Antena Dipole: O que é isso? (E os Tipos de Antenas)

O que é uma Antena Dipolo?

Uma antena dipolo (também conhecida como antena doublet ou dipolo) é definida como um tipo de antena RF (Radiofrequência), consistindo em dois elementos condutores, como hastes ou fios. A dipolo é qualquer uma das variedades de antenas que produzem um padrão de radiação que se aproxima ao de uma dipolo elétrica elementar. As antenas dipolo são o tipo de antena mais simples e mais amplamente utilizado.

A ‘dipolo’ significa ‘dois pólos’, portanto a antena dipolo consiste em dois elementos condutores idênticos, tais como hastes ou fios metálicos. O comprimento dos fios metálicos é aproximadamente metade do comprimento de onda máximo (ou seja,) no espaço livre na freqüência de operação.

Este fio ou haste é dividido no centro, e as duas seções são separadas por um isolador, estas seções são conhecidas como uma seção de antena.

Estas duas seções de antena são conectadas a um alimentador ou cabo coaxial na extremidade mais próxima ao centro da antena. Note que o comprimento de onda é a distância entre dois pontos máximos ou mínimos consecutivos. A antena dipolo básica com o ponto de alimentação central é mostrada na figura abaixo.

A fonte de tensão de radiofrequência (RF) é aplicada ao centro entre as duas secções da antena dipolo. Esta tensão e uma corrente que flui através dos dois elementos condutores produzem um sinal de rádio ou uma onda electromagnética a ser irradiada para fora da antena.

A corrente é máxima e a tensão é mínima no centro da antena dipolo. Ao contrário, a corrente é mínima e a voltagem é máxima nas extremidades da antena dipolo.

O padrão de radiação da antena dipolo básica é mostrado na figura abaixo. É perpendicular ao eixo da antena.

Nota que o padrão de radiação é a representação gráfica das propriedades de radiação das antenas como uma função do espaço, ou seja o padrão de radiação da antena descreve como a antena irradia energia para o espaço.

A antena dipolo é um tipo de transdutor que converte sinais elétricos em ondas eletromagnéticas de RF e os irradia no lado transmissor e converte ondas eletromagnéticas de RF em sinais elétricos no lado receptor.

Concepção da antena dipolo

Podemos conceber muitas antenas dipolo que irão operar nas bandas HF (alta frequência), VHF (muito alta frequência) e UHF (ultra-alta frequência) do espectro de radiofrequência.

Concepção de uma antena dipolo de 1 MHZ.

Selecção do comprimento da antena dipolo

Como sabemos que o comprimento de onda de uma onda de rádio ou qualquer outra onda varia inversamente proporcional à frequência. é dado por:

(1)

Onde, C = velocidade da luz =

f = frequência, em Hertz

= comprimento de onda, em metro

Assim,

(2)

Agora, em meio comprimento de onda, o comprimento da antena é dado por,

(3)

Assim, da equação (3) podemos dizer que, se usamos um transmissor de rádio de 1 MHz, então o comprimento básico do fio da antena será de 150 metros ou 492 pés ou 5905 polegadas.

Isso é correto se negligenciarmos o “efeito final”. Este “efeito final” é o efeito dielétrico do ar na extremidade da antena que aumenta o comprimento efetivo da antena. Devido ao efeito final, um fio da antena age como 5% mais longo do que o comprimento real. Isto produzirá interferência entre as correntes excitantes e oscilantes e devido a esta amplitude de oscilação pode ser enfraquecida.

Hence, para contrabalançar o “efeito final” e fazer a antena funcionar corretamente, é necessário cortar o fio da antena cerca de 5% e fazer com que seu comprimento físico seja aproximadamente 95% da metade do comprimento de onda.

Thus, para obter o prático comprimento do fio da antena, o valor multiplicado por um fator K para o comprimento básico do fio da antena, ou seja

(4)

O valor de K depende da espessura do condutor e da frequência de operação. Este valor de K é preciso para o fio da antena numa frequência até 30 MHz.

Selecção da Impedância de Alimentação ou Resistência à Radiação

A impedância de alimentação de um dipolo é definida pela relação entre a tensão e a corrente no ponto de alimentação. Normalmente é alimentada no ponto de tensão mínima e corrente máxima.

Para garantir a máxima transferência de energia do alimentador, ou fonte/carga, a impedância de alimentação da antena dipolo deve ser a mesma da fonte ou carga. Combinando a impedância de alimentação com a da fonte ou da carga, a antena pode operar com a sua eficiência máxima.

A resistência à radiação ou uma impedância de alimentação de entrada de uma antena dipolo ideal no espaço livre pode ser aproximadamente modelada por uma impedância 73 Ω e em condições práticas varia de 60 Ω a 70 Ω. A impedância da antena pode ser alterada variando o comprimento ou a forma dos fios.

Muitos tipos de cabos coaxiais têm uma impedância característica de 75 Ω portanto, a antena dipolo pode ser alimentada com um cabo coaxial de 75 Ω dois fios que é uma boa combinação para uma antena dipolo de meia-onda.

Ainda, a dipolo de meia-onda pode ser alimentada com uma linha de transmissão de impedâncias 300 Ω, e 600 Ω linha de fio aberto com dipolos dobrados de acordo com as capacidades de manuseio de energia.

Use o Alimentador Equilibrado ou Balun

A antena dipolo é a antena equilibrada. Portanto, é necessário utilizar um alimentador balanceado. Um alimentador balanceado consiste de dois condutores paralelos. As correntes que fluem em ambos os condutores são iguais em magnitude, mas em direções opostas. Portanto, o campo radiante deles se cancela e não há dissipação de energia. O espaçamento entre os condutores tem normalmente mantido cerca de 0,01 comprimentos de onda. Se um alimentador coaxial precisar ser usado, então o balun balanceado deve ser usado.

Cabo coaxial

O alimentador mais comum que é usado para alimentar a antena é o cabo coaxial ou cabo coaxial. É frequentemente referido como cabo de RF.

Um cabo coaxial transporta corrente em ambos os condutores. Essas correntes são iguais em magnitude, mas em direções opostas. Devido a isso, todos os campos radiantes estão ligados dentro do cabo e, portanto, eles estão se cancelando.

Assim, não há campo radiante fora do cabo, portanto, ele não é afetado por objetos próximos. Portanto, é mais adequado como um alimentador para a antena dipolo.

Isolador de tensão

Um isolador de tensão é um isolador elétrico que é projetado para suportar a tração de um cabo ou fio elétrico suspenso.

É inserido entre dois comprimentos do fio condutor, para isolá-los eletricamente um do outro. Ele é usado em cabos elétricos suspensos, para suportar antenas de rádio e linhas aéreas de energia.

Assim, o projeto geral de uma antena dipolo de 1 MHz é mostrado na figura abaixo.

Tipos de antenas dipolo

Os tipos mais comuns de antena dipolo são as antenas dipolo de meia-onda. Existem muitos tipos de antenas dipolo que podem ser projetadas. Vamos explicar os principais tipos de antenas dipolo em detalhes.

Antena Dipolo dobrada

Uma antena dipolo dobrada é uma matriz da antena dipolo. Se duas antenas dipolo são conectadas em paralelo para formar um laço de fio fino, então é chamada de antena dipolo dobrada.

Como o nome implica que a forma da antena dipolo é dobrada de volta sobre si mesma. Na antena dipolo dobrada, dois dipolos de meia-onda – um contínuo e o outro dividido no centro – são dobrados e unidos em paralelo nas extremidades. O dipolo dividido é alimentado no centro por uma linha de transmissão equilibrada. Assim, os dois dipolos têm as mesmas tensões nas suas extremidades e são geradas duas correntes idênticas.

O padrão de radiação de um dipolo dobrado é o mesmo de um dipolo comum, mas a impedância de entrada do dipolo dobrado é maior e a diretividade de um dipolo dobrado é bidirecional.>

Se o raio de ambos os condutores for igual, então correntes iguais fluem em ambos os condutores na mesma direção, ou seja as correntes são iguais em magnitude e fase. Se a corrente total alimentada no terminal for ‘I’ então cada dipolo terá corrente ‘I/2’. Assim, com a mesma potência aplicada, apenas metade da corrente flui no primeiro dipolo e, portanto, a impedância de entrada aumenta e ela se torna quatro vezes. A antena dipolo dobrada é mostrada na figura abaixo.

A fórmula geral para o cálculo da impedância para um dipolo dobrado é dada por,

Onde, n = não. de fio de antena

Assim, para um dipolo dobrado de dois fios com raio igual, a impedância de entrada ou resistência à radiação é dada por,

Assim, o dipolo dobrado de dois fios pode ser alimentado com uma linha de transmissão convencional 300 Ω fio aberto sem qualquer dispositivo correspondente.

Antena dipolo dobrada de três fios (Tripolar dobrada)

Se três antenas dipolo estiverem ligadas em paralelo para formar um laço de fio fino, então é conhecida como antena dipolo dobrada de três fios ou antena tripolar dobrada.

Se três antenas dipolo dobradas de fio forem usadas com raios iguais, então a corrente igual flui em todos os três condutores. Se a corrente total alimentada no terminal for ‘I’, então cada dipolo terá corrente ‘I/3’.

Assim, com a mesma potência aplicada, apenas um terço da corrente radiante total flui no primeiro dipolo e, portanto, a impedância de entrada aumenta e ela se torna nove vezes. A antena dipolo dobrada é mostrada na figura abaixo.

Assim, para um dipolo dobrado de três fios com raio igual, a impedância de entrada ou resistência de radiação é dada por

Assim, dipolo dobrado de três fios ou tripolo dobrado pode ser alimentado com uma linha de transmissão convencional 600 Ω de dois fios aberta sem qualquer dispositivo correspondente.

Então, a antena dipolo dobrada ou tripolar tem uma importante propriedade transformadora de impedância. Isto facilita a correspondência com uma linha de transmissão que alimenta a antena. Também é possível mudar a impedância de entrada mantendo o raio dos dois dipolos desiguais. Nesta condição, um fluxo de corrente maior através de um dipolo mais grosso e, portanto, podemos manter qualquer impedância de entrada desejada.

Vantagens de uma antena dipolo dobrada

Algumas das vantagens de uma antena dipolo dobrada incluem:

1. Tem uma impedância de entrada alta; portanto, facilita a correspondência com a linha de transmissão.
2. Tem uma frequência de banda larga, ou seja largura de banda larga, portanto, é adequada para transmissão de FM e TV.
3. Tem alto ganho e alta diretividade em comparação com uma antena dipolo simples, portanto, pode ser usada na antena Yagi-Uda.

Antena Dipolo FM

Antena dipolo FM é definida como a antena dipolo de meia onda polarizada verticalmente. A antena dipolo FM é usada principalmente para construir e é adequada para proporcionar uma melhor recepção da transmissão VHF FM. A antena dipolo FM é mostrada na figura abaixo.

O padrão de radiação da antena dipolo FM é perpendicular ao eixo da antena, ou seja, é horizontal porque a antena dipolo FM é uma antena dipolo de meia-onda polarizada verticalmente. O padrão de radiação da antena dipolo FM é mostrado na figura abaixo.

A antena dipolo FM é geralmente usada para a faixa de freqüência de transmissão de FM entre 88 MHz a 108 MHZ.

Antena Dipolo de Ventilador

Antena dipolo de Ventilador ou de Fio Multi-banda é aquela em que múltiplos dipolos são conectados com uma linha de alimentação comum, e eles são espalhados como um ventilador, portanto é chamada de antena dipolo de ventilador.

Como o nome implica que a forma da antena dipolo de ventilador se parece com um ventilador. É também conhecida como antena dipolo paralela.

Na antena dipolo do ventilador, cada dipolo da multi-banda é cortado do centro das bandas e conectado a um alimentador comum. O dipolo deve ser cortado de onde queremos que ele irradie. Quando o sinal é transmitido, apenas recebemos o sinal daquela banda que está irradiando, pois os outros dipolos têm uma impedância maior em relação àquele elemento radiante.

A antena dipolo do ventilador é mostrada na figura acima. É uma antena dipolo com 4 Bandas. Aqui, usamos dipolos de 80 m, 40 m, 20 m e 10 m multi-banda que são conectados em paralelo com uma linha de alimentação comum.

Quando o dipolo de 80 m está irradiando significa que a corrente passa por dipolos de 80 m, nesta condição, recebemos sinal somente das bandas de 80 m porque tem uma impedância menor enquanto outras bandas de 40 m, 20 m e 10 m têm uma impedância maior em comparação com o elemento irradiante de 80 m.

Simplesmente, quando o dipolo de 40 m está irradiando, só recebemos o sinal das bandas de 40 m porque tem uma impedância menor em comparação com os outros dipolos. Note que de acordo com a Lei Corrente de Kirchhoff, outros dipolos também estão irradiando mas não eficientemente.

A Antena Dipolo de Meia Onda

A Antena Dipolo de Meia Onda é o tipo de antena dipolo mais utilizado. Como o nome sugere, o comprimento total da antena dipolo é igual ao comprimento de meia-onda () na freqüência de operação.

É conhecida como meia-onda dipolo ou simplesmente dipolo ou doublet. Também é conhecida como a antena Hertz.

A antena dipolo de meia-onda consiste de um condutor de dois trimestres de comprimento de onda com o ponto de alimentação no centro. É a antena simétrica na qual as duas extremidades estão no mesmo potencial do ponto central.

A distribuição de corrente na antena dipolo de meia-onda é aproximadamente sinusoidal ao longo do comprimento do dipolo, ou seja, uma onda em pé na natureza. A antena dipolo básica de meia-onda e sua distribuição de tensão e corrente são mostradas na figura abaixo.

O padrão de radiação da antena dipolo de meia-onda é mostrado na figura abaixo. Ela mostra que as direções da radiação máxima são perpendiculares ao condutor ou ao eixo da antena. Também é perpendicular à direção da corrente da antena.

A antena dipolo de meia-onda pode operar em torno de 3 kHz a 300 GHz de freqüência; por isso é usada principalmente em receptores de rádio.

A Antena Dipolo Curta

A antena dipolo curta é o tipo mais simples de antena de todas as antenas. Uma antena dipolo curta é aquela em que o comprimento do fio é inferior a metade do comprimento de onda, ou seja,().

Numa antena dipolo curta, a impedância de alimentação começa a aumentar e sua resposta é menos dependente das mudanças de freqüência. A distribuição de corrente na antena dipolo curta é aproximadamente triangular.

O comprimento da antena dipolo curta entre a . ou seja, . A distribuição da corrente na antena dipolo curta é aproximadamente triangular. A antena dipolo curta básica e a distribuição de corrente sobre ela são mostradas na figura abaixo.

O padrão de radiação da antena dipolo curta é simplesmente um círculo. É ligeiramente diferente em comparação com a antena dipolo de meia-onda. O padrão de radiação da antena dipolo curta e sua comparação com a antena dipolo de meia-onda é mostrada na figura abaixo.Padrão de Radiação de uma Antena Dipolo Curta

Uma antena dipolo curta é usada no lugar da antena dipolo de meia-onda completa em certas aplicações onde a antena dipolo de meia-onda completa é muito grande.

Para que é utilizada uma antena dipolo (Aplicações)?

Algumas das aplicações da Antena Dipolo incluem:

• A antena dipolo é amplamente utilizada em rádio e telecomunicações.
• Uma antena pode ser utilizada tanto como antena transmissora como antena receptora. Uma antena transmissora é usada para converter sinais elétricos em ondas eletromagnéticas e os irradia. Enquanto uma antena receptora é usada para converter ondas eletromagnéticas em sinais elétricos. Na comunicação bidirecional, a mesma antena dipolo pode ser usada tanto para transmissão quanto para recepção.
• Uma antena dipolo de meia-onda é usada em receptores de rádio e televisão.
• Uma antena dipolo dobrada é usada em antenas Yagi-Uda para recepção de televisão terrestre (TV) usando a linha balanceada de Z0 = 300 Ω porque uma antena dipolo dobrada tem uma alta impedância de entrada e, portanto, é facilmente compatível com a impedância da linha de transmissão.
• A antena dipolo dobrada é usada em operações de banda larga, tais como FM e transmissão de TV (Televisão).
• As antenas VHF e UHF são usadas na comunicação móvel terrestre nas áreas costeiras, segurança pública, comunicação pública e aplicações industriais.
• A antena dipolo FM é usada como antena receptora de radiodifusão FM para a faixa de transmissão FM de 88 MHz a 108 MHz.
• Uma antena parabólica refletiva é comumente usada para comunicações via satélite, radioastronomia, e para vários tipos de links de comunicação via rádio.