Conceitos fundamentais sobre antenas - Parte 02
Antenas
Certo, após breve
introdução de alguns conceitos básicos, vamos falar de antenas.
Por definição, uma antena
é um dispositivo criado para transmitir ou receber energia eletromagnética,
casando essas fontes de energia e o espaço. Muitas vezes também são chamadas de
sistemas irradiantes. Note que o mesmo dispositivo pode ser usado para
transmitir ou receber esta energia.
Vamos começar vendo uma
representação simplificada de um sistema de transmissão e recepção.
A informação original é
alterada, por exemplo, através de algum tipo de modulação e tratamento, e
continua transmitida ou guiada por um cabo até a antena. A antena então irradia
essa informação pelo meio (ar), até que ela chega a outra antena, que nesse
caso fará a recepção do sinal, fazendo com o mesmo continue o caminho pelo cabo
até o dispositivo que fará por exemplo a demodulação (e outros tratamentos),
recuperando a informação original. Nota: Apenas como exemplo, não estamos
considerando as perdas existentes.
Certo, mas como a antena
funciona? Como ela irradia a informação?
Para entender isso de
verdade, precisamos de uma pequena revisão atômica!
Calma, vamos apenas falar
sobre átomos: Os átomos são as menores partes possíveis de qualquer elemento
químico. É, tudo que existe é formado por elementos.
Simplificadamente, em sua
maioria os átomos são formados por, prótons, elétrons e nêutrons. No núcleo do
átomo temos os nêutrons e prótons. Já os elétrons ficam se movimentando
livremente ao redor desse núcleo, numa trajetória como carros de uma corrida
maluca.
Uma atração (positivo-negativo) é o que torna possível
que os elementos existam.
Mas o que isso tem a ver com o funcionamento da antena?
As antenas geralmente são
feitas com materiais metálicos (alumínio/latão). Esses metais são formados por
átomos. Quando todos os átomos são reunidos – para formar o metal, temos então
um conjunto de elétrons livres.
E quando esse conjunto de
elétrons livres é submetido a uma Tensão Elétrica (campo elétrico), os mesmos
começam a se movimentar e vibrar.
Quando os elétrons vibram
de um lado a outro da antena, eles criam uma radiação eletromagnética na forma
de ondas de rádio.
Pausa: Está conseguindo
acompanhar como a energia é irradiada pela antena?
Bom, então você já
entendeu tudo. Porque agora, simplesmente acontece o inverso.
As ondas de rádio
eletromagnéticas que saem da antena de transmissão viajam pelo meio, por
exemplo, o ar, e chegam até a outra antena - recepção. O efeito desse campo
eletromagnético atingindo a outra antena é fazer com que os elétrons livres da
mesma vibrem – o que agora gera uma corrente elétrica com o sinal que foi
enviado a partir da antena de transmissão.
Então agora podemos
concluir: na transmissão as antenas convertem a corrente elétrica (elétrons) em
onda eletromagnética (fótons), e na recepção fazem o inverso – transformam as
ondas eletromagnéticas (fótons) em corrente elétrica (elétrons).
A informação é preservada
porque a antena atua como um transdutor casando os condutores que geram esses
campos. Por exemplo, na transmissão, o campo eletromagnético gerado corresponde
a determinada tensão e corrente alternada. Já na recepção, a mesma referência
de tensão e corrente alternada será induzida.
Uma
Antena Simples
Continuando, considere a representação do tipo mais
simples de antenas, a antena dipolo. Como o próprio nome sugere, é uma antena
com dois pólos.
É um dos modelo de antenas mais fácil de se fazer, e
consiste de dois pedaços de fio de mesmo comprimento, separados um do outro por
um isolador central, podendo ter um isolador em cada extremidade para fixá-lo a
um suporte.
Na figura abaixo temos um exemplo de uma antena dipolo
(isoladores mostrados em vermelho na figura).
Vamos usar esse exemplo
para falar de antenas, mas agora vamos a uma questão basicamente simples, mas
que muita gente não consegue explicar:
"Como é possível
haver uma corrente na antena, se as duas partes finais estão abertas? Isso foge
totalmente daquilo que aprendemos, onde para haver corrente, precisamos de um
circuito fechado, não?"
Para responder isso,
novamente voltamos aos conhecidos conceitos de circuitos elétricos.
Você deve se lembrar do
conceito de Capacitância (C), definida através do uso de capacitores. E existe
um tipo de inevitável de capacitância que sempre surge entre os componentes
próximos uns aos outros no circuito – e geralmente indesejada: a capacitância
parasita.
Só que no nosso caso, essa
capacitância é o que permite que a antena funcione!
Em alta frequência, a
capacitância parasita entre os dois braços da antena apresenta baixa
impedância, e representa o caminho de retorno da corrente.
Resumindo: uma antena
sintonizada pode ser considerada como um circuito RLC (Resistência R,
Indutância (L) e Capacitância (C)!)
Está começando a ficar mais claro?
Nota: você pode se
perguntar: "E no caso de antenas com um braço apenas?" Não se
preocupe, a antena vai sempre procurar um plano de referência para atuar como
"terra", como por exemplo, uma haste de metal próxima.
Pelo que foi mostrado,
podemos afirmar que toda antena requer duas partes para irradiar energia. E
também que essa energia é proporcional a corrente do dipolo.
Tudo bem até agora? Após
tantas pausas para explicações complementares, vamos continuar falando sobre
ainda mais conceitos.
Ressonância
Relembrando o que vimos
até o momento, as ondas elétricas nas antenas têm geralmente um comprimento de
onda fixo.
Também vimos que uma
antena pode ser considerada como um circuito RLC, onde essas características
são dadas pelo ambiente onde as antenas estão, e pelas suas propriedades
físicas – principalmente sua dimensão.
Pronto para mais um
conceito? Então vamos lá: Ressonância!
De forma geral, a
ressonância é o fenômeno que ocorre em uma determinada frequência onde temos
uma transferência de energia máxima possível.
No caso de antenas, para
que haja ressonância, o seu tamanho (comprimento físico) deve ser múltiplo de
seu comprimento de onda. Nesse caso, teremos então uma frequência principal
onde a antena entrega a máxima quantidade de energia possível - ressonante. E
quanto maior o tamanho (comprimento) dos elementos da antena, menor é a
frequência ressonante.
Em termos mais técnicos,
temos ressonância na frequência onde as reatâncias capacitivas e indutivas se
anulam – temos uma impedância puramente resistiva.
A maioria das antenas é
utilizada em sua frequência de ressonância. Isso porque quando nos afastamos
dessa frequência de ressonância, os níveis de reatâncias dão lugar a parâmetros
que podem comprometer o funcionamento, por exemplo, o SWR, já explicado em outro
tutorial. A impedância da antena deixa de ser puramente resistiva, apresentando
uma impedância complexa – nos dois sentidos da palavra, o que acaba trazendo um
comportamento indesejado.
É claro que uma antena não
ressonante também funciona – transmite e recebe. Mas precisa de um transmissor
muito mais potente (pois uma menor parte da energia de entrada vai estar
presente na saída). E pelo mesmo motivo, precisa de um receptor com uma
sensitividade muito maior. Ou seja, a eficiência do sistema será bem menor!
Comprimento
de Onda X Comprimento da Antena
Só para concluir por hoje,
você deve se lembrar que falamos que para haver ressonância o tamanho físico da
antena deve ser múltiplo de seu comprimento de onda.
Vamos tentar entender
porque exatamente esse valor? Para variar, vamos relembrar mais conceitos...
Lembre-se que um circuito
elétrico – já que também já falamos que uma antena sintonizada funciona como um
circuito RLC – a Tensão (Diferença de Potencial):
em um Curto Circuito é
igual a Zero; em um Circuito Aberto é Máxima.
Pois bem, na extremidade
da antena, temos um Circuito Aberto - portanto o ponto com a Máxima Tensão.
E considerando as duas
extremidades – uma com a máxima tensão positiva, e outra com a máxima tensão
negativa – temos no centro o ponto com Tensão Zero.
Essa distância ente a
extremidade e o ponto central é a distância entre o ponto de Máxima Tensão
(bolinha amarela na figura) e o ponto de Tensão Zero (bolinha verde na figura)
– e é de um quarto do comprimento de onda!
Propriedades
e Tipos de Antenas
Após nosso breve resumo,
focado principalmente no funcionamento das antenas, podemos prosseguir com
vários outros conceitos, tipos de antenas, etc.
Alguns conceitos – por
exemplo, Impedância – também foram mencionados, porém não foram bem descritos.
Mas por hoje, nosso
tutorial já se estendeu demais, e também fica muito difícil absorver mais
conhecimento do que o que foi exposto aqui, de uma só vez. Assim, vamos deixar
essa complementação, bem como a continuação do assunto de antenas para próximos
tutoriais. Ainda há muita coisa a ser falada, muitas dúvidas a serem
eliminadas.
Esperamos que você tenha
conseguido entender pelo menos um pouco dos conceitos básicos das antenas.
Conclusão
Hoje tivemos uma primeira
abordagem sobre antenas, um assunto indiscutivelmente importante, e um sistema
essencial para a boa performance de qualquer rede.
Como sempre numa linguagem
mais informal, tentamos fluir o assunto de maneira simplificada, pois um
assunto bem entendido é uma base para quaisquer outros aprofundamentos e detalhamentos,
sempre que necessário.
Novos tutoriais sobre o
assunto serão publicados oportunamente, sempre com um foco cada vez mais
profundo.
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