da impedância do dipolo
(aproximadamente 36 ohms)
-Essa impedância varia d acordo com a altura acima do solo,
relação comprimento/diâmetro do condutor e presença d
objetos ao redor.
-Condutor muito grosso, muito próximo da terra, a impedância
pode cair para menor de 20 ohms.
-Como não há um coaxial de 36,5 ohm – usa-se um coaxial
de 50 ohm para alimentar a plano terra.
-Isso representa descasamento. SWR = 50/36.5 = 1.39
(relativamente baixo – e não causa perda de potencia)
-Radiais Inclinados: Uma maneira de ajustar a impedância
da antena é usar radiais inclinados. Em algum ângulo /
dependendo da altura acima do solo/ a impedância da antena
será perto de 50 ohms (perfeito o casamento).


Componentes elétricos concentrados para compensar o
encurtamento (Bobina de carga)
-Em algumas faixas de frequência por exemplo 27 MHz (CB) é
impraticável fazer uma antena vertical ¼ de onda (11 metros -
Radiador principal teria 2,75 metros).
Um telefone sem fio em 49 MHz (6 metros - Radiador principal
1,53 metros)
-Para isso, é usado antenas mais curtas e adicionado
componentes elétricos para compensar o encurtamento
-Quando uma antena é construída menor do que ¼ de
comprimento de onda, o efeito pratico é uma indutância
reduzida. (XL = 2pifL, L menor, XL menor, portanto mais
capacitivo)
-A antena já não ressoa na frequência de operação desejada,
mas em frequência maior


Para compensar isso, um indutor em série, chamado Bobina
de carga é conectado em série com a bobina da antena.
-A bobina de carga traz a antena de volta para a ressonância
na frequência desejada.
-A bobina pode ser montada externamente (de modo que
irradie junto com a haste vertical)
-Pode tb ser colocado dentro da unidade portátil (como em
telefone sem fio)


-As antenas CB tem uma grande bobina dentro de um
encapsulamento de proteção
-As antenas de telefone celular usam uma bobina interna
autossustentável (como uma mola)
-Em ambos os tipos de antenas, o indutor pode ser variável
(de modo que a antena possa ser ajustada)




Antena Vertical 5/8 de onda:
Variação da antena vertical de ¼ de onda - como a
plano-terra, a 5/8 é alimentada na base com um cabo
coaxial e tem 4 ou mais radiais de ¼ de onda
-é 1/8 de comprimento de onda maior do que o
meio comprimento de onda
-Esse comprimento adicional proporciona um ganho
de 3 dB sobre um dipolo básico e sobre a vertical ¼ de
onda.
-O ganho vem da concentração da radiação em um
padrão de radiação vertical estreito em um ângulo
inferior ao horizonte
-Ideais para comunicação a longa distancia
-5/8 não é múltiplo inteiro de ¼ de onda, parece muito
maior do que a linha de transmissão – parece um
circuito capacitivo.
-Para compensar isso, um indutor em série é
conectado entre a antena e a linha de transmissão
(fazendo a antena ficar próxima do casamento com a
linha de 50 ohms)
-Muito utilizada em VHF e UHF


Arranjo Parasita
Para criar antena com mais diretividade e ganho mais
elementos da antena são combinados para formar um
Arranjo
-Antena básica conectada a uma linha de transmissão
– acrescida de um ou mais condutores adicionais que
não estão conectados a linha: Elementos Parasitas e
Elemento Acionado
-Elemento Acionado: Dipolo de meia-onda ou alguma
variação
-Elemento Parasita: São ligeiramente mais longos ou
mais curtos que o comprimento de onda. Refletor e
Diretor
-Colocados em paralelo próximos do elemento
acionado
-Os elementos todos estão em uma barra comum: a
barra não tem que ser um isolante – pois como existe
um nulo de tensão no centro do condutor de meio
comprimento de onda na frequência de ressonância –
não há diferença de potencial entre os elementos e
assim todos podem ser conectados em uma barra
condutora (ou seja: os elementos não estão em curto-
circuito).


Arranjo Parasita:
-Refletor: cerca de 5% maior que o dipolo de
meia onda
-montado atrás do dipolo
-espaçado por uma distancia de 0.15 a
0.25Lambda do dipolo
-Qdo o sinal irradiado a partir do dipolo atinge o
refletor, induz uma tensão que produz uma
radiação própria
-Devido ao espaçamento, a radiação do refletor
está em fase com a radiação do dipolo
-Como resultado – o sinal refletido é adicionado
ao sinal do dipolo, criando um feixe mais forte e
mais focalizado na direção do dipolo.
-O refletor minimiza a radiação a direita do
dipolo e reforça a radiação a esquerda.


Arranjo Parasita:
Diretor: é aproximadamente 5% menor que
o dipolo de meia onda
- é montado em frente do dipolo
- espaçados por uma distancia entre cerca de 1
e dois décimos de um comprimento de onda a
partir do elemento acionado (dipolo).
- o sinal do dipolo provoca uma tensão induzida
no diretor
- o sinal irradiado pelo diretor é somado em
fase ao do elemento acionado
- o resultado – aumento de focalização do sinal
e uma diminuição na largura de feixe e um
maior ganho da antena na direção do diretor


Arranjo Parasita: Yagi-Uda
-composta de um elemento acionado (dipolo) e
um ou mais elementos parasitas.
-Visto que os centros dos elementos parasitas
são neutros eletricamente, eles podem ser
conectados diretamente na barra.
-altamente direcional
-ganho muito elevado
-ganhos de 3 a 15 dB são possíveis com
abertura de 20 a 40º
-A antena Yagi de 3 elementos: tem um ganho
de 8 dB qdo comparada a um dipolo de meia-
onda


A antena Yagi de 3 elementos: tem um ganho de 8 dB
qdo comparada a um dipolo de meia-onda
-A antena mais simples Yagi, tem um elemento
acionado (dipolo) e um refletor com um ganho de 3 dB
sobre um dipolo
-A maioria das antenas Yagi tem 1 elemento dipolo, um
refletor e de 1 a 20 diretores
-qto maior o numero de diretores, maior o ganho e
mais estreito o ângulo de abertura.




Impedancia: A impedância de uma Yagi varia muito de acordo com o numero de elementos
-Os elementos parasitas diminuem bastante a impedância do elemento acionado (tornando menor do que 10
ohms em alguns arranjos)
-Normalmente um casador de impedância é utilizado para usar cabo coaxial de 50 ohms
-Relação Frente/Costas Na Yagi:, mesmo sendo direcional, há uma parcela da potência irradiada para trás –
determinada pela Relação Frente/Costas.
-Variando o numero de elementos parasitas e seu espaçamento, é possível maximizar a relação F/B.
-A maioria das Yagis são projetadas para maximizar a relação F/B em vez do ganho, minimizando a radiação e
recepção na parte posterior da antena.


Utilização: boa diretividade e ganho, boa para
comunicação
-Para TV não é muito recomendada, pois estão
sintonizadas com apenas uma frequência
-Operadores de radio amador
-VHF e UHF (freq. 450 MHz)
-são práticas em frequências acima de 15 MHz.


Utilização:


Utilização:
Ganho adicional e diretividade pode ser obtido pela
combinação de 2 ou mais Yagis para formar um
arranjo
-O espaçamento entre as duas yagis e como a linha
esta conectada, determina o ganho total e
diretividade

Projeto 2016 - 1

Antena Moxon Yagi 2m/70cm

Antena Arrow 2m/70cm

Antena Yagi 2m (7 el)


Arranjo Acionado:
-Antena direcional
-Possui 2 ou mais elementos acionados, cada elemento recebe energia RF a partir da linha de transmissão
-4 tipos básicos: Colinear / Transversal / Longitudinal / Log-Periódica
-Arrays podem ser projetados para irradiar em qualquer padrão de radiação:
-Broadside: perpendicular a matriz (transversal)
-End-Fire: radiação na mesma direção que a orientação da matriz (longitudinal)


Arranjo Acionado: Colinear
-2 ou mais dipolos de meia onda montados com as
extremidades alinhadas
-O comprimento das linhas são calculados de modo
que a energia que chega a cada antena esteja em
fase com todas as outras antenas.
-Combina os sinais nas antenas individuais produzindo
um feixe mais concentrado
-Como as dipolos: elas tem um padrão de radiação
bidirecional
-Obs: As antenas 5/8 são colineares


Quanto mais bays de dipolo → as Larguras de feixes
se tornam mais estreitas
Proporcionando maior diretividade e ganho


-Usadas nas bandas de VHF e UHF
-comprimento proibitivo nas frequências mais baixas
-em altas frequências as antenas colineares são
montadas verticalmente para fornecer uma antena
omnidirecional com ganho.
-Ao lado o diagrama de radiação de 1 dipolo e 2
dipolos em arranjo colinear.


-Com quatro ou mais elementos de meia onda –
lóbulos menores começam a aparecer.


-Ao lado o diagrama de radiação de arranjo colinear de
Yagis de 10 elementos.


100W dividido para cada dipolo: 50W.
50W radiado como um campo é proporcional a raiz
quadrada da potência. Sqrt(50) = 7.07
Na antena receptora, os dois campos são combinados
(7.07 + 7.07 = 14.14)
Em termos de potência, é o quadrado do campo = 200




Análise do número de elemento por espaço de
corrente e ganho. (Gráfico de Jasik) – Antenna
Engineering Handbook
Ref: http://www.w8ji.com/stacking_broadside_collinear.htm


Ref: http://www.w8ji.com/stacking_broadside_collinear.htm


Arranjo Acionado: Transversal (Broadside)
-Antena Colinear Empilhada
-Consiste de dipolos de meia-onda espaçada entre si
por meio comprimento de onda
-Cada um deles é conectado ao outro e na linha de
transmissão
-A linha de transmissão cruzada garante o correto
alinhamento de fase do sinal


-A antena resultante produz um padrão de radiação
altamente direcional
-Não direcional do modo da Yagi, mas transversal ou
perpendicular ao plano do arranjo
-bidirecional
-largura de feixe estreito e alto ganho
-Padrão se assemelha ao da Colinear.


-A presença de terra influencia a distância do
empilhamento ideal
-A terra pode ser considerado um segundo elemento
-Pois a terra cria uma antena imagem
-Nas imagens: Um dipolo sobre a terra e abaixo
dipolos empilhadas.


-Nas imagens: Um dipolo sobre a terra elevado a ¾
lambda de altura e abaixo dipolos empilhadas elevado
a ¾ lambda altura.


-Se todos os elementos são alinhados em fase, havera
a irradiação broadside

Antena utilizada em Radiodifusão AM - SW- HF
-Fileiras e colunas de dipolo (linhas 1 até 6, colunas 2 ou 4)
-Antena direcional de alto ganho
-Comunicações de alcance médio e longo
-Polarização horizontal
-Possui uma tela atrás como refletor, para fornecer um feixe
diretivo
-Um array de banda baixa cobre as faixas de 6,7,9 e 11
MHz
-Um array de banda alta cobre as faixas de 11, 13,15,17 e
21 MHz
-O número de colunas de dipolo define a largura do feixe de
Azimute: 2 Dipolos - 50o
, 4 Dipolos - 30o
-O número de linhas de dipolo e altura do elemento mais
baixo acima do solo, define a elevação e consequentemente
a distância da área de serviço.
-Uma array de 2 linha tem um ângulo de elevação de 20o
(média distância), 4 linhas tem um ângulo de 10o
(grandes
distâncias)
Ref: http://www.antenna.be/hd.html IFSC – Engenharia de Telecomunicações - ANT - Prof. Ramon Mayor Martins - 2016

Antena utilizada em Radiodifusão AM - SW- HF


Arranjo Acionado: Longitudinais (End-Fire)
-Usa 2 dipolos de meia onda espaçados meio comprimento de onda e acionados pela linha de transmissão
-A antena tem um padrão de radiação bidirecional
-largura de feixe estreito e maior ganho
-Espaçamento entre os elementos é uma fração de um comprimento de onda
-Similar ao Broadside (exceto no fato de que os dipolos estão com fase 180o
defasados)


-A radiação está no planos dos elementos como uma
Yagi
-Com um numero ideal de elementos – cria-se uma
antena unidirecional
-o espaçamento faz com que o lóbulo em uma direção
seja cancelado, de modo que ele se soma ao outro
lóbulo proporcionando alto ganho e diretividade


-Os dipolos estão defasados
-Esse defasamento reforça a frente de onda




Arranjo Acionado: Antena Log-Periódica
-Tipo especial de arranjo acionado
-Os comprimentos dos elementos acionados variam de
longo para curto e estão relacionados logaritmicamente
-O elemento de menor comprimento (tem meio
comprimento de onda na maior frequência a ser
coberta).
-o espaçamento é também variável
-Logaritmica: A separação de cada canal – existe uma
relação logaritmica.
-Arranjo de dipolos – onde cada elemento ressona em
uma frequência distinta.
-Periódica: pois sua impedância de entrada e seus
diagramas de irradiação variarem periodicamente com o
logaritmo da frequência.


-A alimentação é feita no vértice que possui as menores
dimensões.
-A corrente flui ao longo da antena até encontrar uma
região cujas dimensões são tais que produzem
ressonancia, região ativa.
-Nessa região a corrente é maxima, dando origem à
irradiação.
-Cada elemento é alimentado com um segmento de
linha de transmissão especial em curto-circuito para
alinhar corretamente a fase do sinal
-A linha de transmissão é conectada ao menor elemento.


-Impedancia: 200 a 800 ohms (e depende da relação
comprimento diâmetro do elemento acionado).
-O resultado é uma antena altamente direcional com
excelente ganho.
-A Log periódica funciona como uma Yagi para quando
ativada determinada região; onde o elemento traseiro
será o refletor do dipolo ressonante e o elemento
dianteiro será o diretor.


--A vantagem de uma Log-Periodica sobre uma Yagi ou
outro arranjo:
-é a ampla largura de banda
-As yagis são projetadas para uma frequência ou uma
faixa estreita de frequência - Os comprimentos dos
elementos definem sua frequência.
-A Log Periodica pode conseguir uma faixa de
frequência 4:1, dando uma largura de banda muito
ampla
-Uso: a maioria das antenas de recepção de TV – de
modo que possam fornecer alto ganho e diretividade nos
canais de TV em VHF e UHF. Tambem usadas em
comunicações bidirecionais onde múltiplas frequências
devem ser cobertas.


-Braços abertos: banda mais ampla – menos direcional.
Maior captação de canais paralelos.
-Braços em V: maior direcionalidade, maior ganho,
porém maior dificuldade de captar canais paralelos.


Diagrama de Irradiação:



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