Técnica | O funcionamento de uma antena de rádio

Como vocês viram, já sabemos como as ondas de rádio são produzidas,  e também já sabemos como o sistema DRM funciona. Mas, com tanta tecnologia presente nos meios de radiodifusão, uma coisa é muito importante para que  todos nós possamos ouvir rádio e ver TV: A antena!

Uma antena, ou sistema irradiante, é a peça fundamental para que toda a energia produzida pelo transmissor da emissora seja irradiado na sua totalidade e com cobertura eficiente. Um sistema irradiante ou antena de má qualidade ou mal projetada pode reduzir drasticamente a sua eficiência e a consequência é um sinal ruim da emissora, e isso se aplica também a antena utilizada na recepção do sinal pelo rádio do ouvinte.  Vamos ver agora, a história da antena:
 
As primeiras antenas presumem-se, foram criadas por Heinrich Hertz, em 1886, com a finalidade de auxiliar no estudo e desenvolvimento das teorias eletromagnéticas.

Hertz pesquisou diversos dispositivos durante a realização de seus experimentos para testar e provar a teoria eletromagnética, esta proposta pelo matemático e físico James Clerk Maxwell.

As primeiras antenas que se tem notícia foram produzidas por Hertz. Na verdade eram duas placas de metal conectadas a dois bastões metálicos. Estes dispositivos eram ligados a duas esferas, e estas separadas entre si por uma distância pré-determinada. Nas esferas era adaptada uma bobina que gerava descargas por centelhamento. As centelhas por sua vez, ao atravessar o espaço entre esferas, produziam ondas eletromagnéticas oscilatórias nos bastões.

Desde as primeiras antenas até a atualidade, os princípios físicos que regem seu projeto e desenvolvimento foram sendo aprimorados e descobertas novas maneiras e tecnologias de se transmitir e receber sinais eletromagnéticos.

Atualmente, as antenas em alguns casos são estruturas de extrema complexidade e importância nas comunicações, sendo talvez para o homem moderno tão importantes quanto foi a descoberta do fogo e a invenção da roda para o desenvolvimento tecnológico humano.

Parâmetros de antenas

Existem diversos parâmetros críticos de antenas a se considerar para o projeto. A performance da antena é afetada por parâmetros ajustados no projeto, tais como: frequência de ressonância, impedância, ganho, diagrama de irradiação, polarização, eficiência e largura de banda. As antenas transmissoras também tem a máxima potência, e as antenas receptoras diferem nas características de rejeição a ruído.

Irradiação e diretividade de uma antena

A antena é um sistema que irradia (ou recebe) energia eletromagnética. Se pode conhecê-la a partir do processamento da irradiação, da eficiência e da distribuição da energia irradiada através do campo, dentro do espectro conhecido, ou arbitrado. A diretividade é a razão entre a intensidade de radiação de uma antes e a intensidade de radiação média. Existe também a irradiação onidirecional, ou seja, uma antena que emite e recebe sinais de todos os lados.

Exemplos típicos de antenas direcionais são as antenas parabólicas utilizadas em emissoras de radio, TV e nas nossas casas,  e nas antenas de TV terrestre  residenciais, onde se aponta a antena para receber o melhor sinal possível.

É possível que seu navegador não suporte a exibição desta imagem. exemplo de antena direcional.

            
Nas emissoras de Rádio em FM e AM, em grande parte se utiliza antenas onidirecionais, e com polarização circular ( FM ). Se utiliza essa tecnologia pois assim todos os ouvintes vão poder ouvir em qualquer ponto em volta da cidade onde ela se localiza, se as emissoras utilizassem antenas direcionais o sinal só seria captado na direção em que a antena transmissora fosse direcionada. Utiliza-se a polarização circular para uma melhor eficiência. Polarização circular significa transmitir tanto na horizontal, como na vertical, preenchendo assim o maio numero de nulos possível. Nulo são os “buracos” na transmissão, que são perceptíveis quando estamos ouvindo rádio no carro e ele, em determinado ponto, para de pegar.

Antena de transmissão de FM circular, 6 elementos.
            

Na foto acima vemos uma das antenas mais utilizadas pelo radiodifusor no Brasil, antena de polarização circular e omnidirecional. Nessa caso, temos 6 elementos. Quanto mais elementos, mais ganho temos no sistema irradiante.

Ganho

Podemos verificar a validade do fenômeno do ganho. Não houve aumento de potencia, o que houve foi um redimensionamento da distribuição em outras direções portanto, o ganho sempre é referente a uma determinada direção.

Muitos leigos no universo das antenas relacionam erroneamente ganho de uma antena com aumento da potência. Ganho de uma antena é nada mais do que a capacidade que a antena tem de focar o sinal eletromagnético em uma determinada direção. Uma antena não amplifica sinal, uma vez que toda antena é um elemento passivo.

Diagrama de irradiação

É possível que seu navegador não suporte a exibição desta imagem. O diagrama de irradiação nada mais é do que o mapeamento da distribuição de energia irradiada, levando em conta o campo tridimensional. Este se faz de duas maneiras, ou em campo ou através de simulação computacional.

Geralmente a radiação de uma antena é mensurada através da unidade dBi.

Exemplos de diagramas de irradiação e lóbulos. 

Para levantar-se o diagrama de irradiação, deve-se tomá-lo a partir de uma distância e localização onde não seja possível a interferência de elementos estranhos ao meio onde se encontram a antena de prova e a antena de teste.

Elementos estranhos que interferem podem ser desde árvores, calhas, rufos, arames, linhas de transmissão de energia ou telefônicas. Estruturas de concreto armado também interferem no resultado de um diagrama de irradiação/recepção pelo fato de existir ferro em seu interior.

Portanto, para executar experiências de aferição de antenas, estas devem ser em campo aberto.

Concentração de energia

Podemos usar a densidade de potência para medir a capacidade que uma antena tem de concentrar energia numa determinada região do espaço.

Quanto mais agudo o ângulo do cone de propagação formado pelo lóbulo principal (mais estreito o feixe), maior é a diretividade da antena, maior é a densidade de potência que ilumina uma pré-determinada área do espaço na direção de máxima irradiação, na esfera virtual.

Para se ter um parâmetro de comparação, temos necessidade de usar uma antena hipotética, onidirecional, que ilumine a parede interna de uma esfera virtual uniformemente.

Como vimos, o universo das antenas é um mundo complexo e exige muita experiência por quem lida com elas. Uma antena é a parte essencial de uma emissora ou de qualquer meio de comunicação, sem elas não existe comunicação alguma! É como um carro sem rodas ou um equipamento sem fio para se ligar a tomada. Nós do tudo rádio tentamos deixar essa coluna sobre antenas a menos complexa possível, mas elas ainda vão ser abordadas em nossas próximas colunas técnicas.  Caso fiquem dúvidas não tenha medo, é só entrar em contato!

Até a próxima!