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Desbloqueando a comunicação sem fio: a magia das antenas

Antenas funcionam como os olhos e ouvidos dos sistemas de comunicação. É um dispositivo que ajuda a energia eletromagnética a viajar entre um dispositivo eletrônico e o ar. Assim, as antenas agem como uma ponte conectando os circuitos eletrônicos às ondas do ar. Essa conexão permite que o dispositivo transmita e receba sinais. Antenas estão presentes em muitos dispositivos usados no dia a dia, como telefones e Wi-Fi. Diferentes tipos de antenas estão disponíveis para diversos fins.

Este guia abrange os seguintes tópicos:

  • Tipos de antenas
    • Antenas dipolo
    • Antenas de laço (loop)
    • Antenas de corneta (horn)
    • Antenas parabólicas
    • Antenas Yagi-Uda
    • Antenas de remendo (patch)
    • Antenas helicoidais
    • Antenas de chicote (whip)
    • Antenas de banda única e de banda dupla
  • Principais diferenças entre antenas de banda única e de banda dupla
  • Características de desempenho de antenas de banda única e de banda dupla
  • Aplicações de antenas de banda única e de banda dupla
  • Fatores que afetam o desempenho de antenas de banda única e de banda dupla
  • Custo das antenas

Antenas dipolo

Uma antena dipolo é usada para transmissão de rádio e televisão. É um tipo de antena de radiofrequência. Esta antena tem dois elementos condutores na forma de hastes ou fios. O comprimento desses elementos condutores é aproximadamente a metade do maior comprimento de onda em espaço livre na frequência de operação. Um material isolante separa os dois materiais condutores no centro da antena. O diagrama a seguir mostra uma antena dipolo. Esse tipo de antena pode ser tanto horizontal quanto vertical.

Figura 1: Antena dipolo

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A fonte de tensão de RF está presente no meio da antena. Os dois elementos condutores fornecem tensão e corrente. Esses elementos geram um sinal eletromagnético ou de rádio que irradia para fora da antena. O centro da antena possui a tensão mínima e a corrente máxima. Por outro lado, a corrente é mínima e a tensão é máxima nas duas extremidades da antena dipolo. É assim que a antena dipolo distribui a corrente.

A Figura 2 representa um diagrama de padrão de antena dipolo que é vertical ao eixo da antena. As propriedades de radiação da antena são graficamente representadas através do padrão de radiação. Este padrão descreve como a antena emite energia no espaço.

Figura 2: Padrão de radiação

Essa antena converte os sinais elétricos em sinais eletromagnéticos de RF. Esses sinais são emitidos na extremidade transmissora, convertendo os sinais eletromagnéticos de RF em sinais elétricos na extremidade receptora.

Antenas de loop

Este tipo de antena é formado dobrando uma bobina ou fio uniforme na forma de um laço. Em termos simples, a bobina que transporta corrente de RF é dobrada em formas como círculos, quadrados, retângulos, elipses, etc.

Essas antenas são simples, baratas e versáteis. Elas têm muitas aplicações e são geralmente usadas para rádio AM e aplicações de baixa frequência.

Figura 3: Antenas de loop

O tipo de antena de loop circular é o mais amplamente utilizado entre todas as formas. Isso ocorre porque as antenas de laço circular oferecem simplicidade na construção e análise.

As antenas de laço também são conhecidas como bobinas radiantes, com qualquer seção transversal tendo uma ou várias voltas. Uma antena de laço com duas ou mais voltas é chamada de moldura. A frequência de operação permitida por uma antena de laço varia entre 300 MHz a 3 GHz.

Antenas de corneta

Uma antena de corneta é um tipo de antena de abertura. É especialmente projetada para frequências de micro-ondas (300 MHz – 30 GHz). A extremidade da antena tem a forma de uma corneta. Tal forma oferece maior direcionalidade, então o sinal emitido pode ser facilmente transmitido a longas distâncias.

Figura 4: Antena tipo corneta

Antenas parabólicas

Antenas parabólicas coletam ou projetam energia, como ondas eletromagnéticas. Esta antena é frequentemente utilizada entre todas as antenas instaladas na engenharia de radares.

Figura 5: Antena parabólica

O refletor parabólico circular é feito de metal. A construção geralmente consiste em um quadro com seu lado interno coberto por uma malha metálica. A largura dos entalhes da malha metálica deve ser inferior a λ/10. Essa cobertura metálica é o refletor e age como um espelho para a energia do radar.

A antena de prato parabólico circular produz um feixe estreito. Se o refletor for elíptico, ele criará um feixe aberto. Os radares de vigilância usam duas curvaturas diferentes nos planos horizontal e vertical para alcançar o feixe estreito necessário na azimute e o feixe aberto clássico cosseno ao quadrado na elevação.

As antenas de prato parabólico são altamente direcionais e são comumente usadas em astronomia de rádio e comunicações via satélite.

Antenas Yagi-Uda

A antena Yagi-Uda (também conhecida como antena Yagi) é uma antena direcional com dois ou mais componentes de antena ressonantes em paralelo atuando como dipolos de meia onda. Esta antena é composta por três partes: refletor, elemento acionado e diretores. O componente de acionamento único se conecta ao transmissor ou receptor por meio de uma linha de transmissão ou outros componentes parasitas. Na maioria dos casos, o refletor e um número de diretores (elemento mais longo) são elementos parasitas.

Figura 6: Antena Yagi-Uda

Esses elementos parasitas (elementos mais curtos) atuam como ressonadores passivos. Eles funcionam com o elemento acionado e estão eletricamente desconectados do transmissor ou receptor. As antenas Yagi geralmente operam nas faixas de HF e UHF, fornecendo uma frequência de operação entre 30 MHz e 3 GHz, mesmo em larguras de banda mínimas. O design único dessas antenas permite bons valores de ganho (mais de 10dB).

As antenas Yagi-Uda são altamente direcionais. São comumente usadas para recepção de televisão e comunicação de rádio.

Antenas patch

Uma antena patch é uma antena feita por meio de corrosão de um patch de material condutor em uma superfície dielétrica. O material dielétrico é montado em um plano de aterramento, onde o plano de aterramento suporta toda a estrutura. As linhas de alimentação conectadas ao patch fornecem excitação para a antena. As antenas patch também são conhecidas como antenas microstrip ou impressas, pois a técnica de microstrip fabrica uma placa de circuito impresso.

Figura 7: Antena patch

As antenas patch são comumente usadas para Wi-Fi e comunicação sem fio.

Antenas helicoidais

As antenas helicoidais são as mais simples e amplamente utilizadas em frequências ultra-altas e operam nas faixas de VHF e UHF. Essas antenas possuem um fio condutor em forma de hélice.

Figura 8: Antena helicoidal

As antenas helicoidais têm características únicas como largura de banda ampla, alto ganho e polarização circular. Com uma faixa de frequência de 30MHz a 3GHz, esta antena é utilizada em comunicação espacial, comunicações via satélite e redes sem fio.

Antenas de chicote

Uma antena de chicote é um exemplo comum de antena de rádio monopolo. Isso significa que uma única antena é usada em vez de duas antenas trabalhando lado a lado ou formando um circuito fechado. Essas antenas são popularmente usadas em dispositivos como celulares e rádios portáteis.

O comprimento do chicote determina seu comprimento de onda potencial. Uma bobina de carga pode ser usada em qualquer ponto ao longo do comprimento da antena para encurtar o chicote. Assim, a indutância pode ser aumentada sem aumentar o tamanho do chicote. Os chicotes mais comuns são os de meia onda e quarto de onda.

Uma antena de chicote é polarizada verticalmente, pois é montada verticalmente em seu veículo base. Os chicotes são frequentemente chamados de omnidirecionais porque irradiam em todas as direções em um plano horizontal. No entanto, isso não é estritamente verdadeiro, já que todas as antenas de chicote têm um ponto cego cônico acima delas.

Antenas de banda única e de banda dupla

As antenas podem ser divididas em banda única e de banda dupla, dependendo se podem operar em uma única ou múltiplas faixas de frequência.

Uma antena de banda única opera em uma frequência específica. Essa operação geralmente está dentro de uma faixa estreita. Aplicações que requerem apenas uma faixa de frequência usam essas antenas. Sistemas tradicionais de televisão e áudio de transmissão usam antenas de banda única. Este tipo de antena pode ser ajustado para uma frequência específica para máxima eficiência e ganho. Antenas de chicote, antenas monopolo, antenas de laço, antenas de corneta e antenas helicoidais são exemplos de antenas de banda única.

Por outro lado, as antenas de banda dupla operam em duas frequências diferentes. Essas antenas têm elementos ou pontos de alimentação separados para cada faixa de frequência. Antenas de banda dupla são comumente usadas em aplicações que requerem múltiplas faixas de frequência. Sistemas de comunicação móvel usam antenas de banda dupla. Este tipo de antena pode operar em várias faixas de frequência sem separar as antenas. Dipolo, patch, Yagi e antenas log-periódicas são exemplos de antenas de banda dupla.

Principais diferenças entre antenas de banda única e de banda dupla

A diferença entre antenas de banda única e antenas de banda dupla está em seu design. A diferença está no número de suas respectivas bandas de frequência operacionais.

Algumas diferenças importantes no design desses dois tipos de antenas:

Antenas de banda única são projetadas para vibrar em uma frequência específica. As dimensões físicas da antena definem essa vibração. O comprimento da antena determina a frequência de operação. Essas antenas têm uma largura de banda estreita e só podem funcionar em frequências ressonantes e próximas.

Antenas de banda dupla são projetadas para ter duas frequências de ressonância distintas. Essas frequências são comumente usadas para duas faixas de frequência diferentes. As antenas de banda dupla são equipadas com elementos ou pontos de alimentação separados para cada faixa de frequência, permitindo que operem em duas frequências distintas. O desempenho pode ser otimizado para cada faixa de frequência se diferentes dimensões físicas forem usadas para projetar os elementos de antena de cada faixa de frequência.

Características de desempenho das antenas de banda única e de banda dupla

Em relação ao desempenho, as antenas de banda única e de banda dupla possuem vantagens e desvantagens distintas. Essas vantagens dependem da aplicação. A tabela a seguir compara o desempenho:

ParâmetroAntena de banda únicaAntenas de banda dupla
GanhoO design de uma antena de banda única é tal que ela opera com apenas uma frequência. Essas antenas oferecem um sinal mais forte quando comparadas a uma antena de banda dupla para aquela frequência específica. Elas podem alcançar mais ganho em comparação com uma antena de banda dupla.As antenas de banda dupla funcionam em duas faixas de frequência. Elas são comparativamente menos eficientes quando se trata de receber sinais.
Largura de bandaProblemas surgem se houver a necessidade de usar um espectro mais amplo de frequências, já que as antenas de banda única se restringem a trabalhar apenas em uma frequência específica.As larguras de banda totais das antenas de banda dupla são aumentadas devido à operação em duas faixas de frequência diferentes. Isso é uma vantagem quando se trata de suportar múltiplas faixas de frequência.
EficiênciaAs antenas de banda única oferecem sinais robustos com perda de sinal insignificante e são otimizadas para máxima eficiência quando estão na sua frequência ressonante. Em contraste, as antenas de banda dupla funcionam em duas faixas de frequência distintas e têm uma eficiência inferior.Como as antenas de banda dupla funcionam com duas frequências diferentes, elas não se equiparam às antenas de banda única. Isso se traduz em sinais mais fracos, tornando-as inadequadas para algumas situações.

Aplicações de antenas de banda única e de banda dupla

Os requisitos de frequência são fundamentais ao escolher entre usar antenas de banda única ou de banda dupla. A seguir estão alguns exemplos de onde cada tipo de antena é tipicamente usado:

Antenas de banda única

  • Torres de celular
  • Sistemas de GPS
  • Comunicação via satélite
  • Sistemas de radar
  • Radiodifusão e transmissão de televisão

Antenas de banda dupla

  • Roteadores Wi-Fi
  • Sistemas RFID
  • Dispositivos Bluetooth
  • Pontos de acesso sem fio
  • Telefones celulares

Fatores que afetam o desempenho de antenas de banda única e de banda dupla

A localização das antenas de banda única e de banda dupla depende de vários fatores. Um local adequado garante melhor desempenho. Esses fatores são:

  1. Localização: A antena e o alvo devem compartilhar uma linha de visão ininterrupta. Não deve haver estruturas de construção interferentes ou condições ambientais hostis.
  2. Orientação: A orientação da antena é crucial. Antenas direcionais são mais sensíveis a erros de orientação. Para uma forte intensidade de sinal, a antena deve apontar para o alvo. No entanto, antenas, como antenas omnidirecionais, não têm requisitos específicos de orientação.
  3. Interferência: O desempenho das antenas de banda única e de banda dupla pode ser degradado devido à interferência de diferentes fontes. O local escolhido deve estar livre de interferências o máximo possível. Filtros ou blindagem podem ser usados para reduzir a interferência.
  4. Perda de cabo: Os cabos que ligam a antena ao sistema de comunicação podem causar perda de sinal. Cabos de alta qualidade ajudam a maximizar a intensidade do sinal.

Custo de antenas (de banda única e de banda dupla)

O custo de antenas de banda única e de banda dupla pode diferir devido a muitos fatores. Vários fatores influenciam os custos das antenas:

Materiais constituintes

  • Diferentes materiais podem compor uma antena. Esses materiais podem impactar significativamente o custo. Por exemplo, o uso de materiais de alta qualidade, como cobre ou alumínio, pode ser mais caro do que antenas de aço.
  • A disponibilidade e a localização dos materiais usados para fazer a antena também podem influenciar seu preço.

Tamanho

  • O tamanho da antena também pode afetar o custo. Antenas maiores geralmente são mais caras do que antenas menores devido aos custos aumentados de material e fabricação.
  • No entanto, o tamanho da antena também depende da frequência de operação. Frequências mais altas geralmente exigem antenas menores.

Nível de desempenho

  • Antenas otimizadas para um desempenho mais alto podem ser mais caras do que antenas com desempenho inferior. Por exemplo, antenas com largura de banda mais ampla ou eficiência superior têm preços mais altos do que antenas com desempenho inferior.

Antenas de banda única

  • As antenas de banda única geralmente são mais baratas do que as antenas de banda dupla. Isso ocorre porque essas antenas são otimizadas para uma única faixa de frequência.
  • O custo de uma antena de banda única depende da faixa de frequência para a qual é otimizada, do tamanho da antena e de como ela se comporta.

Antenas de banda dupla

  • As antenas de banda dupla geralmente têm um preço mais alto do que as antenas de banda única devido à sua capacidade de operar em duas faixas de frequência diferentes.
  • Vários fatores, incluindo a faixa de frequência otimizada, tamanho e desempenho, determinam o custo de uma antena de banda dupla.

A Newark se associou a muitos fornecedores diferentes com um portfólio de resistores fixos que inclui antenas – chip de banda única, antenas – chip de banda dupla que podem ser usadas para diferentes tipos de aplicações no ambiente industrial.

Contato da Newark no Brasil

Para mais informações e adquirir componentes contate a LATeRe , representante da Newark, pelo Telefone (11) 4066-9400 ou e-mail: [email protected] 

* Texto originalmente publicado em: link adaptado pela Equipe Embarcados.

Sem licença Creative Commons
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