NOTAS DE AULA - ANTENA DIPOLO

Figura 1.1: O dipolo e seu fator de encurtamento

Figura 1.2: Distribuição de correntes e tensões no dipolo

L = 150 x k/f

Onde: L é o comprimento da antena em metros

f é a frequência de operação em megahertz

k é uma constante que depende da relação entre o comprimento e a espessura dos elementos podendo ficar entre 0,9 e 0,99

O valor ~73 ohms para a impedância de um dipolo em condições ideais com um fio infinitamente fino. A impedância, fator de qualidade (fator Q) etc podem ser alterados conforme a conformação da antena.

Figura 1.3: Fator Q do dipolo. Diâmetro maior faixa mais larga, diâmetro menor, mais estreita.

Q = Xc/R

Onde: Q é o fator de qualidade

Xc é a reatância capacitiva da antena (ohms)

R é a resistência própria do condutor usado (ohms)

py5aal Com materiais de baixa resistividade e maior diâmetro maior, é reduzido o valor do denominador do segundo membro da expressão. Isso aumenta o fator de qualidade da antena. A impedância é constante no centro e aumenta em direção as extremidades e é maior quanto mais fino o condutor usado. Assim é ieal uma faixa estreita de frequência de funcionamento. Portanto os condutores usados no dipolo devem ser os mais finos possíveis de modo a obtermos maior Q,

Figura 1.4: Quanto mais estreita a faixa mais ressonante é a antena.

py5aal Isso propicia uma excelente antena, pois ela é ressonante e tem alto rendimento naquela frequência., mas sefor desejável com uma faixa mais larga de frequências, os elementos devem ter diâmetro maior. Uma maneira de solucionar a questão e ao mesmo tempo evitar o uso de elementos calibrosos está na figura 1.5.

Figura 1.5: Métodos de alargamento da faixa de funcionamento do dipolo.

2. DIRETIVIDADE DO DIPOLO

py5aal A antena dipolo tem uma diretividade bidirecional, conforme será demonstrado adiante. Ele não emite nem recebe sinais com igual eficiência de diferentes direções. A maior transmissão ou recepção de um dipolo se dá quando a incidência é num plano perpendicular ao plano dos elementos e uma linha qualquer perpendicular a eles, conforme a figura 2.1.

Figura 2.1: Direção dos sinais segundo o plano perpendicular do dipolo.

py5aal A sensibilidade se reduz com a obtenção de um padrão em forma de lóbulos, conforme a figura 2.2. Os sinais provindos ou emitidos apenas num plano horizontal, sua intensidade será a mesma, desde que linearmente à orientação dos condutores. A característica de diretividade se dá na forma de 8 e é somente válida quando a frequência dos sinais correspondem à frequência de ressonância da antena. Para sinais de outras frequências, os lóbulos mudam sua conformação, conforme a figura 2.3.

Figura 2.2: Conformação dos lóbulos quando a antena recebe e emite na frequência fundamental

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. A conformação dos lóbulos podem assumir formas complexas. Por exemplo, se um dipolo funciona no primeiro harmônico de sua fundamental, pode ter uma conformação lobular não com dois lóbulos mas com quatro.

O campo do dipolo magnético é dado pela expressão:

Figura 3.1 Dipolo de meia onda

Ao ser aplicada tensão elétrica alternada com uma freqüência qualquer, porém com um comprimento de onda bem maior que o comprimento de uma estrutura metálica irradiante (Figura 3.1), haverá uma distribuição de corrente linear no elemento irradiante. Isso ocorre devida distribuição das capacitâncias da estrutura ser bastante uniformes. Desta forma, a distribuição de corrente é praticamente senoidal e o campo produzido pelo dipolo num dado ponto “P” pode ser calculado por infinitos dipolos elementares distribuídos uniformemente numa determinada distância. As equações (3.3) e (3.4) demonstram os campos do dipolo elementar situado na origem das coordenadas:

A figura 3.2 esboça a propagação ou a evolução do campo elétrico no espaço, as cores indicam um movimento de dentro para fora.

A partir de Hertz, viu-se que é possível estudar uma antena cujo comprimento é bastante menor que uma onda, esta tem a sua capacitância muito semelhante a de uma linha de transmissão, é considerada um "dipolo elementar", ou seja, é um condutor curto em relação ao comprimento de onda utilizado. Este, em si, tem uma passagem de uma corrente elétrica alternada e emite energia eletromagnética. Fisicamente não se pode construí-lo, na realidade, este é utilizado para o desenvolvimento da antena dipolo real, a fim de calcular as suas propriedades. É necessário assim para o cálculo da antena real, utilizar o dipolo elementar para calcular o campo elétrico e a onda eletromagnética irradiada. Assim, para fins de estudo de antenas, um dipolo elétrico pode ser definido como uma antena simples, compreendendo um par de condutores, e, que estes são capazes de irradiar ondas eletromagnéticas em resposta ao deslocamento de cargas entre os dois condutores, ou seja, de um condutor para o outro.

Da figura 3.1 se observa duas trajetórias, ou seja, as trajetórias r e r1 em relação ao ponto P e cujos ângulos são q e q ₁. Note-se que as trajetórias são praticamente iguais, e as diferenças entre os ângulos é muito pequena. Na medida em que é afastado P, a diferença diminui ainda mais, assim, deduz-se que quando se determina a variação do campo com a distância os valores de r e r1 não têm influência, contudo, pode haver uma influência quanto à fase do sinal, pois a diferença entre as duas trajetórias r e r1 (r - r1), conforme observado na figura 3.1, pode ser comparável à distância de um comprimento de onda, uma vez que se trata de uma senóide distribuída sobre o dipolo, pois trata-se de corrente alternada, isso afeta a fase do vetor. Ainda da figura 3.1, observa-se que P e as retas r e r1, em relação ao eixo Z, têm formados dois ângulos q e q ₁ respectivamente. Desta forma, se pode calcular r1 a partir de r, pois:

Figura 3.2: Evolução do campo elétrico (Fonte: Ângelo Leithold)

Na figura 3.2 se observa a evolução do campo a partir de um dipolo elétrico, neste, a distribuição de correntes pode ser considerada senoidal. O campo de irradiação criado pode ser calculado pela superposição dos campos produzidos por infinitos dipolos simples. Estes compõem a corrente senoidal distribuída no elemento. Em eletrostática é comum considerar os dipolos como magnéticos ou elétricos, estes podem ser caracterizados pelo momento do dipolo, uma grandeza vetorial. A figura 3.3 mostra as importandes relações do campo elétrico e do campo magnético, semelhantes às extraídas da figura 3.1.

Figura 3.3 Campo elétrico irradiado. Fonte Angelo Leithold PY5AAL

A onda eletromagnética é composta do campo elétrico e o campo magnético, estes estão ortogonalmente dispostos (Figura 3.4) . Assim, quando se diz polarização de uma onda eletromagnética, seja vertical ou horizontal, o campo magnético e o campo elétrico estão situados a 90 graus com uma variação de fase de 0 grau. A polarização é definida aquela em que está o campo elétrico, ou seja, se o campo elétrico está na horizontal, a polarização é horizontal, se está na vertical, a polarização será vertical. A propagação da onda eletromagnética se dá em qualquer elemento dielétrico, o vetor velocidade está 90 graus tanto do campo elétrico, quanto do magnético.

Figura 3.7 Polarização linear vertical (Fonte: Ângelo Leithold)

A figura 3.7 mostra uma onda eletromagnética com polarização linear e vertical. Note-se que o dipolo está na vertical, paralelo ao eixo "z", o vetor do campo magnético no eixo "y", o vetor do campo elétrico no eixo "z" e o vetor velocidade no eixo "x". Diz-se polarização linear porque a onda está sempre situada no mesmo plano, isto é, o campo elétrico sempre na vertical e o campo magnético sempre na horizontal.

Da equação 3.6, r₁ = r – z cos q , e da figura 3.1 sabe-se que as trajetórias r e r₁ são semelhantes, mas não são iguais, a diferença das trajetórias que é dada por r - r₁ que poderá ser igual a um comprimento de onda, conforme já observado isso poderá afetar a fase do vetor, portanto deve-se levar em conta essas distâncias. Levando-se em conta que existe a diferença de fase em todo comprimento da anrtena, a partir de r₁ é possível então calcular a componente E_q conforme a equação: