Compreendendo o ganho, largura de feixe e diretividade da antena

O ganho da antena é um indicador de desempenho medido em comparação a uma fonte de referência. Na engenharia de conformidade, o ganho da antena é medido em decibéis sobre o plano isotrópico (dBi), referindo-se a uma antena isotrópica, uma antena “ideal” que transmite e recebe energia uniformemente em todas as direções, exibindo um ganho de 0 dBi (Fig. 1).

Em uma antena de transmissão, o ganho descreve a capacidade da antena de converter a potência de saída em ondas de rádio, enviadas em uma direção especifica.

Em uma antena de recepção, o ganho descreve a capacidade da antena de converter ondas de rádio (vindas de uma direção especifica) em potência elétrica.

Figura 1 - Ganho de Antena

Este artigo tende a explicar de forma simples como é o ganho de uma antena e eliminar alguns dos equívocos em torno dessa valiosa métrica. Também discutir o ganho típico de determinados tipos de antenas comuns e fornece ferramentas para calcular parâmetros vitais relevantes para o ganho da antena.

Como funciona o ganho de antena?

Em primeiro lugar, instigar alguns fabricantes e alguns setores da engenharia de transmissão a utilizar dBd nas informações dos produtos (ganho em relação a uma antena dipolo) como uma métrica, em vez de dBi.

Observe que dBd é inerentemente maior, definido como ganho de 2,15 dBi.

Essa disparidade se deve aos diferentes padrões de radiação das antenas; imagine um padrão de ganho de antena isotrópica como uma esfera e um dipolo padrão da antena em forma de um Donut, uma Rosquinha, resultante do feixe mais focado do último.

Da mesma forma, ao lidar com antenas de transmissão, o ganho numérico pode ser usado em vez de dBi para calcular a intensidade de campo que uma antena é provável de produzir. Para os fins deste artigo, continuaremos focados em recepção cujo ganho é quantificado em dBi.

A seguir, vamos examinar como o ganho funciona: imagine um balão perfeitamente simétrico que representa uma antena isotrópica. Se você fosse apertar as laterais do balão, as pontas se projetarão. Essa analogia é a essência do ganho; o padrão criado pelo balão teórico representa o ganho da antena em teste neste artigo, alterando o ganho “aperte o balão” se muda o padrão de radiação desta antena. Além disso, o ganho de uma antena pode variar em sua faixa de frequência por uma série de razões.

Por exemplo, uma antena de banda larga é sintonizada em uma parte da faixa de frequência ou em outra, ou uma infinidade de antenas podem ser combinados em uma matriz, criando um efeito cascata.

Mesmo as antenas de “ganho constante” operam dentro de uma faixa de ganho estreita. Considere que guias de onda abertos (que cobrem uma banda muito estreita) exibem ganho razoavelmente constante. Essa antena pode ser uma antena de ganho de 15 dBi, mas na verdade flutua entre 14 dBi e 16 dBi, com média de essencialmente 15 dBi e registrando uma resposta plana.

A compensação de faixa de frequência vem em potência; ao criar uma antena para operar em uma faixa de frequência mais ampla, você desiste de alguns dos desempenhos da antena. Essa realidade se opõe diretamente ao equívoco comum de que o ganho da antena é análogo ao ganho do amplificador: o ganho adicional da antena não cria energia, seja no campo adicionado ou na tensão.

O ganho da antena também tem uma correlação direta com a diretividade da antena e a largura do feixe. Antenas de maior ganho alcançam potência extra por foco em uma área reduzida; portanto, quanto maior o ganho, menor a área coberta (medida em graus de largura do feixe). Ganho da antena e a largura do feixe sempre são inversamente proporcionais.

Voltando à analogia do balão, quanto mais forte você aperta, mais longe as outras áreas do balão irão, pois sua energia está direcionando para uma área menor. Este ato de direcionar o foco reduz a largura do feixe; consequentemente, a cobertura do produto em teste é reduzida. Este cenário representa ganho crescente.

Essa analogia pode ser relacionada a todas as variações de ganho. O ganho pode variar em toda a faixa de frequência da antena, o que significa que a sua cobertura não é consistente nessa faixa de frequência.

Assim, ao projetar especificações de teste ou realizar um teste, certifique-se de que você está aplicando adequadamente a cobertura de largura de feixe para determinada antena.

Figura 2 - Largura do Feixe

Utilizar cálculos para ajudá-lo a conseguir a cobertura máxima de uma antena (largura do feixe) de uma distância especificada, bem como sua meia potência da largura do feixe. Além disso, os cálculos num projeto podem ajudá-lo a determinar a intensidade do campo real ou densidade de potência (em V / M) a uma determinada distância com um ganho de antena conhecido.

Mais uma vez, vale a pena enfatizar que o ganho mais alto da antena nem sempre é vantajoso. As vantagens de diminuir ou aumentar o ganho dependem da aplicação (embora as compensações inerentes permaneçam as mesmas).

Por exemplo, se você estiver testando um veículo, o ganho é mais vantajoso em um produto menor.

Dito isso, todas as antenas devem obedecer às leis da física; você só pode extrair muito ganho de certas antenas.

Propriedades Típicas de Tipos Comuns de Antena

Small Loop Antenas

Ganho: 2 dBi máx.

Largura do feixe de meia potência: 80 graus x 360 graus

Antenas Monopolo

Ganho: 6 dBi no máximo

Largura do feixe de meia potência: 45 graus x 360 graus

Antenas bi cônicas

Ganho: até 4 dBi

Largura do feixe de meia potência: 20-100 graus x 360 graus

λ / 2 Dipolo (Antenas Dipolo de Meia Onda)

Ganho: 2,15 dBi

Largura do feixe de meia potência: 80 graus x 360 graus

Antenas Log periódicas

Ganho: 6 a 10 dBi

Largura do feixe de meia potência: 60 graus x 80 graus

Conclusão

O ganho da antena é um aspecto fundamental tanto do projeto quanto do teste do sistema. Compreender como o ganho funciona e como isso afetará seu projeto e o funcionamento dele.

Os parâmetros da antena são vitais para economizar tempo e orçamento, bem como para garantir que a antena resultante funcione conforme o esperado.

Os fabricantes tem o diagrama de radiação Horizontal e Vertical, se baseie neles para fazer os cálculos de seu projeto, é de importância sumária para que tudo saia como o planejado, evitando de no final de uma instalação você tenha que trocar de antena para melhorar o sistema.

*dBi = Decibel isotrópico

*dBd = Decibel relativo ao Dipolo

Ronaldo Wilmann Cidade

Diretor Técnico
CFT 49160290030
 

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