A diretividade é um parâmetro fundamental da antena. Esta é uma medida do padrão de radiação de uma antena direcional. Uma antena que irradia igualmente em todas as direções terá uma diretividade igual a 1 (equivalente a zero decibéis -0 dB).
A função de 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 modo que o valor máximo do padrão de radiação seja igual a 1. (O maior valor é a equação [1] de "F"). Matematicamente, a fórmula para direcionalidade (tipo "D") é escrita como:
Esta pode parecer uma equação direcional complexa. No entanto, os padrões de radiação das moléculas são de grande valor. O denominador representa a potência média irradiada em todas as direções. A equação é, então, uma medida da potência máxima irradiada dividida pela média. Isso fornece a diretividade da antena.
Paradigma direcional
Como exemplo, considere as próximas duas equações para o padrão de radiação de duas antenas.
Antena 1
Antena 2
Esses padrões de radiação são plotados na Figura 1. Observe que o modo de radiação é apenas uma função do ângulo polar teta(θ). O padrão de radiação não é uma função do azimute. (O padrão de radiação azimutal permanece inalterado). O padrão de radiação da primeira antena é menos direcional do que o padrão de radiação 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 direcionalidade?
Usando a fórmula [1], podemos calcular que a antena tem maior diretividade. Para verificar sua compreensão, pense na Figura 1 e no que é direcionalidade. Em seguida, determine qual antena tem maior diretividade sem usar nenhuma matemática.
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 a potência direcional de seu 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 de TV via satélite, a operadora informará para onde apontá-la e a antena receberá o sinal desejado.
Encerraremos com uma lista de tipos de antenas e suas diretividades. Isso lhe dará uma ideia de qual direcionalidade é 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
Patch (antena microstrip) 3.2-6.3 5-8
Antena de corneta 10-100 10-20
Antena parabólica 10-10.000 10-40
Como os dados acima mostram, a diretividade da antena varia bastante. Portanto, é importante entender a diretividade ao selecionar a melhor antena para sua aplicação específica. Se você precisa enviar ou receber energia de várias direções em uma única direção, deve projetar uma antena com baixa diretividade. Exemplos de aplicações para antenas de baixa diretividade incluem rádios automotivos, celulares e acesso à internet sem fio por computador. Por outro lado, se você estiver realizando sensoriamento remoto ou transferência de energia direcionada, será necessária uma antena altamente direcional. Antenas altamente direcionais maximizarão a transferência de energia da direção desejada e reduzirão os sinais de direções indesejadas.
Suponha que queremos uma antena de baixa diretividade. Como fazemos 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 comprimento de onda total de 0,25 a 0,5, a diretividade será minimizada. Antenas dipolo de meia onda ou antenas de fenda de meio comprimento de onda normalmente têm diretividade inferior a 3 dB. Essa é a direcionalidade mais baixa que você pode obter na prática.
Em última análise, não podemos fabricar antenas menores que um quarto do comprimento de onda sem reduzir sua eficiência e largura de banda. A eficiência e a largura de banda da antena serão discutidas em capítulos futuros.
Para uma antena com alta diretividade, precisaremos de antenas com vários comprimentos de onda. Antena parabólicas e antenas corneta, por exemplo, têm alta diretividade. Isso se deve, em parte, ao fato de possuírem vários comprimentos de onda.
Por que isso acontece? Em última análise, o motivo tem a ver com as propriedades da transformada de Fourier. Quando se utiliza 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 considerado como a transformada de Fourier da distribuição de corrente ou tensão ao longo da antena. Portanto, antenas pequenas têm padrões de radiação amplos (e baixa diretividade). Antenas com grande distribuição uniforme de tensão ou corrente apresentam padrões muito direcionais (e alta diretividade).
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Horário da postagem: 07/11/2023
