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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-a-dia, 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.

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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:

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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.

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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 co-dependentes: 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

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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

Comprimento de onda

ondas muito longas

VLF - Very Low Frequency Freqüência muito baixa 3 a 30 kHz 10 km - 100 km

ondas quilométricas ondas longas

LF - Low Frequency Freqüência baixa 30 a 300 kHz 1 km - 10 km

ondas hectométricas ondas médias

MF - Medium Frequency Freqüência média 300 a 3000 kHz 100 m - 1 km

ondas decamétricas ondas curtas ou tropicais

HF - High Frequency Freqüência alta 3 a 30 MHz 10 m - 100 m

ondas métricas ondas muito curtas

VHF - Very High Frequency Freqüência muito alta 30 a 300 MHz 1 m - 10 m

ondas decimétricas ondas ultra curtas

UHF – Ultra High Frequency Freqüência ultra alta

300 a 3000 MHz 10 cm - 1 m

ondas centimétricas microondas

SHF – Super High Frequency Freqüência super alta 3 a 30 GHz 1 cm - 10 cm

ondas milimétricas

EHF - Extremely High Frequency Freqüência extremamente alta 30 a 300 GHz 1 mm - 1 cm

Tabela 1.1 – O espectro de radiofreqüência: designações e faixas.

Tabela 1.2 – O espectro de radiofreqüência e a escala de freqüências.

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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.

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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.

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.

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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.

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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.

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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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(a)

(b)

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.

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.

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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.

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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!

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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

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 curto-circuito). 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.

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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.

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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.

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.

35Figura 2.11 – Linha de indução magnética ao redor de um imã.

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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).

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.

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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.

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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.

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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 oscilando em fase.

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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.

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.

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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.

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Há casos em que é necessária a transmissão de várias informações numa mesma faixa de freqüências. Pode–se conseguir isso através de polarização cruzada: transmite-se 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.

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).

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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).

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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).

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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.

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(a)

(b) Figura 3.6 – (a) Dipolo dobrado. (b) Dipolo triangular.

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!).

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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).

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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”.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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, re-irradiarão 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).

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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).

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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).

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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.

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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.

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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 Faixa (MHz)2 54 – 60 3 60 – 66 4 66 – 72 5 76 – 82 6 82 – 88 7 174 – 180 8 180 – 186 9 186 – 192

10 192 – 198 11 198 – 204 12 204 – 210 13 210 – 216

Tabela 3.1 – Canalização de TV para faixa de VHF

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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 até serviço observação470 MHz 476 MHz Televisão UHF Canal 14 476 MHz 482 MHz Televisão UHF Canal 15 482 MHz 806 MHz Televisão UHF Canal 16

... ... ... ... 884 MHz 890 MHz Televisão UHF 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).

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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).

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Figura 3.26 – Sistema “Focal Point”.

Figura 3.27 – Captação do sinal do sistema “Focal Point”.

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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 sub-refletor, 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”.

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Figura 3.30 – Captação do sinal da antena “Cassegrain”.

Figura 3.31 – Antena “Cassegrain”.

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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).

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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.

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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:

Lóbulo Comutado

Este sistema é constituído por múltiplos feixes de radiação fixos, de alta

sensibilidade (lóbulos principais de radiação), posicionados em uma direção pré-determinada (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.

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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.

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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: o sinal de mesma freqüência atinge o mesmo usuário por duas antenas distintas; 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).

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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.

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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!

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