Geração, Emissão, Propagação e Recepção de
Ondas Eletromagnéticas*
ROGÉRIO VOGT CARDOSO DOS SANTOS
*Material desenvolvido como parte de um projeto sob orientação do Prof. Dr. Nelson
Fiedler-Ferrara, do Instituto de Física da Universidade de São Paulo.
Índice
Introdução________________________________________________________ 03
Unidade 1 – Propagação de Ondas_____________________________________ 04
Introdução__________________________________________________ 04
Ondas_____________________________________________________ 04
Características de ondas eletromagnéticas_________________________ 07
As formas de propagação _____________________________________ 11
Ionosfera: a camada ionizada___________________________________ 15
Freqüências x transmissões de rádio _____________________________ 21
Referências para aprofundamento________________________________ 23
Unidade 2 – Geração de Ondas Eletromagnéticas e Circuitos Oscilantes_______ 25
Introdução__________________________________________________ 25
Os elementos que constituem o rádio_____________________________ 25
Oscilações num circuito indutor-capacitor_________________________ 28
Sintonizando uma estação de rádio_______________________________ 31
As leis de indução e a onda eletromagnética_______________________ 35
Referências para aprofundamento________________________________ 41
Unidade 3 – Antenas________________________________________________ 42
Introdução__________________________________________________ 42
O que é uma antena __________________________________________ 42
Principais características das antenas_____________________________ 42
As antenas__________________________________________________ 46
Antenas lineares_____________________________________________ 46
Conjuntos__________________________________________________ 52
Antenas de aberturas__________________________________________ 63
Antenas inteligentes__________________________________________ 68
Referências para aprofundamento________________________________ 72
Considerações finais________________________________________________ 73
Referências bibliográficas____________________________________________74
Sítios consultados__________________________________________________ 77
2
Introdução
O desenvolvimento científico e tecnológico nos últimas décadas tem alterado de
forma significativa as nossas vidas.
A rapidez do surgimento de novas tecnologias e a absolência de equipamentos
pode dar a impressão equivocada de que os dispositivos eletrônicos postos no mercado
estão baseados necessariamente em novos princípios científicos.
O que talvez seja surpreendente para alguns é saber que muitos dos princípios
científicos que estão por trás dessas “novas tecnologias” foram desenvolvidos há quase
um século ou mais.
Apesar disso, a abordagem das novas tecnologias, tão presentes em nosso dia-adia, e a discussão dos princípios científicos subjacentes, são raramente feitas no Ensino
Médio atual.
Isso ocorre com o tema tratado neste texto – a geração, emissão, propagação e
recepção de ondas eletromagnéticas, com ênfase na tecnologia de antenas bem como no
processo de produção e recepção de ondas eletromagnéticas para fins de
telecomunicação. Apesar dos sofisticados desenvolvimentos tecnológicos bastante
recentes de eletrônica relacionados com esse assunto, como as chamadas antenas
inteligentes, os princípios físicos básicos envolvidos foram estabelecidos ainda no
século XIX.
Acreditamos, portanto, que ao abordar esse tema no Ensino Médio estaremos
colaborando para aproximar, no espaço escolar, o conhecimento cientifico em física às
novas tecnologias que participam do cotidiano do cidadão no mundo globalizado em
que vivemos. Nossa expectativa é de que ao contextualizar o ensino de física
aproximando-o dos elementos presentes do dia-a-dia podemos torná-lo mais
interessante e significativo para os alunos, permitindo melhor aprendizagem.
Este texto está dividido em três Unidades de Ensino. Na primeira Unidade,
serão abordadas as principais características das ondas, a diferenciação ente onda
mecânica e onda eletromagnética, o espectro eletromagnético e o de radiofreqüência, as
diferentes maneiras com que as ondas se propagam ente a antena emissora e a antena
receptora, e as diversas utilizações das ondas eletromagnéticas. Na segunda Unidade,
veremos as leis de indução eletromagnética e a geração de ondas eletromagnéticas.
Abordaremos, também, o circuito oscilante e a geração da onda eletromagnética através
da antena emissora. Por fim, na terceira e última Unidade apresentaremos e
discutiremos as principais antenas, suas propriedades, características e usos.
Ao término das três Unidades, esperamos que o aluno seja capaz de entender
questões relacionadas ao seu dia-a-dia, dúvidas que dificilmente seriam tratadas em um
conteúdo tradicional de ensino. Perguntas a respeito de como posicionar a antena de sua
casa para sintonizar melhor um canal de televisão ou sobre as causas que podem gerar a
degradação do sinal na comunicação por telefone celular são freqüentes e serão aqui
tratadas.
Ao fim de cada Unidade e no final deste texto são fornecidas referências para
aprofundamento.
Convido você, caro estudante, a penetrar no universo das ondas
eletromagnéticas e das antenas, entendendo os princípios e a tecnologia envolvidos que
participam de sua vida.
O autor
3
Unidade 1 – Propagação de Ondas
Introdução
Para se estabelecer uma comunicação à distância entre pessoas faz-se necessário
a emissão de algum tipo de sinal. Seja utilizando algum equipamento eletrônico, como
um telefone, ou simplesmente conversando ou acenando à distância, há sempre um
elemento constituinte fundamental: as ondas!
Ondas
Uma onda é qualquer sinal que se transmite de um ponto a outro do espaço com
velocidade definida. A onda transporta energia sem ocorrer transporte de matéria. É
comum classificarmos as ondas quanto à sua natureza e forma de propagação.
Quanto à natureza as ondas podem ser:
Ondas mecânicas: A energia é transportada mediante a perturbação do meio em que
ocorre a propagação. Isso ocorre quando o meio tem propriedades elásticas. Como
exemplos, podemos citar as ondas na água (Fig. 1.1), ondas na corda de um violão,
ondas sonoras.
Figura 1.1 – Ondas na água. Exemplo de ondas mecânicas.
Ondas eletromagnéticas: Nas ondas eletromagnéticas a energia é transportada por
campos elétricos e magnéticos. A propagação pode ocorrer tanto em meios materiais
como no vácuo. A energia luminosa se propaga como uma onda eletromagnética (Fig.
1.2).
Figura 1.2 – Representação de onda eletromagnética.
4
Quanto à direção de oscilação, as ondas podem ser:
Transversais: nesse caso, a direção de oscilação é perpendicular à direção de
propagação da onda. Observe no exemplo da Fig. 1.3 que a oscilação ocorre na vertical
e a onda se propaga na horizontal. As ondas eletromagnéticas são exemplos de ondas
transversais.
Figura 1.3 – Onda transversal.
Longitudinais: nesse caso, a direção de oscilação é paralela à direção de propagação
da onda. Observe no exemplo da Fig. 1.4 que tanto a direção de oscilação como a
direção de propagação ocorrem na horizontal. Um exemplo de onda longitudinal é o
som propagando-se em fluidos (líquidos e gases).
Figura 1.4 – Onda longitudinal.
Importante
Todas as ondas eletromagnéticas são transversais.
Ondas na água não são nem longitudinais nem transversais, mas uma
combinação desses dois modos. Ondas sísmicas têm componentes longitudinais e
transversais mas com velocidades diferentes. Nos líquidos e nos gases o som é uma
onda exclusivamente longitudinal. Nos sólidos o som se transmite por vibrações
longitudinais e transversais, sendo uma onda mista.
Nomenclatura
Uma onda é caracterizada pelos seguintes elementos, representados na Fig. 1.5:
5
Figura 1.5 – Principais elementos de uma onda.
Crista de onda é o ponto mais alto da onda.
Vale de onda é ponto mais baixo da onda.
Comprimento de onda (λ) é distância que a onda percorre durante uma oscilação
completa.
Amplitude de oscilação (A) é a máxima perturbação ou deslocamento de um ponto da
onda em relação à posição de repouso.
Período (T) é o intervalo de tempo que a onda leva para fazer uma oscilação completa.
Freqüência (f) é a razão entre o número n de oscilações e o intervalo de tempo ∆t que
duram essas oscilações.
A unidade usada para freqüência no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o
hertz (Hz), e representa o número de oscilações por segundo. A Fig. 1.6 faz uma
comparação entre freqüência e comprimento de onda.
Figura 1.6 – Comparação entre ondas de diferentes freqüências.
6
Vale a relação entre período e freqüência:
Sendo v a velocidade de propagação da onda e f sua freqüência, tem-se:
Características de ondas eletromagnéticas
Ondas eletromagnéticas são campos elétricos e campos magnéticos (veja caixa
de texto na próxima página) que oscilam em direções perpendiculares à direção de
propagação (ou seja, são ondas transversais) e podem se propagar tanto no vácuo como
em meios materiais.
Todas as ondas são caracterizadas por uma propriedade chamada propagação.
Vibrações em um ponto específico no espaço excitam vibrações similares nos pontos
vizinhos e assim a onda se propaga.
Numa onda eletromagnética, o campo elétrico e o campo magnético são codependentes: uma variação no campo magnético induz um campo elétrico e uma
variação no campo elétrico induz um campo magnético. Esse fenômeno se chama
indução eletromagnética, e será tratado com mais detalhe na Unidade 2. As variações
dos vetores campo magnético e elétrico ocorrem em fase, de tal maneira que os picos e
os vales ocorrem ao mesmo tempo nas duas ondas (Fig. 1.7).
Figura 1.7 – Onda eletromagnética – Campo elétrico ( ) e campo magnético ( ) oscilando em fase (no
vácuo).
As ondas eletromagnéticas se propagam com uma velocidade que depende do
meio de propagação e da freqüência da onda. No vácuo a velocidade de propagação é
de aproximadamente 3x108m/s. Esse valor é comumente chamado de velocidade da luz
no vácuo e é representado pela letra “c”. Em meios materiais, a velocidade de
7
propagação da onda eletromagnética é menor do que no vácuo, mas ainda assim muito
alta.
Campo Elétrico
A presença de cargas elétricas no espaço físico altera as propriedades desse
mesmo espaço.
Assim, se uma carga de prova é colocada na presença de outras cargas, sobre
ela atuará uma força que denominamos força elétrica. Trata-se de uma força à
distância; não é necessário haver contato material entre as cargas.
Dizemos, então, que há um campo elétrico
nessa região do espaço.
O campo elétrico é convenientemente representado por linhas de força. A
tangente a uma linha de força em um dado ponto corresponde à direção da força que
sofre uma carga de prova se for colocada em repouso nesse ponto.
Na Fig. 1.8 são representados, através das linhas de força, campos elétricos
associados a diferentes distribuições de carga.
Fig. 1.8 – Linhas de força associadas a campos elétricos de cargas: (a) carga pontual positiva; (b) duas
cargas pontuais de mesma magnitude e sinais contrários; (c) duas placas condutoras paralelas com
distribuições superficiais de carga de mesma magnitude e de sinais contrários.
Campo Magnético
Cargas elétricas em movimento em um condutor (por exemplo, um fio elétrico)
– o que se denomina corrente elétrica – alteram as propriedades do espaço.
Se uma carga de prova em movimento (aqui é essencial que a carga esteja
animada com uma velocidade não nula) é colocada nessa região do espaço, sobre ela
pode atuar uma força. A essa força denominamos força magnética. Como no caso da
força elétrica, trata-se aqui também de uma força de ação à distância. Dizemos então
que há um campo magnético nessa região do espaço.
Além de correntes elétricas, campos magnéticos podem também ser produzidos
por certos materiais chamados materiais magnéticos, como, por exemplo, os imãs.
O campo magnético pode ser convenientemente representado no espaço por
linhas de indução magnética. Essas linhas são tais que a força magnética, em um dado
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ponto, é sempre perpendicular à própria linha de indução magnética e à velocidade
da carga de prova; uma particularidade das forças magnéticas é que se o vetor for
paralelo ao vetor , resulta uma força magnética nula. Na Fig. 1.9 são fornecidos
exemplos de configurações de campos magnéticos representados pelas respectivas
linhas de indução magnética.
Fig 1.9 – Linhas de indução magnética associadas a campos magnéticos produzidos em várias situações:
(a) corrente em um fio retilíneo; (b) corrente em um fio em formato circular (espira); (c) imã (pólo norte
(N) e pólo sul (S)).
Espectro eletromagnético
O espectro eletromagnético é o conjunto de faixas de freqüências, ou
comprimentos de onda, que caracterizam os diversos tipos de ondas eletromagnéticas
(Fig. 1.10).
Figura 1.10 – O espectro eletromagnético.
O espectro de radiofreqüência
No espectro eletromagnético, as ondas de rádio compreendem uma faixa desde a
freqüência de alguns quilohertz até a freqüência de centenas de gigahertz. Essa faixa,
no entanto, pode ser também subdividia. À classificação dessas subdivisões dá-se o
nome de espectro de radiofreqüência, cujos limites são difíceis de definir, podendo até
mesmo se sobrepor. As tabelas 1.1 e 1.2 mostram o espectro de radiofreqüência.
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Designações usuais
Siglas
Faixa de
freqüência
VLF - Very Low Frequency
Freqüência muito baixa
3 a 30 kHz
ondas quilométricas
LF - Low Frequency
ondas longas
Freqüência baixa
30 a 300 kHz
ondas hectométricas
MF - Medium Frequency
ondas médias
Freqüência média
300 a 3000 kHz
ondas decamétricas
HF - High Frequency
ondas curtas ou tropicais Freqüência alta
3 a 30 MHz
ondas métricas
VHF - Very High Frequency
ondas muito curtas
Freqüência muito alta
30 a 300 MHz
ondas decimétricas
UHF – Ultra High Frequency
300 a 3000
ondas ultra curtas
Freqüência ultra alta
MHz
ondas centimétricas
SHF – Super High Frequency
microondas
Freqüência super alta
3 a 30 GHz
ondas milimétricas
EHF - Extremely High Frequency
Freqüência extremamente alta
30 a 300 GHz
Comprimento
de onda
ondas muito longas
Tabela 1.1 – O espectro de radiofreqüência: designações e faixas.
Tabela 1.2 – O espectro de radiofreqüência e a escala de freqüências.
10
10 km - 100 km
1 km - 10 km
100 m - 1 km
10 m - 100 m
1 m - 10 m
10 cm - 1 m
1 cm - 10 cm
1 mm - 1 cm
As formas de propagação1
Até agora vimos que as ondas de rádio são ondas eletromagnéticas de uma
determinada faixa de freqüência (ou comprimentos de onda) que se propagam de forma
transversal e viajam, no vácuo, com velocidade aproximada de 3.108 m/s. São essas
ondas de rádio que são emitidas pela antena transmissora e chegam à antena receptora.
Elas serão o foco da nossa atenção a partir de agora.
As principais formas de propagação das ondas de rádio, emitidas pela antena e
captadas por algum receptor, de maneira geral, podem ser classificadas de duas formas:
1 – Ondas terrestres: são as ondas de rádio que acompanham a superfície da Terra,
sofrendo influência do relevo e do solo, podendo ser classificadas como:
a) ondas de superfície: este tipo de propagação ocorre, como o próprio nome diz,
próxima a superfície do planeta, acompanhando sua curvatura. As ondas de superfície
são atenuadas pelo solo.
b) ondas espaciais: são ondas que se propagam acima da superfície da Terra. Elas são
emitidas por antenas altas (para altas freqüências essas antenas elevam-se do solo
vários comprimentos de onda) e por isso não sofrem atenuação do solo. Uma de suas
formas de propagação é chamada de onda direta ou propagação em linha de
visibilidade (Fig. 1.11 – trajeto 1). Nesse caso uma antena “enxerga” a outra, ou seja,
não há nenhum obstáculo entre os extremos das duas antenas. A outra forma de
propagação da onda espacial é a onda refletida (Fig. 1.11 – trajeto 2), que também
atinge a antena receptora mas por reflexão no solo ou em obstáculos adjacentes.
2 – Ondas ionosféricas: são ondas emitidas em direção ao céu que podem se propagar
por reflexão ionosférica (uma reflexão ou múltiplas reflexões). Também são conhecidas
por ondas celestes (Fig. 1.12).
Nas figuras 1.11 e 1.12 é possível observar os diferentes trajetos que a onda
pode fazer entre a antena transmissora e a antena receptora. Quando a antena
transmissora emite um sinal, esse pode se propagar como onda terrestre ou como onda
ionosférica. A onda terrestre pode se propagar sobre o solo, sendo chamada de onda de
superfície, ou ser emitida por antenas altas e ser denominada onda espacial. Esta onda
espacial, por sua vez, pode se propagar em linha de visibilidade ou por reflexão no
terreno (Fig. 1.11, trajetos 1 e 2 respectivamente). A onda ionosférica pode ser mais ou
menos afetada pela ionosfera (ver caixa de texto na página 15), e, dependendo da sua
freqüência, pode ser refletida de volta a Terra (Fig. 1.12, trajeto 3 e 4), ou se propagar
em direção ao espaço e não mais retornar (Fig. 1.12, trajeto 5). O esquema na página 12
mostra um resumo das principais formas de propagação, que serão detalhados a seguir.
1
Utilizamos aqui o termo “formas de propagação” para designar as diferentes maneiras como as ondas se
propagam desde a antena transmissora até a antena receptora. Num uso diferente do que aqui se faz,
chama-se, algumas vezes, de “formas de propagação” ao fato das ondas se propagarem segundo
oscilações transversais ou longitudinais.
11
Figura 1.11 – Ondas terrestres espaciais: trajeto 1 – linha de visibilidade; trajeto 2 – refletida no solo.
Figura 1.12 – Ondas ionosféricas: 3 – Propagação por reflexão ionosférica; 4 – Propagação por várias
reflexões; 5 – Onda refratada na ionosfera.
Classificação das principais formas de propagação das ondas de rádio.
12
A onda terrestre
A onda terrestre é a onda que se propaga próximo à superfície do planeta,
atingindo a antena receptora sem deixar a atmosfera inferior. Ela pode viajar fazendo
contato com o solo (onda de superfície), ou diretamente entre as antenas transmissoras
e receptoras, quando essas são grandes o suficiente para que uma “veja” a outra (onda
espacial).
Quando as ondas se propagam fazendo contato com o solo, ondas de superfície,
elas sofrem severa atenuação por absorção. Essas perdas são por resistência ôhmica
devido à condutividade da terra. Em outras palavras, o sinal aquece a terra perdendo
energia. A atenuação das ondas de superfície aumenta rapidamente com o aumento da
freqüência.
A altas freqüências (acima de alguns megahertz) a onda é rapidamente atenuada.
A onda de superfície passa a ser importante então a baixas freqüências, principalmente
em radiodifusões que usam polarização vertical2.
Essa atenuação faz com que as ondas de superfície com polarização vertical se
curvem acompanhando o contorno da Terra, tornando possível a transmissão de ondas
de baixas freqüências a grandes distâncias, quando o sinal emitido pela antena
transmissora tem elevada potência.
Na propagação entre duas antenas situadas na “linha de visão”, que é a forma
mais simples de comunicação de sinais entre duas antenas, a energia viaja diretamente
entre essas antenas e, a menos que elas sejam muito altas ou estejam muito próximas,
uma porção apreciável de energia é refletida no solo. Essa onda refletida, combinada
com a onda direta, afeta o sinal recebido.
A interação entre a onda direta e a onda refletida é a principal causa de
interferências observadas na recepção de ondas na faixa de VHF (FM) nos rádios
receptores dos automóveis e por “fantasmas” na recepção do sinal de TV. Essa
interação pode, até mesmo, proporcionar interferência destrutiva entre os sinais direto e
refletido, reduzindo drasticamente a intensidade do sinal recebido a níveis insuficientes
para serem captados3.
Na faixa de UHF a reflexão no solo é eliminada pois a radiação da antena nessa
faixa se comporta como um “feixe de luz”, e a propagação se dá em linha de
visibilidade.
A comunicação via satélite, embora seja longe da superfície do planeta, é, em
princípio, feita de forma direta ente a antena situada na Terra e o satélite, sofrendo
apenas desvios causados pela influência da atmosfera.
2
A polarização de uma onda é definida como sendo a direção em que ocorrem as oscilações. No caso da
onda eletromagnética, a polarização é determinada pela direção de oscilação do campo elétrico, como
veremos na Unidade 3.
3
Na Unidade 3 veremos que esta interação entre a onda direta e a onda refletida pode também perturbar
o sinal captado pelo telefone celular.
13
A onda ionosférica
Pode-se dizer que a onda ionosférica é a onda que se propaga em direção ao céu
e que é refletida ou refratada pelas camadas da ionosfera.
As ondas que são emitidas em direção ao céu seriam perdidas no espaço se não
houvesse uma forma de fazê-las retornar à Terra. Dependendo da freqüência do sinal, a
ionosfera (ver caixa de texto na próxima página) se comporta como uma camada
refletora para essas ondas, podendo-se estabelecer comunicação a longas distâncias por
reflexão ionosférica.
A máxima distância que o sinal pode atingir em uma única reflexão na
atmosfera é cerca de 4000 km. Distâncias maiores são cobertas por várias reflexões do
sinal (Fig. 1.13).
Figura 1.13 – Reflexões ionosféricas.
A propagação das ondas de rádio pela ionosfera tem uma maior importância
para comunicações nas faixas de VLF, LF, MF e HF, quando são aproveitados os
efeitos das reflexões e refrações. Em freqüências mais altas, logo após o início da faixa
VHF (por volta de 50 MHz), a ionosfera é praticamente transparente às ondas
eletromagnéticas, havendo então a necessidade do uso de comunicação via satélite para
essas altas freqüências.
14
Ionosfera: a camada ionizada
A camada superior da atmosfera, a ionosfera, que se estende de 80-85 km até
cerca de 500-600 km de altitude, é uma camada ionizada principalmente pela ação da
radiação ultravioleta emitida pelo Sol e, em menor intensidade, pelos raios cósmicos e
outros tipos de radiações provenientes do espaço.
Essas radiações, por possuírem altas energias, interagem com as moléculas de
ar, arrancando elétrons de algumas moléculas. Como resultado, a ionosfera fica com
alta densidade de elétrons livres e íons. Nessa camada, contudo, a densidade do ar é tão
baixa que os íons podem viajar a distâncias relativamente longas antes de se
recombinarem com íons de cargas de sinais opostos, para formar moléculas neutras.
Como resultado, a ionosfera permanece ionizada por grandes períodos durante o dia,
até mesmo após o pôr-do-sol. A baixas altitudes (menor que 80-85 km) a densidade do
ar é grande e a recombinação ocorre rapidamente. A essas altitudes, a ionização do ar é
desprezível. Em altitudes superiores a 500-600 km, o ar é muito rarefeito e a ionização
também é praticamente desprezível.
A propriedade mais importante da ionosfera para as comunicações de rádio está
na sua habilidade para refletir ondas de rádio. Contudo, somente uma determinada faixa
de freqüência é refletida. Isso ocorre porque para freqüências acima de 50 MHz –
pouco depois do início da faixa VHF – a ionosfera é quase transparente e, acima de 200
MHz, ela é totalmente transparente, de tal maneira que as ondas não são refletidas.
A ionosfera é formada por diferentes camadas (D, E, F1 e F2) que são ionizadas
de diferentes maneiras. Somente as regiões E, E-esporádica 4 (quando presente), F1 e F2
refratam as ondas de HF. A região D influencia nas transmissões de ondas de rádio
porque as absorve, sendo que na freqüência de 1400 kHz a absorção da onda
ionosférica atinge o seu máximo. A região F2 é a mais importante para a propagação das
ondas médias pois está presente 24h por dia, além de sua alta altitude permitir
comunicações mais distantes.
As camadas da ionosfera (Fig. 1.14) estão em constante alteração e variam de
dia a dia, de mês a mês e de ano a ano. As condições climáticas e a atividade solar
também influenciam essas camadas. Em adição à grande mobilidade dessas camadas, a
ausência de raios ultravioletas do Sol à noite faz com que a ionosfera como um todo
fique mais alta nesse período, modificando o alcance das ondas de rádio.
Figura 1.14 – Camadas da ionosfera
_______________________
4
A camada E-esporádica é uma camada temporária que tem características similares àquelas da camada
F.
15
Como a atmosfera afeta a propagação das ondas de rádio?
A ionosfera, por ser uma camada ionizada, interage com as ondas
eletromagnéticas, podendo mudar a direção de propagação dessas ondas. Quando a
radiação eletromagnética penetra na ionosfera, os elétrons livres dessa camada
absorvem parte da energia da onda e, dependendo da freqüência de oscilação do sinal,
esses elétrons começam a vibrar. As cargas elétricas dos elétrons em oscilação geram
campos elétricos variáveis que, de acordo com as leis de indução que veremos mais
detalhadamente na Unidade 2, produzem ondas eletromagnéticas que passam a se
propagar com velocidades diferentes da onda original. A esse fenômeno dá-se o nome
de refração (ver caixa de texto a seguir).
Refração
Quando uma onda de comprimento de onda λ penetra em um outro meio,
diferente do anterior, ela sofre uma mudança de velocidade de propagação. A esse
fenômeno dá-se o nome de refração. A variação de velocidade pode vir acompanhada
também de uma variação na direção de propagação, que pode ser determinada pela Lei
de Snell-Descartes (Fig. 1.15):
onde i é o ângulo de incidência e r o ângulo de refração e n1 e n2 são os índices de
refração absolutos dos meios 1 e 2 respectivamente. O índice de refração absoluto n de
um material é definido como a razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade
da luz v no material. O índice de refração absoluto é expresso por
O índice de refração absoluto depende do meio e do comprimento de onda λ da
luz. Quanto maior for o índice de refração absoluto da onda no meio, mais “difícil” é
para essa onda se propagar e, conseqüentemente, menor é a velocidade de propagação.
O estudo dos índices de refração da atmosfera é fundamental para se entender como se
dá a trajetória das ondas de rádio.
Figura 1.15 – Incidência oblíqua.
16
Quando a onda de rádio atinge a ionosfera, ela pode ou não penetrá-la,
dependendo do ângulo crítico.
Ângulo crítico
Para compreender melhor como ocorre a propagação da onda na ionosfera,
podemos examinar as leis da refração, no domínio da óptica geométrica e, em seguida,
estabelecer um paralelo com o que ocorre com as ondas de rádio. Para isso, considere
um aquário preenchido com água até a metade. Um raio proveniente de uma lâmpada
submersa no aquário irá se propagar através da água até atingir a superfície de
separação dos dois meios podendo, parte dele, refratar e passar a se propagar no ar ou
ser refletido de volta à água (Fig. 1.16).
Observe que o fato determinante aqui é se o raio incide com um ângulo maior
ou menor que um determinado ângulo crítico (também chamado de ângulo limite).
Desprezando-se efeitos de absorção, caso o ângulo de incidência seja menor que o
ângulo crítico (raio 1), parte dele será refratado e parte será refletido; caso o ângulo de
incidência seja maior que o ângulo critico (raio 2) ocorrerá reflexão total.
O ângulo crítico depende da densidade dos meios de propagação e do
comprimento de onda (ou freqüência) do raio.
Figura 1.16 – Óptica geométrica: Ângulo crítico.
O mesmo princípio se aplica às ondas de rádio. Observe que no exemplo acima
a água é mais densa que o ar. Analogamente, uma onda de rádio que se origina na
superfície da Terra e se propaga em direção ao espaço pode ser refratada através das
camadas da atmosfera (que, em geral, têm sua densidade diminuída com o aumento da
altitude) e se perder no espaço, ou pode ser refletida de volta ao planeta. Mais uma vez,
o fator determinante é o ângulo crítico. Novamente, o ângulo crítico depende da
densidade das camadas da atmosfera e do comprimento de onda da onda incidente.
17
Figura 1.17 – A onda de rádio 2 incide na ionosfera com ângulo maior que o crítico, sendo curvada nas
camadas sucessivas da ionosfera voltando à Terra.
Quando as ondas de rádio atingem a ionosfera com um ângulo inferior ao
ângulo crítico (Fig. 1.17 – trajeto 1), elas a penetram e não retornam mais a Terra
(refratam em direção ao espaço exterior). Entretanto, as ondas de rádio que incidem na
ionosfera com um ângulo superior ao ângulo crítico são refletidas para a Terra (sofrem
reflexão ionosférica. Fig. 1.17 – trajeto 2),
Quando o Sol está a pino, a ionosfera está mais densa, e, conseqüentemente,
maior é o seu índice de refração. Logo, o ângulo crítico é maior de dia do que a noite.
A reflexão ionosférica faz com que o sinal atinja distâncias superiores àquelas
que seriam atingidas pela propagação por ondas terrestres. A distância terrestre coberta
por um sinal de rádio depois de refletido uma vez na ionosfera e retornado à Terra se
chama “comprimento de salto”. O sinal emitido pela antena transmissora alcança um
determinado ponto por propagação da onda de superfície. A partir desse ponto até o
local onde a onda atinge a Terra por reflexão ionosférica não há cobertura do sinal
emitido, sendo essa região entre esses dois pontos chamada de “zona de salto ou zona
de silêncio” (Fig. 1.18).
Uma região de centenas de quilômetros de “zona de salto” é comum a altas
freqüências. Essa lacuna com ausência de sinal é responsável pelo fato particular de um
sinal ser recebido a uma grande distância da antena transmissora e não poder ser
captado a distâncias intermediárias da mesma. A vantagem da zona de salto é poder
transmitir um sinal que não seja captado por um receptor em particular.
18
Figura 1.18 – Comprimento e Zona de Salto.
Você sabia que...
Dependendo da freqüência da onda utilizada, o contato de um rádio-amador brasileiro
com um japonês é melhor estabelecido quando a onda se propaga pelo lado do planeta
onde é noite, pois ocorre um menor número de reflexões e perdas no solo. Ou seja,
quando é de manhã no Brasil (e noite no Japão), os radioamadores devem orientar suas
antenas para que o contato entre elas ocorra pelo oceano Pacífico. Quando é noite no
Brasil (e de manhã no Japão), as antenas devem ser posicionadas de maneira que a
propagação ocorra sobre o oceano Atlântico, Europa e Ásia.
As ondas de rádio, após serem refletidas pela ionosfera, atingem a Terra, sendo
refletidas atingindo novamente a ionosfera e assim sucessivamente, mantendo
basicamente o mesmo ângulo de reflexão. Como a cada reflexão parte da energia da
onda é dissipada, esse processo continua até que a onda seja totalmente absorvida.
Há muitos trajetos pelos quais uma onda do céu pode se propagar de uma antena
transmissora a uma antena receptora. As mais simples são aquelas que atingem a
camada F da ionosfera.
Algumas modalidades de propagação mais complexas consistem em
combinações de reflexões entre as camadas E e F e a Terra, e na formação de “dutos”
(Fig. 1.19). A forma de propagação em dutos envolve um número de reflexões na
ionosfera sem ocorrerem reflexões intermediárias na Terra. A inversão de temperatura
na atmosfera, e conseqüente alteração dos índices de refração das camadas, pode
provocar a formação de um duto, similar a um guia de onda ou a uma fibra óptica,
permitindo comunicação a longa distância desde as baixas freqüências de VHF até
microondas.
19
Figura 1.19 – Propagação complexa e propagação por duto.
Vamos recordar que a refração é um fenômeno ondulatório e ocorre quando a
onda passa a se propagar em meio diferente do anterior (meios que possuem diferentes
índices de refração). Como a densidade do ar – e também o índice de refração –
normalmente diminuem com o aumento da altitude, a trajetória da onda será encurvada
proporcionalmente a essa diferença entre os índices de refração das camadas da
atmosfera, fazendo com que o sinal, na faixa de UHF e microondas, seja encurvado
para baixo (Fig. 1.20).
Figura 1.20 – Encurvamento da trajetória da onda (arco descendente) em camadas com índices de
refração variável com a altitude.
20
Freqüências x Transmissões de rádio
Tendo visto as principais formas de propagação das ondas de rádio, bem como
as características de cada faixa de freqüência, suas respectivas interações com a
atmosfera e com o solo, podemos agora discutir qual é a melhor forma de propagação
das ondas de rádio para essas faixas.
Na faixa de freqüências muito baixas – VLF (3 a 30 kHz) – a forma usual de
propagação ocorre pela onda de superfície. Pelo fato de haver atenuação da onda
devido ao solo, sua trajetória é encurvada fazendo com que a onda acompanhe a
curvatura do planeta. Isso torna possível o alcance do sinal a grandes distâncias por
transmissores em elevadas potências, uma vez que as antenas nessas faixas apresentam
pequena eficiência de radiação.
Na faixa de freqüências baixas – LF (30 a 300 kHz) – a onda de superfície é
muito usada, podendo atingir distâncias em torno de 1000 km, uma vez que as perdas
por atenuação com o solo ainda são baixas e a transmissão é estável (a onda de
superfície não depende da ionosfera, não ficando sujeita às suas variações). Já a
propagação por ondas ionosféricas atinge distâncias entre 1000 e 10000 km. Isso é
possível nessa faixa (LF) porque a quantidade de energia absorvida pela atmosfera
também é pequena. Contudo, no extremo superior da banda LF, ou seja, próximo à
faixa de radiodifusão AM, a absorção da onda ionosférica (pela camada D) durante o
dia se torna alta e ela só é viável a noite (quando a camada D desaparece).
Pelo fato das freqüências nas faixas VLF e LF serem baixas, a quantidade de
informação que pode ser transmitida também é pequena. Trata-se então de um sistema
de comunicação pouco viável, sendo que suas aplicações ficam restritas à navegação
aérea e marítima, entre outras, que exigem antenas verticais bastante altas.
A faixa de freqüências médias – MF (300 kHz a 3 MHz) – engloba a
radiodifusão AM, de 535 a 1605 kHz, onde as perdas por propagação pelo solo limitam
a transmissão por ondas de superfície a distâncias de 300 km. Devido a absorção pela
ionosfera, as ondas ionosféticas, nessas freqüências, não são efetivas durante o dia. Mas
à noite, quando a absorção é reduzida, transmissões a distâncias de 4000 km são
possíveis. Por volta de 1400 kHz, a absorção da onda ionosférica atinge o seu máximo.
Acima disso, aumentos na freqüência resultam numa diminuição da absorção. Portanto,
na faixa de transmissão MF pode-se usar ondas de superfície durante o dia e reflexão
ionosférica à noite.
Novamente as baixas freqüências da faixa MF limitam a transmissão, mas já é
possível a construção de antenas verticais mais eficientes. Contudo, o alcance a grandes
distâncias só é atingido por transmissores de potência elevada. Como exemplos de
utilização nessa faixa, podemos citar a radiodifusão sonora em amplitude modulada
(AM).
Na faixa destinada às freqüências altas – HF (3 a 30 MHz) – também conhecida
como “ondas curtas”, as perdas pela propagação na superfície se tornam tão grande que
as transmissões ficam limitadas a distâncias pequenas, em torno de 100 km sobre o
continente e 300 km sobre o mar.
21
As ondas ionosféricas, no entanto, podem atingir distâncias superiores a 20000
km da antena transmissora, devido a múltiplas reflexões entre ionosfera e o solo,
possibilitando comunicações internacionais. Como é o caso de todas as ondas
ionosféricas, as transmissões a essas freqüências são instáveis como conseqüência das
constantes variações na ionosfera. Para distâncias pequenas (centenas de quilômetros)
utilizando-se onda ionosférica, a freqüência deverá ser abaixo da freqüência crítica para
a camada utilizada, uma vez que a onda do céu atinge a ionosfera com incidência
praticamente vertical.
Logo, a principal forma de propagação para a faixa HF é a reflexão ionosférica,
sendo utilizada, por exemplo, em comunicações telefônicas ou telegráficas, em
comunicações a longas distâncias entre navios, aviões e em radiodifusão internacional.
Acima de 30 MHz, as perdas pelo solo são tão grandes que praticamente
eliminam a onda. Nessas freqüências, o ângulo crítico se torna tão grande que
praticamente todas as ondas do céu penetram na ionosfera e são perdidas no espaço. As
transmissões nessas freqüências só são possíveis por antenas suficientemente altas em
relação à superfície para permitir o uso da propagação em linha de visibilidade. Nesse
aspecto, as ondas de rádio se propagam como ondas luminosas. A distância que se pode
transmitir em linha de visão é limitada pela curvatura da Terra.
Na faixa de freqüências muito altas – VHF (30 a 300 MHz) – as aplicações mais
comuns são os canais de televisão (2 ao 13) e radiodifusão em freqüência modulada
(FM), entre outros. A faixa de freqüências ultra-altas – UHF (300 MHz a 3 GHz) – tem
sido utilizada para difusão de sinais de televisão, comunicações por satélite, além da
telefonia celular móvel.
Na faixa de freqüências super altas – SHF (3 GHz a 30 GHz) – também
conhecida como microondas, a propagação em linha de visibilidade é usada e a
recepção é muito satisfatória, mas não é possível comunicação além da linha de visão.
Conjuntos de antenas altas podem ser construídos para concentrar a energia em um
feixe estreito, aumentando a intensidade do sinal. Essa faixa tem sido utilizada
largamente, e sistemas de comunicação terrestre, sistemas de telefonia por satélite,
televisão doméstica por satélite, radares para fiscalização de velocidade em estradas são
alguns exemplos.
A comunicação com satélites artificiais possibilita transmissões a grandes
distâncias para sinais de telefone, rádio, televisão e microondas nas faixas VHF, UHF,
SHF. Largamente utilizados em telecomunicações, operando em transmissões cujas
freqüências variam de centenas de MHz a dezenas de GHz, a comunicação via satélite
possibilita uma velocidade de transmissão muito alta, principalmente em comunicações
móveis.
A Tabela 1.3 mostra um resumo sobre radiofreqüências: suas bandas, alguns
serviços utilizados por cada banda e suas principais formas de propagação.
22
Tabela 1.3 – Resumo o espectro de radiofreqüências.
Referências para aprofundamento
Para conhecer mais sobre ondas e fenômenos ondulatórios você poderá
consultar o livro Física, volume 2 – Ondas, óptica e Termodinâmica – de autoria de
Alberto Gaspar. Nessa referência será possível rever os tópicos sobre ondas vistos
nesta Unidade, além de poder fazer exercícios típicos sobre o assunto.
Com relação ao espectro eletromagnético uma boa sugestão é o livro Imagens
da Física de Ugo Amaldi, onde você poderá analisar mais detalhadamente suas
características e interações.
Na Internet há vários sítios relacionados com o assunto. Você poderá acessar a
página do Centro de Divulgação Científica e Cultural da Universidade de São Paulo
(CDCC), http://www.cdcc.sc.usp.br/ondulatoria/apresent.html, onde há um tutorial de
um curso de mecânica ondulatória que trata conceitos vistos nesta primeira Unidade.
Por fim, no sítio da Agência Nacional de telecomunicações na Internet –
ANATEL – http://www.anatel.gov.br – você encontrará as leis para o uso das
radiofreqüências, bem como o plano de atribuições de freqüências do Brasil (as faixas
de freqüências com as respectivas atribuições legais de serviços), além de poder fazer
consultas online sobre o uso de quaisquer faixas de radiofreqüências.
23
Na próxima Unidade...
Veremos como as ondas eletromagnéticas são geradas. Explicaremos, também,
como ocorre a sintonia de uma determinada freqüência através do circuito sintonizador
de um aparelho de rádio. Apresentaremos ainda como se faz a emissão das ondas
eletromagnéticas por antenas transmissoras.
24
Unidade 2: Geração de Ondas Eletromagnéticas e
Circuitos Oscilantes
Introdução
No dia-a-dia é comum assistirmos transmissões “ao vivo” na televisão ou ouvirmos
em tempo real uma partida de futebol em um rádio. Desde a filmagem do jogo e a narração
do locutor, que estão no estádio onde ocorre a partida, até a recepção da imagem e do som,
há um sofisticado processo de geração e recepção de ondas eletromagnéticas.
Nesta unidade trataremos da geração de ondas eletromagnéticas, o que se fez
utilizando circuitos oscilantes.
Os elementos que constituem o rádio
Se examinarmos diferentes aparelhos de rádio, encontraremos neles os mesmo
elementos: bobinas, capacitores, resistores, baterias etc. Para compreender o funcionamento
de aparelhos de rádio analisaremos as propriedades desses elementos.
Condensadores ou Capacitores
Quando se tem uma interrupção em um condutor, um fio conectado a uma bateria
que é cortado, por exemplo, os elétrons não poderão mais atravessar o espaço interrompido.
Logo, não haverá corrente elétrica. Todavia, o pólo positivo da bateria tem propensão a
atrair e o negativo a repelir elétrons do fio condutor. Como conseqüência disso, a
extremidade livre do fio conectado ao pólo positivo terá menos elétrons do que a do fio
conectada ao pólo negativo. Se quisermos que a extremidade negativa tenha muito mais
elétrons, deve-se destinar um “lugar” suficientemente amplo. Para isso podem ser usadas
placas metálicas maiores ou menores. Entre essas placas há um material isolante que não
permite que a corrente elétrica flua de uma placa a outra (ar, vidro, papel, cerâmica etc). A
esse conjunto – placas e material isolante - chamamos de condensador ou capacitor (Fig.
2.1).
Figura 2.1 – (a) Capacitor variável de placas. (b) Representação simbólica de um capacitor.
Mas o que acontece quando ligamos as placas do capacitor a uma bateria? Os
elétrons do fio serão atraídos pelo pólo positivo da bateria e repelidos pelo pólo negativo.
Então, momentaneamente, fluirá uma corrente elétrica e teremos elétrons se acumulando
em uma placa (que ficará com carga negativa) e na outra falta de elétrons (que ficará com
carga positiva). Mas esse movimento é cada vez menor, pois à medida que os elétrons se
25
acumulam na placa negativa, os novos elétrons que chegam serão repelidos pelos que
vieram antes, não podendo mais chegar facilmente à placa. Conseqüentemente, a corrente
elétrica vai pouco a pouco cessando. Quando essa corrente cessar, dizemos que o capacitor
está carregado.
Essa corrente elétrica que carrega as placas do capacitor (corrente de carga) é de
duração muito curta e depende da capacidade do capacitor armazenar cargas (capacitância)
e da tensão aplicada ao capacitor.
Quanto maior forem as placas de um capacitor plano e também menor a distância
entre as placas, maior será a capacidade de armazenar cargas elétricas. Portanto maior será
a capacitância do capacitor. O material que fica entre as placas também influi na
capacitância.
Logo, as placas de um capacitor carregado têm cargas elétricas de mesmo valor
absoluto, mas de sinais contrários. Podemos dizer, então, que um capacitor carregado
armazena energia na forma de campo elétrico.
Unidades
A unidade de capacitância no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o farad (F). Como é
uma unidade que fornece valores excessivamente grandes na prática, é comum usarmos
submúltiplos do faraday, o microfarad (10-6 F) e o picofarad (10-9 F).
Pode-se ter também capacitores de capacitância variável. Para isso, pode-se fazer
duas séries de placas semicirculares: uma série móvel que gira em torno de um eixo e a
outra série fixa. Quando se gira o eixo da série de placas móveis, a área das placas que se
superpõem varia, alterando-se o valor da capacitância (Fig. 2.2).
Figura 2.2 – Capacitor variável de placas: (a) foto do capacitor; (b) o capacitor com o eixo girado – a área
entre as placas é reduzida; (c) capacitor com o eixo sem girar – a área entre as placas é máxima.
Importante
Capacitor: placas de metal separadas por uma camada de ar ou outro material isolante.
Função: armazenar energia elétrica na forma de campo elétrico entre suas placas
carregadas.
26
Você sabia...
Um raio acontece devido a descarga elétrica de um enorme capacitor, onde uma das placas
é a nuvem e a outra placa é a Terra. Como “as placas” são enormes, é possível armazenar
uma quantidade gigantesca de carga!
Indutor
Se enrolamos um fio esmaltado em forma de uma bobina (Fig. 2.3) e ligamos as
suas extremidades a uma bateria, a corrente elétrica que flui no fio gerará um campo
magnético na bobina muito parecido com o campo de um imã. Dizemos que a bobina é um
indutor.
Um indutor é um elemento de um circuito que armazena energia no campo
magnético gerado pela corrente que percorre seus fios.
(b)
(a)
Figura 2.3 – (a) Bobina (indutor). (b) Representação simbólica de um indutor.
O indutor tem uma propriedade muito importante em um circuito elétrico que é a
de se opor a variação da corrente elétrica. A essa propriedade dá-se o nome de
indutância.
A indutância de uma bobina depende de fatores geométricos, dentre eles, o
número de espiras por unidade de comprimento.
Unidades
A unidade de indutância no Sistema Internacional é o henry (H). Um henry é a
indutância elétrica de um circuito fechado no qual se produz uma força eletromotriz de
1 volt quando a corrente elétrica que percorre o circuito varia uniformemente à razão de
um ampère por segundo.
Auto-Indução
Uma corrente elétrica que passa pela bobina produz um campo magnético ao
redor dela, ficando essa bobina situada dentro do campo magnético produzido pela sua
própria corrente. Se essa corrente elétrica for variável (e aqui é muito importante a
palavra variável), o seu campo magnético também será variável e induzirá uma corrente
na bobina de sentido contrário ao da corrente que o produziu. Esse fenômeno é chamado
auto-indução.
27
Importante
A auto-indução é o fenômeno pelo qual um condutor induz uma corrente elétrica em si
mesmo quando é percorrido por uma corrente variável.
A auto-indução é muito intensa nas bobinas, já que elas possuem muitas espiras.
Assim, o fenômeno se dá em todas as espiras e é mais intenso do que numa espira só.
Pense sobre a água...
Uma maneira de visualizar a ação de um indutor é imaginar uma canaleta estreita com
água que corre através de uma pesada roda d’água que tenha suas pás mergulhadas na
canaleta. Imagine que a água na canaleta não está fluindo inicialmente.
Agora você aciona o fluxo de água. As pás da roda tenderão a impedir que a água flua
até que a roda adquira a mesma velocidade da água. Se você então tentar parar o fluxo
da água na canaleta, a roda de água girando tentará manter a água em movimento até
que sua velocidade da rotação diminua a um valor abaixo da velocidade da água.
Um indutor faz a mesma coisa com o fluxo dos elétrons em um fio: resiste à variação
da corrente elétrica.
Podemos agora tirar uma importante conclusão: quando fazemos passar uma
corrente através da bobina, ela não alcança imediatamente sua intensidade final por
causa da auto-indução. E, inversamente, quando interrompemos a corrente, ela não
desaparece logo, porque o fenômeno da auto-indução ainda a prolonga durante um certo
tempo, ainda que curto.
Oscilações num circuito indutor-capacitor
Um pêndulo simples (Fig. 2.4), que é posto a oscilar, mantém seu movimento de
vai e vem através da conversão da energia cinética em energia potencial gravitacional e
vice-versa. Quando o pêndulo está no fim do curso, sua energia é armazenada na forma
de energia potencial. Quando o pêndulo está no meio do curso, sua energia foi
convertida em energia cinética e sua velocidade é máxima. Enquanto o pêndulo se move
para a outra extremidade de seu balanço, toda a energia cinética é novamente convertida
em energia potencial gravitacional. Essa conversão entre as formas de energia se
manifesta no que identificamos como oscilação.
Figura 2.4 – Oscilação de um pêndulo simples.
28
Por causa do atrito, a amplitude das oscilações tende a diminuir até parar. Para
manter o pêndulo em sua oscilação, é necessário fornecer uma certa quantidade de
energia a cada ciclo.
Observe que na oscilação do pêndulo ocorrem trocas entre diferentes formas de
energia mecânica. Contudo, algo análogo pode ocorrer entre diferentes formas de
energia eletromagnética. Isso ocorre, como veremos a seguir, em um circuito oscilante.
O circuito oscilante
O que acontece se você conecta um capacitor carregado com um indutor (Fig.
2.5)?
Figura 2.5 – Circuito indutor-capacitor (LC): capacitor carregado.
Antes de conectar o capacitor ao indutor é necessário carregar o capacitor
ligando-o a uma bateria. Após um certo tempo, o capacitor estará devidamente
carregado e entre as placas do capacitor existirá um campo elétrico. Dessa forma, ao
conectá-lo com o indutor, ocorrerá o processo explicitado a seguir.
Estágio A
O capacitor está carregado com sua carga
máxima e não há corrente fluindo no
circuito. A energia do sistema está
armazenada no campo elétrico do
capacitor. No instante t = 0 a chave é
fechada.
Do estágio A para o estágio B surge uma corrente elétrica de intensidade crescente
que flui no sentido horário. O capacitor começa a se descarregar.
29
Estágio B
Nesse momento, o capacitor está
totalmente descarregado e a corrente
elétrica atinge seu valor máximo,
fluindo no sentido horário. A energia
do sistema está armazenada no campo
magnético do indutor.
Do estágio B para o estágio C o capacitor começa a se carregar novamente, porém
com cargas de sinais opostos às do estágio A, e a corrente elétrica flui ainda no sentido
horário, mas com intensidade decrescente.
Estágio C
Agora, o capacitor se encontra
totalmente carregado e não há corrente
elétrica fluindo no circuito. A energia
do sistema está armazenada no campo
elétrico do capacitor.
Do estágio C para o estágio D surge uma corrente elétrica, de intensidade
crescente, que agora flui no sentido anti-horário. O capacitor começa a se descarregar
novamente.
Estágio D
Nesse momento o capacitor está
totalmente descarregado e a corrente
elétrica tem seu valor máximo e flui no
sentido anti-horário. A energia do
sistema está armazenada no campo
magnético do indutor.
30
Deste último estágio D para o estágio A o capacitor começa a se carregar com a
polaridade original; a corrente elétrica flui ainda no sentido anti-horário mas com
intensidade decrescente até o momento em que o capacitor fica totalmente carregado
(estágio A). O ciclo, então, se reinicia.
Essas oscilações tenderão a diminuir devido à resistência elétrica dos
componentes do circuito. A freqüência de oscilação depende da indutância do indutor e
da capacitância do capacitor.
Sintonizando uma estação de rádio
Agora vamos entender o que acontece com um receptor de rádio quando giramos
o dial para sintonizar diferentes estações.
O circuito oscilante indutor-capacitor (LC) oscila a uma determinada freqüência
particular que depende do valor da capacitância do capacitor e da indutância do indutor.
Em um rádio simples, um circuito LC age como sintonizador. Esse circuito é acoplado
magneticamente a uma antena conectada a um terra (Fig. 2.6):
Figura 2.6 – O circuito sintonizador (LC) de um rádio receptor. A antena receptora é indicada à esquerda.
Usualmente, quando você gira o botão do sintonizador no rádio, você está
ajustando um capacitor variável. Ao variar a capacitância do capacitor, você altera a
freqüência de oscilação do circuito sintonizador (LC) e, conseqüentemente, altera a
freqüência da onda captada pela antena, que será posteriormente amplificada. Ou seja,
você "sintoniza" estações diferentes no rádio!
31
Ressonância
Um sistema físico posto a oscilar livremente o faz com uma freqüência específica de
oscilação denominada freqüência natural de vibração. Quando esse sistema físico recebe
energia, por exemplo, através de uma força externa periódica, com uma freqüência igual
à freqüência natural de vibração, o sistema passa a vibrar com amplitude
progressivamente crescente. Neste caso, dizemos que o sistema em questão entrou em
ressonância. Como, em geral, há dissipação de energia, essa amplitude não cresce
infinitamente, mas alcança um valor máximo.
Entendendo um pouco mais...
Ao redor da antena do rádio-receptor há incontáveis ondas eletromagnéticas que
oscilam em várias freqüências distintas. Quando uma dessas ondas de rádio é captada
pela antena, uma pequena corrente, que oscila na mesma freqüência da onda, é
estabelecida no circuito antena-terra. Como o indutor do circuito da antena receptora
está acoplado magneticamente com o indutor do circuito LC do rádio receptor (veja Fig.
2.6), a corrente estabelecida na antena induz uma corrente no circuito LC, podendo
produzir uma tensão na saída de seus terminais. Uma vez que a onda de rádio oscila em
uma certa freqüência, a tensão produzida nos terminais do circuito LC também oscila na
mesma freqüência.
Quando a freqüência da onda de rádio for diferente da freqüência natural de
oscilação do circuito LC, tanto o capacitor como o indutor podem “bloquear” o sinal
(ver caixa de texto a seguir) e, conseqüentemente, as tensões dos sinais correspondentes
a essas freqüências que chegam ao amplificador são muito pequenas, impossibilitando
ouvir aquela estação.
No entanto, quando a freqüência do sinal de rádio emitido pela estação
transmissora, captado pela antena do rádio receptor, for igual à freqüência de oscilação
natural do circuito, a corrente elétrica no circuito oscilante atingirá intensidade máxima
(dizemos que o circuito entrou em ressonância). Logo, uma tensão apreciável aparece
no circuito e essa é distribuída para o amplificador, sendo possível então sintonizar essa
estação. Girando o dial, e conseqüentemente variando-se a capacitância do capacitor, o
circuito não mais ressoará naquela freqüência. A corrente elétrica rapidamente decai e
não conseguimos mais escutar a referida estação de rádio.
Evidentemente, o mesmo ocorreria se no circuito sintonizador das estações de
rádio variássemos a indutância do indutor. Entretanto, a maioria dos receptores de rádio
funciona com a variação da capacitância.
Como o circuito LC “bloqueia” as outras freqüências diferentes da freqüência de
ressonância
Para entender como ocorre esse “bloqueio” precisamos analisar as tensões entre os
terminais do indutor e do capacitor.
Tensão no capacitor
Considere um capacitor conectado a um gerador de corrente alternada (isto é, uma
corrente que oscila no tempo). Quando a freqüência de oscilação do gerador for muito
baixa, o capacitor tem tempo para reagir à tensão aplicada e consegue se carregar
32
totalmente (o período de oscilação do gerador é muito maior que o tempo necessário
para o capacitor se carregar). É como se ele estivesse submetido a um gerador de tensão
contínua e, portanto, a tensão entre seus terminais é a mesma desse gerador. Podemos
dizer que o capacitor é um circuito aberto. Entretanto, quando o gerador oscila a altas
freqüências, antes que o capacitor consiga carregar-se, o gerador já trocou de polaridade
muitas vezes, e o capacitor carrega-se muito pouco. Nesse caso, a tensão sobre o
capacitor é praticamente nula e o capacitor funciona como em curto-circuito.
Tensão no indutor
Considere agora um indutor conectado a um gerador de corrente alternada. Quando a
freqüência de oscilação do gerador é muito baixa, podemos considerar a corrente quase
contínua. Como o indutor se opõe às variações de corrente, a tensão sobre ele é
praticamente nula (é como se ele fosse simplesmente um fio retilíneo, ou seja, um curtocircuito). Contudo, para altas freqüências do gerador (períodos de oscilação do gerador
muito menores do que o tempo necessário para o indutor reagir às variações de
corrente), o indutor simplesmente não consegue reagir (sua corrente vai a zero), ficando
toda a tensão do gerador aplicada sobre o indutor. Nesse caso, o indutor age como
circuito aberto.
Tensão no circuito LC
Analisaremos agora as tensões sobre o circuito LC conectado a um gerador de corrente
alternada. Como vimos, em baixas freqüências o capacitor funciona como um circuito
aberto enquanto que o indutor opera como um curto-circuito. Para freqüências muito
altas do gerador, invertem-se os papéis e o indutor passa a atuar como um circuito
aberto e o capacitor como um curto-circuito. Ou seja, em freqüências muito baixas ou
em freqüências muito altas, ou o capacitor ou o indutor irá atuar como circuito aberto
impedindo a corrente de oscilar, “bloqueando” o sinal na saída dos terminais do circuito
LC. Pode-se então prever que a tensão no circuito LC atingirá um valor máximo em
uma freqüência intermediária, chamada freqüência de ressonância, onde a tensão de
saída atingirá um valor apreciável.
No caso do circuito sintonizador das estações de rádio o papel do gerador de corrente
alternada é feito pelas tensões estabelecidas na antena através das ondas
eletromagnéticas que a atingem.
O circuito RLC em série
A maioria dos circuitos oscilantes indutor-capacitor possui uma certa resistência
à passagem da corrente. Isso ocorre devido à resistência elétrica dos componentes que
constituem o circuito. Essa resistência, apesar de distribuída no circuito, acostuma ser
representada por um elemento do circuito chamado resistor (representado pelo símbolo
mostrado na Fig. 2.7). Então diz-se que o circuito é RLC (resistor-indutor-capacitor) em
série (Fig. 2.7).
Figura 2.7 – Circuito RLC em série.
33
Podemos agora fazer o gráfico da freqüência em função da corrente elétrica num
circuito RLC (Fig. 2.8). Se o nosso circuito é ressonante a um sinal de rádio cuja
freqüência é 850kHz, sinais numa faixa de freqüência em torno de 850 kHz produzirão
no circuito uma corrente apreciável. Os sinais cujas freqüências estão fora dessa faixa
não serão capazes de produzir uma corrente apreciável no circuito e, portanto, não serão
ouvidos.
Figura 2.8 – Curva de ressonância para uma dada capacitância e indutância: freqüências muito acima ou
muito abaixo da freqüência de ressonância não produzem um sinal audível.
Mas qual é o efeito da resistência no circuito?
Já vimos que quando o circuito está em ressonância com a freqüência da onda
captada pela antena a corrente elétrica que o circula é intensa e, quando o circuito está
fora de ressonância essa corrente é baixa. No entanto, diferentes circuitos oscilantes têm
diferentes resistências. A diferença entre as quantidades de corrente fluindo através do
circuito em ressonância e fora de ressonância é muito maior quando a resistência no
circuito é menor. Podemos observar essa dependência exemplificada na Fig. 2.9.
Figura 2.9 – Curva de ressonância para diferentes valores de resistências R. A indutância e a capacitância
foram mantidas constantes.
Essa curva é chamada curva de ressonância e mostra o efeito da resistência em
um circuito RLC em série: quando a resistência é pequena, a ressonância é muito
estreita conduzindo a uma apreciável corrente somente em uma estreita faixa de
freqüência; no entanto, quando a resistência é alta, a ressonância ocorre em uma ampla
faixa de freqüência. Portanto o aumento da resistência reduz a seletividade.
34
A seletividade do rádio é a habilidade de separar estações próximas no dial. No
circuito sintonizador não ocorre um pico somente em um valor específico de freqüência,
mas sim em uma pequena faixa de freqüência em torno da freqüência de ressonância. A
essa faixa de freqüência chamamos de largura de banda.
A largura de banda é o intervalo de freqüência F2 – F1, onde F1 e F2 são as
freqüências onde a potência de um circuito oscilante cai pela metade do valor
encontrado na freqüência de ressonância FR (Fig. 2.10).
Figura 2.10 – Largura de banda
Você sabia que...
A largura de banda é o principal motivo pelo qual o som emitido pelo aparelho de rádio
sintonizado em AM tem uma qualidade inferior que se sintonizado em FM. A largura de
banda em AM é consideravelmente menor que em FM.
Os circuitos em que ocorrem ressonâncias intensas e estreitas possuem altos
valores de fator de qualidade. O fator de qualidade é uma figura do mérito do circuito,
ou seja, quanto maior o fator de qualidade melhor é o circuito receptor.
As leis de indução e a onda eletromagnética
Para entender como a onda eletromagnética é gerada em uma antena é necessário
estudar antes algumas leis do eletromagnetismo. Vamos então voltar a nossa atenção
para alguns conceitos preliminares.
Um imã tem dois pólos (o pólo norte e o pólo sul) e seu campo magnético pode
ser representado por linhas de indução magnética (veja caixa de texto p.8-9) como
representado na Fig. 2.11.
Figura 2.11 – Linha de indução magnética ao redor de um imã.
35
Quando colocamos um imã próximo a uma espira (um fio em formato circular),
esta fica imersa em um campo magnético. Quando movimentamos o imã em relação a
espira, o campo magnético através da espira varia.
O físico inglês Michael Faraday (1791 – 1867) enunciou a seguinte lei:
Quando, numa região do espaço, ocorre uma variação do campo magnético, é
induzido nessa região um campo elétrico (Lei de Faraday).
Assim, a variação do campo magnético através de uma espira induz um campo
elétrico nessa espira e, conseqüentemente, uma corrente elétrica, uma vez que sobre os
elétrons na espira atuarão forças elétricas. Observe que apenas a existência do campo
magnético através da espira não gera corrente elétrica. É necessário que haja variação
do campo magnético através dessa espira.
Entretanto, os cientistas da época se questionaram a respeito do inverso: se um
campo magnético variável dá origem a um campo elétrico, seria então possível um
campo elétrico variável originar um campo magnético?
O físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) percebeu que havia uma
conexão entre campos elétricos e magnéticos, chegando à importante conclusão:
A variação do campo elétrico deve originar um campo magnético (Lei de
Ampère-Maxwell).
Se um campo elétrico variável faz aparecer um campo magnético variável e um
campo magnético variável faz aparecer um campo elétrico variável, e assim
sucessivamente, deve então ocorrer uma propagação de campos elétricos e magnéticos
através do espaço. Essa conclusão importante levou Maxwell a prever a existência de
ondas que se propagariam pelo espaço: as ondas eletromagnéticas.
Importante
Um campo magnético variável produz um campo elétrico (lei de Faraday) e um campo
elétrico variável produz um campo magnético (Ampère-Maxwell).
Como a onda eletromagnética é produzida?
Para entender como a onda eletromagnética é produzida precisamos lembrar que
no circuito oscilante visto nesta Unidade a corrente elétrica estabelecida é alternada (isto
é, oscila no tempo) e sua freqüência depende dos valores da capacitância e da
indutância. Bem, vamos considerar agora que temos um circuito oscilante gerador,
capaz de produzir corrente alternada na faixa de radio freqüência, conectado a dois
condutores verticais. A esses condutores verticais chamaremos de antena de dipolo.
Durante o ciclo do circuito oscilante, os elétrons oscilam entre os dois
condutores da antena, ficando, na sua primeira metade, acumulados no condutor de
baixo da antena (carga negativa), com conseqüente falta de elétrons no condutor de
cima (carga positiva) e, na segunda metade do ciclo, ocorre o inverso (Fig. 2.12).
36
Figura 2.12 – (a) Primeira metade do ciclo das oscilações das cargas na antena de dipolo. (b)
Segunda metade desse ciclo.
Uma vez que os dois fios condutores têm cargas elétricas opostas, podemos
considerá-los como placas de um capacitor. Como resultado, um campo elétrico é
estabelecido ao redor da antena entre os condutores.
Como a corrente elétrica é alternada, o campo elétrico produzido é variável no
tempo e se expande e colapsa, com as linhas de força fluindo em um determinado
sentido durante a primeira metade do ciclo e no sentido oposto na segunda metade (Fig.
2.13).
Figura 2.13 – Linhas de força do campo elétrico em torno do dipolo.
(a) Elétrons na parte de baixo da antena e falta de elétrons na parte superior; (b) e (c) As cargas se
movimentam para próximo do centro da antena; (d) Inverte-se a polaridade nos condutores da antena. As
linhas de força do campo elétrico colapsam momentaneamente a passam a fluir em sentido oposto.
37
Como vimos nas leis de indução, um campo elétrico oscilante produz um campo
magnético também oscilante. Mas um campo magnético oscilante também produz um
campo elétrico que varia no tempo.
A ação continua de campos elétricos e magnéticos alternados viaja pelo espaço,
para fora da antena, com a velocidade da luz c, se o meio for o vácuo. Se o meio não for
o vácuo, a velocidade é necessariamente inferior a c.
Quando o gerador de corrente alternada do circuito oscilante é desligado, o
campo elétrico que origina o processo se extingue. Porém, o pulso de energia gerado
antes do circuito oscilante ser desligado continua viajando para longe da antena.
Portanto, temos um campo elétrico oscilante acoplado a um campo magnético
também oscilante que se propaga através do espaço. Essa combinação de campos é o
que chamamos de onda eletromagnética.
Podemos então dizer que cargas elétricas oscilando, ou seja, em movimento
acelerado, emitem radiação eletromagnética.
Mostra-se, a seguir, a seqüência da produção da onda eletromagnética.
No instante t = 0, o campo elétrico
no ponto P aponta para baixo.
Um instante depois, o campo
elétrico
no ponto P aponta ainda
para baixo, mas agora sua
intensidade diminui.
Observe que o campo originado
no ponto se moveu para o ponto Q.
A diminuição da intensidade do
campo elétrico em P gera um campo
magnético
no ponto Q,
perpendicular ao campo elétrico.
38
Após um quarto de ciclo, o campo
elétrico em P é extinto.
As cargas na antena mudaram de
polaridade, e o campo elétrico no
ponto P agora aponta para cima.
Observe mais uma vez que a
variação do campo elétrico gera um
campo magnético também variável.
Quando a oscilação tiver percorrido
metade do ciclo, o campo elétrico
no ponto P aponta para cima e tem
intensidade máxima.
39
Decorridos
três
quartos
da
oscilação, o campo elétrico no
ponto P se extingue novamente. Os
campos produzidos anteriormente
continuam a se propagar para longe
da antena.
A figura 2.14 mostra a onda eletromagnética se propagando na direção do eixo
x. Observe que os vetores e são perpendiculares entre si e estão sempre em fase.
Figura 2.14 – Campo elétrico
e campo magnético
40
oscilando em fase.
Referências para aprofundamento
Para se aprofundar no assunto tratado nesta Unidade, uma boa sugestão é o livro
do GREF (Grupo de Reelaboração do Ensino de Física), Física 3 – Eletromagnetismo.
A parte 4 do livro trata sobre elementos de sistemas de comunicação e informação
(rádio, TV, gravador e toca-discos). No tópico destinado ao rádio, é possível se
aprofundar nas etapas envolvidas na comunicação por rádio, rever o circuito oscilante e
a produção da onda eletromagnética.
Uma versão reduzida dessa parte do livro do GREF se encontra disponível no
endereço http://fisica.cdcc.sc.usp.br/GREF/eletro05.pdf .
Uma outra boa referência é o livro intitulado Física, volume 3 –
Eletromagnetismo e Física Moderna – de autoria de Alberto Gaspar. Os capítulos 2 e 8
tratam, respectivamente, os conceitos de campo elétrico e campo magnético. O capítulo
10 aborda a indução eletromagnética e suas leis. Já o capítulo 11 discorre sobre as
equações de Maxwell e ondas eletromagnéticas.
Na rede mundial de computadores – Internet – é possível rever algumas
características
das
onda
eletromagnéticas
no
sítio
http://www.fisica.net/einsteinjr/9/ondas_eletromagneticas.html .
Na próxima Unidade...
Introduziremos as principais antenas utilizadas no dia-a-dia, discutiremos
o porquê de seu formato e como posicioná-las para obter uma melhor recepção.
41
Unidade 3 – Antenas
Introdução
Na Unidade 2 vimos como uma onda eletromagnética é emitida através das
oscilações das cargas elétricas no condutor que constitui a antena. Nesta Unidade
estudaremos como ocorre essa emissão de ondas eletromagnéticas através dos mais
variados tipos de antenas. Introduziremos as antenas mais usadas atualmente e
analisaremos suas principais características e formatos.
O que é uma antena?
A antena é sem dúvida um dos elementos mais importantes nas transmissões de
ondas eletromagnéticas. Ela é fundamental para se obter uma boa comunicação por
rádio, TV etc.
Basicamente, uma antena é um dispositivo capaz de irradiar ou captar ondas
eletromagnéticas, possibilitando a comunicação entre dois pontos. A antena faz a
transformação da corrente elétrica do circuito oscilante em onda eletromagnética
irradiada e vice-versa.
Antena: dispositivo capaz de receber e transmitir ondas eletromagnéticas
Uma propriedade importante das antenas é que elas apresentam reciprocidade,
ou seja, as propriedades válidas para transmissão também são válidas para a recepção.
Agora veremos, de maneira sucinta, os principais elementos e características das
antenas.
Principais características das antenas
Comprimento elétrico da antena
O comprimento elétrico da antena é um dos seus parâmetros mais básicos. Ele
mede quantas vezes o comprimento de onda “cabe” na antena. Uma antena
eletricamente grande, por exemplo, tem um comprimento físico de vários comprimentos
de onda e uma antena eletricamente pequena tem um tamanho que é uma fração do
comprimento de onda.
Polarização
A polarização de uma onda pode ser entendida como sendo a direção na qual
ocorrem as oscilações. No caso das ondas eletromagnéticas, a polarização é definida em
função da direção em que o campo elétrico oscila. Em telecomunicações, diz-se que a
onda é linearmente polarizada na horizontal quando o campo elétrico oscila paralelo à
superfície da Terra, e, linearmente polarizada na vertical, quando o campo elétrico
oscila perpendicular a essa superfície. A polarização de uma antena, por conseguinte, é
definida pela polarização da onda que ela emite ou recebe.
42
Você sabia que...
Polarização é um fenômeno que só ocorre com ondas transversais. Assim sendo, o som
não pode ser polarizado. Como as ondas eletromagnéticas são transversais, elas podem
ser polarizadas.
As antenas podem ser projetadas para emitir ou receber ondas com polarização
linear, circular ou elíptica.
A polarização circular de uma onda pode ser obtida por antenas com dupla
polarização, ou seja, antenas que utilizem simultaneamente duas polarizações lineares,
formando um ângulo de 90 graus entre si. A combinação desses campos elétricos
irradiados nos planos vertical e horizontal, defasados entre si por um ângulo de 90o e
com mesma amplitude, que giram 360o a cada ciclo de oscilação, gera uma onda
circularmente polarizada. O sentido dessa rotação pode ser horário ou anti-horário,
dependendo do projeto da antena (Fig. 3.1).
Figura 3.1 – Polarização vertical (a), horizontal (b) e circular(c).
Vale ressaltar que a polarização circular permite uma boa penetração de sinal,
pois pode ser captada eficientemente por antenas em qualquer orientação. As antenas
helicoidais utilizam polarizações circulares (direita ou esquerda).
As características da antena transmissora definem a polarização da onda emitida.
Importante
No caso de polarização linear, a antena receptora deverá ser posicionada na mesma
direção de polarização da antena transmissora para que a intensidade de recepção seja
máxima.
Há casos em que é necessária a transmissão de várias informações numa mesma
faixa de freqüências. Pode–se conseguir isso através de polarização cruzada: transmitese uma onda em uma determinada polarização e uma segunda onda em outra
polarização (polarização ortogonal) de tal maneira que a mudança de posição da antena
receptora permita captar uma ou outra polarização.
43
Diretividade e Ganho
A diretividade de uma antena pode ser entendida como a capacidade que ela tem
de concentrar energia numa determinada região do espaço.
Já o ganho difere da diretividade por um fator que leva em conta a eficiência ou
rendimento da antena. A eficiência de uma antena diz respeito ao seu projeto
eletromagnético como um todo, onde são consideradas todas as perdas, em particular,
aquelas relacionadas à resistência elétrica, bem como aquelas devidas às diferenças
entre as impedâncias do transmissor, da linha de transmissão e da antena (veja item
“impedância” a seguir). O ganho dá uma idéia de quanto uma antena é melhor que
outra.
Impedância
A impedância pode ser entendida como a dificuldade oferecida à variação de
corrente em um elemento elétrico. A unidade física é a mesma da resistência (ohm).
A transferência de energia entre o transmissor, a linha de transmissão (que são
os cabos e os fios) e a antena realiza-se de forma eficiente se a impedância desses
elementos for a mesma. O descasamento de impedância entre esses elementos é fonte de
perdas, como se afirmou acima. Além disso, uma antena obtém sua máxima eficiência
irradiante quando é ressonante. Isso acontece em um condutor isolado quando
aplicamos ou induzimos nesse condutor corrente de alta freqüência cujo comprimento
de onda é o dobro do seu comprimento físico real. A menor antena onde isso acontece é
a antena de meio comprimento de onda. Por exemplo, um condutor isolado de 10 metros
de comprimento ressoará de forma natural uma onda de 20 metros de comprimento.
Além da freqüência fundamental, pode-se fazer ressoar nas antenas as freqüências
harmônicas (dobro, triplo da freqüência fundamental etc), possibilitando o
funcionamento das mesmas em diferentes freqüências.
Diagrama de Radiação
O diagrama de radiação da antena é um gráfico que mostra a maneira segundo a
qual a energia irradiada se distribui pelo espaço, uma vez que as antenas não irradiam
igualmente em todas as direções. É comum a antena irradiar mais intensamente em uma
direção do que em outra. O formato e o tipo da antena, entre outros fatores, determinam
o diagrama de radiação, que é característico de cada antena.
Na figura 3.2 (a) vemos o diagrama de radiação de uma antena Yagi-Uda
(veremos seu funcionamento mais adiante). A antena, que não está representada no
diagrama, fica posicionada no centro da figura (é como se tivéssemos em um avião
vendo a antena por cima). O contorno que aparece no centro do diagrama representa
como a energia irradiada se distribui no espaço. Analisando o diagrama de radiação da
figura 3.2 (a) podemos notar a presença de um lóbulo principal (na direção de 0o) e dois
lóbulos secundários (um na direção de 30o e outro na direção de 330o). Em função da
direção do lóbulo principal, é possível perceber que a antena Yagi-Uda está posicionada
conforme mostra a figura 3.2 (b).
44
Figura 3.2 – (a) Diagrama de radiação de uma Antena Yagi-Uda; (b) Posição da antena Yagi-Uda de
acordo com o diagrama de radiação.
Largura de banda (ou faixa de operação)
A largura de banda é o intervalo de freqüências na qual a antena opera
satisfatoriamente. É uma das características básicas da antena.
45
As Antenas
Agora apresentaremos as principais antenas usadas no cotidiano. Há centenas de
tipos diferentes. Primeiramente consideraremos as antenas lineares, em seguida
trataremos de conjuntos, mais adiante veremos as antenas de abertura e, por fim, as
antenas inteligentes.
1. Antenas Lineares
a) Antena de dipolo de meia onda
A antena de dipolo de meia onda é uma das antenas mais simples que existe. Ela
consiste de dois condutores com comprimento total igual à metade do comprimento de
onda da onda transmitida, conectada, na parte central, a um gerador de rádio freqüência
(Fig. 3.3). O gerador, também conhecido como transmissor, nada mais é que um
dispositivo capaz de fazer mudar de sentido o fluxo de elétrons, milhões de vezes por
segundo.
(a)
(b)
Figura 3.3 – (a) Antena de dipolo de meio comprimento de onda; (b) Dipolo de meio comprimento de
onda em uma torre de transmissão.
Vamos analisar essa antena. Os condutores que compõem a antena, quando
percorridos por correntes elétricas que oscilam na faixa de rádio freqüências, possuem
indutância e capacitância como um circuito ressonante. Logo, uma antena é como um
circuito ressonante. Isso sugere que ela deve estar em ressonância com a freqüência do
transmissor para dele receber a máxima potência e, conseqüentemente, possibilitar uma
onda irradiada mais intensa.
Quando os condutores são excitados pelo transmissor colocado no seu centro é
possível verificar que em certos pontos ao longo da antena, separados por distâncias
correspondentes a meio comprimento de onda, a corrente medida é nula, ocorrendo a
formação de nós de corrente nesses pontos (fluxo nulo de elétrons). Nos pontos situados
entre dois nós consecutivos, a corrente elétrica atinge um valor máximo e ocorre a
formação de ventres de corrente (os elétrons estão em seu máximo movimento). Entre
os nós e ventres a distribuição da corrente ao longo da antena é senoidal, formando
ondas estacionárias de corrente na antena (Fig. 3.4). Algo similar pode ocorrer em uma
corda, formando-se ondas estacionárias (ver caixa de texto na próxima página).
46
Figura 3.4 – Diagrama da corrente e tensão de ondas estacionárias em uma antena de dipolo.
Ondas estacionárias
As ondas estacionárias resultam da superposição de duas ondas de mesma freqüência,
mesma amplitude, que se propagam com mesma velocidade na mesma direção e
sentidos opostos. Nessas condições, formar-se-á uma onda resultante que se caracteriza
por apresentar pontos com interferência construtiva que vibram com amplitude máxima
e que não se propagam, chamados ventres, e pontos com interferência destrutiva que
vibram com amplitude mínima e que não se propagam, chamados nós (Fig. 3.5).
Importante salientar que a distância entre dois nós consecutivos é a mesma distância
entre dois ventres consecutivos e vale λ / 2.
Figura 3.5 – Onda estacionaria em uma corda vibrante: N – nó, V – ventre.
Vimos, na Unidade 2, que a indutância é a propriedade do circuito em se opor a
uma variação de corrente elétrica. Como, em um circuito de corrente alternada, a
corrente e a tensão variam continuamente, um dos efeitos da indutância é causar um
atraso na variação de corrente em relação à variação da tensão. Verifica-se que onde
ocorre nó de corrente haverá ventre de tensão e vice-versa (Fig. 3.4).
47
Alguns circuitos elétricos, como antenas, ressoam em diferentes freqüências que
são múltiplos de valores inteiros da freqüência fundamental (freqüências essas
chamadas de harmônicos). Logo, uma antena que está designada para ressoar a 1000
kHz, pode também ser usada para irradiar ondas de rádio de freqüências 2000 kHz,
3000 kHz e assim por diante.
A antena de dipolo de meia onda é uma antena ressonante com ondas
estacionárias de corrente e de tensão ao longo de seu comprimento, sendo ela a menor
antena que possui esses requisitos. Qualquer outra antena que tenha um comprimento
que seja um múltiplo inteiro de 1/2 λ também satisfará essa condição. Esse tipo de
antena é chamado de antena de Hertz, seu inventor.
Podemos orientar convenientemente as antenas receptoras para captar o sinal
mais intenso em uma direção do que em outra. No caso da antena de dipolo de meia
onda, a posição de melhor recepção ocorre quando a antena está posicionada
paralelamente à antena transmissora.
Calculando o comprimento da antena de dipolo
A relação entre o comprimento de onda λ e a freqüência f é dada por
onde c = 3.108 m/s é a velocidade da luz no vácuo.
Na antena de dipolo de meia onda , seu comprimento é L = λ/2.
Portanto, o comprimento da antena de dipolo, em metros, é
onde f é a freqüência em megahertz.
Uma variação da antena de dipolo é o dipolo dobrado (Fig. 3.6 a) e o dipolo
triangular (Fig.3.6 b). O dipolo dobrado apresenta praticamente todas as características
iguais às da antena de dipolo, a menos da impedância, e o dipolo triangular é
equivalente ao dipolo apenas apresentando maior largura de banda.
(a)
(b)
Figura 3.6 – (a) Dipolo dobrado. (b) Dipolo triangular.
48
Os dipolos de meia onda simples e dobrado são antenas “fundamentais” sendo
extremamente utilizados como excitadores de antenas Yagi-Uda e Log-periódicas, como
veremos mais adiante.
b) Antena de dipolo de um quarto de onda - Monopolo curto
A antena de um quarto de comprimento de onda, também conhecida como
monopolo curto ou antena de Marconi (seu inventor), consiste de um condutor cujo
comprimento é um quarto do comprimento de onda, posicionado na vertical e conectado
a um plano condutor, chamado terra. Um método matemático para cálculo da radiação
consiste em considerar que o plano da terra forma uma imagem da antena. Assim,
utilizando-se esse método, a radiação resultante é a composição da radiação da antena
real com a radiação da imagem dessa antena (Fig. 3.7).
Figura 3.7 – Antena de um quarto de onda (Marconi). O diagrama mostra a distribuição de corrente e
tensão ao longo da antena e sua imagem.
A superfície terrestre comporta-se praticamente como um condutor perfeito na
faixa de 3kHz a 300kHz (VLF a LF). A idéia de se utilizar a superfície da Terra como
“espelho” faz com que a antena de Marconi seja mais vantajosa do que a antena de
dipolo de meia onda (Hertz), já que o comprimento de uma é metade do comprimento
da outra. Essa vantagem é de extrema importância para as faixas de baixas freqüências
(altos comprimentos de onda), onde as antenas são muito grandes, especialmente
quando se deseja construir antenas verticais (só para ser ter uma idéia, o comprimento
de onda na faixa LF é da ordem de 1 km, exigindo uma antena de um quarto de onda de
250m!).
49
Calculando o comprimento da antena de um quarto de onda
A relação entre o comprimento de onda λ e a freqüência f é dada por
onde c = 3.108 m/s é a velocidade da luz no vácuo.
Na antena de dipolo de meia onda , seu comprimento é L = λ/4.
Portanto, o comprimento da antena de dipolo, em metros, é
onde f é a freqüência em megahertz.
Antena de carro
Um exemplo típico da antena de um quarto de onda é a antena de carro. Ela é
montada diretamente sobre a estrutura metálica do veículo, geralmente o teto – que faz
o papel do plano terra. Sempre que possível, fixa-se a antena deixando-se um raio de
λ/4 de estrutura metálica ao redor da mesma, de modo a se obter um bom plano
condutor. Pode-se ainda montar a antena nas laterais do veículo ou sobre o pára-choque,
quando se deseja obter alguma direcionalidade.
O fio que serve como antena é montado sobre a capota e um cabo conecta a
antena à parte interna do carro (Fig. 3.8)
Figura 3.8 – Montagem da antena de Marconi na capota do automóvel.
É possível encurtar uma antena fazendo uso de uma bobina, chamada bobina de
carga, ou fazendo um enrolamento contínuo de fio ao redor de uma haste de fibra de
vidro. Esse mesmo principio é também usado nas antenas de intercomunicadores e de
telefones sem fio (Fig. 3.9).
50
Figura 3.9 – Antena de telefone sem fio.
Antenas de radiodifusão AM
Em transmissões de radiodifusão sonora AM, onde a faixa de freqüências de
operação é de 300 kHz a 3 MHz (ondas médias – MF), usa-se a antena de monopolo
curto na posição vertical. A torre de transmissão da radio AM é apenas a metade do
sistema de antena. O segundo elemento é a superfície da Terra. Nessa faixa de
freqüências, o solo já não se comporta mais como um condutor ideal e, por isso, faz-se
necessário o uso de um “sistema terra” que exerça esse papel. Um sistema típico de terra
é formado por 120 condutores de cobre, dispostos radialmente a partir da base da
antena, de comprimentos em torno de λ/4 (Fig. 3.10).
Figura 3.10 – Condutores radialmente espaçados formando um “plano terra”.
51
Nas transmissões AM é utilizada a polarização linear na direção vertical pelo
fato da sua melhor propagação pela superfície.
Também devido ao fato da freqüência usada em AM se propagar melhor à noite
do que de dia, é comum as estações transmissoras de rádio AM reduzirem a potência de
transmissão ao entardecer e voltar com potência total ao amanhecer.
A potência de operação de dia ou de noite é feita de tal forma que a estação AM
cubra uma determinada área livre de interferência, ou seja, a potência é regulada de tal
maneira que não se propague um sinal além do desejado para não interferir nas
transmissões de rádio das cidades vizinhas.
Com relação à antena receptora, a sua função é obter a máxima potência
transferida da onda de rádio para o receptor. Isso acontecerá quando a antena for
ressonante na freqüência da onda de rádio. Mas nem sempre a construção de tal antena é
viável. Para se ter uma idéia, uma antena de meio comprimento de onda para recepção
de uma rádio de AM, por exemplo, a uma freqüência de 1100 kHz, deve ter um
comprimento de cerca de 136m.
Contudo, os modernos circuitos utilizados nos rádios têm um alto ganho de tal
forma que mesmo uma pequena e ineficiente antena pode captar um sinal suficiente
para ser ouvido.
2. Conjuntos (Array)
Depois de termos considerado as antenas lineares, concentraremos os estudos no
conhecimento de estruturas que forneçam uma diretividade maior, segundo a direção
principal de radiação. As antenas Array (ou conjuntos) têm essa importante
característica.
Uma antena Array é, na verdade, um conjunto de elementos dispostos com um
certo espaçamento, percorridos por correntes que produzem campos que se somam na
direção desejada.
Devido às restrições de construção mecânica dos conjuntos, sua utilização fica
restrita à faixa de 500kHz a 1GHz (MF a UHF).
Dipolo com refletor
O uso de refletores colocados próximos aos elementos irradiantes é freqüente,
uma vez que sua utilização faz aumentar o ganho da antena, além de prevenir que
irradiações ocorram em direções que não a de interesse.
O refletor usado pode ser uma placa ou uma grade. No caso de grade (mais
usada pois reduz os custos da fabricação do refletor e de sua fixação) deve-se respeitar
uma relação de espaçamento entre os elementos que a constituem, para que ela possa
atuar como uma placa contínua. Essa relação de espaçamento é da ordem de 0,1λ. Além
disso, as dimensões externas da grade também são importantes. Em geral, grades com
largura de λ/2 e altura de λ/4 reproduzem razoavelmente um plano refletor.
52
Um tipo de refletor muito usado é o refletor de canto, que consiste em um dipolo
(geralmente de meia onda) colocado no plano bissetor do conjunto formado pelas placas
condutoras (Fig. 3.11). Sua função é a de se obter ganhos cada vez maiores. Os
principais parâmetros dessa antena são a distância do dipolo ao vértice do diedro, a
altura e o comprimento de cada placa, e o ângulo entre elas.
Figura
3.11 – (a) Dipolo triangular com refletor de canto; (b) dipolo simples com refletor de canto.
Com larga utilização em VHF e UHF para transmissões nas faixas de 100MHz a
1 GHz, o refletor de canto é comumente empregado na recepção de sinais de TV em
UHF, cobrindo a faixa típica de 470 MHz a 890 MHz. O dipolo excitador é posicionado
paralelo à superfície, sendo, portanto, a antena de polarização horizontal, uma vez que
os painéis transmissores para sinais de TV empregam essa polarização.
Uma outra possibilidade é a utilização do refletor de canto é na forma da antena
Yagi-Uda (Fig. 3.12 - veremos essa antena mais detalhadamente a seguir).
Figura 3.12 – Antena Yagi-Uda com refletor de canto.
53
b) Antena Yagi-Uda
Para entendermos o funcionamento da antena Yagi-Uda (Fig. 3.13), vamos
inicialmente estudar o uso de refletores e diretores, chamados elementos parasitas.
Podemos mudar a diretividade de uma antena com o uso desses elementos.
Figura 3.13 – Antena Yagi-Uda com elementos parasitas: refletor e diretores.
Refletor
O refletor é um simples condutor com comprimento cerca de 5% maior do que o
dipolo da antena, montado em paralelo com esse, a uma distância de λ/4 atrás (Fig.
3.14).
Figura 3.14 – Antena Yagi-Uda – Refletor posicionado atrás do dipolo dobrado.
54
Vejamos o que acontece na antena: o sinal proveniente da estação transmissora
atinge primeiramente o dipolo e depois o refletor, induzindo uma corrente em ambos.
Como conseqüência, o refletor re-irradia o sinal, que é captado pelo dipolo. Logo, há
duas correntes estabelecidas no dipolo, uma proveniente da antena transmissora da rádio
e a outra do refletor. Em função do tamanho do refletor e de sua posição, as duas
correntes induzidas estão em fase e ambas se somam. Logo, o receptor capta um sinal
mais intenso do que captaria sem o refletor.
Já os sinais que incidem na parte de trás do conjunto, e mesmo obliquamente,
atingem primeiro o refletor e depois o dipolo. Novamente, duas correntes são induzidas
na antena. Porém, desta vez, as correntes estão fora de fase e tendem a se cancelarem.
Logo o sinal proveniente da parte de trás do conjunto é recebido muito fraco em
comparação com o sinal que seria captado sem o refletor.
Diretor
O diretor é um outro tipo de elemento parasita. Assim como o refletor, ele
consiste em uma simples vareta condutora montada em paralelo com a antena.
Entretanto, o diretor é cerca de 4% menor que a antena e é posicionado cerca de 0,1 λ a
sua frente. Sua ação é similar à do refletor (Fig. 3.15).
Figura 3.15 – Antena Yagi-Uda – Refletor, diretor e dipolo dobrado.
Há uma série de vantagens ao se utilizar esses conjuntos:
• A sensibilidade da antena é aumentada para os sinais da antena transmissora que
está posicionada a sua frente;
• Essa sensibilidade pode ser incrementada aumentando-se tanto o número de
refletores como de diretores;
• Sinais não desejados e ruídos que atingem a antena por outras direções são
reduzidos.
55
As desvantagens são:
• Aumentando a diretividade da antena receptora para a direção à sua frente, diminui a
diretividade e a sensibilidade para sinais provenientes de outras antenas
transmissoras posicionadas em outras direções;
• A presença de diretores e refletores diminui a resistência elétrica da antena, fazendo
com que essa perca algumas características da banda para a qual foi projetada para
captar.
A antena Yagi-Uda consiste tipicamente de um dipolo de meia onda, com um
elemento refletor atrás e um ou mais elementos diretores na frente, colocados segundo a
direção de máxima radiação desejada, todos apoiados sobre um suporte comum (Fig.
3.16). Essas antenas são comumente usadas para recepção de um ou mais canais de TV,
operando em polarização horizontal. O dipolo de meia onda destina-se a excitar a onda
eletromagnética; no caso da antena transmissora os diretores destinam-se a dirigi-las na
direção de máxima radiação e o refletor a refleti-la também nessa direção preferencial.
Figura 3.16 – Antena Yagi-Uda.
Na antena Yagi-Uda transmissora, a onda eletromagnética emitida pelo dipolo
(excitador) induzirá uma corrente nos diretores e no refletor que, por sua vez, reirradiarão parte da energia recebida para a direção de máxima radiação. O campo
resultante produzido é a soma dos campos emitidos. Devido às diferenças de percursos e
às defasagens elétricas entre as correntes, os campos produzidos em algumas direções
estarão em fase, somando-se, e em algumas direções estarão fora de fase, subtraindo-se.
Observe que, nesse tipo de antena, a direção de máxima radiação deve ser
tomada como referencia, na antena receptora, para ajustar sua posição em relação à
antena transmissora. Ou seja, para posicionar corretamente a antena você deverá apontar
a direção de máxima radiação para a antena transmissora (Fig. 3.17).
56
Figura 3.17 – Orientação da antena Yagi-Uda em relação à antena transmissora.
As Yagis-Uda mais comuns usam de 1 a 7 elementos diretores (Fig. 3.18). À
medida que o número de diretores aumenta, a diretividade também aumenta e a largura
de banda diminui. Arranjos com mais de 4 elementos diretores são tipicamente de banda
estreita.
Figura 3.18 – Antena Yagi-Uda com apenas um elemento diretor.
Quando a Yagi-Uda é projetada para um único canal de TV, o comprimento do
elemento radiador (meio comprimento de onda) é feito de tal forma que a freqüência de
operação da antena seja a freqüência da faixa central do canal. Já para a recepção de
toda a faixa de canais, é comum usar-se duas ou três antenas Yagi-Uda de “banda
larga”. Para tal, os diretores são projetados com comprimento de onda relativo à
freqüência superior da banda, o excitador com comprimento de onda relativo à
freqüência central da banda e o refletor com comprimento de onda relativo à freqüência
inferior da banda. Não deve ser usada uma Yagi-Uda com mais de 7 elementos, pois o
aumento em ganho implicaria na redução de banda, ou seja, implicaria em uma
diminuição da faixa de freqüências que a antena opera satisfatoriamente.
Vale ressaltar que o aumento do número de refletores não apresenta vantagem
significativa em comparação com apenas um refletor (Fig. 3.19).
57
Figura 3.19 – Antena Yagi-Uda – apenas um elemento refletor.
c) Antena Helicoidal
As antenas helicoidais (Fig. 3.20) consistem de um condutor de formato
cilíndrico ou cônico e um plano terra. Suas principais características são a polarização
circular (direita ou esquerda) e a largura de faixa de operação de banda larga.
Figura 3.20 – Representação da antena helicoidal.
A antena helicoidal é recomendada para faixa de freqüências ultra-altas (UHF),
pois seu diâmetro é de um terço do comprimento de onda e seu comprimento da ordem
de um a dois comprimentos de onda – o que significaria uma antena muito grande
fisicamente para freqüências mais baixas. A radiação emitida por essa antena tem
polarização circular com sentido de rotação igual ao da hélice irradiadora (Fig. 3.21).
58
Figura 3.21 – Antena helicoidal de polarização circular à direita.
As antenas helicoidais (Fig. 3.22) são capazes de captar ondas de polarização
circular em um determinado sentido, mas são “cegas” às ondas de polarização circular
de sentido oposto. Isso passa a ser interessante para evitar interferências e rejeitar sinais
refletidos, uma vez que na reflexão a onda eletromagnética inverte o sentido de rotação.
Figura 3.22 – Antena helicoidal em torre de transmissão.
d) Antena Log-periódica
A antena log-periódica (Fig. 3.23 e 3.25) tem uma geometria projetada de modo
que a impedância e os diagramas de radiação variem, periodicamente, com o logaritmo
da freqüência. Essas antenas são características por trabalharem em polarização linear
horizontal, com uma extensa largura de banda, limitada a altas freqüências pela grande
precisão requerida na construção e limitada a baixas freqüências pelas dimensões
físicas.
59
Figura 3.23 – Antena log-periódica.
Log-periódica em dipolos
A antena log-periódica em dipolos consiste de um conjunto de dipolos colocados
paralelamente em um plano. Os comprimentos dos dipolos e os espaçamentos entre eles
formam uma progressão geométrica1. A antena é alimentada através do elemento menor
(Fig. 3.24).
Figura 3.24 – Esquema da antena log-periódica. Comprimentos dos dipolos e espaçamentos entre ele
estão em progressão geométrica. A alimentação da antena é feita pelo elemento menor.
1
Os segmentos estão em progressão geométrico quando o segmento seguinte tiver um comprimento igual
ao comprimento do segmento anterior multiplicado por um fator fixo.
60
Figura 3.25 – Antena log-periódica.
O campo irradiado origina-se nas vizinhanças de um dos dipolos (que pode ser
qualquer elemento, dependendo da freqüência da onda gerada na antena) e propaga-se
em direção ao vértice da antena (do elemento maior para o menor). Como conseqüência,
essa região é chamada de região ativa da antena. Por exemplo, quando a freqüência de
operação aumenta, a região ativa desloca-se em direção ao elemento menor.
Antenas receptoras de TV
Nesta seção, devido ao grande uso, apresentaremos o conjunto das antenas que
são apropriadas para recepção de sinais de TV.
De acordo com as normas vigentes para as emissoras de radiodifusão de sons e
imagens são destinados, na faixa de VHF, 12 canais de 6 MHz de largura de banda. As
freqüências de alocação desses canais estão na Tabela 3.1 abaixo.
Canal
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Faixa (MHz)
54 – 60
60 – 66
66 – 72
76 – 82
82 – 88
174 – 180
180 – 186
186 – 192
192 – 198
198 – 204
204 – 210
210 – 216
Tabela 3.1 – Canalização de TV para faixa de VHF
61
As opções para antena de TV são:
- Dipolos com planos refletores
São uma boa opção, desde que sejam sintonizados no centro geométrico da
banda, uma vez que é inviável colocar uma antena para cada canal. Nesse caso, o dipolo
com plano refletor deve ter uma largura de banda suficiente para englobar desde o canal
2 até o canal 13, em VHF.
- Antena Yagi-Uda – Usando duas antenas para cobrir a banda
O uso de uma única antena para cobrir toda a banda de freqüência acaba não
sendo eficiente. Resolve-se esse problema usando-se duas antenas, uma que abrange os
canais baixos (canais 3, 4, 5, e 6), cobrindo as freqüência de 54 a 88 MHz e a segunda
antena cobrindo os canais altos (canais 7, 8, 9, 10, 11, 12 e 13), cobrindo as freqüências
de 174 a 216 MHz. Cada uma das antenas é sintonizada no centro geométrico de cada
metade da banda. Elas são conectadas em paralelo e os sinais de ambas são transmitidos
ao receptor através de uma linha comum.
Como a Yagi-Uda é uma antena de faixa estreita, ela só consegue operar com
eficiência 2 ou 3 canais. Porém, apresenta um ganho mais elevado que o dipolo isolado
ou o dipolo com refletor. Portanto, geralmente empregam-se 3 antenas Yagi-Uda para
cobrir toda a faixa de TV em VHF.
- Antena Log-Periódica
Essa antena apresenta a vantagem de ter banda larga podendo cobrir toda a faixa
de VHF para TV. Por outro lado, os ganhos por canal de TV são menores dos que das
Yagis-Uda. Quando as antenas transmissoras de sinais de TV estão muito afastadas
entre si, a antena log-periódica não consegue captar com eficiência todos os canais.
Para a faixa de UHF estão destinados 70 canais, com 6MHz de largura de banda,
como mostra a Tabela 3.2.
faixa de
470 MHz
476 MHz
482 MHz
...
884 MHz
até
476 MHz
482 MHz
806 MHz
...
890 MHz
serviço
Televisão UHF
Televisão UHF
Televisão UHF
...
Televisão UHF
observação
Canal 14
Canal 15
Canal 16
...
Canal 83
Tabela 3.2 – Canalização de TV para faixa de UHF. Note que a diferença em freqüência de dois canais
sucessivos é de 6 MHz (largura de banda). Na tabela estão representados apenas alguns dos canais.
Para os canais de UHF, as antenas mais usadas são: o dipolo triangular, isolado
ou em frente a uma placa refletora; e o refletor de canto com dipolo triangular (Fig. 3.11
a).
62
3. Antenas de Aberturas (Microondas)
As antenas de abertura são projetadas de modo a concentrar a radiação emitida
em pequenas regiões do espaço. Para conseguir esse feito, as ondas eletromagnéticas
não devem ser desviadas por efeito de difração (ver caixa de texto abaixo). Como o
efeito da difração só é relevante para obstáculos da ordem do comprimento da onda,
fazem-se necessárias, para o uso de antenas de aberturas, ondas eletromagnéticas de
pequenos comprimentos de onda e, conseqüentemente, altas freqüências, como as
microondas. Portanto, antenas de abertura eletricamente grandes (vários comprimentos
de onda) têm estruturas físicas perfeitamente realizáveis.
Difração
A difração é um fenômeno característico das ondas e está relacionado com a
propriedade da onda contornar obstáculos. O efeito da difração, entretanto, só é
significativo quando o obstáculo é da ordem de grandeza do comprimento de onda.
As antenas de abertura podem apresentar diferentes tipos de diagramas de
irradiação. Um deles, verificado em transmissões ponto a ponto em telecomunicações, e
em comunicações de subida entre a Terra e o satélite, tem por característica manter fixa
a direção do feixe de radiação. Um outro tipo de diagrama bastante usado faz com que a
radiação emitida cubra uma determinada região, a partir de um único feixe principal.
Verificamos a utilização desse diagrama nas comunicações de descida entre o satélite e
a Terra, onde as antenas instaladas no satélite devem fornecer cobertura com um nível
de sinal adequado a uma região delimitada por um determinado contorno.
No que diz respeito aos refletores das antenas de abertura, a superfície refletora
quase universalmente empregada consiste num parabolóide de revolução, que pode ser
alimentado diretamente (sistema “focal-point”) ou através do uso de um sub-refletor na
região focal da parábola (sistema “cassegrain”). Vamos analisar esses dois sistemas
mais cuidadosamente.
Sistema “focal-point”
O funcionamento do refletor parabólico é comumente analisado utilizando-se a
óptica geométrica. Os raios provenientes do alimentador, localizado no foco do
parabolóide, que atingem o refletor são refletidos seguindo trajetos paralelos ao eixo de
simetria do parabolóide, permitindo dessa forma uma grande concentração da energia
irradiada em torno desse eixo (Fig. 3.26).
Pelo processo inverso, a radiação emitida pela estação transmissora que atinge o
refletor paralelamente ao seu eixo de simetria é refletida em direção ao foco do
parabolóide, permitindo captar a maior parte da energia transmitida. Portanto, o refletor
parabólico pode captar energia eletromagnética quando o receptor é colocado no foco,
ou pode direcionar essa energia, quando o transmissor é colocado nesse mesmo ponto
(Fig. 3.27 e 3.28).
63
Figura 3.26 – Sistema “Focal Point”.
Figura 3.27 – Captação do sinal do sistema “Focal Point”.
64
Figura 3.28 – Antena “Focal Point”.
Sistemas Cassegrain
No sistema Cassegrain, a onda eletromagnética é captada pela reflexão em dois
refletores: um refletor maior (refletor parabólico principal) sobre um refletor menor
(refletor secundário ou sub-refletor), até atingir o sistema de alimentação. O subrefletor, geralmente hiperbólico, é localizado de tal forma que um de seus focos (F2)
coincida com o foco do parabolóide, ficando o outro foco (F1) próximo ao vértice do
refletor principal, definindo a posição do centro de fase do alimentador (Fig. 3.29, 3.30
e 3.31).
Figura 3.29 – Diagrama do sistema “Cassegrain”.
65
Figura 3.30 – Captação do sinal da antena “Cassegrain”.
Figura 3.31 – Antena “Cassegrain”.
66
Apesar do sub-refletor bloquear parte da radiação, esse sistema é mais vantajoso
do que o “focal-point” porque permite uma melhor “iluminação” do refletor principal, e,
conseqüentemente, menor transbordamento de energia, aumentando a eficiência total do
sistema. Além disso, possibilita que o sistema de alimentação seja posicionado próximo
ao receptor, situação exigida em antenas terrestres de comunicação via satélite, por
apresentarem um nível de ruído baixo, sem contar o fato de que são relativamente de
baixo custo com melhores desempenhos.
Antenas de microondas de alto desempenho
Os sistemas de microondas em linha de visibilidade empregam antenas que
possuem alta diretividade que só são alcançadas com a utilização de antenas parabólicas
(fig. 3.32). Esses sistemas necessitam concentrar a radiação transmitida num feixe muito
estreito na direção de antena receptora, com a intenção de minimizar tanto as
interferências causadas em antenas próximas, como captar interferências de sistemas
que operem na mesma faixa de freqüências.
Figura 3.32 – Antena de microondas.
Nas antenas de alto desempenho é comum observarmos o uso de protetores
(radomes) e colares (saias ou anéis) nas antenas, além de alimentadores de alto
desempenho (Fig. 3.33).
Figura 3.33 – Antenas de alto desempenho: 1 – Protetor (radome); 2 – Colar (saia ou anel).
67
Os radomes, ou blindagens, são estruturas adicionais utilizadas nas antenas de
alto desempenho para melhorar a diretividade da antena, além de proteger contra chuva,
gelo, ninhos de pássaro, acúmulos de água, e por diminuir a carga do vento transmitida
para a torre. Já os colares são componentes empregados nas antenas com o intuito de
reduzir o transbordamento da radiação, obtendo-se assim um sistema com melhor
desempenho.
Além disso, é comum o uso de absorventes (que tem por função absorver a
energia eletromagnética que sobre ele incide, transformando-a em calor) em edificações
próximas às antenas que possam interferir nos sistemas de radar, em aviões e mísseis
onde os sistemas eletrônicos são sensíveis a interferências externas, em instalações para
torná-las invisíveis à detecção por radar, além de proteger seres humanos das intensas
radiações das antenas de radar de alta potência.
4. Antenas Inteligentes
Vimos até aqui os principais tipos de antenas. Para finalizar, analisaremos agora
as chamadas “antenas inteligentes”, consideradas como grau máximo de tecnologia em
sistemas relacionados a antenas, e que são largamente utilizadas na comunicação por
telefonia celular (Fig. 3.34).
Figura 3.34 – Antena inteligente para comunicação em telefonia celular.
Primeiramente precisamos entender o que são “antenas inteligentes”. Na
verdade, antenas inteligentes são uma combinação de um conjunto de antenas associado
a uma unidade de processamento de sinais que otimiza a transmissão e a recepção em
resposta a um sinal recebido. Portanto não são as antenas em si que são inteligentes,
mas sim o conjunto das antenas associado ao sistema que processa os sinais.
68
Para explicar como as antenas inteligentes funcionam podemos fazer uma
analogia. Feche os olhos e converse com alguém que esteja andando em uma sala. Você
irá perceber que você consegue determinar sua posição sem vê-la porque você escuta os
sinais auditivos através de seus dois ouvidos, que são seus receptores acústicos. O som
que atinge cada ouvido o faz em instantes distintos e, seu cérebro, um maravilhoso
processador de sinais, faz uma série de cálculos com as informações obtidas e determina
a localização da pessoa que você está escutando. O sistema “antenas inteligentes” faz o
mesmo usando antenas na detecção de ondas eletromagnéticas.
Constituído por um conjunto que varia tipicamente de 4 a 12 elementos, o
sistema “antenas inteligentes” é capaz de enviar sinais na mesma direção que os capta,
além de rejeitar sinais indesejados (interferências). Ou seja, retomando a analogia
descrita acima, é como se você tivesse vários ouvidos que recebem e emitem sinais,
determinam sua direção e intensidade, e ignoram os sons indesejados.
As principais tecnologias de sistemas empregados em antenas inteligentes são:
ƒ
Lóbulo Comutado
Este sistema é constituído por múltiplos feixes de radiação fixos, de alta
sensibilidade (lóbulos principais de radiação), posicionados em uma direção prédeterminada (Fig. 3.35). As antenas inteligentes detectam a intensidade do sinal
recebido por um dos feixes pré-determinados e mudam para o feixe seguinte quando o
usuário se desloca.
Figura 3.35 – Vários feixes pré-determinados cobrem uma área determinada. O sinal é fornecido pelo
feixe que cobre a área em que o usuário se encontra (feixe mais escuro). Quando o usuário se desloca, o
feixe que fornece o sinal é comutado para o feixe que cobre a região da nova posição em que o usuário
passa a se encontrar.
69
ƒ
Lóbulo Adaptativo
Este sistema representa a mais avançada tecnologia em antenas inteligentes. Ele
consiste em um sofisticado processamento de sinais que adapta o diagrama de radiação
dinamicamente. Isso é feito de forma que: o lóbulo principal aponta para o usuário; os
lóbulos secundários apontam nas direções das componentes multi-trajeto do sinal
desejado; e os mínimos ou nulos de radiação apontam na direção das fontes de
interferência (Fig. 3.36). Este sistema atualiza continuamente esses dados de acordo
com as variações tanto no sinal desejado como na interferência. A vantagem que ele
possui reside na sua habilidade de efetivamente localizar e rastrear vários tipos de sinais
de modo a minimizar dinamicamente a interferência e maximizar o sinal recebido
Figuras 3.36 – Diagrama de radiação do lóbulo adaptativo. Observe que os usuários recebem o sinal de
um lóbulo principal, enquanto ficam na direção do nulo de radiação do sinal que é emitido para o outro
usuário.
Antenas inteligentes: vantagens
O uso de antenas inteligentes proporciona significativas vantagens. Com elas é
possível aumentar a capacidade de conexão a vários usuários ao mesmo tempo, além de
aumentar a confiabilidade do sinal, um dos parâmetros mais importantes na
comunicação celular hoje em dia. Somado a isso, o emprego deste sistema proporciona
um aumento na sensibilidade na captação do sinal, em comparação com o antigo
sistema que empregava uma antena de alta potência. Com o aumento da sensibilidade é
possível transmitir o mesmo sinal a uma distância maior com uma potência menor, em
comparação com o sistema antigo. Esta peculiaridade, além de possibilitar diminuir
possíveis incômodos em relação à população vizinha às proximidades da antena
transmissora, permite que o sinal emitido pelo telefone celular tenha também uma
menor potência, diminuindo a complexidade dos circuitos internos do telefone, bem
como reduzindo o tamanho das baterias usadas nesses aparelhos, fazendo com que eles
fiquem cada vez menores.
Outra vantagem é que este sistema permite que o sinal tenha menos reflexões
sucessivas antes de atingir o telefone móvel, já que a radiação emitida pela antena é
mais diretiva.
70
A seletividade das antenas inteligentes também permite “reconhecer” sinais
indesejados (interferências) e “moldar” o diagrama de radiação da antena
dinamicamente de forma reduzir ao máximo a interferência.
Todos estes fatores fazem com que as antenas inteligentes transmitam sinais de
forma segura, reduzindo muito a possibilidade desses sinais serem interceptados.
Você sabia que...
Uma das causas mais comuns que degradam o sinal é porque o mesmo atinge a antena
do telefone por diversos caminhos.
Os sinais refletidos em estruturas, principalmente em veículos e ônibus (Fig.
3.37), podem não chegar ao receptor em fase, fazendo com que a onda refletida,
combinada com a onda direta, afete o sinal recebido.
Figura 3.37 – Interferência por múltiplas reflexões: 1 – trajeto direto; 2 – reflexão em prédio e
em veículos (que bloqueiam o sinal de forma intermitente); 3 – reflexão no solo.
Essa interação pode, até mesmo, proporcionar interferência destrutiva entre os
sinais direto e refletido, reduzindo drasticamente a intensidade do sinal recebido a níveis
insuficientes para serem captados.
Uma outra possível razão da degradação do sinal é quando o sistema empregado
é o do lóbulo comutado. Quando o usuário se aproxima do limite de captação do feixe, o
sinal pode degradar e até se extinguir até que o sistema comute o sinal para o próximo
feixe.
Por fim, outra possibilidade de interferência no sinal é a reutilização da
freqüência. Ela ocorre quando:
ƒ o sinal de mesma freqüência atinge o mesmo usuário por duas antenas distintas;
ƒ o sinal que não atinge o pretendido usuário pode se tornar interferência para
usuários de mesma freqüência, na mesma célula ou em células adjacentes
(denomina-se célula a região de cobertura feita por uma antena transmissora).
71
Referências para aprofundamento
Como sugestão para aprofundar estudos referentes aos assuntos abordados nesta
Unidade, o livro ABC das Antenas, de autoria de Allan Lytel, explica conceitos sobre
ondas e eletromagnetismo, além de abordar as principais antenas de forma simplificada,
sendo uma boa indicação para o público em geral.
Na Internet é possível encontrar sítios de fabricantes de antenas que dão
informações sobre as antenas, suas características e diagramas de radiação. Também
encontramos páginas que explicam conceitos sobre antenas como no endereço
http://pt.wikipedia.org/wiki/Antena . Uma outra página interessante, localizada no
endereço http://paginas.terra.com.br/lazer/py4zbz/antenas/polarizacao.htm , aborda a
polarização das antenas através de simulações que são visualmente didáticas. Vale à
pena conferir.
72
Considerações Finais
Na Unidade 1 mostramos que há diferentes formas de propagação das ondas
eletromagnéticas em função da freqüência de oscilação da onda e das camadas da
atmosfera. Na Unidade 2 introduzimos a maneira como uma onda eletromagnética é
gerada pelas oscilações das cargas elétricas da antena através do circuito oscilante. Na
Unidade 3 enfatizamos que as antenas são de extrema importância pois são elas que
captam e emitem as ondas eletromagnéticas. Além de apresentarmos os principais tipos
de antenas, afirmamos também que as características das antenas transmissoras
determinam algumas das características da onda emitida e, em função disso, mostramos
como orientar as antenas para captarem melhor o sinal proveniente da antena
transmissora.
Apesar de termos abordado um assunto vasto e complicado, a intenção deste
texto foi fornecer uma introdução ao tema “geração, emissão, propagação e recepção de
ondas eletromagnéticas”.
Nós o convidamos, caro aluno, para continuar seus estudos, aprofundando-se no
assunto, com a leitura das referências bibliográficas sugeridas.
Bons estudos!
73
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