Comprimento da antena e sua importância

Quaisquer dois fios esticados para lados distintos, no final de uma linha de transmissão, pode constituir uma antena; entretanto, sua dimensão predetermina a eficiência que esta transmite o sinal de RF. A extensão da antena produzirá um efeito RLC para o circuito do transmissor caso esteja casada de forma adequada; ou, em casos contrários, apenas como um circuito resistivo, RL ou RC. Nestas ocasiões, a presença do capacitor ou do indutor ocasiona prejuízo de energia desnecessária, o que implica na ineficiência da antena.

A eficácia de uma antena deve-se ao fato de dimensão desta ser apropriada à onda que se destina, o que chama-se de sintonia, que pode ser medida através do coeficiente VSWR. Tem-se, a seguir, medições para os três casos possíveis: em (A) a ressonância está abaixo da frequência ideal, isto é, o comprimento da antena é maior que o necessário; em (C) a ressonância localiza-se acima da frequência esperada, ou seja, o comprimento não é suficiente; já em (B) a frequência de ressonância está precisamente sobre a frequência almejada. Portanto, a dimensão da antena é fator crucial na sua construção.

Antenas, em geral, possuem frações do comprimento da onda transmitida. Comumente utiliza-se aquelas cuja dimensão corresponde à metade ou a um quarto do comprimento da onda; estes tipos de antenas, como vimos, são chamados de antenas de meia onda ou um quarto de onda.

A antena de um quarto de onda trabalha, de fato, com o reflexo de outra metade na terra, que pode constituir a placa do circuito impresso ou um aterramento eficaz, a depender da sintonia, que é alterada pelo meio ambiente e, em alguns casos requer ajustes em campo. 

Como a antena funciona

Funcionamento e Relações Físicas

Agora que já conhecemos um pouco acerca da história e dos tipos mais comuns de antenas, dissertaremos sobre seu funcionamento.

Vamos considerar uma fonte de tensão conectada à uma linha de transmissão de dois condutores que é conectada à uma antena. A tensão aplicada nos dois condutores cria um campo elétrico entre os dois condutores da linha. O campo elétrico tem associado à ele suas linhas de força as quais são tangentes ao campo elétrico em cada ponto e sua intensidade é proporcional à intensidade do campo elétrico. As linhas de força do campo elétrico possuem uma tendência em atuar nos elétrons livres relacionados aos condutores, forçando estes a se deslocarem. O movimento das cargas cria uma corrente que cria em torno de um campo magnético.

As linhas do campo elétrico desenhadas entre os dois condutores auxiliam a distribuição das cargas. Se tomarmos a fonte de tensão como senoidal, espera-se que o campo elétrico entre os condutores também seja senoidal com o mesmo período da fonte.

A intensidade do campo elétrico apontará a densidade das linhas de força. A criação do campo elétrico e magnético entre os dois condutores forma uma onda eletromagnética que percorre a linha de transmissão. A onda eletromagnética entra na antena e tem associado a ela cargas elétricas e as suas correntes. Se alterarmos o tamanho da antena, ondas no espaço livre podem ser formadas por conexão do final aberto das linhas elétricas. As ondas no espaço livre são periódicas, porém, um ponto de fase constante Po move para fora com velocidade da luz e desloca para uma distância 1/2 (ponto P1) em um tempo de meio período.

Classificação

Num sistema de comunicação via satélite existem dois tipos básicos de antenas. As receptoras e as transmissoras:

Transmissoras são aquelas que acoplam a energia presente no circuito de saída de rádio freqüência (RF) do rádio transmissor ao espaço físico de forma o mais eficiente possível transformando a corrente alternada em circuito de saída ondas eletromagnéticas irradiadas. Ao construir a antena deve-se pensar em tornar este acoplamento o mais eficiente possível. 

Receptoras possuem a função de converter as ondas eletromagnéticas irradiadas pela antena transmissora em sinais elétricos. Quando a onda eletromagnética as atinge a energia eletromagnética presente na onda gera uma pequena tensão que faz com que uma pequena corrente possa fluir pelo circuito do rádio receptor. Enfim, a antena transmissora transforma elétrons em fótons enquanto a receptora aufere fótons e os transforma em elétrons.

Os principais tipos de antenas existentes são:

- Radiador Isotrópico - Antena que, hipoteticamente, irradia igualmente em todas as direções, como se fosse uma fonte pontual.

dipolo (a) curto, (b) meia onda, (c) e (d) outros valores de l

- Dipolo meia onda e maior do que meia onda - É uma antena tipo filamentar que possui tamanho l = 1/2 e é utilizada pela facilidade de construção. Abaixo, podemos ver um dipolo meia onda com sua distribuição de corrente ao longo do mesmo. E um dipolo para outros comprimentos diferentes do meio comprimento de onda, com suas respectivas distribuições de correntes.

Dipolo ideal e dipolo curto - Estas antenas são usadas quando a frequência é muito baixa, como é o caso de f < 1 Mhz, pois, apresenta um dipolo curto alimentado por uma corrente de intensidade linear I. O grande problema destas antenas surge devido ao casamento de impedância, pois a resistência de radiação das antenas dipolo curto é muito baixa. Estas antenas apresentam também um elemento capacitivo, sendo necessário adicionar uma bobina no circuito dela. Sua vantagem é possuir tamanho reduzido, pois quando trabalhamos com baixas frequências o comprimento de onda é grande, e o tamanho da antena dipolo meia onda fica muito impraticável (como, por exemplo, para uma frequência de 1 MHz, uma antena dipolo meia onda terá comprimento de 150m ).

As antenas no nosso cotidiano

Mesmo sem perceber, ou ter conhecimento, a sociedade contemporânea necessita diariamente do funcionamento das antenas, seja para acessar internet, para comunicar-se com o celular, para utilizar a televisão, rádio, radar entre outro. Segue abaixo alguns exemplos mais comuns do uso desse dispositivo no nosso dia-a-dia:

• Antenas de televisão: Consistem em três principais tipos: Comum, parabólicas e a cabo.

Exemplo de antena comum: Espinha de Peixe

Comum – Recebe apenas os dados de uma antena instalada na cidade que tem várias frequências de funcionamento. Elas captam frequências bem mais baixas, em relação a parabólicas ou a cabo. 

Parabólica - Uma parabólica é um tipo especial de antena projetada para focalizar uma fonte de transmissão específica. O prato da antena parabólica padrão consiste de uma superfície parabólica e uma guia direcional central. Para transmitir um sinal, um controlador o envia através da guia e o prato focaliza o sinal em um feixe relativamente estreito. O elemento central na guia direcional é o conversor de bloqueio de baixo ruído, ou LNB (de low noise blockdown). Que amplifica o sinal de rádio que é refletido pelo prato e filtra o ruído (sinais de rádio que não carregam programação). O LNB envia o sinal amplificado e filtrado para o receptor de satélite dentro da casa do espectador. 

Histórico

Heinrich Hertz

Por volta de 1886, o físico alemão  Heinrich Hertz criou, o que temos datados como primeiras antenas, um dispositivo com a finalidade de auxiliar o estudo e desenvolvimento das teorias eletromagnéticas. Hertz pesquisou diversos dispositivos durante a realização de seus experimentos para testar e provar a teoria eletromagnética proposta pelo físico  Maxwell.

Na verdade, tratava-se de duas placas metálicas conectadas a dois bastões de metal. Estes dispositivos eram ligados a duas esferas, separadas a uma distância anteriormente determinada. Nas esferas era adaptada uma bobina que gerava descargas por centelhamento, maneira segundo a qual a descarga através do ar se manifesta, quando a rigidez dielétrica deste elemento é vencida com a passagem de uma corrente. As centelhas por sua vez, ao atravessar o espaço entre esferas, produziam ondas eletromagnéticas oscilatórias nos bastões.

Ao longo desses anos, os princípios físicos que regem o projeto e desenvolvimento de uma antena foram sendo aprimorados e descobertas novas maneiras e tecnologias de se transmitir e receber sinais eletromagnéticos.

Experimento de Hertz

Atualmente, as antenas, em alguns casos, são estruturas de extrema complexidade e importância nas comunicações. E são fundamentais para o bom funcionamento de sistemas de telecomunicações que utilizam as ondas de rádios; pois, são utilizadas para transmitir ou receber estas ondas. Ao serem conectadas a um transmissor convertem os sinais elétricos em ondas eletromagnéticas. E ligadas a um receptor, recebem as ondas, transformando-as em sinais elétricos, que por sua vez são ampliados e codificados pelo aparelho receptor. Portanto, possui função primordial em comunicação por radiofrequência.

Outra função de uma antena é direcionar a intensidade de radiação em uma determinada direção na qual se pretende transmitir o sinal, como é o caso de ligação ponto a ponto de um entrelaçamento de micro-ondas e comunicação via satélite. A análise e cálculo dos campos elétricos transmitidos e recebidos por uma antena é explicado pelos conhecimentos físicos obtidos pelas equações de Maxwell.

O que é?

Antes de tratarmos acerca das concepções físicas de uma antena vamos conhecer a sua definição, funcionalidade e posteriormente um pouco de sua história.

De acordo com o dicionário, antena é um condutor elétrico empregado na telegrafia sem fios, na radiotelefonia, na radiofonia e na radiotelevisão, para facilitar a irradiação e a captação das ondas eletromagnéticas. Ou ainda "Um meio para irradiar ou receber ondas de rádio".

De modo geral, pode ser definida como um dispositivo com função  de transformar energia eletromagnética  guiada pela linha de transmissão em energia eletromagnética  irradiada, ou ainda, transformar energia eletromagnética irradiada em energia eletromagnética guiada para a linha de transmissão. Desse modo, tem papel essencial em qualquer comunicação  por radiofrequência.