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 é 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 Thévenin, conforme 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 por condução e dielétricas associadas à estrutura da antena, enquanto Rr representa a resistência de radiação da antena e a reatância XA representa a parte imaginária da impedância associada à radiação da antena. Em condições ideais, toda a energia gerada pela fonte de sinal deveria ser transferida para a resistência de radiação Rr, que representa a capacidade de radiação da antena. No entanto, em aplicações práticas, existem 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 por reflexão (desajuste de impedância), a potência máxima é fornecida à antena sob casamento de impedância conjugado.

Figura 2

Devido à incompatibilidade entre a linha de transmissão e a antena, a onda refletida na interface se sobrepõe à onda incidente da fonte na antena, formando uma onda estacionária. Essa onda representa a concentração e o armazenamento de energia, sendo 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 adequadamente, a linha de transmissão pode atuar, em grande medida, como um elemento de armazenamento de energia, em vez de um guia de ondas e 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-se linhas de transmissão de baixa perda, enquanto as perdas na antena podem ser reduzidas diminuindo-se a resistência de perda representada por RL na Figura 2. As ondas estacionárias podem ser reduzidas e o armazenamento de energia na linha pode ser minimizado casando-se 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 certas 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 vários formatos para atender a necessidades específicas. Podem ser um fio, uma abertura, uma placa, um conjunto de elementos (arranjo), 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 sinais pode ser aprimorada 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
As antenas de fio são um dos tipos mais comuns de antenas, pois estão presentes em praticamente todos os lugares: carros, edifícios, navios, aviões, espaçonaves, etc. Existem vários formatos de antenas de fio, como linha reta (dipolo), laço e espiral, conforme mostrado na Figura 3. As antenas de laço não precisam ser necessariamente circulares. Elas podem ser retangulares, quadradas, ovais ou de qualquer outro formato. 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 formas mais complexas de antenas e à utilização de frequências mais altas. Alguns exemplos de antenas de abertura (antenas piramidais, cônicas e de corneta retangular) são mostrados na Figura 4. Esse tipo de antena é muito útil para aplicações em aeronaves e espaçonaves, pois podem ser facilmente montadas na parte externa da aeronave ou espaçonave. Além disso, 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 uma placa metálica. A placa metálica pode ter diversos formatos, sendo a antena de placa retangular mostrada na Figura 5 a mais comum. As antenas de microfita possuem baixo perfil, 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, podendo ser projetadas de forma conformada.

Figura 5

4. Antena de matriz
As características de radiação exigidas por muitas aplicações podem não ser alcançadas por um único elemento de antena. Os arranjos de antenas podem sintetizar a radiação dos elementos 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 de antenas. Devido à necessidade de comunicação de ultra longa distância, antenas de altíssimo ganho devem ser usadas para transmitir e receber sinais a milhões de quilômetros de distância. Nessa aplicação, uma forma comum de antena é a antena parabólica mostrada na Figura 7. Esse tipo de antena tem um diâmetro de 305 metros ou mais, e esse tamanho grande é necessário para atingir o alto ganho requerido 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
As lentes são usadas principalmente para colimar a energia incidente dispersa, impedindo que ela se propague em direções de radiação indesejadas. Alterando-se adequadamente a geometria da lente e escolhendo o material correto, é possível converter diversas formas de energia divergente em ondas planas. Elas podem ser usadas na maioria das aplicações, como antenas parabólicas, especialmente em frequências mais altas, embora seu tamanho e peso se tornem consideravelmente maiores em frequências mais baixas. As antenas de lente são classificadas de acordo com seus materiais de construção ou formatos geométricos, alguns dos quais são mostrados na Figura 8.