A diretividade é um parâmetro fundamental de antenas. Ela mede o padrão de radiação de uma antena direcional. Uma antena que irradia igualmente em todas as direções terá uma diretividade igual a 1 (o que equivale a zero decibéis - 0 dB).
A função das coordenadas esféricas pode ser escrita como um padrão de radiação normalizado:
[Equação 1]
Um padrão de radiação normalizado tem a mesma forma que o padrão de radiação original. O padrão de radiação normalizado é reduzido em magnitude de forma que o valor máximo do padrão de radiação seja igual a 1. (O maior é a equação [1] de "F"). Matematicamente, a fórmula para direcionalidade (tipo "D") é escrita como:
Isso pode parecer uma equação direcional complexa. No entanto, os padrões de radiação das moléculas são de suma importância. O denominador representa a potência média irradiada em todas as direções. A equação, então, mede a potência máxima irradiada dividida pela média. Isso fornece a diretividade da antena.
Paradigma direcional
Como exemplo, considere as duas equações seguintes para o padrão de radiação de duas antenas.
Antena 1
Antena 2
Esses padrões de radiação são mostrados na Figura 1. Observe que o modo de radiação é função apenas do ângulo polar theta (θ). O padrão de radiação não é função do azimute (o padrão de radiação azimutal permanece inalterado). O padrão de radiação da primeira antena é menos direcional do que o da segunda antena. Portanto, esperamos que a diretividade seja menor para a primeira antena.
Figura 1. Diagrama do padrão de radiação de uma antena. Possui alta diretividade?
Usando a fórmula [1], podemos calcular que a antena tem maior diretividade. Para verificar sua compreensão, pense na Figura 1 e no que é diretividade. Em seguida, determine qual antena tem maior diretividade sem usar nenhum cálculo.
Resultados do cálculo direcional, use a fórmula [1]:
Cálculo da antena direcional 1, 1,273 (1,05 dB).
Cálculo da antena direcional 2, 2,707 (4,32 dB).
Maior diretividade significa uma antena mais focada ou direcional. Isso significa que uma antena receptora 2 tem 2,707 vezes mais potência direcional de pico do que uma antena omnidirecional. A antena 1 receberá 1,273 vezes a potência de uma antena omnidirecional. Antenas omnidirecionais são usadas como referência comum, embora não existam antenas isotrópicas.
As antenas de celular devem ter baixa diretividade, pois os sinais podem vir de qualquer direção. Em contraste, as antenas parabólicas têm alta diretividade. Uma antena parabólica recebe sinais de uma direção fixa. Por exemplo, se você adquirir uma antena parabólica para TV por satélite, a empresa lhe dirá para onde apontá-la e a antena receberá o sinal desejado.
Vamos finalizar com uma lista de tipos de antenas e suas diretividades. Isso lhe dará uma ideia da diretividade mais comum.
Tipo de antena Diretividade típica Diretividade típica [decibel] (dB)
Antena dipolo curta 1,5 1,76
Antena dipolo de meia onda 1,64 2,15
Antena de patch (microfita) 3,2-6,3 5-8
Antena de corneta 10-100 10-20
Antena parabólica 10-10.000 10-40
Como os dados acima demonstram, a diretividade da antena varia bastante. Portanto, é importante compreender a diretividade ao selecionar a melhor antena para sua aplicação específica. Se você precisa enviar ou receber energia de múltiplas direções em uma única direção, deve projetar uma antena com baixa diretividade. Exemplos de aplicações para antenas de baixa diretividade incluem rádios de carro, telefones celulares e acesso à internet sem fio em computadores. Por outro lado, se você estiver realizando sensoriamento remoto ou transferência de energia direcionada, será necessária uma antena altamente direcional. Antenas altamente direcionais maximizam a transferência de energia da direção desejada e reduzem os sinais provenientes de direções indesejadas.
Suponha que desejamos uma antena de baixa diretividade. Como podemos fazer isso?
A regra geral da teoria de antenas é que você precisa de uma antena eletricamente pequena para produzir baixa diretividade. Ou seja, se você usar uma antena com um tamanho total de 0,25 a 0,5 comprimento de onda, minimizará a diretividade. Antenas dipolo de meia onda ou antenas de fenda de meia onda normalmente têm diretividade inferior a 3 dB. Este é o menor valor de diretividade que você pode obter na prática.
Em última análise, não podemos fabricar antenas menores que um quarto do comprimento de onda sem reduzir a eficiência e a largura de banda da antena. A eficiência e a largura de banda da antena serão discutidas em capítulos futuros.
Para uma antena com alta diretividade, precisamos de antenas com vários comprimentos de onda. Antenas parabólicas e antenas de corneta, por exemplo, possuem alta diretividade. Isso se deve, em parte, ao fato de terem vários comprimentos de onda.
Por que isso acontece? Em última análise, a razão está relacionada às propriedades da transformada de Fourier. Ao calcular a transformada de Fourier de um pulso curto, obtém-se um espectro amplo. Essa analogia não se aplica à determinação do padrão de radiação de uma antena. O padrão de radiação pode ser interpretado como a transformada de Fourier da distribuição de corrente ou tensão ao longo da antena. Portanto, antenas pequenas apresentam padrões de radiação amplos (e baixa diretividade). Antenas com grande distribuição uniforme de tensão ou corrente apresentam padrões altamente direcionais (e alta diretividade).
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Data da publicação: 07/11/2023
