Trabalho Final - Antena Dipolo

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE TELEINFOMÁTICA
 
 
0371904 - Raísa Pinho de Barros
 
Sérgio Antenor de Carvalho Silva 
 
 
 
 
 
Antenas
Antena Dipolo - Trabalho Final
 
 
 
 
 
 
 
 
Janeiro 2017
1. INTRODUÇÃO
A antena do tipo dipolo consiste em dois condutores, contendo em seu comprimento total o tamanho desejado da onda que se deseja captar, dependendo da frequência de operação e necessidade técnica, podem ser utilizadas antenas dipolo de meia onda, que contêm o tamanho da metade do comprimento da onda. 
De forma mais simples, uma antena dipolo é uma antena retilínea sem ligação com o potencial de terra, com a extensão de um comprimento de onda em geral. Na verdade, não são utilizadas antenas do tipo dipolos de onda completa por questões práticas, mas sim dipolos de meia onda e de um quarto de onda. 
Em altas freqüências as correntes tendem a acontecer na superfície dos condutores, penetrando tanto menos em seu interior quanto mais alta seja a freqüência. Devido a isso, algumas linhas de transmissão, tais como em forma de malhas, linhas de fita ou de fios múltiplos, são construídas com a finalidade de aumentar sua superfície útil. Observando-se esse efeito, alguns tipos de antenas também seguem esse mesmo comportamento.
Podemos considerar um dipolo de meia onda também uma antena retilínea, mas, o comprimento dos condutores é a metade de um comprimento de onda, sua alimentação é pelo centro, onde a impedância de entrada varia de acordo com sua distância do solo em comprimento de onda. 
Antenas do tipo dipolo podem ser polarizadas horizontalmente ou verticalmente, pois a onda eletromagnética é composta de campo elétrico e campo magnético, estes estão ortogonalmente dispostos.
Quando se fala polarização de uma onda eletromagnética, seja vertical ou horizontal, o campo magnético e o campo elétrico estão situados a 90 graus com uma variação de fase de 0 grau. 
A polarização de uma antena dipolo é definida pelo campo elétrico, ou seja, se o campo elétrico está na horizontal, a polarização do dipolo é horizontal, se o campo elétrico está na vertical, a polarização da antena dipolo é vertical.
2. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS
A configuração de uma antena Dipolo é apresentada na figura 1. Nesta figura é mostrada a distribuição de carga no processo de irradiação dessa antena para um determinado comprimento de onda λ. A corrente elétrica I, que alimenta essa antena, mantém as cargas arrumadas, de tal forma que cada haste da antena tem comprimento λ/4.
Figura 1: Distribuição de cargas na antena Dipolo 
Conforme podemos ver, a distância entre as extremidades do dipolo corresponde à metade do comprimento da onda. A onda eletromagnética ao incidir nesta antena, conforme mostra esta figura terá seus valores de pico nas extremidades da antena de modo que a tensão induzida obtida é máxima. A antena dipolo pode ser compara a um circuito ressonante tipo série com uma impedância teórica nula na frequência de ressonância.
Dipolo vertical vs Dipolo horizontal
A diferença de colocar a dipolo na horizontal ou na vertical é a polarização de quem está transmitindo, por exemplo, rádios broadcasting, rádios HT e antenas plano terra transmitem na polarização vertical e essas transmissões são melhores captadas por antenas verticais. Já emissoras de TV e antenas yagi direcional, transmitem na polarização horizontal e essas transmissões são melhores captadas por antenas horizontais.
Isso não quer dizer que você vai deixar de receber um determinado sinal só pelo motivo que você tem uma antena de polarização vertical e a transmissão foi feita em uma polarização horizontal. Esses fatores só são levados em conta para quem quer captar sinais muito fracos ou praticantes de DX (contato a longa distância).
2.1. DIPOLO DE MEIA ONDA
É um tipo básico de antena, formado por dois condutores retilíneos, cada um de comprimento igual 1/4 do comprimento de onda da radiação a ser transmitida ou recebida (Figura 2 A). No vácuo (e de forma aproximada para o ar), a relação entre o comprimento de onda e a freqüência é dada por λ = 3 108 / f, onde λ é o comprimento de onda em metros e f, a freqüência em hertz. A constante 3 108 é a velocidade aproximada de propagação (velocidade da luz).
Desde que a velocidade de propagação nos meios condutores é menor, na prática os comprimentos das antenas são cerca de 95% dos calculados pela fórmula anterior. A Figura 2 B dá uma idéia da variação de tensão e corrente (em valores absolutos) ao longo do dipolo. 
Figura 2 - Tipo de Antena
No centro a corrente é máxima e a tensão é mínima. Isso permite deduzir que o dipolo é equivalente a um circuito ressonante RLC série (Figura 2 C). Na ressonância, as reatâncias indutiva e capacitiva se anulam e, portanto, a impedância é puramente resistiva. Para dipolos de meia onda, a impedância na freqüência de ressonância é aproximadamente 72 ohms (Impedância não significa necessariamente um resistor físico. Afinal os elementos são eletricamente separados. É uma característica que pode ser calculada).
2.2. DIPOLO DOBRADO
Conforme Figura 3, pode ser visto como dois dipolos de meia onda em paralelo. Nessa condição, a impedância é multiplicada por . Portanto, a impedância resultante é .
Fig 3 - Dipolo Fechado
Esse valor calculado é próximo da impedância dos fios paralelos de 300 ohms e o arranjo é bastante usado em sinais de VHF, como TV. Se fossem três dipolos, a impedância seria multiplicada por .
Existe uma variante de geometria de antenas de dipolo simples que permite a obtenção de boas características de casamento de impedância a linhas coaxiais práticas de impedância característica de 50 ou 75 ohms. Quando o espaçamento entre os lados mais compridos é muito pequeno (em geral, s < 0,05λ), essa antena é conhecida como dipolo dobrado e funciona como um transformador de impedância, onde o fator de transformação é aproximadamente 4:1 (quando a maior dimensão é igual a λ/2) em relação a impedância do elemento isolado. 
O casamento de impedâncias com linhas coaxiais práticas (que possuem característica de 50 ou 75 ohms) e a obtenção de boas características direcionais é geral obtido através do uso de dipolo de meio comprimento de onda, que possui impedância de entrada Zin≅73+j42,5
 e D0≅1.643 diretividade. 
Outro exemplo de linha de transmissão que é comumente utilizado em TVs é a linha de transmissão de “dois fios”, que tem uma impedância característica de 300 ohms. Para obtermos o casamento com tal linha de transmissão, pode-se utilizar um dipolo dobrado de λ/2 onde a antena é ressonante, já que é possível obter impedâncias características da ordem de 300 ohms com tal configuração, o que seria o ideal para realizar o casamento. 
O valor da impedância de entrada de um dipolo dobrado é: 
 
Onde Zd é a impedância de entrada de um dipolo ordinário filamentar de comprimento ‘l’ e diâmetro ‘d’ e Zt é a impedância da linha de transmissão. Para obtermos esse resultado, foi considerado que “s << l” e “s/2 >> a”, onde ‘a’ é o raio do filamento usado para construir o dipolo dobrado. 
Quando temos um dipolo dobrado de meio comprimento de onda ( l = λ/2 ), pode ser mostrado que a equação anterior se reduz a: 
Zin=4Zd
 
que indica que a impedância de um dipolo dobrado é quatro vezes maior que a de um dipolo isolado de mesmo comprimento que um dos lados. Sabendo que a impedância de entrada de um dipolo filamentar é aproximadamente 75 ohms, temos que a impedância de entrada de um dipolo dobrado é de 300 ohms.
3. FUNDAMENTOS ELETROMAGNÉTICOS 
	
Para melhor entendermos o funcionamento de certas geometrias de antenas precisamos analisar e determinar características eletromagnéticas como o campo elétrico e magnético gerado. Dessa forma, precisamos primeiro definir como a corrente está distribuída na antena. Uma boa aproximação para essa distribuição é para o caso de antenas de dipolo de comprimento finito: 
 
Essa aproximação considera que a antena é alimentada no centro e que a corrente se anula nasextremidades. Sabendo da distribuição de corrente é possível determinar o campo elétrico e magnético gerado na região de campo distante com sendo: 
 
Para o caso da antena de meio comprimento onda, as equações acima se reduzem a: 
 Dessa forma podemos calcular o diagrama de potência irradiada como sendo: 
 
 
 
Plotando as tais equações normalizadas temos: 
 
Figura 4 – Forma dos campos elétrico e magnético, e potência teóricos 
para um antena dipolo de meio comprimento de onda 
4. METODOLOGIA E RESULTADOS
Figura 5 - Distribuição de corrente
Figura 6 - Diagrama de radiação na frequência
Figura 7 - Padrão de Radiação no plano E
TRABALHO FINAL - ANTENA DIPOLO