Novidades - 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, conforme mostra a figura 1. A linha de transmissão pode ter a forma de uma linha coaxial ou de um tubo oco (guia de ondas), que é utilizado 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 (espaço livre de antena de linha de transmissão fonte)

A transmissão do sistema de antenas no modo de transmissão da Figura 1 é representada pelo equivalente de Thevenin 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 dielétricas e de condução associadas à estrutura da antena, enquanto Rr representa a resistência à 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 utilizada para representar a capacidade de radiação da antena. Porém, 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 (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 para formar uma onda estacionária, que representa concentração e 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 adequadamente, a linha de transmissão pode atuar em grande parte 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 linhas de transmissão de baixas perdas, enquanto as perdas na antena podem ser reduzidas reduzindo a resistência à perda 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 de a antena (carga) com a impedância característica da linha.
Em sistemas sem fio, além de receber ou transmitir energia, geralmente são necessárias antenas para aumentar a energia irradiada em certas direções e suprimir a energia irradiada em outras direções. Portanto, além dos dispositivos de detecção, as antenas também devem ser utilizadas como dispositivos direcionais. As antenas podem ter vários formatos para atender a necessidades específicas. Pode ser um fio, uma abertura, um patch, um conjunto de elementos (matriz), um refletor, uma lente, etc.

Nos sistemas de comunicação sem fio, as antenas são um dos componentes mais críticos. Um bom design de antena pode reduzir os requisitos do sistema e melhorar o desempenho geral do sistema. Um exemplo clássico é a televisão, onde a recepção da 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 da antena
1. Antena de fio
As antenas de fio são um dos tipos mais comuns de antenas porque são encontradas em quase todos os lugares - carros, edifícios, navios, aviões, naves espaciais, etc. Existem vários formatos de antenas de fio, como linha reta (dipolo), loop, espiral, conforme mostrado na Figura 3. As antenas de quadro não precisam apenas ser circulares. Eles podem ser retangulares, quadrados, ovais ou 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 mais importante devido à crescente demanda por formas mais complexas de antenas e à utilização de frequências mais altas. Algumas formas de antenas de abertura (antenas piramidais, cônicas e retangulares) são mostradas na Figura 4. Este tipo de antena é muito útil para aplicações em aeronaves e espaçonaves porque podem ser montadas de maneira muito conveniente no revestimento externo da aeronave ou espaçonave. Além disso, podem ser cobertos com uma camada de material dielétrico para protegê-los de ambientes agressivos.

Figura 4

3. Antena microfita
As antenas microfita tornaram-se muito populares na década de 1970, principalmente para aplicações de satélite. A antena consiste em um substrato dielétrico e um remendo de metal. O remendo de metal pode ter muitos formatos diferentes, e a antena retangular mostrada na Figura 5 é a mais comum. As antenas microfita possuem perfil baixo, são adequadas para superfícies planas e não planas, são simples e baratas de fabricar, possuem alta robustez quando montadas em superfícies rígidas e são compatíveis com projetos MMIC. Eles podem ser montados na superfície de aeronaves, espaçonaves, satélites, mísseis, carros e até mesmo dispositivos móveis e podem ser projetados de acordo.

Figura 5

4. Antena de Matriz
As características de radiação exigidas por muitas aplicações podem não ser alcançadas por um único elemento de antena. Matrizes de antenas podem fazer com que a radiação dos elementos sintetizados produza 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 de longa distância, 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. Este 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 de milhões de quilômetros de distância. Outra forma de refletor é um refletor de canto, conforme mostrado na Figura 7 (c).

Figura 7

6. Antenas de lentes
As lentes são usadas principalmente para colimar a energia dispersa incidente para evitar que ela se espalhe em direções de radiação indesejadas. Ao alterar adequadamente a geometria da lente e escolher o material certo, eles podem converter várias formas de energia divergente em ondas planas. Eles podem ser usados 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 lentes são classificadas de acordo com seus materiais de construção ou formas geométricas, algumas das quais são mostradas na Figura 8.