Antenas ressonantes vs. não ressonantes

 Durante muitos anos quando, não havia internet e os livros eram poucos e caros (o meu Manual de Antenas do R. Piat custou 2 semanas de almoços, com água!). o conhecimento era transmitido pelos mais velhos de viva-voz se moravam perto ou por carta, com esquemas e descrições, se distantes. Foi assim que construi a primeira Slim-Jim, esquema enviado, por correio, pelo FC Judd e treinei para o exame de telegrafia, com umas fotocópias e uma gravação em cassete, enviada por um colega da Irlanda.

Não havia um mercado de antenas para radioamador (fui a Lisboa comprar a minha primeira antena, uma GP marítima de fibra de vidro usada nos navios, porque para radioamador não havia) e, cada um, tinha de suprir as suas necessidades construindo a antena de que necessitava, o mais comum, com fio de cobre usado nas instalações elétricas.

Hoje na “era da comunicação” há muitas fontes (haja vontade!), desde as publicações (e discussão) nas redes sociais, livros e revistas e, presentemente, a AI-Inteligência Artificial cujo nível de conhecimento, inquestionavelmente, supera o conhecimento teórico de qualquer ex-aluno das engenharias! 

Vem isto a propósito de umas quantas afirmações que ouvi transmitir a novos radioamadores, sugerindo  o uso de antenas “não ressonantes” (p. ex. um fio de comprimento aleatório com a ajuda de um AT-sintonizador de antena) desvalorizando as “antenas ressonantes” (claro, as teorias não constroem antenas, é preciso investigação, conhecimento e experimentação!).

Não vá alguém pensar que os fabricantes/comerciantes são uns ladrões e que, em vez de antenas bastava venderem simples “varas de aluminio” ou rolos de fio, não me conformando com o que ouvi e porque opiniões há muitas (!), recorri às bases de dados da AI/IA-Inteligência Artificial que devolveu os conceitos abaixo.  

Basta fazer perguntas!

Sirvam-se!

Antenas ressonantes vs. não ressonantes

O funcionamento das antenas ressonantes foi primeiramente compreendido pelo físico alemão Heinrich Hertz. Em 1888, Hertz realizou experiências pioneiras que demonstraram a existência de ondas eletromagnéticas, previstas pela teoria eletromagnética de James Clerk Maxwell. Essas experiências incluiam o uso de antenas dipolo, que são um tipo de antena ressonante.

A distinção entre antenas ressonantes e não ressonantes começou a ser explorada mais profundamente no início do século XX, à medida que a tecnologia de rádio e telecomunicações avançava. A necessidade de entender melhor o comportamento das antenas em diferentes frequências levou os engenheiros e cientistas a investigar como as antenas ressonantes, que operam eficientemente em frequências específicas, diferem das antenas não ressonantes, que podem operar numa faixa mais ampla de frequências, sob compromisso e com menor eficiência.

Essas investigações foram impulsionadas pelo desenvolvimento de sistemas de comunicação mais complexos e pela necessidade de otimizar a transmissão e receção de sinais de rádio.

A teoria das antenas evoluiu significativamente durante esse período, com contribuições importantes de cientistas como Guglielmo Marconi e Nikola Tesla.

A história e evolução das antenas ressonantes e não ressonantes refletem o desenvolvimento da tecnologia de comunicação ao longo do tempo.

Antenas ressonantes

As antenas ressonantes, como os dipolos, foram fundamentais nas primeiras experiências de rádio. Heinrich Hertz, no final do século XIX, demonstrou a existência de ondas eletromagnéticas usando antenas ressonantes. Essas antenas são projetadas para operar eficientemente em frequências específicas, o que as torna ideais para aplicações onde a precisão e a eficiência são cruciais, como em transmissões de rádio e televisão.

Antenas Não Ressonantes

As antenas não ressonantes, por outro lado, surgiram como uma solução para a necessidade de operar numa ampla gama de frequências, principalmente, em situações de mobilidade. Elas são menos eficientes em termos de ganho e diretividade, mas oferecem maior flexibilidade. Um exemplo clássico é a antena T2FD (Tilted Terminated Folded Dipole), desenvolvida durante a Segunda Guerra Mundial para comunicações militares, onde a capacidade de operar em múltiplas frequências era vital.

Evolução e Aplicações

Com o avanço da tecnologia, a dicotomia entre antenas ressonantes e não ressonantes tornou-se mais pronunciada. As antenas ressonantes continuam a ser usadas em aplicações onde a eficiência é crucial, como em estações de transmissão de rádio e televisão. As antenas não ressonantes, por sua vez, são utilizadas em comunicações móveis e sistemas de radar, onde a capacidade de operar em várias frequências é mais importante do que a eficiência máxima numa única frequência.

Conclusão

A escolha entre antenas ressonantes e não ressonantes depende das necessidades específicas de cada aplicação. Enquanto as antenas ressonantes oferecem alta eficiência em frequências específicas, as não ressonantes proporcionam flexibilidade e capacidade de operar em uma ampla gama de frequências, porém, com necessidade de ajuste de sintonia sempre que se afasta da frequência sintonizada.

Uma antena não ressonante sempre necessita de um adaptador de impedância para funcionar de maneira eficiente. Isso ocorre porque a impedância da antena varia significativamente com a frequência, e um adaptador de impedância ajuda a garantir que a máxima quantidade de energia seja transferida entre a antena e o transmissor.

Sem um adaptador de impedância, a desadaptação resulta em perda de sinal, menor eficiência e possíveis danos ao equipamento de transmissão.

A inserção de um sintonizador ou adaptador de impedância num sistema de 50 Ohms pode provocar perdas de potência, conhecidas como perdas de inserção. Essas perdas ocorrem devido à resistência interna e outras características do adaptador que podem dissipar parte da energia do sinal.

No entanto, essas perdas são geralmente pequenas em comparação com as perdas devido a uma desadaptação de impedância. A desadaptação pode causar reflexões de sinal significativas, resultando numa perda de potência muito maior e possível distorção do sinal.

Portanto, o uso de um adaptador de impedância é essencial para garantir uma transferência eficiente de energia entre o transmissor, o cabo coaxial e a antena, minimizando as perdas totais no sistema.

 

Minimizar as perdas de potência ao usar um sintonizador ou adaptador de impedância num sistema de 50 Ohms envolve alguns conhecimentos, práticas e considerações importantes:

1. Escolha de Componentes de Alta Qualidade

Utilize adaptadores e sintonizadores de alta qualidade, projetados para minimizar perdas de inserção. Componentes de qualidade inferior podem introduzir perdas adicionais.

2. Impedância Correta

Certifique-se de que o adaptador de impedância está corretamente ajustado para a impedância do sistema (50 Ohms). Uma correspondência precisa reduz as reflexões de sinal e melhora a eficiência.

3. Cabo Coaxial de Baixa Perda

Use cabos coaxiais de baixa perda, especialmente em frequências mais altas. Cabos de alta qualidade com menor atenuação ajudam a preservar a potência do sinal.

4. Conexões Firmes e de Baixa Resistência

Garanta que todas as conexões sejam firmes e de baixa resistência. Conexões frouxas ou oxidadas podem introduzir perdas adicionais.

5. Minimização de Comprimento de Cabos

Mantenha os cabos coaxiais o mais curtos possível. Cabos mais longos introduzem mais perdas devido à atenuação ao longo do comprimento do cabo.

6. Uso de Adaptadores de Baixa Perda

Escolha adaptadores de impedância que sejam especificamente projetados para ter perdas mínimas. Alguns adaptadores são otimizados para diferentes faixas de frequência e podem oferecer melhor desempenho.

7. Manutenção Regular

Realize manutenção regular no sistema para garantir que todos os componentes estejam em boas condições. Substitua cabos e conectores desgastados ou danificados.

8. Ajuste Preciso do Sintonizador

Ajuste o sintonizador de impedância com precisão para a frequência de operação desejada. Um ajuste preciso minimiza as perdas de inserção e maximiza a transferência de potência.

9. Uso de Ferramentas de Medição

Utilize ferramentas de medição, como analisadores de espectro e medidores de potência, para verificar a eficiência do sistema e identificar quaisquer fontes de perda.

Seguindo essas práticas, você pode minimizar as perdas de potência e garantir uma operação mais eficiente do seu sistema de comunicação.

Para calcular a diferença de potência irradiada entre uma antena ressonante e uma antena não ressonante com um SWR (Standing Wave Ratio) de 3.1, precisamos entender como o SWR afeta a eficiência da antena.

Cálculo da Potência Irradiada

1.    Antena Ressonante:

o    Uma antena ressonante bem ajustada terá um SWR próximo de 1:1, o que significa que quase toda a potência do transmissor é irradiada pela antena.

o    Para um sinal de 100W, a potência irradiada será aproximadamente 100W.

2.    Antena Não Ressonante com SWR de 3.1:

o    Um SWR de 3.1 indica que há uma desadaptação significativa entre a antena e a linha de transmissão.

o    A fórmula para calcular a perda de potência devido ao SWR é:

Perda de Potência (dB)=10log⁡10(1+SWR24⋅SWR)Perda de Potência (dB)=10log10​(4⋅SWR1+SWR2​)

o    Substituindo SWR = 3.1:

Perda de Potência (dB)=10log⁡10(1+3.124⋅3.1)≈1.25 dBPerda de Potência (dB)=10log10​(4⋅3.11+3.12​)≈1.25 dB

o    A perda de potência em dB pode ser convertida em uma razão de potência:

Razão de Potência=10(−1.2510)≈0.75Razão de Potência=10(10−1.25​)≈0.75

o    Portanto, a potência irradiada pela antena não ressonante será:

Potência Irradiada=100W×0.75=75WPotência Irradiada=100W×0.75=75W

Conclusão

·         Antena Ressonante: Irradia aproximadamente 100W.

·         Antena Não Ressonante com SWR de 3.1: Irradia aproximadamente 75W.

Portanto, a diferença de potência irradiada entre uma antena ressonante e uma antena não ressonante com um SWR de 3.1 é de cerca de 25W.

Optar por antenas ressonantes pode ser uma escolha mais eficaz e económica a longo prazo. Aqui estão alguns pontos a considerar:

Vantagens das Antenas ressonantes

1.    Maior Eficiência: Antenas ressonantes são projetadas para operar em frequências específicas, o que maximiza a eficiência da transmissão e recepção de sinais.

2.    Menor Necessidade de Ajustes: Uma vez instaladas e ajustadas corretamente, as antenas ressonantes geralmente não requerem ajustes frequentes.

3.    Custo-Benefício: Embora possam ser mais trabalhosas para instalar inicialmente, elas eliminam a necessidade de um sintonizador caro, reduzindo os custos operacionais a longo prazo.

Considerações sobre Sintonizadores

1.    Custo Adicional: Sintonizadores de alta qualidade podem ser caros e adicionar um custo significativo ao sistema.

2.    Perdas de Inserção: Como discutido anteriormente, sintonizadores podem introduzir perdas de potência, reduzindo a eficiência geral do sistema.

3.    Complexidade: A adição de um sintonizador aumenta a complexidade do sistema, o que pode exigir mais manutenção e ajustes.

Conclusão

Se a aplicação permite o uso de antenas ressonantes e a faixa de frequência é relativamente estável, optar por antenas ressonantes pode ser a melhor escolha em termos de eficiência e custo.

Uma antena ressonante pode operar eficientemente em múltiplos do comprimento de onda fundamental. Isso significa que, além da frequência ressonante principal, a antena também pode funcionar bem em frequências que são múltiplos inteiros dessa frequência.

Exemplo de Antena Dipolo

Por exemplo, uma antena dipolo ressonante em 7 MHz (comprimento de onda de aproximadamente 40 metros) também pode operar eficientemente em 14 MHz, 21 MHz e 28 MHz, que são os harmônicos (múltiplos inteiros) da frequência fundamental.

Vantagens

·         Flexibilidade: Permite a operação em várias bandas sem a necessidade de ajustes adicionais.

·         Eficiência: Mantém uma boa eficiência em múltiplas bandas, aproveitando as propriedades ressonantes da antena.

Considerações

·         Comprimento Físico: O comprimento físico da antena deve ser adequado para suportar essas múltiplas bandas.

·         Impedância: A impedância da antena pode variar em diferentes harmónicas, então é importante garantir que o sistema esteja bem ajustado para cada banda de operação.

Essa característica torna as antenas ressonantes muito versáteis para aplicações em radioamador e outras comunicações onde múltiplas bandas são desejáveis.