Glossário sobre antenas

Antes de falarmos sobre antenas específicas, aqui estão alguns termos comuns que devem ser definidos e explicados:

Glossário

Impedância de entrada

Para uma transferência eficiente de energia, as impedâncias do rádio, da antena e do cabo de transmissão devem ser idênticas. Transceptores e suas linhas de transmissão são tipicamente projectadas para impedâncias de 50Q. Se a antena tiver uma impedância diferente de 50Q, haverá um descasamento, e um circuito de casamento de impedâncias será necessário. Quando houver o descasamento de impedância entre quaisquer componentes, a eficiência da transmissão será prejudicada.

Relação de onda estacionária

A relação de onda estacionária (ROE), ou em inglês, Standing Wave Ratio (SWR), é a que existe entre a potência enviada para uma linha de transmissão e a potência reflectida, de volta, ao transmissor. A ROE é expressa como uma razão, tipo 1,5:1 (um e meio para 1). Uma ROE de 2:1 ou mais indica, normalmente, um descasamento de impedância.

Perda pelo retorno

A perda pelo retorno (return loss) é outra maneira de expressar um descasamento. É uma taxa logarítmica, medida em dB que compara a potência reflectida pela antena à potência que é entregue à antena pela linha de transmissão. A relação entre SWR e a perda de retorno é a seguinte:

SWR
Perda pelo retorno o (em dB) = 201og10	
SWR-1

Enquanto alguma energia sempre será reflectida de volta ao sistema, uma alta perda pelo retorno poderá levar a um desempenho inaceitável da antena.

Largura de banda da antena

A largura de banda de uma antena refere-se ao intervalo de frequências no qual a antena pode funcionar correctamente. A largura de banda de uma antena é o número de Hz para os quais a antena irá exibir um SWR menor que 2:1. A largura de banda também pode ser descrita em termos percentuais a partir da frequência central da banda.

Onde FH é a mais alta frequência da banda, FL é a mais baixa e FC é a frequência central. Desta forma, a largura de banda é constante em relação à frequência. Se a largura de banda fosse expressa em unidades absolutas de frequência, ela seria diferente dependendo da frequência central. Tipos de antenas diferente têm limitações diferentes de largura de banda.

Direcção e ganho

A direcção é a habilidade de uma antena de focar energia numa direcção em particular durante a transmissão, ou de receber energia de uma direcção particular durante a recepção. Se um link wireless utiliza localizações fixas em ambos os lados da ligação, é possível usar a direcção da antena para concentrar o feixe de radiação na direcção pretendida. Numa aplicação móvel, onde o transceptor não é fixo, pode ser impossível de se prever onde ele estará e, assim, a antena deve, idealmente, irradiar o melhor possível em todas as direcções. Neste caso, uma antena omnidirecional é utilizada. Ganho não é uma quantidade que possa ser definida nos termos de uma quantidade física, como Watts ou Ohms, mas uma relação sem dimensões. O ganho é dado em referência a uma antena padrão. As duas antenas de referência mais comuns são a antena isotrópica e a antena dipolo ressonante de meia-onda (resonant half-wave dipole antenna). A antena isotrópica irradia igualmente bem em todas as direcções. Antenas isotrópicas reais não existem, mas fornecem padrões teóricos simples e úteis com os quais as antenas reais podem ser comparadas.

Qualquer antena real irá irradiar mais energia em algumas direcções do que em outras. Uma vez que antenas não criam energia, a energia total irradiada é a mesma de uma antena isotrópica. Qualquer energia adicional irradiada numa direcção favorecida é consequência da perda de energia irradiada em outras direcções. O ganho de antena em uma dada direcção é a quantidade de energia irradiada naquela direcção, comparada com a energia que uma antena isotrópica iria irradiar na mesma direcção quando alimentada com a mesma potência. Normalmente, estamos apenas interessados no ganho máximo, que é o ganho na direcção para a qual a antena está irradiando a maior parte da potência. Um ganho de antena de 3 dB, comparado a uma antena isotrópica, é representado por 3 dBi. O dipolo de meia-onda pode ser um padrão útil na comparação com antenas numa única frequência ou em uma faixa estreita de frequências. Comparar o dipolo com uma antena num conjunto de frequências requer um número de dipolos de tamanhos diversos. Um ganho de antena de 3 dB, comparado a uma antena dipolo, é representado por 3 dBd.

O método de medida de ganho através da comparação da antena testada contra uma antena padrão conhecida, que tem um ganho calibrado, é conhecida como técnica de transferência de ganho (gain transfer). Outro método para a medida de ganho é o método das três antenas, onde a potência de transmissão e recepção nos terminais da antena é medida entre três antenas arbitrárias, a distâncias fixas e conhecidas.

Padrões de radiação

O padrão de radiação, ou padrão de antena, descreve a força relativa do campo irradiado em várias direcções da antena, numa distância constante. O padrão de radiação é também o padrão de recepção, uma vez que serve também para descrever as propriedades de recepção da antena. O padrão de radiação é tridimensional, mas usualmente os padrões de radiação medidos são uma fatia bidimensional deste padrão tridimensional, no plano horizontal ou vertical. As medidas são apresentadas em um formato rectangular ou polar. As seguintes figuras mostram a representação rectangular de uma antena Yagi típica, de dez elementos. O detalhamento é bom, mas é difícil visualizar o comportamento da antena em direcções diferentes.

Sistemas de coordenadas polares são usados quase universalmente. No gráfico de coordenadas polares, os pontos estão localizados pela projecção ao longo de um eixo rotacional (raio) para uma intersecção com um entre vários círculos concêntricos. O gráfico polar representando a mesma antena Yagi de dez elementos é mostrado a seguir. Sistemas de coordenadas polares podem ser divididos, geralmente, em duas classes; linear e logarítmico. No sistema de coordenadas linear, os círculos concêntricos estão espaçados igualmente e são graduados. Tal grade pode ser usada para preparar o gráfico linear da potência contida no sinal. Para facilidade de comparação, os círculos concêntricos igualmente espaçados podem ser substituídos por círculos, apropriadamente localizados, representando a resposta em decibéis, referenciando 0 dB na beirada externa do gráfico. Neste tipo de gráfico, os lóbulos menores são suprimidos. Lóbulos com picos maiores que 15 dB abaixo do lóbulo principal desaparecem em função de seu tamanho pequeno. Esta grade destaca os resultados nos quais a antena tem uma alta directividade e pequenos lóbulos menores. A voltagem do sinal, ao invés da potência, também pode ser grafada num sistema de coordenadas lineares. Neste caso, também, a directividade é destacada e os lóbulos menores suprimidos, mas não no mesmo grau que na grade linear de potência.

No sistema logarítmico de coordenadas polares, as linhas concêntricas da grade estão espaçadas periodicamente, de acordo com o logaritmo da voltagem no sinal. Valores diferentes podem ser usados para a constante de periodicidade do logaritmo e esta escolha terá um efeito na aparência dos padrões referidos no gráfico. Geralmente, a referência de 0 dB para o limite externo do gráfico é usada. Com este tipo de grade, lóbulos que estão 30 ou 40 dB abaixo do lóbulo principal ainda podem der distinguidos. O espaçamento entre os pontos em 0 dB e -3 dB é maior que o espaçamento entre -20 dB e -23 dB, que é maior que o espaçamento entre -50 dB e -53 dB. O espaçamento, desta forma, corresponde ao significado relativo de tais mudanças no desempenho da antena. Uma escala logarítmica modificada enfatiza a forma do feixe principal, enquanto comprime os lóbulos laterais de nível muito baixo (>30 dB) em direcção ao centro do padrão. Isto é exemplificado na Figura 4.6. Há dois tipos de padrão de radiação: absoluto e relativo. Padrões absolutos de radiação são apresentados em unidades absolutas de força do campo ou potência. Padrões relativos de radiação são referenciados em unidades relativas de força do campo ou potência. A maioria das medidas de padrões de radiação são relativas à antena isotrópica, e o método de transferência de ganho é usado para estabelecer o ganho absoluto da antena.

O padrão de radiação na região próxima à antena não é o mesmo padrão para distâncias longas. O termo "campo próximo" (near-field) refere-se ao padrão de campo que existe nas proximidades da antena, enquanto o termo "campo distante" (far-field) refere-se ao padrão em grandes distâncias. O campo distante também é chamado de campo de radiação, e é o que mais será de interesse comum. O que, vulgarmente, irá interessar é justamente a potência irradiada, assim, os padrões da antena são tipicamente medidos na região do campo distante. Para a medida do padrão, é importante a escolha de distâncias suficientemente grandes, de forma que estejam efectivamente no campo distante e não no campo próximo. A mínima distância permissível depende das dimensões da antena em relação ao comprimento de onda. A fórmula aceita para a distância é a seguinte:

      2d2
r . = 	
min
      X

onde r é a distância mínima da antena, d é a maior dimensão da antena e X é

min

o comprimento de onda.

Largura do feixe

A largura do feixe (beamwidth) de uma antena é usualmente entendida como a largura do feixe em meia potência. A intensidade de pico da radiação é encontrada, e então os pontos de cada lado do pico que representam a metade da intensidade do mesmo são localizados. A distância angular entre os pontos com metade da potência é definida como a largura do feixe. A metade da potência expressa em decibéis é -3 dB. Então, a largura de feixe em meia potência é algumas vezes chamada de largura de feixe de 3 dB. Tanto a largura de feixe horizontal como vertical são, usualmente, consideradas. Assumindo que a maior parte da potência irradiada não será dividida em lóbulos laterais, então o ganho direccional é inversamente proporcional à largura do feixe: quanto menor a largura do feixe, maior o ganho direccional.

Lóbulos laterais

Nenhuma antena é capaz de irradiar toda a energia numa única direcção preferida. Alguma energia é, inevitavelmente, irradiada em outras direcções. Estes picos menores são chamados de lóbulos laterais (sidelobes), vulgarmente especificados em dB abaixo do lóbulo principal.

Radiação Null

Num padrão de radiação de antena, um nulo (null) é uma zona onde a radiação efectiva está em um mínimo. Um nulo frequentemente tem um ângulo de direcção estreito, comparado com o do feixe principal. Assim, o nulo é útil para vários propósitos, como a eliminação de interferências numa determinada direcção.

Polarização da antena

A polarização é definida como a orientação do campo eléctrico de uma onda electromagnética. A polarização é tipicamente descrita por uma elipse. Dois casos especiais de polarização elíptica são a polarização linear e a polarização circular. A polarização inicial de uma onda de rádio é determinada pela antena. Com a polarização linear o vector do campo eléctrico fica no mesmo plano o tempo inteiro. O campo eléctrico pode deixar a antena em orientação vertical, horizontal, ou em algum ângulo entre estas duas. A radiação da polarização vertical é, de alguma forma, menos afectada por reflexões no caminho da transmissão. Antenas omnidirecionais sempre têm polarização vertical. Com a polarização horizontal tais reflexões causam variação na força do sinal recebido. Antenas horizontais tendem a captar menos interferências produzidas pelos humanos, uma vez que estas normalmente têm polarização vertical. Na polarização circular o vector do campo eléctrico aparenta estar em movimento circular na direcção da propagação, fazendo um giro completo para cada ciclo de RF. A rotação pode ser no sentido horário ou anti-horário. A escolha da polarização é uma das escolhas disponíveis para o administrador de sistemas de RF.

Descasamento de polarização

A fim de transferir a potência máxima entre as antenas de transmissão e recepção, ambas devem ter a mesma orientação espacial, a mesma polarização e a mesma proporção axial. Quando as antenas não estão alinhadas ou não têm a mesma polarização, haverá redução de potência na transferência entre as duas antenas. Esta redução irá reduzir o desempenho e a eficiência do sistema. Quando as antenas de transmissão e recepção estão, ambas, linearmente polarizadas, o desalinhamento da antena irá resultar numa perda por descasamento de polarização, que pode ser determinada usando a seguinte fórmula:

Loss (dB) = 20 log10 (cos 0)

Onde 0 é a diferença no ângulo de alinhamento entre as duas antenas. Para 15°, a perda é de aproximadamente 0,3 dB, para 30° perdemos 1,25 dB, para 45°, 3 dB e para 90° temos uma perda infinita. Em resumo, quanto maior for o descasamento da polarização entre a antena transmissora e a receptora, maior será a perda percebida. No mundo real, 90° de diferença na polarização entre as antenas ocasiona uma perda muito grande, mas não infinita. Algumas antenas, como as Yagis ou antenas de latas (canantena) podem ser direccionadas até 90° para equalizar com a polarização do outro lado do link. Você pode usar o efeito da polarização para sua vantagem num link ponto-a-ponto. Use uma ferramenta de monitorização para observar a interferência de redes adjacentes e direccione uma antena até conseguir o menor nível de sinal na recepção. Em seguida, ligue o outro lado de seu link e o oriente para casar a polarização com o primeiro. Esta técnica pode ser usada, às vezes, para criar links estáveis, mesmo em ambientes com muito ruído.

Relação frente-costas (front-to-back ratio)

Frequentemente é útil comparar a relação frente-costas (front-to-back ratio) de antenas direccionais. Esta é a relação entre a máxima directividade de uma antena e a sua directividade na direcção oposta. Por exemplo, quando o padrão de radiação é feita numa escala dB relativa, a relação frente-costas é a diferença em dB entre o nível máximo de radiação à frente e o nível de radiação a 180 graus. Este número não significa nada para uma antena omnidirecional, mas dá uma ideia da quantidade de potência direccionada à frente numa antena bastante direccional.

Editor

--Cmsv 22h03min de 30 de janeiro de 2010 (GMT)