Prática 3

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE TELEINFOMÁTICA
 
 
Sérgio Antenor de Carvalho Silva 
 
 
 
 
 
Antenas
Prática 3 
 
 
 
 
 
 
 
Dezembro 2016
1. OBJETIVO
Nesta prática serão exploradas as características eletromagnéticas de uma antena vertical ou monopolo de uma quarto de onda (também conhecida como antena de Marconi) por meio da comparação entre os resultados teóricos e os práticos.
2. INTRODUÇÃO TEÓRICA 
Um monopolo de quarto de onda consiste de uma antena formada por um fio metálico retilíneo, como comprimento igual a λ/4, colocando idealmente sobre um plano condutor infinito (plano de terra). O campo produzido na região acima do plano de terra pelo monopolo e por sua imagem (construída abaixo do plano condutor) é o mesmo que seria produzido por um dipolo de meia onda sem a presença do plano de terra. A figura 1 ilustra um monopolo de quarto de onda posicionado sobre a superfície da Terra (plano condutor infinito), a imagem dessa antena abaixo do plano e a distribuição de potência.
 
Figura 1 – Monopolo de quarto de onda
O tamanho dessa antena foi pensado para que se pudesse trabalhar com baixas frequências, pois a altura da antena dipolo de meio comprimento de onda pode tornar-se proibitiva. Por exemplo, um dipolo vertical de meia onda para trabalhar a 4 MHz requer um comprimento de 35,75 metros, mas para trabalhar a 2 MHz requer 71,5 metros de altura. Dessa forma, como para a polarização vertical e a baixas frequências o dipolo de meia onda é impraticável, utiliza-se uma antena de quarto de onda sobre uma superfície conduto, já que as duas possuem características muito semelhantes, devido a imagem produzida. 
Para que esta antena possa operar corretamente, a terra tem que ser perfeita (condutividade infinita, resistência nula), pois caso contrário um valor apreciável de potência se perderá na resistência do sistema de terra. O solo mais perfeito para este tipo de antena é o solo húmido e com terra fértil ou o solo salinizado. Mas se por força das circunstâncias, a antena tiver que ser construída num solo de pobre condutividade como por exemplo solo rochoso ou arenoso, então é imprescindível a construção de uma terra artificial. 
Como já mencionado, o diagrama de radiação da antena vertical de quarto de onda é idêntico ao do dipolo de meia onda, descrito pela seguinte equação (em sua forma normalizada):
O diagrama de radiação é ilustrado na figura abaixo: 
 
Figura 2 – Diagrama de Radiação
No plano horizontal, a antena irradia igualmente em todas as direções. É portanto uma antena omnidirecional (em todas as direções), mas como transmitem por igual em todas as direções, dizemos que a antena é isotrópica. 
A impedância de entrada de uma antena de quarto de onda é aproximadamente de 36,5 Ω se for utilizada como terra perfeita. Este valor é suficientemente bom para permitir acoplamento com linhas de transmissão de 50 Ω. Como essa antena é assimétrica (não balanceada) porque um dos lados é a terra, o melhor alimentador é uma linha de transmissão também assimétrica (cabo coaxial). O condutor central é ligado à antena (que é isolada da terra) e a blindagem é ligada à terra ou ao sistema de radiais, se for o caso. 
Antenas do tipo monopolo têm larga aplicação prática, por exemplo, em radiodifusão, telefonia móvel, radioamadorismo, etc. Na transmissão de rádio em ondas médias (de 300 kHz a 3 MHz), o monopolo consiste numa torre alta colocada diretamente sobre a terra. Neste caso, para melhor simular um plano metálico, geralmente a antena é instalada em regiões de solo úmido, de baixa resistividade. Além disso, usa-se uma malha de terra feita com fios de cobre dispostos radialmente a partir da base da antena (tipicamente 120 radiais de comprimento em torno de λ/4). 
Para monopolos instalados num veículo, a própria estrutura metálica deste atua como plano de terra. Para obter um diagrama onidirecional, pode-se instalar a antena no teto do veículo. Caso se deseje um diagrama direcional, é possível instalá-la nas laterais do veículo ou nos pára-choques. A alimentação do monopolo pode ser feita através de um cabo coaxial tendo seu condutor externo conectado ao plano de massa e o condutor interno conectado ao fio metálico. 
Em algumas aplicações, as configurações abaixo podem ser utilizadas: 
 
Figura 3 – Outras configurações do monopolo de quarto de onda.
3. METODOLOGIA E RESULTADOS 
.Para a obtenção dos valores experimentais, uma antena Yagi foi utilizada como a antena transmissora e uma antena vertical de quarto de onda foi utilizada como antena receptora. A antena vertical utilizada neste laboratório possui a primeira configuração mostrada na figura 3. 
Com base nas dimensões ilustradas na figura a seguir, foram obtidos os seguintes valores para o monopolo utilizado no experimento.
 
Figura 4 – Dimensões do monopolo de quarto de onda.
A antena vertical utilizada no experimento possui as seguintes dimensões: l = 17,4 cm, r = 5 cm e t = 0,3 cm. Essas duas antenas foram posicionadas a uma distância de aproximadamente 1,3 m. A frequência de transmissão utilizada foi de 500MHz, cujo comprimento de onda associado é de 60 cm, portanto já é possível notar que o valor do comprimento do monopolo de quarto de onda não é exatamente o esperado pela teoria, já que esse valor deveria ser de λ/4 = 15 cm. Além disso, o plano condutor que simula o plano terra não possui as dimensões desejadas estabelecidas teoricamente, já que deveria ter diâmetro maior que λ/2 = 30cm. 
Na primeira parte do experimento teórico, para a obtenção do padrão de radiação do monopolo de quarto de onda no plano E, as antenas transmissora e receptora foram configuradas da seguinte maneira: 
 
 
Figura 5 - Configuração das antenas para obtenção do padrão de radiação no plano E 
 
Em seguida, a polarização das antenas foi modificada para a obtenção do padrão de radiação no plano H. A configuração das antenas para essa parte do procedimento é mostrada na figura a seguir: 
 
Figura 6 - Configuração das antenas para obtenção do padrão de radiação no plano E 
 
 
Os padrões de irradiação normalizados nos planos E e H obtidos no experimento prático são mostrados a seguir: 
 
 
 
 
Figura 7 - Padrão de irradiação para o monopolo de quarto de onda 
 
O padrão de irradiação esperado teoricamente para uma antena vertical de quarto acima do plano condutor é o mesmo que o padrão de uma antena de dipolo de meia onda desconsiderando o plano condutor. É possível notar-se que os padrões observados na prática não são perfeitamente iguais aos teóricos, mas se assemelham bastante. 
O padrão obtido no plano E lembra o diagrama de radiação horizontal isotrópico descrito na teoria, apesar de o padrão obtido na prática não seja completamente isotrópico, já que possui imperfeições. Para o plano H, o esperado de acordo com a teoria seria que tivéssemos dois lóbulos, como mostrado no diagrama de radiação vertical mostrado na figura 2, o que não foi obtido na prática, apesar de uma semelhança claramente notada. 
Tais diferenças podem ser explicadas por fatores externos ao experimento, tais como: a presença de uma segunda antena Yagi transmitindo na mesma faixa de frequência a uma distância relativamente próxima ao experimento; a presença de elementos refletores e espalhadores na área do experimento; entre outros. 
Além desse fatores externos ao experimento, outra possível causa dessa diferença nos resultados práticos em relação aos teóricos é que as dimensões da antena utilizada na prática não estão de acordo com os valores estabelecidos pela teoria. Uma fator significativo que influenciou na forma do padrão de radiação foi o tamanho do plano condutor, já que este deveria ser idealmente infinito. Como essa ideia de infinito (na essência da palavra) não existe na prática, é aconselhado que o plano tenha diâmetro maior que meio comprimento de onda, o que também não foi obedecido. 
4. CONCLUSÃO 
. 
Essa prática se mostrou útil para a observação do padrão de radiação de umaantena vertical de quarto de onda. Tal antena necessita que seja posicionada em superfície infinita e condutora. Como tal configuração não pode ser obtida durante o experimento prático, foi possui observar as interferências causadas devido o não cumprimento deste requisito de funcionamento. 
Além disso, ao fim da prática, pode-se observar o quão significativas são as interferências sofridas por antenas verticais de quarto de onda quando estas estão imersas em ambiente realísticos. Quando existem interferências causadas por outros equipamentos eletromagnéticos ou existe a presença de elementos refletores e espalhadores, as antenas de dipolo são consideravelmente influenciadas, provocando modificações dos resultado calculados com base nas fórmulas teóricas. 
5. EXERCÍCIOS 
1. Por que o comprimento da antena vertical é metade de um dipolo de meia onda? 
A resposta para essa questão já foi mencionada na introdução teórica deste trabalho. Portanto, iremos apenas repetir o texto já apresentado. “O tamanho dessa antena foi pensado para que se pudesse trabalhar com baixas frequências, pois a altura da antena dipolo de meio comprimento de onda pode tornar-se proibitiva. Por exemplo, um dipolo vertical de meia onda para trabalhar a 4 MHz requer um comprimento de 35,75 metros, mas para trabalhar a 2 MHz requer 71,5 metros de altura. Dessa forma, como para a polarização vertical e a baixas frequências o dipolo de meia onda é impraticável, utiliza-se uma antena de quarto de onda sobre uma superfície conduto, já que as duas possuem características muito semelhantes, devido a imagem produzida.”
2. O quão grande tem que ser a superfície de terra de uma antena vertical de quarto de onda?
Idealmente falando, a superfície de terra de uma antena de Marconi tem que ser infinita e com condutividade perfeita. Na prática, não é possível obter-se tais características ideais. Dessa forma, para que se tenha um comportamento prático parecido com o teórico, é aconselhável que a superfície que substitui o plano de terra tenha diâmetro (para o caso da antena utilizada nesta prática) maior ou igual a λ/2.
3. Qual a impedância de entrada de um monopolo de quarto de onda?
Como o monopolo de quarto de onda só radia no hemisfério superior, a potência total radiada corresponde à metade da potência radiada pelo dipolo de meia onda alimentado com a mesma corrente. Dessa forma sua resistência será a metade da do dipolo de meia onda. Logo, a resistência do monopolo de quarto de onda é aproximadamente 36,5 ohms.
4. Descreva o padrão de radiação de uma antena vertical de quarto de onda.
A resposta dessa questão também ja foi mencionada na introdução teórica. Repetindo o texto, temos: Como já mencionado, o diagrama de radiação da antena vertical de quarto de onda é idêntico ao do dipolo de meia onda, descrito pela seguinte equação (em sua forma normalizada): 
 
O diagrama de radiação é ilustrado na figura 2 da introdução teórica. No plano horizontal, a antena irradia igualmente em todas as direções. É portanto uma antena omnidirecional (em todas as direções), mas como transmitem por igual em todas as direções, dizemos que a antena é isotrópica.
5. Quais são as características de polarização de uma antena vertical de quarto de onda.
 
No polarização horizontal, a antena irradia igualmente em todas as direções. É portanto uma antena omnidirecional (em todas as direções), mas como transmitem por igual em todas as direções, dizemos que a antena é isotrópica. Na polarização vertical, o padrão de radiação é parecido com dois lóbulos com nulos em 90º e 270º e valores máximo em 0º e 180º.
PRÁTICA 3