Antena
Na engenharia de radiodifusão, uma antena é a interface entre as ondas de rádio que se propagam pelo espaço e as correntes elétricas que se movem em condutores metálicos, usadas com um transmissor ou receptor. Na transmissão, um transmissor de rádio fornece uma corrente elétrica aos terminais da antena, e a antena irradia a energia da corrente como ondas eletromagnéticas. Na recepção, uma antena intercepta parte da potência de uma onda de rádio para produzir uma corrente elétrica em seus terminais, que é aplicada a um receptor a ser amplificado. As antenas são componentes essenciais de todos os equipamentos de rádio.
As primeiras antenas, presume-se, foram criadas por Heinrich Hertz, em 1886, com a finalidade de auxiliar no 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 matemático e físico James Clerk Maxwell. As primeiras antenas de que se tem notícia foram produzidas por Hertz. Eram formadas por duas placas de metal conectadas a dois bastões metálicos. Estes dispositivos eram ligados a duas esferas, separadas entre si por uma distância pré-determinada. Nas esferas era adaptada uma bobina, que gerava descargas por centelhamento, e as centelhas, ao atravessarem o espaço entre esferas, produziam ondas eletromagnéticas oscilatórias nos bastões. Desde as primeiras antenas, no fim do século 19, até a atualidade, os princípios físicos que regem seu projeto e desenvolvimento foram aprimorados, com novas maneiras e tecnologias de se transmitir e receber sinais eletromagnéticos.
"Um dispositivo metálico para irradiar ou receber ondas de rádio" A definição oficial do IEEE é mais simples ainda: "Um meio para irradiar ou receber ondas de rádio" Essas definições estão corretas para as obras em que figuram: as antenas são um meio para irradiar e receber ondas de rádio. Aplicam-se diversas técnicas de diretividade, onde fatores como a frequência e o ganho desejado são fundamentais para definir seu formato e dimensão. De forma geral, existe uma proporção entre o comprimento da onda eletromagnética e o tamanho da antena. Por sua natureza, deduz-se que a antena ocupa sempre o último lugar na cadeia de transmissão e o primeiro lugar na cadeia de recepção, daí a importância de seu estudo e entendimento para as telecomunicações. No estudo e projeto de antenas, não importa em que frequência do espectro eletromagnético seja aplicada, sempre serão usados os mesmos princípios matemáticos, físicos e práticos da teoria eletromagnética, ela é constante, imutável e invariável.
Campos de irradiação e propagação
O princípio da pedra jogada numa lagoa é o mais elucidativo exemplo de campos de irradiação e propagação.
Tipos de linhas de campo
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 semi-ciclo, e as linhas não chegam a se fechar, portanto, não se propagam. Esse efeito é definido "campo próximo, de Fresnel ou campo de indução". Quando as linhas se fecham, portanto se propagam no espaço carregando consigo energia irradiada, análogo ao exemplo acima, denomina-se "campo distante, ou de Fraunhofer, ou campo de irradiação." 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. Desta forma aproveitando-a, induzindo-a ao elemento parasita, tanto diretor, quanto refletor, se for o caso.
Existem diversos parâmetros críticos de antenas a se considerar para o projeto. A performance da antena é afetada por parâmetros ajustados no projeto, tais como: frequência de ressonância, impedância, ganho, diagrama de irradiação, polarização, eficiência e largura de banda. As antenas transmissoras também tem a máxima potência, e as antenas receptoras diferem nas características de rejeição a ruído.
Radiação e diretividade de uma antena
A antena é um sistema que irradia (ou recebe) energia eletromagnética. Pode-se conhecê-la a partir do processamento da irradiação, da eficiência e da distribuição da energia irradiada através do campo, dentro do espectro conhecido, ou arbitrado. A diretividade é a razão entre a intensidade de radiação de uma antena e a intensidade de radiação média. o cálculo aproximado para medir a diretividade de uma antena é feito pela fórmula de Kraus e Tai Pereira: Krauss --> aproxima a área do feixe pelo produto da LFMP de dois planos perpendiculares. onde: B= área do feixe. D= diretividade. Tai Pereira --> sugerem a aproximação da diretividade. Nas antenas omnidirecionais, aplica-se a fórmula de MC-donald e a de Pozar. onde MC-donald conta se com mais precisão para diagramas omnidirecionais com lóbulos secundário. Pozar aplica-se o mesmo e é ideal sem lóbulos secundários.
Diagrama de radiação
Geralmente a radiação de uma antena é mensurada com a unidade dBi. Para levantar-se o diagrama de irradiação, deve-se tomá-lo a partir de uma distância e localização onde não seja possível a interferência de elementos estranhos ao meio onde se encontram a antena de prova e a antena de teste. Elementos estranhos que interferem podem ser desde árvores, calhas, rufos, arames, linhas de transmissão de energia ou telefônicas. Estruturas de concreto armado também interferem no resultado de um diagrama de irradiação/recepção pelo fato de existir ferro em seu interior. Portanto, para executar experiências de aferição de antenas, estas devem ser em campo aberto.
Para antenas de feixe estreito, helicoidais, antenas de radar, por exemplo, carece utilizar o diagrama retangular e não o polar, devido à precisão necessária. Devemos lembrar que num diagrama de irradiação de campo cujo valor máximo arbitra-se igual a unidade (1,0) a amplitude correspondente à meia potência equivale a 0,707. O diagrama de fase é a representação espacial da variação de fase do campo irradiado. Consideremos uma antena irradiando uma potência total (W), situada ao centro de um campo espacial fictício cuja superfície seja uma esfera perfeita, imaginemos uma bola de sabão flutuando no espaço e o ponto de irradiação, ou seja a antena esteja em sua superfície esférica onde seu raio (r) seja imensamente maior do que o tamanho físico da antena, de forma que a vejamos como se fosse um ponto infinitesimal.
Definição
A antena isotrópica é uma antena virtual, na prática não existe, a antena que mais se aproxima de uma isotrópica é a dipolo em polarização vertical. Mesmo assim existem limitações nos campos emitidos pela falta de lóbulo transversal. As antenas isotrópicas têm por função um comparativo entre as antenas reais e as ideais.
Concentração de energia
Podemos usar a densidade de potência para medir a capacidade que uma antena tem de concentrar energia numa determinada região do espaço. Quanto mais agudo o ângulo do cone de propagação formado pelo lóbulo principal (mais estreito o feixe), maior é a diretividade da antena, maior é a densidade de potência que ilumina uma pré determinada área do espaço na direção de máxima irradiação, na esfera virtual. Para se ter um parâmetro de comparação, temos necessidade de usar uma antena hipotética, onidirecional, que ilumine a parede interna de uma esfera virtual uniformemente. Esta é o que podemos chamar de antena isotrópica onde se hipoteticamente Pr=Po então logicamente a diretividade ficará:
Numa antena dipolo, na polarização horizontal, é perfeitamente possível a diagramação da irradiação em dois sentidos, isto é, existem duas frentes de onda. Sempre há um lóbulo principal de irradiação e lóbulos secundários de menor amplitude.
Emissão do dipolo
Agora, a lâmpada não é mais um ponto, e sim um segmento, no centro da esfera, um filamento, digamos.
Podemos verificar a validade do fenômeno do ganho. Não houve aumento da luz, o que houve foi um redimensionamento da distribuição em outras direções, portanto, o ganho sempre é referente a uma determinada direção. Muitos leigos no universo das antenas relacionam erroneamente ganho de uma antena com aumento da potência. Ganho de uma antena é nada mais que a capacidade que a antena tem de focar o sinal eletromagnético em determinada direção.
