Antenas – Fundamentos Para Comunicações Móveis (TEL214 )

Escrito por Newton C Braga

Um ponto crítico no projeto de equipamentos móveis, principalmente das novas tecnologias e da telefonia celular, é a antena. Se bem que a maioria dos leitores tenha bases teóricas importantes sobre o assunto dados em seus cursos técnicos e de engenharia, a adoção de novas tecnologias que operam em frequências cada vez mais altas, exige atenção em certos pontos críticos que no passado não eram muito importantes. Assim, a reciclagem dos conhecimentos com ênfases nesses pontos pode ser muito importante para os leitores que desejam estar em dia com as novas tecnologias.

 

O conceito de que uma antena transfere a máxima potência gerada por um transmissor para o espaço quando ela apresenta determinadas características é bem conhecido de todos os leitores.

Um dipolo de meia onda, como o mostrado na figura 1, tem seu máximo rendimento justamente quando seu comprimento casa com o comprimento da onda no sinal transmitido e quando sua impedância se iguala à da saída do transmissor.

 


 

 

 

Também é conhecido dos leitores o fato de que as antenas possuem padrões de irradiação e ganhos que indicam que elas podem concentrar maior quantidade de energia numa determinada direção, conforme mostra a figura 2.

 


 

 

 

Outro fato importante no projeto de uma antena refere-se justamente ao casamento de impedância com a fonte de sinal. Um descasamento provoca a reflexão do sinal com o aparecimento de ondas estacionárias. Essas ondas, conforme mostra a figura 3, além de significarem potência não irradiada e portanto perdida, também podem sobrecarregar os circuitos causando danos à componentes.

O sistema de antena ideal tem uma relação de ondas estacionárias (ROE) de 1;1, o que indica que não ocorrem reflexões e que toda energia é irradiada, conforme mostra a figura 3.

 


 

 

 

Infelizmente no mundo real as antenas não são perfeitas o que significa que os padrões de irradiação, a transferência de energia e mesmo a impedância não se mantém nem constante e nem perto dos valores ideais, o que exige especial cuidado dos projetistas.

Pela própria figura 3 pudemos ver que a relação de ondas estacionárias de uma antena só se mantém próxima de 1:1 numa estreita faixa de frequências.

Se o equipamento opera em frequência fixa, não existem problemas para se resolver num caso como esse, mas se o equipamento varre uma determinada faixa de frequências, já temos algo mais a considerar.

Um pequeno deslocamento da frequência já pode ser o suficiente para causar uma perda de rendimento sensível que deve ser considerada num projeto.

 

 

Dimensões

Atualmente, os equipamentos móveis tendem a ocupar faixas de frequências cada vez mais elevadas no espectro. Isso significa que os comprimentos de onda diminuem e conseqüentemente as dimensões das antenas utilizadas.

Para 433 MHz, por exemplo, o comprimento de onda corresponde a 0,69 m e para 916 MHz a apenas 33 cm. Na prática, as antenas serão bem menores, pois elas operarão com metade, 1/3 e até 1/4 do comprimento de onda. Isso significa que poucos milímetros de diferença num dimensionamento já terão afeitos sensíveis sobre seu desempenho.

Nas comunicações móveis atuais, o tipo de antena mais comum é a vertical aterrada de 1/4 de onda, conforme mostra a figura 4.

 


 

 

 

Essa antena utiliza um plano de terra virtual que normalmente nos projetos consiste numa área cobreada da própria placa de circuito impresso do aparelho, tendo dimensões apropriadas.

Um recurso bastante usado para se reduzir o tamanho da antena consiste em se enrolar um condutor numa base de material isolante de modo a se obter o tipo que se denomina “helicoidal”, conforme mostra a figura 5.

 


 

 

 

Uma das desvantagens desse tipo de antena é que suas características indutivas reduzem bastante sua faixa passante.

Enquanto que uma antena comum para a faixa de 900 GHz tem uma largura de faixa de 100 MHz, para a mesma frequência, uma antena helicoidal tem uma largura de faixa de apenas 10 MHz. Nas frequências mais baixas esse tipo de antena apresenta ainda problemas adicionais que limitam sua aplicação.

 

Especificações

Ao trabalhar com antenas o profissional deve estar atento ao significado de suas especificações. A primeira especificação importante ao se analisar numa antena é a sua impedância.

A impedância consiste numa resistência real e numa reatância imaginária que são medidas no terminal da antena. Como esses elementos são indutivos e capacitivos, seus valores mudam com a frequência e além disso são afetados por objetos colocados nas proximidades, componentes,outras antenas e até mesmo o usuário do aparelho.

Existem dois tipos de resistências associadas a uma antena A resistência de radiação que converte a energia elétrica do circuito (sinal) em radiação. A resistência ohmica, por outro lado, converte a energia do circuito em calor, consistindo por isso, num elemento causador de perdas, conforme mostra a figura 6.

 


 

 

 

A resistência de radiação deve ser sempre bem maior que a resistência ohmica, pois isso vai implicar na eficiência da antena. Numa antena dipolo, por exemplo, a resistência de radiação ao ar livre é de 73 ohms enquanto num monopolo, o valor será metade desse ou 36,5 ohms.

A reatância, por outro lado, está relacionada com a energia armazenada no campo nas proximidades da antena. Essa reatância, juntamente com as resistências determinam a impedância da antena.

Veja que tanto a reatância como a resistência são afetados pela presença de objetos nas proximidades, quer seja no próprio aparelho como externamente como outras antenas e o próprio operador, conforme mostra a figura 7.

 


 

 

 

A impedância de uma antena é um valor de extrema importância num projeto pois a máxima transferência de energia de um circuito para o espaço, na forma de ondas eletromagnéticas, só ocorre quando a impedância do circuito for igual à da antena.

Uma diferença de impedâncias faz com que ocorram reflexões de sinais os quais se perdem sendo convertidos em calor.

A indústria de RF adota como padrão de impedância 50 ohms, assim a maioria dos fabricantes de chips e antenas indica esse valor para seus produtos e em sua função são feitos os projetos.

 

ROE (Relação de Ondas Estacionárias)

A ROE ou se usarmos as sigas do inglês VSWR (Voltage Stand Wave Ratio) é uma forma de se medir o casamento de uma antena com uma fonte de sinal.

A ROE é calculada medindo-se a tensão do sinal enviado e comparando com a tensão do sinal refletido, conforme mostra a figura 8.

 


 

 

 

Um casamento perfeito resulta numa ROE de 1:1 (um para um) o que significa que toda a energia gerada é transferida para a antena e nenhuma energia é refletida.

Na prática, não se consegue uma ROE de 1:1 numa antena, sendo aceitos valores que chegam a 2:1 para os tipos do mundo real. Esse valor significa que 88,9% da energia gerada é transferida à antena, ou uma perda de pouco mais de 11%.

 

Diretividade, Ganho e Eficiência

Além da quantidade de energia que pode ser transferida do circuito para o espaço na forma de onda, também é muito importante saber como essa energia é irradiada. Assim, observamos que a energia numa antena não se distribui de forma uniforme em todas as direções, conforme mostra a figura 9.

 


 

 

 

As antenas possuem, portanto, padrões de irradiação que determinam a sua diretividade. Essa diretividade depende da geometria da antena e indica em que direção a maior parte da energia é concentrada, conforme mostra a figura 10, em que temos o padrão de irradiação de um dipolo.

 


 

 

 

Nos dias atuais em que existe uma preocupação com a exposição dos usuários aos campos de altas frequências, o padrão de irradiação se torna especialmente importante para se garantir que a potência emitida ocorra em direção contrária á da cabeça do usuário.

Outros padrões de irradiação são mostrados na figura 11. Conforme podemos ver eles apresentam protuberâncias denominadas “lóbos” em que a quantidade de energia irradiada se concentra.

 

 


 

 

 

Evidentemente, os gráficos apresentados são bidimensionais, mas na realidade os padrões são tridimensionais, conforme sugere o exemplo dado na figura 12.

 


 

 

 

Muitas vezes, na impossibilidade de se fazer a representação direta em três eixos são usados dois gráficos separados, sendo um X em função de Y e outro X em função de Z, conforme mostra a figura 13.

 

 


 

 

 

Veja que a distribuição da energia de forma irregular, com a concentração maior numa determinada direção, indica que nessa direção temos mais energia do que a que seria normal, se a antena irradiação de forma uniforme em todas as direções. Isso significa que nessa direção, a antena apresenta um “ganho”. Esse ganho, ilustrado na figura 14, é uma medida importante da antena.

 


 

 

 

A eficiência mede quanto da energia aplicada a antena se converte em radiação.

Finalmente, temos a diretividade que mede quanto do pico da potência irradiada numa determinada direção é maior que uma fonte de referência de mesma potência. Normalmente, para essa medida é tomado como referência o dipolo de meia onda, conforme mostra a figura 15.

 


 

 

 

Assim, o valor do ganho é especificado em muitos casos como dBd (Db em relação ao dipolo). O ganho do dipolo é de 2,15 dBi (isotrópico). Nos projetos é preciso estar atento se a especificação é dBd ou dbi.

Nesse ponto é preciso ter em mente que o significado do termo ganho é diferente daquele que normalmente se usa para um amplificador. No caso das antenas, trata-se de um termo que mede a concentração da energia numa determinada direção, já que as antenas são componentes passivos não podendo efetivamente aumentar a potência do sinal que lhes é fornecido.

Uma maneira simples de se entender diretividade e ganho é comparar uma antena a uma lanterna, conforme mostra a figura 16.

 


 

 

 

Mesmo sendo constante a potência da luz emitida pela lanterna, se a área focalizada for menor (maior diretividade), ela parecerá mais brilhante (como se a potência fosse maior), caracterizando assim maior ganho.

 

Os monopolos das comunicações móveis

Por uma questão de espaço e comodidade, a maioria dos equipamentos móveis modernos utilizam antenas do tipo monopolo, ou seja, elas consistem numa única haste irradiante, sendo a outra parte da antena que a contrabalança interna ao circuito ou disposta de forma não visível e portanto não consistindo num elemento irradiante.

Nos equipamentos como telefones celulares e outros, essa parte interna consiste normalmente em áreas cobreadas da placa ou mesmo numa parte metálica da caixa do aparelho, conforme mostra a figura 17.

 


 

 

 

Essa parte funciona como um plano-terra e dela depende tanto a eficiência como o ganho da antena. O dimensionamento mais comum desse plano consiste no equivalente a um comprimento de onda. Isso faz com que seu comportamento elétrico se aproxime de um plano infinito.

Na prática, entretanto, isso não é possível, pois dependendo do comprimento de onda isso seria grande demais para poder caber na caixa do aparelho. Por exemplo, em 433 MHz isso significa quase 70 cm!

Com a redução desse plano os efeitos sobre as características da antena são grandes. A impedância é afetada e com isso o rendimento, diretividade, ganho e muito mais. A posição da antena no equipamento também é um outro fator que deve ser levado em conta, pois influi no rendimento, ganho e diretividade.

No entanto, dadas as características dos equipamentos essa é ainda uma solução adotada, reduzindo-se ao máximo os eventuais efeito “colaterais” que as limitações de espaço podem trazer.

Em alguns casos as perdas que ocorrem com a transferência do sinal para a antena podem ser compensadas com a utilização de um amplificador de potência e da mesma forma, um amplificador de baixo ruído pode ser intercalado entre a antena e a entrada do receptor para compensar as perdas de sensibilidade. No entanto, essa solução implica em aumento de custo do equipamento além de um maior consumo de energia, afetando portanto a autonomia da bateria que o alimenta.

De qualquer forma, para o projetista de um equipamento, partindo das especificações dos fabricantes das antenas, pode-se ter uma idéia geral do seu desempenho, mas é somente com o teste final que se determina até que ponto essas características podem ser alcançadas.

 

Tipos de Antenas

Para as aplicações móveis existem diversos tipos de antenas disponíveis, a partir das quais o projetista pode desenvolver seu equipamento. Podemos citar até os exemplos de antenas que não dependem de um plano-terra como as Yagi, parabólicas, rômbicas, etc, no entanto, para os equipamentos móveis nem sempre elas são viáveis.

Por exemplo, podemos considerar os dipolos que possuem a aparência da 18 para o caso de equipamentos móveis de frequências elevadas.

 


 

 

 

Nessas antenas um dos elementos é a própria haste da antena enquanto que o outro é um cabo coaxial ligado a esse elemento a partir da fonte de sinal, mas cuja malha passa a operar como o segundo elemento do dipolo.

 

Conclusão

Os circuitos de comunicações móveis atuais trabalham com potências muito baixas, o que exige que o seu rendimento na transferência do sinal para o espaço seja feita com o máximo de rendimento. Para essa finalidade, a antena consiste no elemento final mais crítico exigindo uma atenção especial do projetista.

As frequências elevadas, a limitação de espaço e outros fatores afetam o desempenho de uma antena. Nesse artigo demos uma breve visão de alguns princípios básicos que devem ser levados em conta no projeto de uma antena para um equipamento móvel.

Evidentemente, existe muito mais a ser considerado, mas isso pode ser obtido em uma literatura mais ampla, dada a extensão do tempo e também a profundidade em que ele pode ser abordado.

 

 

Artigo publicado originalmente em 2008