Alguns mitos ainda existem sobre radiação de antenas, como se achar que as antenas ressonantes são intrinsecamente melhores que as outras.

Este artigo tenta aclarar um pouco as idéias a respeito.

Qualquer condutor, em que passa uma corrente variável, irradia um campo eletromagnético proporcional a esta corrente. Esse condutor apresenta uma resistência de radiação maior ou menor e, desse modo, corresponde a uma antena. Esta é um dispositivo projetado para transformar, de modo razoavelmente eficiente, a energia elétrica em eletromagnética radiante no espaço. Antenas são elementos distribuídos e, em condições normais de operação, são lineares.

A eficiência de um radiador é a relação entre sua resistência de radiação e sua resistência total (Joule + radiação).

Assim não se deve fazer antenas de constatan (uma liga resistiva) ou mesmo ferro, mas de alumínio e, preferencialmente, de cobre (que tem maior condutividade e menor resistência Joule).

Antenas com muito baixo valor de resistência de radiação (antenas de HF de operação móvel, por exemplo) devem ser construídas com a maior condutividade possível (cobreadas) porque, sendo curtas, sua resistência de radiação é pequena e a eficiência relativamente baixa.

Por exemplo, uma antena com 0,1 W de resistência de radiação e 1 W de resistência Joule tem uma eficiência de 0,1 / 1,1 = 9,1 %. Se diminuirmos à metade as perdas Joule, a eficiência passa para 0,1 / 0,6 = 16,6 %, o que é um aumento significativo.
O que se procura, então, é aumentar a resistência de radiação e diminuir a Joule, respeitando-se as restrições de tamanho que eventualmente se tenha.

Todo condutor ideal, independente do tamanho, irradia igualmente com a mesma eficiência (= 1).

Assim, para 40 m, se pudesse ter um dipolo supercondutor de 5 cm de comprimento, este substituiria perfeitamente em termos de potência irradiada, um dipolo de 39,9 m (1/2 onda), desde que se passasse pelo dipolo miniatura a corrente conveniente.

Vejamos: a potência entregue à antena ideal é P = R I2, com R igual à resistência de radiação e I a corrente no ponto onde a componente resistiva é R; para uma resistência R muito pequena (condutor curto), a corrente I deve ser grande para que se mantenha a mesma potência irradiada. Se consegue injetar a corrente I que se deseja na antena, a potência será totalmente irradiada. Na prática justamente injetar essas correntes altas é que é o problema real porque um transformador de impedâncias, que nos fornece essa corrente alta, apresenta, no caso real, muitas perdas próprias e a potência é perdida antes de atingir a antena. Mas o condutor curto (sem perdas) é um radiador tão perfeito quanto o longo.

Assim, o conceito bastante generalizado que um condutor curto é, devido ao seu comprimento, um mau radiador não é exato. Ele é, sim, um radiador de baixa eficiência, aquecendo a antena mais do que outro mais longo.

Dessa forma, o conceito de que o elemento radiante de uma antena tem de ser ressonante para maior eficiência não é verdadeiro. A entrega de energia é máxima se houver ressonância global, isto é, a reatância total e não a do radiador, tem de ser nula. Por isso, um radiador curto pode irradiar quase tão bem quanto um radiador ressonante quando se põe um indutor (antenas bobinadas). A diferença em eficiência não está no fato de o radiador não ser ressonante, mas devido ao fato de que o radiador curto tem menor eficiência (menor razão entre a resistência de radiação e a total) e, como vimos em artigo anterior, no fato de que a não ressonância da antena aumenta as perdas na linha de transmissão. O indutor apenas serve para que se consiga injetar a corrente devida no radiador (anulando-se a reatância total no caminho da corrente; o condutor curto apresenta reatância capacitiva que é anulada pela do indutor, de sinal oposto).

É possível, assim, se trabalhar com uma antena maior que ½ onda e menor que 1 onda completa (não ressonante, portanto) e, eliminadas as reatâncias do caminho da corrente (a antena assim é indutiva e necessita um acoplamento capacitivo), se obter uma eficiência maior que a da ½ onda ressonante, irradiando-se mais energia do que essa última (para a mesma potência do transmissor, é claro), pois a resistência de radiação da antena em questão é maior que a de ½ onda.

Uma antena pode ter maior potência irradiada em determinada direção (ou em várias) e apresentar ganho nessa direção (ou direções). Uma antena dipolo de 1 onda completa produz sinal maior que a dipolo ½ onda na direção perpendicular ao fio da antena (alimentadas com o mesmo transmissor). Mas a potência total é a mesma nas duas, significando que em outras direções ocorre o inverso.

Isto quer dizer que ganho de uma antena é o aumento da potência irradiada numa direção em detrimento da potência irradiada em outra(s). Não há ganho real de energia, apenas nova distribuição espacial desta. Por isso uma antena que tem mais ganho normalmente é direcional.

Os ganhos são especificados comumente em dBd, que corresponde, em dB, à comparação com a dipolo de ½ onda (esta na direção perpendicular ao seu fio) ou em dBi, que corresponde, em dB, à comparação com um radiador isotrópico (que irradia igualmente em todas as direções) imaginário (não se pode construir tal radiador exato na prática).

A distribuição espacial de campo irradiado por uma antena depende da distribuição das correntes em seus condutores. Uma antena de ½ onda, unifilar ou dipolo, tem sempre a mesma distribuição de corrente, isto é, nas antenas de ½ onda, o diagrama de irradiação (distribuição espacial) é independente do ponto onde se alimenta a antena. Nas antenas de outro comprimento (menor e maior que ½ onda) o diagrama espacial é dependente do modo com que se alimenta a antena. Por exemplo, uma antena de 1 onda completa, alimentada no centro tem, como no caso da ½ onda, um máximo de radiação nas direções perpendiculares ao fio da antena; se alimentada num dos extremos, na direção perpendicular ao fio se dá uma radiação nula, com os máximos em direções intermediárias. Na direção do fio todas as antenas de fio reto têm campos radiantes nulos.

As antenas não ressonantes, isto é, reativas, apresentam uma banda menor que as ressonantes, isto é, um maior fator Q. Isto porque o Q de um circuito é a razão entre sua reatância e sua resistência total (considerando, no caso das antenas, as resistências de radiação e a Joule). Por isso uma antena bobinada, apesar de poder apresentar eficiência comparável a uma ½ onda comum, possuem a banda menor que esta (dependendo do valor da reatância que é capacitiva, mas igual em módulo à reatância da bobina). A menor banda se apresenta como uma maior variação da impedância com a freqüência ou da própria ROE.

As antenas de condutores de maior diâmetro apresentam menor componente reativa e são antenas de banda mais larga.

Uma palavra sobre comparação entre antenas de fio.

Duas antenas de eficiência, tamanho, forma e distribuição de corrente comparáveis têm o mesmo comportamento geral. É muito comum se ouvir dizer que a antena bazooka é excelente, opera melhor que a dipolo ½ onda comum, etc. A antena bazooka tem praticamente a mesma eficiência (um pouquinho menor até), a mesma distribuição de campo, o mesmo tamanho e forma geral da dipolo ½ onda de fio comum. Sua direcionalidade, ganho, etc são iguais. A única coisa realmente diferente é sua banda que, devido à construção e ao diâmetro médio dos condutores relativamente grande, é consideravelmente maior que na dipolo ½ onda simples.

Mas, para freqüências baixas, como vimos no artigo anterior, a ROE é menos importante porque o cabo tem menos perdas e bastaria uma dipolo simples com acoplador no extremo inferior (para transferência máxima de energia à linha) para se obter o mesmo rendimento que a bazooka. Ou seja, não há milagres.

As bobinas de carga e as cargas capacitivas, estas postas nos extremos das antenas curtas, servem para modificar a distribuição de corrente (aumentando sua média), o que resulta em uma maior resistência de radiação, além, claro, de eliminar a reatância da antena eliminando a componente reativa de seu ponto de alimentação, facilitando a transferência de potência do cabo à antena.

O ‘segredo' de um sistema de antena eficiente é se aumentar a fração da energia gerada que é entregue à antena (pela diminuição das perdas no cabo):

1 - usar o cabo de menor perda inerente (perda de cabo casado) possível na freqüência de trabalho.

2 - usar a antena mais próxima da ressonância possível para se minimizar o coeficiente de reflexão r pela diminuição da reatância vista pelo cabo, mesmo com o uso de bobinas ou ‘stubs' de carga.

3 - usar a antena de banda mais larga possível para se manter baixa a reatância ao longo de toda a banda de operação.

4 - usar o melhor casamento possível entre a componente resistiva do cabo e a da antena para menor r, mesmo que, para isto, seja necessário o uso de transformadores de impedância, ‘stubs', etc ou que se multiplique o número de fios condutores da antena mas alimentando-se apenas em um deles, para elevação da impedância da entrada da mesma (o que aumenta ainda a banda passante).

5 - trabalhar com a antena o mais alto possível, o que normalmente leva à diminuição do ângulo de radiação (bom para DX), livra mais a radiação de obstáculos como edifícios, morros, etc e afasta a antena de uma possível terra de baixa qualidade e altas perdas.

6 - usar condutores de baixa perda inerente na construção do(s) elemento(s) irradiante(s) da antena para aumentar a eficiência intrínseca do irradiador.

7 - para aumento dessa mesma eficiência, conseguir a maior resistência de radiação possível da antena. Por exemplo, se forem utilizadas bobinas de carga numa dipolo menor que ½ onda, dispô-las o mais longe do centro da mesma, evitando-se o uso de uma única bobina ao centro, para aumentar ao máximo a corrente média sobre a antena (o compromisso que existe é que, quanto menor for a corrente na região onde é posta uma bobina, mais indutância deve esta ter para o mesmo efeito, ou seja, num tal dipolo, quanto mais para as pontas estiverem as bobinas, maior será sua indutância para se obter a ressonância).

8 - melhorar a condutividade da terra se possível, usando-se radiais, plano terra artificial, etc, para se minimizar as perdas de terra.

9 - no caso de se conseguir um bom casamento da linha com a antena e um mau casamento da linha com o transmissor, usar acoplador junto a este para melhor transferência de potência do mesmo.

Bons comunicados.

Luiz Amaral