Baixe Antenas - Tipos e propriedades e outras Notas de estudo em PDF para Cultura, somente na Docsity! Utilização de Antenas de Transmissão Capítulo 2 – Tipos de Antenas e suas propriedades 16 Tipos de Antenas e suas propriedades Figura 20 - Tipos de antenas para TV e FM Concentraremos a nossa análise nos modelos de antenas mais comuns utilizadas em sistemas de transmissão de radiodifusão (Televisão e Rádio FM), não trataremos neste texto de antenas de AM. Embora o conceito de antena também possa ser aplicado a arranjos (ou agrupamentos) de antenas, neste momento focalizaremos a atenção nas propriedades de antenas tomadas individualmente, o tema “Arranjos de antenas” será extensamente discutido no Capítulo 3 mais adiante. Antenas Lineares: • Yagi-Uda • Log-Periódica • Painel Dipolos MO/OC/X • Painel H (Duplo Delta) • Superturnstile (Batwing) Antenas de Abertura: • Parabólica • Slot Antenas Lineares: • Yagi-Uda • Log-Periódica • Painel Dipolos MO/OC/X • Anel (ciclóide) • Seta Antenas de Abertura: • Parabólica TV FM A conceituação dos diversos tipos de antenas é muito ampla e neste texto adotaremos uma divisão bastante simplificada (mas não menos abrangente) em duas grandes famílias ou tipos de antenas onde podem ser classificadas as antenas que desejamos estudar. Antenas de condutores lineares, ou simplificadamente antenas lineares tem a propriedade de apresentarem a dimensão transversal dos elementos condutores que radiam RF como uma fração (número << 1) do comprimento de onda da freqüência de operação, por exemplo em FM na freqüência de 100 Mhz, o comprimento de onda vale 3 metros (ou 3000 mm), a seção transversal de um anel de FM em linha rígida de 1 5/8” (= 41,3 mm) vale 0,01376 comprimentos de onda. Esta matemática, quando satisfeita, permite simplificar a análise da antena em termos eletromagnéticos e aproximar as correntes que circulam na antena como sendo apenas correntes de natureza linear e unidimensionais, facilitando sobremaneira a determinação das equações de campo e as propriedades de radiação da antena em análise. Nesta categoria de antenas de condutores lineares recaem os tipos de antenas conhecidas como: yagi, log periódica, painel de dipolos (MO=meia onda, OC=onda completa, X=dipolos cruzados), painel H (ou duplo delta), superturnstile, anel de FM, seta de FM. Antenas de abertura por sua vez estabelecem um mecanismo de radiação de energia de RF onde as correntes se distribuem em uma área ou abertura no espaço que determinam campos eletromagnéticos de natureza mais complexa e mais difíceis de serem analisados matematicamente quando comparados ao caso anterior. Para o caso de antenas de abertura o que se faz é determinar as propriedades dos campos Elétrico e Magnético na abertura de radiação da antena e à partir daí determinar as demais propriedades de radiação da antena em análise. Nesta categoria de antenas de abertura recaem os tipos de antenas conhecidas como: parabólica e slot (ou antena de fendas). Utilização de Antenas de Transmissão Capítulo 2 – Tipos de Antenas e suas propriedades 17 Figura 21 - Yagi - Uda A Fig. 21 mostra a foto deste tipo de antena, onde se identificam o dipolo dobrado (elemento que está conectado na linha de transmissão) e os demais elementos parasitas, chamados de refletor (atrás do dipolo) e diretor (a frente do dipolo). A antena Yagi pode ser implementada nas faixas de VHF e UHF, opera segundo a orientação mecânica dos seus elementos em polarização linear horizontal ou linear vertical, mediante a incorporação de uma segunda antena mecanicamente a 90 graus e alimentada em quadratura de fase (defasada em 90 graus elétricos) com a primeira, a antena Yagi pode ser implementada para operação em polarização circular. Os ganhos obtidos com este tipo de antena variam entre 3 e 16 dBd, quanto maior a quantidade de elementos maior o ganho e vice- versa, note ainda que quanto maior o ganho mecanicamente maior e mais pesado será a antena bem como maior a área de exposição ao vento. As antenas Yagi são eminentemente antenas de faixa estreita (operação monocanal) e dedicadas a aplicação no modo de recepção Figura 22 – Yagi UHF em 75 ohms e no modo de transmissão em 50 ohms com potências, via de regra, não superiores a 100 W unitariamente. As figuras 22 e 23 mostram as especificações de dois projetos de Yagi, na Fig. 22 uma antena com 22 elementos para UHF e na Fig. 23 uma antena com 4 elementos para VHF. Nestas figuras o diagrama polar representa o corte de azimute do diagrama 3D e os diagramas retangulares (abaixo e à esquerda) representam o corte de elevação do diagrama 3D, sendo o diagrama 3D da antena apresentado no canto inferior direito. Com relação aos diagramas retangulares (vide Fig.4), o primeiro mostra o setor angular [0,180] onde 0 graus representa o ângulo theta tomado sobre o eixo z (ou apontando para o céu), 90 graus representa o ângulo theta tomado sobre o eixo x (apontando para a linha do horizonte) e 180 graus representa o ângulo theta tomado sobre o • Yagi-Uda Especificações : Faixa: VHF + UHF Polarização: linear ou circular Ganho: [3 - 16] dBd Impedância: 50 / 75 Ω VSWR : 1: [1,2 - 1,5] Conector: N / F Potência : < 100 W L x C : 0,5 λ x [0,5 - 6] λ Pêso : [1 - 15] Kg Área vento : [0,1 - 0,4] m2 0 10 20 30 40 50 60 70 8090100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Yagi UHF Especificações : 22x elementos @ 16 dBd HPBWH ≅ 32 graus HPBWV ≅ 36 graus F/C ≅ -24 dB Az El El ,,X Y Z Utilização de Antenas de Transmissão Capítulo 2 – Tipos de Antenas e suas propriedades 20 painel refletor, quer seja este painel do tipo sólido (usual em UHF e microondas) ou tipo grade (usual em VHF). A Fig. 26 mostra três fotos, no extremo inferior designado como MO, a foto de um painel de dipolo de meia onda para VHF, acima do lado direito designado como OC, a foto de um painel de dipolo de onda completa para UHF na configuração de 8 dipolos empilhados verticalmente e finalmente à esquerda a foto de um arranjo de painéis de UHF do tipo faixa larga ao redor de uma torre, onde o dipolo, refletor e demais componentes do painel são revestidos por uma capa de proteção (ou radome). Esta categoria de painéis é amplamente utilizada em sistemas de radiodifusão de TV pois atende as faixas de VHF e UHF em várias especificações possíveis de ganho e níveis de potência unitários Figura 27 – Painel Dipolos Cruzados TV compatíveis com sistemas de baixa, média e alta potência, tornando-os antenas propícias para utilização em arranjos de antenas para a composição de diagramas de radiação mais elaborados Para a faixa de VHF, em função da freqüência de operação e presença de um dipolo acoplado e afastado de um painel refletor, as antenas tipo painel dipolos apresentam dimensões, peso e área de vento que as tornam pouco compactas e de difícil instalação, bem como Figura 28 – Painel Dipolos Cruzados FM impõem restrições ao uso em qualquer tipo de estrutura portante ou torre. Já em UHF as menores dimensões e características mecânicas mais aliviadas as tornam de mais fácil instalação. Quando o sistema de transmissão exige antenas que operem em polarização circular, o dipolo linear como utilizado nas geometrias da Fig. 26, é substituído pôr um conjunto de dois dipolos cruzados como mostrado na Fig. 27 para o caso de uma antena na faixa de TV em VHF ou como mostrado na Fig. 28 para o caso de antenas na faixa de FM. Nestes mesmos figuras as demais características elétricas e mecânicas estão relacionadas. Nas figuras 29,30 e 31 estão apresentadas as especificações de painéis de dois dipolos empilhados verticalmente à frente de um único painel refletor. • Painel Dipolos Cruzados Especificações : Faixa: VHF (TV) Polarização: circular Ganho / polarização: 3,5 dBd AR: 3 dB máx Impedância: 50 Ω VSWR : 1: 1,1 Conector: EIA Potência : < 10 kW L x C :0,7 λ x 0,7 λ Pêso : [100 - 500] Kg • Painel Dipolos Cruzados Especificações : Faixa: VHF FM (88-108) Polarização: circular Ganho / polarização: 3,5 dBd AR: 3 dB máx Impedância: 50 Ω VSWR : 1: 1,2 Conector: EIA (2x) Potência : < 10 kW L x C : 0,7 λ x 0,7 λ Pêso : [40 - 80] Kg Utilização de Antenas de Transmissão Capítulo 2 – Tipos de Antenas e suas propriedades 21 Figura 29 – Painel Dipolos VHF B 1/2 Em canais baixos de VHF (2 até 6), dado o elevado comprimento de onda de operação, implementam-se usualmente painéis com dipolos de meia onda como mostrado na Fig. 29, já em canais altos de VHF (7 até 13), implementam-se tanto painéis com dipolos de onda completa como com dipolos de meia onda como mostrado nas figuras 32 e 33. Na Fig. 32 está apresentado a especificação de um painel de doze dipolos empilhados verticalmente à frente de um único painel refletor, bastante comum em UHF, note o estreitamento do diagrama vertical com a conseqüente redução do HPBWV comparativamente aos casos anteriores. O maior empecilho construtivo das antenas tipo painel de dipolos é a necessidade de se utilizar dispositivos de equilíbrio de impedância ou “balun” para a interligação do dipolo com a linha de transmissão, além do que o requisito de faixa necessário para utilização em TV impõem a necessidade de se trabalhar com dipolos cilíndricos de Figura 30 – Painel Dipolos VHF B3 dimensões significativas. Ao contrário, o painel H (ou como chamado de painel duplo delta ou ainda painel rômbico) emprega uma filosofia de alimentação da antena que é desbalanceada portanto compatível com a linha de transmissão, bem como uma geometria do elemento “ativo” nada convencional se comparado ao dipolo, eliminando assim as principais desvantagens do painel de dipolos e agregando propriedades elétricas desejadas à esta categoria de antenas. O painel H representa uma solução muito eficiente para emprego em sistemas de transmissão de TV em VHF tornando-os, a exemplo dos painéis de dipolos, antenas propícias para utilização em arranjos de antenas para a composição de diagramas de radiação mais elaborados. Quando comparados aos painéis de dipolos apresentam ainda menor peso e menor área de vento. A Fig. 33 mostra a foto de um painel H onde pode-se identificar Painel Dipolos VHF-B1/2 Especificações : canal 2 até 6 2x dipolos de meia onda HPBWH ≅ 72 graus HPBWV ≅ 54 graus F/C ≅ -16 dB 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 10 20 30 40 50 60 70 8090100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 ,,X Y Z Az El El 0 10 20 30 40 50 60 70 8090100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Painel Dipolos VHF-B3 Especificações : canal 7 até 13 2x dipolos de onda completa HPBWH ≅ 62 graus HPBWV ≅ 56 graus F/C ≅ -16 dB Az El El ,,X Y Z Utilização de Antenas de Transmissão Capítulo 2 – Tipos de Antenas e suas propriedades 22 Figura 31 – Painel Dipolos VHF – B3 o painel refletor tipo grade e montado na sua frente o elemento tipo “dipolo” de geometria semelhante às asas de uma borboleta, onde está conectado a linha de transmissão. A Fig. 34 apresenta a especificação de um painel H projetado para atender a faixa de TV em VHF correspondente aos canais 4 até 6, onde se verifica as aberturas de meia potência horizontal e vertical e a relação frente costa que se obtém com esta geometria. Cabe a ressalva de que o valor de HPBWV superior ao painel com dois dipolos de meia onda (vide Fig. 29) torna o ganho individual do painel H ligeiramente inferior. A Fig. 35 mostra a foto da antena Superturnstile, também conhecida como “Batwing”. Observa-se a geometria semelhante às asas de borboleta e perfeita simetria mecânica dos elementos tipo “dipolo” ao redor do tubulão de sustentação, bem como a presença de quatro linhas de transmissão ( a foto destaca apenas duas) desbalanceadas para a alimentação da antena. Trata-se de uma antena otimizada para a Figura 32 – Painel Dipolos UHF Figura 33 – Painel H Painel Dipolos UHF ,,X Y Z 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 10 20 30 40 50 60 70 8090100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 Especificações : canal 14 até 59 (monocanal) 12x dipolos de onda completa HPBWH ≅ 60 graus HPBWV ≅ 9 graus F/C ≅ -24 dB Az El El Especificações : canal 7 até 13 2x dipolos de meia onda HPBWH ≅ 64 graus HPBWV ≅ 62 graus F/C ≅ -16 dB Painel Dipolos VHF-B3 0 10 20 30 40 50 60 70 8090100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 Az 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 El El ,,X Y Z • Painel H Especificações : Faixa: VHF Polarização: linear Ganho: 6,5 dBd Impedância: 50 Ω VSWR : 1: 1,1 Conector: EIA Potência : < 10 kW L x C : 0,7 λ x 1 λ Pêso : [20 - 190] Kg Área vento : [0,9 - 7] m2 Utilização de Antenas de Transmissão Capítulo 2 – Tipos de Antenas e suas propriedades 25 A Fig. 39 apresenta especificações de uma Slot VHF implementada com cavidade retangular e com diagrama de azimute tipo cardióide, o fato de operar na banda alta de VHF determina o fornecimento desta antena em módulos de duas fendas empilhadas verticalmente. A Fig. 40 por sua vez apresenta especificações de uma Slot UHF implementada com cavidade cilíndrica e com diagrama de azimute também tipo cardióide, o fato de operar em um menor comprimento de onda determina o fornecimento desta antena em módulos de quatro fendas empilhadas verticalmente. As variações de geometrias e das técnicas de alimentação utilizadas na construção de antenas slot conferem a estas antenas desempenhos bem distintos quanto à largura de faixa de operação em termos de ganho e de diagrama de radiação (mais sobre este assunto no Capítulo 9). Em aplicações de FM o requisito de largura de faixa (vide Fig. 16) não impõem grandes dificuldades para o desenho de antenas, o que se persegue são antenas e situações de instalação onde esteja garantido o diagrama de radiação e a pureza da polarização elíptica (manutenção da relação axial ao longo dos azimutes de cobertura). Da Fig. 28 anterior tem-se a opção de utilizar painéis de FM que apresentam diagramas direcionais e que podem configurar diagramas ominidirecionais quando montados em arranjos, em FM o mais usual entretanto é o emprego de elementos radiantes com diagrama nativo ominidirecional, onde as antenas conhecidas como tipo anel ou tipo seta cumprem estes requisitos operando em polarização elíptica. Figura 39 – Slot VHF B3 Figura 40 – Slot UHF Slot cavidade ret. VHF-B3 ,,X Y Z 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 10 20 30 40 50 60 70 8090100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 Az El El Especificações : canal 7 até 13 Diagrama A - cardióide HPBWH ≅ 230 graus HPBWV ≅ 24 graus @ 2 fendas F/C ≅ -12 dB Slot cavidade cilíndrica UHF ,,X Y Z 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 10 20 30 40 50 60 70 8090100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 Az El El Especificações : canal 14 até 59 Diagrama A - cardióide HPBWH ≅ 200 graus HPBWV ≅ 12 graus @ 4 fendas F/C ≅ -8 dB Utilização de Antenas de Transmissão Capítulo 2 – Tipos de Antenas e suas propriedades 26 A Fig. 41 apresenta no extremo superior a foto de um elemento de FM conhecido como seta, trata-se de dois dipolos em V opostos e alimentados de forma desbalanceada, com uma inclinação tal que determina a pureza da polarização elíptica. Ao centro tem-se a foto de um elemento de FM conhecido como anel ou ciclóide, trata-se de três dipolos em configuração tipo “loop” alimentados de forma desbalanceada. No extremo inferior da Fig. 41 a foto de uma variante do elemento seta para aplicações em alta potência. Figura 41 – FM Seta / Anel Nas figuras 42 e 43 apresentam-se as especificações de diagrama respectivamente para os elementos de FM tipo seta e anel, onde a escala normalizada representa o módulo da intensidade de campo em polarização elíptica (isto é, a soma vetorial dos campos radiados em polarização horizontal e em polarização vertical). O parâmetro AR (relação axial, vide Fig. 18) indica o desequilíbrio entre as amplitudes dos campos em polarização horizontal e em polarização vertical especificados para estas antenas. Figura 43 – FM Anel Especificações : Faixa: FM Polarização: elíptica Ganho / polarização: -3,5 dBd AR : 3 dB máx Impedância: 50 Ω VSWR : 1: 1,1 Conector: N / EIA Potência : < 4 kW @ EIA 7/8” Pêso : [10 - 50] Kg Área vento : [0,4 - 1 ] m2 • FM seta / anel FM anel Especificações : Circularidade ≅ 1 - 2 dB AR ≅ 1 - 1,5 dB HPBWV ≅ 95 graus 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 El El 0 10 20 30 40 50 60 70 8090100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 Az ,,X Y Z 0 10 20 30 40 50 60 70 8090100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 FM seta Az El El Especificações : Circularidade ≅ 1 - 2 dB AR ≅ 1 - 1,5 dB HPBWV ≅ 95 graus ,,X Y Z Figura 42 – FM Seta Utilização de Antenas de Transmissão Capítulo 2 – Tipos de Antenas e suas propriedades 27 As antenas apresentadas nas figuras anteriores representam os modelos com maior aplicabilidade em sistemas de radiodifusão de TV e FM, evidentemente outros modelos de antenas e variações das geometrias apresentadas existem e são utilizadas mas, via de regra, a grande maioria das instalações e sistemas radiantes em operação irá recair em algum dos modelos anteriores. Cada antena apresenta especificações elétricas e mecânicas particulares, a adequação e escolha de um tipo de antena em detrimento de outra deve levar em consideração estas características sempre à luz do cumprimento das especificações do projeto de viabilidade técnica e do melhor custo-benefício possível para o sistema de transmissão. Recorrer ao fabricante é sempre uma boa estratégia para otimizar a especificação do sistema radiante da sua estação. .