Curso de electrónica - parte 23 Antenas

[José Flor]

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Introdução á electrónica básica
Parte 23
Antenas

Para a perfeita recepção de TV, é imprescindível que o sistema da antena seja adequado.
Em radiorrecepção a condição acima citada é importante. Todavia em televisão, o problema aumenta de relevância, em consequência da característica de faixa larga e alta frequência dos sinais de TV.
Para o correto desempenho do receptor de televisão, o sistema de antena deve obedecer a uma série de requisitos tais como:
1º ter características de faixa larga, para que possa receber todos os canais de televisão satisfatoriamente, ou, pelo menos, uma das faixas (altas ou baixa)
2º receber, adequadamente, tanto os sinais fracos como os fortes
3º reduzir a um nível razoável as interferências artificiais, tais como ruídos industriais, ruídos de velas de ignição, etc.
4º evitar os sinais refletidos, quer sejam internos ou externos.


a) Antenas ressonantes

As antenas, sejam de emissão ou de recepção, constitui um circuito ressonante, na frequência da onda recebida ou transmitida. Essa ressonância se dá quando o comprimento físico da antena é um múltiplo da metade do comprimento de onda.
Lamentavelmente, nem sempre é possível cumprir essa condição em radiorrecepção, pois os comprimentos de onda, em onda média, têm valores tão grandes que tornam impraticáveis a construção da antena.
Já, em recepção de TV, isso não se dá, pois, funcionando no domínio das ondas métricas, é completamente exequível uma antena com dimensões de meia onda.
O estudo das antenas, consideradas como linha de transmissão ou guia de ondas, leva-nos a conclusão de que a distribuição das tensões e correntes ao longo da antena de meia onda tem o aspecto mostrado na figura 1.

Figura 1

Como se pode notar nesta figura, a tensão atinge sua amplitude máxima positiva em um extremo da antena, e a máxima negativa no outro extremo.
Por outro lado, a corrente é nula nos dois extremos.
Para recolher a máxima corrente e aplica-la à entrada do receptor, a posição mais favorável será, portanto, o centro da antena.
Na prática, a antena não é constituída de um simples condutor, mas, sim, de uma haste metálica, que garante, além das propriedades elétricas, a rigidez física.
As correntes de altas frequência são conduzidas pela superfície dos condutores (efeito pelicular ou do inglês “skin effect”) e, portanto, não há necessidade e nem interesse económico em escolher haste de alma cheia, para a feitura da antena. Na prática, usa-se um tubo oco, geralmente de alumínio, que satisfaz as condições de rigidez mecânica, condutividade elétrica, economia e durabilidade.
A antena de meia onda, desse tipo, recebe o nome de dipolo simples.


b) Polarização da antena

A onda electromagnética é composta de um campo elétrico e outro magnético perpendicular entre si.
Quando o campo elétrico é vertical em relação à terra, costuma-se dizer que a onda está polarizada verticalmente; e, ao inverso, se o campo elétrico é horizontal em relação à terra, diz-se que a onda está polarizada horizontalmente.
Quando o transmissor tem antena vertical, a polarização da onda é também vertical. Em caso de antena horizontal, a polarização da onda horizontal.
Para que a antena receptora tenha a melhor captação, ela deve ser polarizada de acordo com a polarização da antena emissora. A polarização da antena receptora será, portanto, aquela do transmissor.
As antenas com polarização horizontal é menos sensível às interferências externas que a vertical. Essa é a forma mais usada mundialmente devido á melhor recepção.
No entanto, pode acontecer que a polarização se inverta durante a propagação e, por isso, é aconselhável sempre que se instale uma antena, procurar a posição que proporcione melhor captação.



c) Impedância de um dipolo

A antena é um circuito ressonante e, portanto, é lícito esperar que ela apresente uma impedância. É o que efetivamente se verifica. Além disso, dado que podemos assemelhar a antena a um circuito RLC série, a impedância, na condição de ressonância, é mínima.
Sabemos que, na ressonância, a impedância é puramente resistiva; logo podemos definir, para uma antena, uma resistência de irradiação, que corresponde à resistência que a antena oferece, na condição de ressonância. Essa resistência é puramente fictícia; todavia, a antena se comporta como se na realidade ela existisse.
A resistência de irradiação de uma antena dipolo de meia onda, tanto para transmissão como para recepção, é dada pela expressão: Ri = 320 . L2 / λ2 onde L corresponde ao comprimento físico da antena e λ, ao comprimento de onda.
No caso analisado, em que o comprimento físico é a metade do comprimento de onda, ou seja L = λ / 2, temos: Ri = 320 . λ2 / 4 . 1 / λ2 = 80 Ω.
Esse valor é puramente teórico, porque a fórmula que dá a resistência de irradiação foi deduzida, considerando que a distribuição de corrente ao longo da antena é uniforme, condição esta que não se verifica. Na realidade, a resistência de irradiação tem valor mais baixo, que varia de 70 a 75 Ω.
Para a antena dipolo, usada em recepção de TV, torna-se, para a resistência de irradiação ou impedância do dipolo, na ressonância, o valor de 72 Ω.
A impedância do dipolo, evidentemente, varia com a frequência. Ela se apresenta como reatância capacitiva, nas frequências abaixo da ressonância, e como reatância indutiva, nas frequências superiores à de ressonância.


d) Resposta de frequência de um dipolo

A antena de recepção de TV deve ter características de faixa larga, ou seja, a banda passante da antena deve ser grande, a fim de que ela possa ser utilizada na recepção de mais de um canal.
A curva de resposta de frequência de uma antena ressonante tem o mesmo aspecto que a do circuito RLC, reproduzida na figura 2.

Figura 2

A resposta de frequência de um circuito ressonante depende do fator de mérito Q do circuito. Se o fator de mérito for elevado, a curva será bastante aguda e, consequentemente, a banda passante será pequena. O inverso se dará, se o Q do circuito for baixo.
Uma antena sintonizada com Q alto somente teria interesse na recepção de um único canal. No caso mais geral, em que a antena precisa servir para diversos canais, deve-se impor a condição de Q baixo.
O Q de um circuito RLC depende da relação L/C. Portanto, para diminuir o fator de mérito, devemos fazer com que a relação entre a indutância e a capacitância da antena decresça, ou seja, devemos diminuir a indutância e aumentar a capacitância da antena.
Essas duas condições são verificadas simultaneamente, escolhendo-se o tubo da antena com diâmetro elevado.
De fato, quanto maior o diâmetro, menor será a indutância e maior a capacitância; e, consequentemente menor o Q.
As antenas de faixa larga de maior uso em recepção de televisão são as conhecidas como cilíndricas, cónica esferoidal, logperiódica e dipolo dobrado.


e) Dipolo dobrado

O dipolo dobrado consta de dois dipolos simples, ligados pelas extremidades, sendo que a tomada de corrente é feita de um só deles, como mostra a figura 3.

Figura 3

Uma das vantagens do dipolo dobrado é que a sua impedância central pode ser variada conveniente, bastando para isso que o dipolo que foi agregado tenha diâmetro diferente do outro.
Se a antena for o dipolo dobrado, em cada ramo deveremos ter a metade da corrente, desde que o diâmetro seja o mesmo. Nestas condições, a resistência deverá der 4 vezes a do dipolo simples.
 Como a resistência do dipolo simples é de 72 ohms, segue-se que a do dipolo dobrado é 288 ohms. Na prática, o valor da impedância do dipolo dobrado é considerando como 300 ohms.
O espaçamento entre as duas hastes do dipolo não é muito critico. Todavia, não deve ser muito grande. Para os dipolos dobrados usados na recepção dos sinais de TV, na faixa de VHF (canais 2 a 13), esse espaçamento é da ordem de 10 cm.
O calculo do comprimento físico do dipolo é feito da mesma maneira como o efetuado na lição de “Construção de uma antena”.
Assim o comprimento de onda é determinado, dividindo-se a velocidade de propagação (300.000 Km/s) pela frequência da emissora a ser sintonizada. O comprimento calculado desta maneira deve ser diminuído de 6%, para compensar a variação de capacitância, que se verifica em consequência da utilização de um mastro de suporte, da proximidade do telhado, do solo, etc.
Considerando a velocidade de propagação, em metros por segundo, e a frequência em hertz, a metade do comprimento de onda é calculada pela formula: l = 300.000.000 / f / 2. O comprimento físico do dipolo será, levado em conta o encurtamento de 6%.
Por exemplo, vamos calcular o comprimento de um dipolo dobrado, de meia onda, para cobrir a faixa dos canais altos. Sabemos que a faixa dos canais altos vai de 174 a 216 MHz, portanto, a frequência central dessa faixa será de: f = (174 + 216) / 2 = 195 MHz. O comprimento da antena será de: l = 300.000.000 / 195.000.000 . 0,94 / 2 = 0,723 metros, ou seja 72 cm. Os 0,94 é o valor de 6% ou seja 1 menos 6% igual a 0,94.
Se quisermos realizar praticamente a antena, tomaremos um cano de alumínio, de cerca de 1 cm de diâmetro, e o dobraremos de maneira que a haste superior tenha 72 cm, as laterais tenham cerca de 10 cm, e a inferior 35 cm em cada metade. Os 2 cm retirados foram usados para facilitar a ligação da linha de descida. Veja a figura 4.
 

Figura 4

f) Diretividade da antena

Outra característica muito importante, nas antenas de televisão, é a sua alta diretividade, ou seja, a propriedade que tem a antena de possuir posição privilegiada de captação.
Para a antena de polarização horizontal, a posição de melhor captação é aquela em que a face da antena forma ângulo reto com a direção da emissora; a de menor captação é aquela em que a emissora faz ângulo reto com o eixo da antena.


g) Linhas de transmissão

Chamam-se de linhas de transmissão aos condutores que fazem a transferência do sinal da antena para a entrada do receptor. Na instalação da antena, a linha de transmissão desempenha papel importante, pois, se ela não for adequada, poderá haver perda de sinal e reflexos, o que alterará completamente a qualidade da imagem.
A linha de transmissão é um sistema de condutores paralelos e, como tal, apresenta capacitância, resistência e indutância distribuída. Isto dito de outra maneira significa que a linha de transmissão apresenta impedância, quando serve de transporte para correntes alternadas.
A linha de transmissão é uma rede iterativa, isto é, ela reproduz, na saída, a impedância de entrada.
As linhas de transmissão de maior uso em instalações de antenas de TV são: linhas de condutores paralelos (ou germinadas), linha coaxial (ou concêntrica) e linha blindada. Vega a figura 5

Figura 5

Em a temos linha de transmissão paralela, em b linha de transmissão coaxial e em c linha blindada.




ACESSÓRIOS DE ANTENAS

Booster

O booster é um amplificador de alta frequência e faixa larga, usado para elevar o sinal de entrada. O booster é usado quando a distância entre a antena e o receptor é tal ordem que a perda na linha de transmissão seja muito grande. Deve ser colocado perto da antena.


Misturador de RF

Trata-se de circuitos elétricos, capazes de misturar sinais de distintas frequências. São circuitos passivos baseados na teoria dos filtros, compostos de bobinas e capacitores.


Conversores

Conversores são circuitos que, através de heterodinagem, convertem os sinais captados em outros cujo valor de frequência pode ser maior ou menor.


Atenuadores resistivos

O atenuador resistivo é uma rede de resistores, cuja finalidade é reduzir o nível de sinal (e, neste caso, é realmente um atenuador), ou interligar dois circuitos de impedâncias diferentes (e, neste caso, ele atua como adaptador de impedâncias).
O uso do atenuador se dá quando a televisor está muito próximo do emissor e por essa razão o sinal é muito forte, tendo que ser atenuado.


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José António Flor de Sousa