Notícias - Introdução e classificação de algumas antenas comuns

1. Introdução às Antenas
Uma antena é uma estrutura de transição entre o espaço livre e uma linha de transmissão, como mostrado na Figura 1. A linha de transmissão pode ter a forma de uma linha coaxial ou de um tubo oco (guia de ondas), que é usado para transmitir energia eletromagnética de uma fonte para uma antena, ou de uma antena para um receptor. A primeira é uma antena transmissora, e a segunda, uma antena receptora.

Figura 1 Caminho de transmissão de energia eletromagnética (fonte-linha de transmissão-antena-espaço livre)

A transmissão do sistema de antena no modo de transmissão da Figura 1 é representada pelo equivalente de Thevenin, como mostrado na Figura 2, onde a fonte é representada por um gerador de sinal ideal, a linha de transmissão é representada por uma linha com impedância característica Zc, e a antena é representada por uma carga ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. A resistência de carga RL representa as perdas de condução e dielétricas associadas à estrutura da antena, enquanto Rr representa a resistência de radiação da antena, e a reatância XA é usada para representar a parte imaginária da impedância associada à radiação da antena. Em condições ideais, toda a energia gerada pela fonte de sinal deve ser transferida para a resistência de radiação Rr, que é usada para representar a capacidade de radiação da antena. No entanto, em aplicações práticas, há perdas condutor-dielétricas devido às características da linha de transmissão e da antena, bem como perdas causadas por reflexão (descasamento) entre a linha de transmissão e a antena. Considerando a impedância interna da fonte e ignorando as perdas na linha de transmissão e de reflexão (incompatibilidade), a potência máxima é fornecida à antena sob casamento conjugado.

Figura 2

Devido à incompatibilidade entre a linha de transmissão e a antena, a onda refletida da interface é sobreposta à onda incidente da fonte para a antena, formando uma onda estacionária, que representa a concentração e o armazenamento de energia e é um dispositivo ressonante típico. Um padrão típico de onda estacionária é mostrado pela linha pontilhada na Figura 2. Se o sistema de antena não for projetado corretamente, a linha de transmissão pode atuar, em grande parte, como um elemento de armazenamento de energia, em vez de um guia de ondas e um dispositivo de transmissão de energia.
As perdas causadas pela linha de transmissão, antena e ondas estacionárias são indesejáveis. As perdas na linha podem ser minimizadas selecionando linhas de transmissão com baixas perdas, enquanto as perdas na antena podem ser reduzidas reduzindo a resistência às perdas representada por RL na Figura 2. As ondas estacionárias podem ser reduzidas e o armazenamento de energia na linha pode ser minimizado combinando a impedância da antena (carga) com a impedância característica da linha.
Em sistemas sem fio, além de receber ou transmitir energia, as antenas geralmente são necessárias para amplificar a energia irradiada em determinadas direções e suprimir a energia irradiada em outras. Portanto, além de dispositivos de detecção, as antenas também devem ser usadas como dispositivos direcionais. As antenas podem ter diversos formatos para atender a necessidades específicas. Podem ser um fio, uma abertura, um patch, um conjunto de elementos (matriz), um refletor, uma lente, etc.

Em sistemas de comunicação sem fio, as antenas são um dos componentes mais críticos. Um bom projeto de antena pode reduzir os requisitos do sistema e melhorar seu desempenho geral. Um exemplo clássico é a televisão, onde a recepção de transmissão pode ser melhorada com o uso de antenas de alto desempenho. As antenas são para os sistemas de comunicação o que os olhos são para os humanos.

2. Classificação de antenas
1. Antena de fio
Antenas de fio são um dos tipos mais comuns, pois são encontradas em quase todos os lugares: carros, prédios, navios, aviões, espaçonaves, etc. Existem vários formatos de antenas de fio, como linha reta (dipolo), loop, espiral, como mostrado na Figura 3. As antenas de loop não precisam ser apenas circulares. Elas podem ter formato retangular, quadrado, oval ou qualquer outro. A antena circular é a mais comum devido à sua estrutura simples.

Figura 3

2. Antenas de abertura
As antenas de abertura estão desempenhando um papel cada vez mais importante devido à crescente demanda por antenas mais complexas e à utilização de frequências mais altas. Alguns tipos de antenas de abertura (piramidais, cônicas e retangulares tipo corneta) são mostrados na Figura 4. Esse tipo de antena é muito útil para aplicações em aeronaves e espaçonaves, pois pode ser facilmente montada na carcaça externa da aeronave ou espaçonave. Além disso, elas podem ser revestidas com uma camada de material dielétrico para protegê-las de ambientes agressivos.

Figura 4

3. Antena microstrip
As antenas de microfita tornaram-se muito populares na década de 1970, principalmente para aplicações em satélites. A antena consiste em um substrato dielétrico e um patch metálico. O patch metálico pode ter diversos formatos, sendo a antena de patch retangular mostrada na Figura 5 o mais comum. As antenas de microfita têm um perfil baixo, são adequadas para superfícies planas e não planas, são simples e baratas de fabricar, apresentam alta robustez quando montadas em superfícies rígidas e são compatíveis com projetos MMIC. Elas podem ser montadas na superfície de aeronaves, espaçonaves, satélites, mísseis, carros e até mesmo dispositivos móveis, e podem ser projetadas conformemente.

Figura 5

4. Antena de matriz
As características de radiação exigidas por muitas aplicações podem não ser alcançadas por um único elemento de antena. Conjuntos de antenas podem gerar a radiação dos elementos sintetizados para produzir radiação máxima em uma ou mais direções específicas; um exemplo típico é mostrado na Figura 6.

Figura 6

5. Antena refletora
O sucesso da exploração espacial também levou ao rápido desenvolvimento da teoria das antenas. Devido à necessidade de comunicação em ultralongas distâncias, antenas de ganho extremamente alto devem ser usadas para transmitir e receber sinais a milhões de quilômetros de distância. Nesta aplicação, um formato de antena comum é a antena parabólica mostrada na Figura 7. Esse tipo de antena tem um diâmetro de 305 metros ou mais, e um tamanho tão grande é necessário para atingir o alto ganho necessário para transmitir ou receber sinais a milhões de quilômetros de distância. Outro tipo de refletor é o refletor de canto, como mostrado na Figura 7 (c).

Figura 7

6. Antenas de lente
Lentes são usadas principalmente para colimar a energia espalhada incidente, evitando que ela se espalhe em direções de radiação indesejadas. Alterando adequadamente a geometria da lente e escolhendo o material correto, elas podem converter diversas formas de energia divergente em ondas planas. Podem ser usadas na maioria das aplicações, como antenas refletoras parabólicas, especialmente em frequências mais altas, e seu tamanho e peso tornam-se muito grandes em frequências mais baixas. As antenas de lentes são classificadas de acordo com seus materiais de construção ou formas geométricas, algumas das quais são mostradas na Figura 8.