antenas de transmision

Utilização de Antenas de Transmissão

Lista de Figuras 74

Lista Figuras

Capítulo 1 – Conceitos e Definições

Figura 1 – Questão 02

Figura 2 – Antena 03

Figura 3 – Definição de Diagrama de Radiação 04

Figura 4 – Sistema de coordenadas do Diagrama de Radiação 04

Figura 5 – Tipos de Diagrama de Radiação 05

Figura 6 – Classificação de Diagrama de Radiação 06

Figura 7 – Exemplo de Diagrama de Radiação 06

Figura 8 – Partes do Diagrama de Radiação 08

Figura 9 – Diagrama de Radiação escala 1 dB / div 08

Figura 10 – Diagrama de Radiação escala 3 dB / div 08

Figura 11 – Diagrama de Radiação escala linear 09

Figura 12 – Ganho diretivo 09

Figura 13 – Diretividade 10

Figura 14 – Eficiência de Radiação e Ganho 11

Figura 15 – Impedância de entrada 12

Figura 16 – Largura de Faixa 13

Figura 17 – Polarização 13

Figura 18 – Elipse de Polarização 14

Figura 19 – Regiões de Campo 15

Capítulo 2 – Tipos de Antenas

Figura 20 - Tipos de antenas para TV e FM 16

Figura 21 - Yagi - Uda 17

Figura 22 – Yagi UHF 17

Figura 23 – Yagi VHF 17

Figura 24 – Log – Periódica 18

Figura 25 – Log-Periódica - VHF 19

Figura 26 – Painel Dipolos DMO / DOC 19

Figura 27 – Painel Dipolos Cruzados TV 20

Figura 28 - Painel Dipolos Cruzados FM 20

Figura 29 - Painel Dipolos VHF B ½ 21

Figura 30 – Painel Dipolos VHF B3 21

Figura 31 – Painel Dipolos VHF B3 22

Figura 32 – Painel Dipolos UHF 22

Figura 33 – Painel H 22

Figura 34 – Painel H – VHF – B2 23

Figura 35 – Superturnstile 23

Figura 36 – Superturnstile VHF B2 23

Figura 37 – Parabólica 24

Figura 38 – Slot 24

Figura 39 – Slot VHF B3 25

Figura 40 – Slot UHF 25

Figura 41 – FM Seta / Anel 26

Figura 42 – FM Seta 26

Figura 43 – FM Anel 26

Capítulo 3 – Arranjo de Antenas

Figura 44 – Definição Arranjo de Antenas 28

Figura 45 – Tipos 28

Figura 46 – Graus de Liberdade vs. Tipo de arranjo 29

Figura 47 – Exemplos 30

Figura 48 – Horizontal 30

Figura 49 – Variação da quantidade de faces 31

Figura 50 – Variação da potência pôr face 31

Figura 51 – Variação da fase por face 32

Figura 52 – Variação do afastamento da face 32

Figura 53 – Deslocamento lateral (Off-set) 33


Lista de Figuras 75

Figura 54 – Offset 34

Figura 55 – Deslocamento diagonal 35

Figura 56 – Vertical 36

Figura 57 – Variação da quantidade de níveis 36

Figura 58 – Variação da potência por nível 37

Figura 59 – Variação da fase por nível 37

Figura 60 – Variação da separação por nível 38

Figura 61 – Variação do afastamento da face 39

Figura 62 – Inclinação ou “Tilt” 39

Capítulo 4 – Tilt e Null Fill

Figura 63 – Tilt e Null Fill 41

Figura 64 – Tilt Elétrico e Tilt Mecânico 42

Figura 65 – Intensidade de campo vs. Tilt e Null fill 42

Figura 66 – Distância do Nulo # vs. Ganho Vertical da antena 43

Capítulo 5 – Montagem da Antena na Torre

Figura 67 – Montagem da antena na torre 44

Figura 68 – Opção Topo 44

Figura 69 – Opção Lateral 45

Figura 70 – Opção Topo + Lateral 46

Capítulo 6 – Deformação de Diagrama / Ecos

Figura 71 – Deformação de Diagrama 47

Figura 72 – Deformação @ Lateral vs. Torre 48

Figura 73 – Deformação @ Lateral direcional 48

Figura 74 – Deformação @ Lateral ominidirecional 49

Figura 75 – Deformação @ Topo 49

Figura 76 – Deformação @ Sítio de Torres 50

Figura 77 – Deformação @ Sítio de torres 51

Figura 78 – Deformação @ Projeto 52

Figura 79 – Ecos no Vídeo analógico de – modulado 52

Figura 80 – Ecos no vídeo analógico demodulado 53

Figura 81 – Descasamento de Impedância – domínio do tempo 54

Figura 82 – Descasamento de Impedância – domínio da frequência 55

Capítulo 7 – Critérios de Instalação

Figura 83 – Critérios de Instalação 56

Figura 84 e 85 – Painel H 57

Figura 86 e 87 – Slot 58

Figura 88 e 89 – Superturnstile 59

Figura 90 – Painel H 60

Figura 91 e 92 – Painel Dipolos VHF 61

Figura 93 – Yagi 61

Capítulo 8 – Critérios de Especificação - TV

Figura 94 – Especificação de Faixa / Aplicação 63

Figura 95 – Especificação de Diagrama / Ganho 63

Figura 96 – Especificação de Potência Operação 64

Figura 97 – Especificação de Montagem / Vento 64

Capítulo 9 – Sistemas Radiantes para DTV

Figura 98 – Sistemas de Televisão Avançada 65

Figura 99 – Sinal de RF em ATV 65



Figura 102 – Contorno de Cobertura 68

Figura 103 e 104 – Perda de Cobertura 69

Figura 105 – Planta de Transmissão 69

Figura 106 – Características Antenas para ATV 70

Figura 107 – Diagrama Vertical (8bay) 71

Figura 108 – Diagrama Vertical ( 16 bay) 71

Figura 109 – Diagrama Horizontal 72

Figura 110 – Diretrizes de Especificação 73


Capítulo 1 – Conceitos e Definições de Antenas 1

INDICE

Introdução............................................................................................. 01

Capítulo 1 – Conceitos e Definições de Antenas.............................. 02

Capítulo 2 – Tipos de Antenas e suas propriedades........................ 16

Capítulo 3 – Arranjo de Antenas........................................................ 28

Capítulo 4 – Tilt e Null Fill.................................................................... 41

Capítulo 5 – Montagem da Antena na torre....................................... 44

Capítulo 6 – Deformação de Diagrama / Ecos................................... 47

Capítulo 7 – Critérios de Instalação................................................... 56

Capítulo 8 – Critérios de Especificação............................................. 63

Capítulo 9 – Sistemas Radiantes para DTV........................................ 65

Lista das Figuras................................................................................... 74

INTRODUÇÃO

A agenda do curso está dividida em 10 capítulos quepretendem abordar de maneira simples, objetiva e sem formulaçõesmatemáticas complexas os principais conceitos necessários para umamelhor compreensão prática dos fenômenos associados aofuncionamento de antenas.

A abordagem deste curso é de natureza puramente aplicada edirecionada aos aspectos relacionados à especificação, seleção einstalação/operação de antenas para transmissão de sinais de som eimagem, quer dizer, antenas para radiodifusão dos serviços de FM eTelevisão.

O curso foi concebido com base na observação das dúvidasconceituais mais freqüentes de profissionais usuários de antenas e naconstatação da carência de um programa atualizado de treinamento emsistemas de antenas de transmissão, razão do título.



Figura 1 – Conceitos e Definições – QuestãoO tempo médio entre falhas ou MTBF de transmissão é,portanto, função direta da qualidade técnica do transmissor e daqualidade técnica da antena.Figura 1 - Questão

Levantamos este ponto para mais uma vez chamar a atenção aofato de que muitas vezes se realiza um investimento maciço unicamentena redundância do equipamento transmissor, ignorando-se, ou pelomenos dando-se menor importância à redundância da antena, quandobem sabemos que, na realidade, de pouco irão adiantar doistransmissores operando quando na ocorrência de falha da antena.

Em suma, a questão chave ao redor de um sistema detransmissão para que o mesmo alcance o sucesso pretendido, ésimplesmente a abordagem correta e prudente (sob o ponto de vista deengenharia) de não se desprezar a antena de transmissão e relegar aum segundo plano a sua especificação e implementação neste sistema.

Esperamos que estas colocações, embora simples e objetivas,tenham conseguido ilustrar de maneira clara o grau de relevância eresponsabilidade da antena em um sistema de transmissão profissional.

CONCEITOS E DEFINIÇÕES DE ANTENAS

Ocorre na prática cotidiana de implementação de sistemas detransmissão uma situação muito similar àquela que muitos de nós,engenheiros ou técnicos, já passamos algum dia durante um projeto quedesenvolvemos aonde, ao final, constatamos que uma determinadafunção, supostamente estanque e de pouca importância no início doprojeto revelou-se no final muito mais complexa e o que é pior,determinante do funcionamento do nosso equipamento; quem já nãodeve ter “sofrido” algum dia com problemas de fonte de alimentação? eposteriormente se convencido que o projeto deveria ter começado poresta função supostamente “banal” !.

A American Radio Relay League, associação Norte-Americanade rádio amadores, chama a atenção para este assunto escrevendo nacontracapa de seu clássico “Handbook of Antennas” a frase:

- “uma estação é tanto eficiente quanto a sua antena”

Nesta frase, a palavra eficiência traduz a capacidade daestação estabelecer comunicação com maior ou menor grau dequalidade, de onde se conclui que a antena é um dos elementos quedetermina a qualidade da estação.

O dimensionamento da qualidade ou, neste contexto, área decobertura de uma estação é determinado na fase de projeto peloparâmetro Potência ERP (ERP= Effective Radiated Power), que é dadopelo produto da potência do transmissor, Ganho de potência da antena eeficiência do sistema de transmissão (retomaremos a questão daeficiência como aparece nesta equação em uma figura posterior).Verifica-se de forma bastante simples portanto que a antena contribui diretamentena magnitude da área de cobertura.

Por outro lado a confiabilidade de uma estação isto é, o períodode tempo em que o serviço está disponível para os telespectadores é, senão o principal , um dos fatores determinantes do sucesso comercial daoperação e é completamente determinada pela confiabilidade dotransmissor e confiabilidade da antena.

“Uma estação é tanto eficiente quanto a sua antena” - arrl

ERP = Potência Tx * Ganho Antena * eficiência

MTBF Tx = F (transmissor , antena)

Questão ?



Figura 2 - Antena

Como definir uma antena de forma intuitiva e descomplicada ?

Se recorrermos ao dicionário (Aurélio) lê-se:Def.1. Parte de um transmissor cujo potencial varia

rapidamente, irradiando para o espaço ondas eletromagnéticas;Def.2. Parte de um receptor de rádio que capta a energia

eletromagnética, introduzindo-a no aparelho sob forma de impulsoselétricos;

Def.3. Estrutura metálica, fio ou conjunto de fios com asmesmas funções na Def.1 e Def.2.

Por outro lado, definir uma antena sob o ponto de vista dafísica associada ao seu funcionamento e do modelo matemático que odescreve representa uma ciência a parte e foge portanto do escopo denossa abordagem.

Numa visão mais aplicada e compatível com os objetivos deste texto, oconceito que entendemos ser mais adequado para antena é aqueleassociado como sendo o elemento pertencente a um sistema detransmissão e/ou recepção de sinais que tem como função radiar /captarondas eletromagnéticas, adaptando a energia (contida nas ondaseletromagnéticas) entre um meio confinado (uma linha de transmissão) eum meio não confinado (espaço livre ou éter).

Nesta linha de raciocínio, pode-se facilmente avançar noconceito e afirmar que uma antena nada mais é (sem medo desimplificar) do que um transdutor de ondas eletromagnéticas entre meioscom propriedades distintas de propagação de energia. Uma antenaadapta portanto a impedância entre a linha coaxial de transmissão desaída de um TX (50 ohms) e a impedância do espaço livre (120*π ou 377ohms).

A maneira como esta adaptação de energia acontece definepropriedades fundamentais das antenas pois:

§ pode-se dar de forma controlada ao longo do espaço aoredor da antena (de onde surge o conceito de diagramade radiação tridimensional);

§ pode-se dar com maior ou menor eficiência em umadada direção comparativamente à uma antena dereferência (de onde surge o conceito de ganho);

§ pode-se dar numa faixa de freqüência maior ou menor(de onde surge o conceito de largura de faixa);

§ pode-se dar com maior ou menor perda de energia (deonde surge o conceito de VSWR);

§ pode-se dar em uma determinada orientação depropagação do campo elétrico em detrimento de outraorientação (de onde surge o conceito de polarização)

Estes conceitos fundamentais de antenas , bem como outrosserão elaborados nas próximas figuras.

• Antena

Elemento de um sistema de transmissão ou de recepção designado para radiar ou captar ondas eletromagnéticas.

Transdutor de ondas eletromagnéticas entre um meio confinado e o espaço livre.

377 Ω Zo



Figura 3 – Definição de Diagrama de Radiação

Talvez a principal propriedade de uma antena que desejamosconhecer / especificar numa primeira análise seja o seu diagrama deradiação, pois é a propriedade com um apelo intuitivo mais imediato eque traduz o comportamento da antena quanto à sua capacidade dedistribuir espacialmente (ao seu redor) a energia aplicada em seusterminais de entrada.

Genericamente, diagrama de radiação é a representaçãográfica da distribuição espacial das propriedades de radiação da antena,tomadas sobre uma superfície imaginária no espaço chamada de “esferade radiação” onde a antena em análise está hipoteticamente disposta noseu centro.

Quais seriam portanto as propriedades de radiação de umaantena que estamos interessados em caracterizar, ou melhor,representar pôr intermédio de diagramas de radiação ? São elas(principais):

§ Potência§ Intensidade de campo§ Fase§ Polarização

Logo, para cada uma das propriedades acima podemosassociar um diagrama de radiação espacial específico, tambémchamado de diagrama de radiação tridimensional (3D), que representegraficamente como a potência, intensidade de campo, fase e polarizaçãose distribui ao redor da antena.

Para fins de projeto e com maior aplicação na prática,restringe-se entretanto a publicação apenas de diagramas de radiaçãode potência e de intensidade de campo, representados graficamente noformato polar ou no formato retangular e utilizando escala com passolinear ou escala com passo em dB (em figuras posteriores serãoevidenciadas as diferenças entre utilizar escala com passo linear eescala com passo em dB bem como as diferenças entre utilizar oformato polar ou retangular ).

Figura 4 – Sistema de coordenadas do Diagrama de Radiação

Da figura anterior pode ter ficado a dúvida do que sãoexatamente os formatos polar e retangular, pois afirmamos quegenericamente o diagrama de radiação é determinado sobre uma esferaque envolve a antena, portanto fisicamente teremos uma distribuição deenergia espacial que precisamos traduzir numa representação gráficainteligível para fins de projeto.

• Diagrama de Radiação

É a representação gráfica da distribuição espacial das propriedades de radiação da antena :

Potência, Intensidade de campo ,Fase, Polarização

Emprega - se : • Formato polar ou Formato retangular

• Escala linear (valor absoluto) ou logarítmica (em dB)


Na prática especificam - se apenas os cortes principais do diagrama 3D da antena :

• Diagrama de Azimute ≡ horizontal [ θ fixo , Φ vari á vel]

• Diagrama de Elevação ≡ vertical [ Φ fixo , θ vari á vel]

x

y

z

antena

x

y

z

θ

Φ



O que ocorre na prática é uma simplificação, isto é,especificam-se apenas os cortes (ou fatias da esfera de radiação)principais do diagrama 3D da antena, estes cortes principais são oscortes de azimute (horizontal) e os cortes de elevação (vertical) os quaisefetivamente são empregados em projeto.

Observando a Fig. 4, se imaginarmos a antena posicionada nocentro de um sistema de coordenadas x,y,z onde o eixo x estáperpendicular ao plano da figura (portanto um eixo saindo da figura emnossa direção), pode-se definir dois cortes principais na esferaimaginária que envolve a antena e associar cada um destes cortes aosistema de coordenadas x,y,z, quais sejam :§ Corte de azimute = fatia da esfera de radiação onde as

propriedades de radiação da antena são verificadas no plano x ,y ou , intuitivamente, no plano horizontal;

§ Corte de elevação = fatia da esfera de radiação onde aspropriedades de radiação da antena são verificadas no plano z ,y ou , intuitivamente, no plano vertical.

Mais precisamente, se chamamos theta (θ) o ângulo tomadoentre o eixo z e o vetor formado da origem do sistema de coordenadasx,y,z até um ponto qualquer sobre a esfera de radiação e chamamos phi(φ) o ângulo tomado entre o eixo x e o vetor formado da origem dosistema de coordenadas x,y,z até um ponto qualquer sobre a esfera deradiação, podemos ampliar a definição do parágrafo anterior e afirmarque o corte de azimute é qualquer corte da esfera de radiação onde oângulo theta permanece fixo (normalmente em 90 graus) e o ângulo phivaria, similarmente, podemos afirmar que o corte de elevação é qualquercorte da esfera de radiação onde o ângulo phi permanece fixo(normalmente em 0 graus) e o ângulo theta varia.

Toda esta nomenclatura e definições apresentadoanteriormente não deve atrapalhar o conceito de que, na prática, aespecificação de diagrama que se faz de uma antena está restringindo adescrição das suas propriedades de radiação aos planos ou cortesprincipais de análise utilizados em projeto, quais sejam: os planoshorizontal e vertical, portanto deve estar sólido o conceito de que odiagrama de radiação horizontal de uma antena é o diagrama do cortede azimute tomado do diagrama de radiação 3D, bem como o diagramade radiação vertical de uma antena é o diagrama do corte de elevaçãotomado do diagrama de radiação 3D.

Este entendimento leva à conclusão imediata de que osformatos de representação polar e retangular que mencionamos noinício desta figura nada mais são do que variações da representaçãográfica 2D ou seja , no “plano do papel”, dos diagramas de radiaçãohorizontal e vertical da antena.

Os diagramas da Fig. 5 exemplificam.

Figura 5 – Tipos de Diagrama de Radiação

Nesta figura temos, na parte superior ao centro, um diagramarepresentado no formato retangular, onde o eixo vertical (abcissa) indicaa intensidade de campo normalizada [0,1] e o eixo horizontal (ordenada)indica o setor angular de analise.

Observando este diagrama verificamos que, por exemplo parao angulo 90 graus a intensidade de campo é máxima (igual a 1) e paraos ângulos 60 e 120 graus a intensidade de campo é nula (igual a 0).

Na parte inferior a esquerda temos agora um outro diagramarepresentado no formato polar, onde as linhas radiais (tomadas docentro da circunferência até o circulo externo) representam o angulo de

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

,,X Y Z

Retangular

Polar

Espaço - 3D



análise e o raio associado (ponto de intercessão da radial com odiagrama) representa a intensidade de campo normalizada [0,1] sendo 1o valor da intensidade de campo associada ao circulo externo

Observando este diagrama verificamos que, por exemplo nasradiais 0,45 e 90 graus tem-se intensidade de campo máxima e que paraa radial 300 graus a intensidade de campo é apenas 0.2.

Se agora afirmarmos que o diagrama retangular representa odiagrama de radiação de elevação e o diagrama polar representa odiagrama de radiação de azimute de uma mesma antena, facilmenteiremos reconhecer estes dois diagramas anteriores como cortes dodiagrama 3D desta antena mostrado na parte inferior a direita da figura.

Embora o diagrama de radiação de qualquer antena sejafisicamente um diagrama espacial, a representação pôr intermédio dosdois cortes principais :§ azimute (também chamado de diagrama horizontal)§ elevação (também chamado de diagrama vertical)§ deste diagrama espacial traduzem com bastante fidelidade o

comportamento das propriedades de radiação da antena, mas ésempre importante lembrar, tratam-se de simplificaçõesnecessárias e impostas para fins de projeto.

Qualquer análise mais minuciosa ou completa que se desejeoperar sobre as propriedades de radiação de uma antena devecontemplar as propriedades do seu diagrama 3D, não se deve concluirportanto que a antena estará completamente caracterizada quanto aoseu diagrama de radiação analisando-se somente os seus cortesprincipais.

Qualquer antena pode ser classificada e rapidamentecaracterizada, tomando-se como base somente as propriedades do seudiagrama de radiação, em duas categorias bem distintas defuncionamento quais sejam:

Antenas Direcionais e Antenas Ominidirecionais.

As definições são auto-explicativas, por direcional subentende-se aquela antena capaz de radiar / receber ondas eletromagnéticas comeficiência variável em função da direção; por ominidirecionalsubentende-se a antena que não é direcional.

Figura 6 – Classificação de Diagrama de Radiação

Figura 7 – Exemplo de Diagrama de Radiação

,,X Y Z

x

y

z

λ/2

,,X Y Z

Elevação

,,X Y Z

Azimute

3D


Antena DirecionalAntena Direcional : tem a capacidade de irradiar / receber ondas eletromagnéticas com maior ou menor eficiência em função da direção.

Antena OminidirecionalAntena Ominidirecional : caso particular da antena direcional, onde tem-se comportamento direcional em apenas um dos cortes de azimute ou de elevação.

Ex: Dipolo



Na prática entretanto, uma antena ominidirecional será, via deregra, direcional em um dos seus cortes, quer seja ele o corte deazimute ou de elevação, pois se a antena fosse ominidirecional emambos os cortes estaria se aproximando de um radiador ideal, tambémdenominado isotrópico, o qual não é realizável (em figuras posterioresserá retomado o conceito do radiador ideal ou isotrópico).

Como exemplo de uma antena que, de acordo com a suautilização, pode ser classificada como direcional ou ominidirecional,tomemos o dipolo.

Posicionando o dipolo sobre o sistema de coordenadas x,y,zonde o dipolo encontra-se sobre o eixo z, observando o diagrama 3D erecorrendo as definições anteriores dos cortes principais do diagrama 3D(Fig. 4) de uma antena podemos afirmar:

1. Quanto ao corte de Azimute (ou diagrama de radiaçãohorizontal) = o corte de azimute é obtido tomando-se uma “fatia”do diagrama 3D paralela ao plano xy do sistema decoordenadas x,y,z; esta fatia está representada no cantosuperior direito da figura e notadamente verifica-se tratar de umdiagrama ominidirecional (mesma intensidade de campo emtodas as direções).

2. Quanto ao corte de Elevação (ou diagrama de radiação vertical)= o corte de elevação é obtido tomando-se uma fatia dodiagrama 3D paralela ao eixo zy (o eixo zx também poderia serutilizado) do sistema de coordenadas x,y,z; esta fatia estárepresentada no canto inferior direito da figura e notadamenteverifica-se tratar de um diagrama direcional (intensidade decampo nula sobre o eixo z).

Se provocássemos uma rotação de 90 graus no dipolo, isto é, eleestivesse posicionado sobre o eixo x, o diagrama de azimute seriadirecional e o diagrama de elevação seria ominidirecional.

Na prática o uso do termo ominidirecional não requer que a intensidadede campo seja constante ao redor da antena, aceita-se e classifica-se odiagrama de uma antena como ominidirecional se a variação deintensidade de campo for menor do que 3 dB (no caso de empregarescala linear e intensidade de campo normalizada, isto significa aceitar avariação do diagrama entre os valores 1 e 0.7).

Qualquer que seja o diagrama de radiação de uma antena quese pretenda analisar / especificar, quer seja ele o diagrama horizontal ouvertical, sempre é possível identificar e/ou classificar os lóbulos deradiação deste diagrama que nada mais são do que partes do própriodiagrama com características específicas, senão vejamos.

A Fig. 8 mostra um diagrama representado em formatoretangular (não importa saber se este diagrama é horizontal ou vertical),nota-se neste diagrama partes bem características e representativas daspropriedades de radiação da antena, os lóbulos, como são assimchamadas estas partes do diagrama são classificados em:

§ Lóbulo principal: define o ângulo ou setor também chamado demeia potência, pois é neste lóbulo onde a antena irá concentrara maior parte de sua energia (se empregado intensidade decampo normalizada e escala linear o ângulo de meia potênciacorresponde ao arco onde o campo é maior ou igual a 0.707 ou0.707*0.707=0.5 no caso de potência).

§ Lóbulos secundários: por exclusão, são os demais lóbulos quenão o principal, a importância dos lóbulos secundários é verificarcomo a antena está distribuindo a energia ao seu redor fora daárea de principal interesse de cobertura, é útil para adeterminação dos nulos ou regiões do diagrama onde se teráintensidade de campo reduzida.

§ Lóbulo traseiro: é o lóbulo secundário posicionado nas costas ouna direção oposta do lóbulo principal da antena, define o que sedenomina de relação frente-costa da antena, que é uma medidaútil para se saber da capacidade de “isolação” da antena quandooperando no modo de recepção, ou da sua direcionalidadequando operando no modo de transmissão.

A extração destes parâmetros simples de um diagrama deradiação permite melhor entender a sua aplicação bem como ajudabastante na especificação preliminar de uma antena quando não sedispões de uma idéia clara e completamente especificada do tipo dediagrama pretendido.



Figura 8 –Partes do Diagrama de Radiação

Figura 9 – Diagrama de Radiação escala 1 dB / div

Figura 10 – Diagrama de Radiação escala 3 dB / div

Nestas figuras o diagrama em vermelho do tipo direcionalrepresenta o diagrama vertical (corte de elevação) e o diagrama em azuldo tipo ominidirecional representa o diagrama horizontal (corte deazimute) de uma mesma antena , ambos diagramas representativos daintensidade de campo normalizada.


As várias partes de um diagrama de radiação são usualmente chamadas de lóbulos :••lóbulo principallóbulo principal - define largura de meia potência••lóbulo(s) secundário(s)lóbulo(s) secundário(s) - define largura entre nulos••lóbulo traseirolóbulo traseiro - define relação frente costa

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 3600

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

principal

secundários traseiro



Figura 11 – Diagrama de Radiação escala linear

Na Fig. 9 a escala apresenta passo de 1 dB/div., nãopermitindo visibilidade dos lóbulos secundários do diagrama vertical erealçando a “circularidade” , menor do que 3 dB, do diagrama horizontal.

Na Fig. 10 a escala apresenta passo de 3 dB/div., onde oslóbulos secundários do diagrama vertical ficaram evidenciados e aspropriedades deste diagrama tais como ângulo de meia potência erelação frente costa podem ser extraídas. Neste caso o diagramahorizontal aparenta ter menor “circularidade” do que na figura anterior,mas trata-se do mesmo diagrama apenas representado numa escalacom maior passo.

Na Fig. 11 a escala varia de 0 até 1 com passo 0.1/div., é umaescala linear de valores de intensidade de campo e normalmenteempregada em projetos.

Figura 12 – Ganho diretivo

O conceito de ganho de uma antena deve ser desenvolvido apartir da premissa de que, à luz do princípio da conservação de energia,uma antena não “produz” energia e portanto não pode ser capaz deprovocar amplificação ou ganho no sinal aplicado aos seus terminais,como habitualmente estamos acostumados a caracterizar estruturaseletrônicas ativas tais como amplificadores de sinal.

Em se tratando de estrutura passiva (não estamosinteressados neste texto em analisar e nem estender o conceito deganho à família de antenas ativas i.e. antena + amplificador acoplado,recentemente comuns no mercado de soluções wireless paracomunicação pessoal) uma antena opera a energia contida nas ondaseletromagnéticas atuando simplesmente como um transdutor, sendoportanto o seu ganho um conceito que deve ser desenvolvido em termosrelativos e não em termos absolutos.

Para definir o parâmetro Ganho de uma antena inicialmente énecessário compreender o que seja Ganho Diretivo, que nada mais é doque a capacidade de uma antena em direcionar ou concentrar energianuma dada direção do espaço comparativamente a uma outra antena dereferência que pode ser, por exemplo, um dipolo, uma corneta ou umisotrópico.

• Ganho Diretivo

A capacidade de uma antena em concentrar energia eletromagnética em uma dada direção é definida numericamente pelo parâmetro Ganho Diretivo.

Ganho Diretivo é uma medida relativa isto é, entre a antena em análise e uma antena de referência:

cornetacornetadipolodipolo

isotrópicoisotrópico



Pois bem, comparar o quanto uma antena concentra energianuma dada direção relativamente a outra antena (ambas com a mesmaexcitação) é criar a situação de relativismo que mencionamosanteriormente, portanto surge daí a métrica desejada, i.e. um númeroque define esta relação entre as duas antenas e que portanto é o valordo Ganho Diretivo pretendido para caracterizar a antena em análise.

O fato de ser a antena de referência uma corneta justifica-separa quando se quer apresentar o ganho diretivo da antena em análisena faixa de Micro Ondas onde a antena tipo corneta é usualmenteutilizada, o emprego de dipolo como antena de referência é útil pois setrata de uma antena extremamente simples e fácil de implementar,principalmente quando se quer apresentar o ganho diretivo da antenaem análise nas faixas de VHF e UHF, já a antena tipo isotrópico é umconceito puramente matemático e sem significado prático masigualmente útil quando se quer apresentar o ganho diretivo da antenaem análise com base numa antena ideal.

A antena isotrópica é um radiador hipotético (imaginário) queradia uniformemente em todas as direções do espaço (o diagrama 3Dassociado ao isotrópico é da forma de uma esfera) e não apresentaperdas, ou seja, é uma antena ideal e portanto não realizável na prática,mas que tem utilidade conceitual à medida que parâmetros dedesempenho de antenas realizáveis (antenas implementadas na prática)podem ser apresentados tomando-se a antena isotrópica comoreferência de comparação.

Define-se Diretividade como sendo o máximo valor atingidopelo Ganho Diretivo de uma antena ou seja, se adotarmos por exemploum radiador isotrópico como a antena de referência para definirmos ovalor do Ganho Diretivo, veremos que qualquer outra antena, por menosdirecional que possa ser, não irá conseguir radiar ou distribuir a energiaaplicada aos seus terminais de forma tão uniforme ao seu redor como oisotrópico, de onde teremos sempre um Ganho Diretivo maior que 1, i.e.uma potência radiada por unidade de área tomada sobre a esfera deradiação maior do que aquela que seria provocada pelo isotrópico.

Recorrendo à Fig. 13, a esfera no canto inferior esquerdorepresenta a distribuição de potência uniforme por unidade de áreacaracterística de uma antena isotrópica, se tomarmos uma superfíciequadrada de lado r e portanto área=r^2 (onde r é a distância do centro

Figura 13 - Diretividade

até a superfície da esfera) sobre esta esfera e calcularmos a“intensidade de radiação” (que é a potência radiada por unidade de área)que atravessa esta superfície teremos determinado numericamente ovalor da “intensidade de radiação” da antena isotrópica.

Se repetirmos este procedimento para uma antena tipo dipolovertical de meia onda (como aquele da Fig. 7), que apresenta umadistribuição de potência mais concentrada ao redor da linha do equadorconforme a figura central da Fig. 13, teremos em mãos o valor da“intensidade de radiação” do dipolo de meia onda.

• Diretividade

É o máximo valor atingido pelo Ganho Diretivo de uma antena

,,X Y Z

,,X Y Z

D=1isotrópico

D=1,64dipolo 0,5 λ

D=3,28dipolo 1,25 λ

,,X Y Z



Dividindo a “intensidade de radiação” do dipolo de meia ondaassim obtido pela “intensidade de radiação” do isotrópico, vamos obter ovalor D=1,64 que traduz o quanto o dipolo de meia onda foi capaz deconcentrar energia por unidade de área a mais do que o isotrópico, vê-se ademais que esta concentração de energia ocorreu às custas de umestreitamento do diagrama de radiação de elevação do dipolocomparativamente ao isotrópico.

Avançando no exemplo, se tomarmos agora um dipolo de 1onda e um quarto de comprimento, veremos que a Diretividadecalculada será D=3,28 com relação ao isotrópico isto é, quanto maior oestreitamento do diagrama de radiação de elevação ao redor da linha doequador, maior a Diretividade resultante da antena em análise, verifiqueainda que ao longo destes dois exemplos não houve alteração dodiagrama de radiação de azimute, o que caso tivesse ocorrido tambémprovocaria o aumento da Diretividade calculada.

Deste exemplo do dipolo vertical fica evidente portanto que ocalculo da Diretividade de uma antena deve levar em consideração oseu diagrama de radiação 3D.

Quando a Diretividade (D) de uma antena é definida comrelação ao isotrópico e é calculado logaritmo base 10 deste valor, i.e.toma-se o valor de 10*log (D) ao invés de D, a unidade passa a serchamada de dBi; se por outro lado a Diretividade é definida com relaçãoao dipolo de meia onda e emprega-se logaritmo base 10 deste valor, aunidade passa a ser chamada de dBd.

Como a Diretividade de um dipolo de meia onda é igual a 1,64vezes a Diretividade do isotrópico (que, por definição, é igual a 1) temosa seguinte igualdade: 0 dBd ≡ 2,15 dBi . Esta igualdade permite deimediato converter valores de Ganho ou valores de Diretividadeexpressos em dBd para valores expressos em dBi e vice versa, porexemplo se a Diretividade de uma antena é igual a 10 dBd, a mesmaantena pode ser apresentada como possuindo Diretividade igual a 12,15dBi.

Para finalmente definir o que significa Ganho, é necessáriointroduzir o conceito de Eficiência de Radiação de uma antena. Maisuma vez o princípio da conservação de energia deve balizar o nossoraciocínio e permitir entender que, dado à natureza não ideal de

Figura 14 – Eficiência de Radiação e Ganho

qualquer antena que seja implementada na prática, parte da energia deradiofrequência aplicada em seus terminais irá ser transformado emcalor, representando portanto uma perda, e parte irá ser transformadaem ondas eletromagnéticas e será adaptada ao espaço livre por açãodas propriedades físicas de radiação (ou transformação de energia)operadas pela antena.

Se Po é a potência aplicada aos terminais da antena e Pr é apotência radiada (ou transferida para o espaço livre), defini-senumericamente Eficiência de Radiação como o parâmetro η=Pr / Poonde, pôr ação das perdas apresentadas pela antena, deduz-se quesempre ηserá menor do que 1.

A Fig. 14 apresenta este conceito de forma mais abrangente eaplicado na cadeia de transformação de energia desde a saída dotransmissor até o espaço livre, onde os parâmetros α , β , η definem aseficiências nas várias etapas da cadeia. Verifique portanto que oparâmetro η (Eficiência de Radiação) diz respeito somente à antena,

• Eficiência de Radiação e Ganho

A eficiência de radiação mede o quanto da potência aplicada nos terminais de entrada da antena está sendo radiado pela mesma: η = Pr / Po (η < 1)

O Ganho da antena leva em conta as propriedades direcionais bem como a eficiência: G = η * D

PaPa PmPm PoPo PrPrPaα β η

transmissor linha detransmissão

antena espaçolivre



existem outras eficiências que devem ser conhecidas para se conseguirdeterminar a potência ERP (ou potência efetivamente radiada).

Uma vez conceituado Diretividade e Eficiência de Radiação,concluímos que o Ganho de uma antena nada mais é do que a relaçãoentre a potência radiada pela antena em análise e a potência radiadapela antena de referência, ambas as antenas com a mesma potênciaaplicada aos seus terminais de entrada.

Numericamente, basta multiplicar o valor da Diretividade (D)pelo valor da Eficiência de Radiação (η) e obter deste produto o valor doGanho (G), ou seja: G = η*D.

Na prática, não é comum e nem imediato medir-se a eficiênciade uma antena isoladamente da sua Diretividade para só entãodeterminar-se o ganho. O que habitualmente se mede é o parâmetroGanho.

Entretanto quando o fabricante de antenas necessitaespecificar o Ganho de um arranjo complexo de antenas, onde namaioria das vezes não é econômico integrar todo o conjunto para seefetivar um ensaio, é lançado mão do conceito de Diretividade e doconceito de Eficiência de Radiação como apresentados anteriormente.

Figura 15 – Impedância de entrada

Quando excitada por uma fonte de sinal de radiofrequência, acorrente circulante nos terminais de entrada da antena irá apresentaramplitude e fase tal que dará origem ao parâmetro definido comoImpedância de entrada da antena. Matematicamente define-seresistência de entrada como a relação entre as amplitudes da voltageme da corrente nos terminais de entrada de um circuito, se esta relaçãomatemática considerar adicionalmente as informações de fase entre avoltagem e a corrente tem origem o termo impedância de entrada, quecaracteriza completamente o circuito quanto às suas propriedadesresistivas e reativas (capacitiva ou indutiva).

Conhecer a impedância de entrada de uma antena éfundamental à medida que se pode determinar a eficiência datransferência de energia entre a linha e a antena e tomar-seprovidências para maximizar esta transferência de energia.

A máxima transferência de potência se dá somente quando aimpedância de entrada da antena não apresenta componente reativa esua componente resistiva é igual à componente resistiva da linha detransmissão que a alimenta, de onde surge portanto a especificaçãouniversal de impedância de entrada para antenas como sendo 50 ohms(se for operar no modo transmissão) ou 75 ohms (se for operar no modorecepção). Note que, na prática, não se faz menção à componentereativa, embora ela sempre exista e não permita se estar trabalhando nacondição de máxima transferência de potência.

A impedância de entrada de uma antena é determinada pelafreqüência do sinal de excitação, pela geometria da antena, pelo métodode alimentação empregado (balanceado ou não balanceado), pelosmateriais utilizados no processo de fabricação e pela proximidade com osolo, outras antenas e/ou materiais condutores (torres, ferragens desustentação, estais, etc.).

Para modelar estes efeitos de iteração da antena com outrosobjetos em sua proximidade define-se mais genericamente a impedânciade entrada de uma antena como a soma de duas componentes, isto é:

Zd = Zs + ZmondeZd = impedância da antena na situação instaladaZs = impedância da antena no espaço livre ou impedânciaprópriaZm = impedância mútua entre a antena e outros objetos

• Impedância de entrada

É a impedância presente nos terminais de entrada da antena quando a mesma é excitada. Z=R ± jX

Para uma dada frequência a impedância é determinada pela geometria, método de excitação, processo de fabricação e proximidade de objetos

Genéricamente Zd= Zs + Zm

Zm

Zs

Zd



Na prática deve-se procurar minimizar Zm ou , se não forpossível, adequar Zs a fim de que a impedância que resulte na condiçãode operação Zd seja a mais próxima possível da impedância da linha detransmissão que alimenta a antena.

Figura 16 – Largura de Faixa

As propriedades de radiação de qualquer antena, quer seja asua Impedância de entrada, Ganho, Diagrama de radiação ou Pureza daElipse de polarização (mais sobre este assunto adiante) variam de formadistinta em função da freqüência de operação, o que se busca no projetode sistemas radiantes é gerar sistemas onde seja possível garantirespecificações consistentes dentro de uma faixa de freqüência deoperação conhecida ou Largura de Faixa.

A determinação da largura de faixa de funcionamento de umaantena deve ser feito observando-se como varia o casamento deimpedância da antena (VSWR) e a sua eficiência de radiação (η) emconjunto com a observação de como varia também o seu diagrama deradiação e ganho em função da freqüência.

Uma determinada antena somente pode ser classificada comofaixa larga ou faixa estreita se a largura de faixa de impedância e largurade faixa de diagrama forem compatíveis entre si e corresponderem à

• Largura de Faixa

Intervalo de freqüência onde a antena atinge uma determinada especificação :

Largura de faixa de impedânciaLargura de faixa de impedância VSWR , ηLargura de faixa de diagramaLargura de faixa de diagrama Ganho , Lóbulos

FM 0.2 : [88-108] Mhz 0.23 - 0.18 %TV #2-#6 6 : [54-88] Mhz 11.1 - 6.8 %TV #7-#13 6 : [174-216] Mhz 3.45 - 2.78 %TV UHF 6 : [470-746] Mhz 1.28 - 0.8 %

mesma faixa de freqüência.

Projetos que se adaptam bem à certas faixas de operação sãoimpraticáveis em outras faixas, bem como as dificuldades impostas porcada serviço de radiodifusão em função da sua faixa de operação ecanalização são bem distintos. A Fig. 16 apresenta um quadro com aslarguras de faixa percentuais em função dos serviços FM e TV nas suasrespectivas faixas de operação, enquanto aplicações FM requeremsistemas faixa estreita com largura de faixa percentual não superior à0.23%, sistema de TV em banda baixa de VHF exigem sistemas comlargura de faixa percentual até 11.1%.

Figura 17 – Polarização

A orientação espacial em função do tempo do vetor campoelétrico da onda eletromagnética radiada por uma antena define a suapolarização. Como mostrado na Fig. 17, para uma antena dipolo apolarização linear da onda eletromagnética tem a mesma orientaçãomecânica da antena.

Quando se excitam dois dipolos espacialmente perpendicularescom sinais eletricamente defasados de 90 graus, dá-se origem àpolarização elíptica, de onde a polarização circular é um caso especialque ocorre quando as potências são iguais nos elementos radianteshorizontal e vertical.

• Polarização

Orientação do campo elétrico radiado pela antena, tomado na direção do lóbulo principal

x

y

z

λ/2

x

y

z

λ/2

x

y

z

α

α + 90

Linear vertical Linear horizontal Elíptica Dir./Esq.

x

y

z

λ/2

x

y

z

λ/2

x

y

z

x

y

z

α

α + 90

Linear vertical Linear horizontal Elíptica Dir./Esq.



A importância de se conhecer a polarização da ondaeletromagnética emitida por uma antena é crucial para se obter amáxima transferência de energia entre uma antena de transmissão eoutra de recepção (alguém já tentou receber sinais de TV com umaantena Yagi orientada verticalmente com relação ao horizonte?).

Em transmissão de TV predomina a polarização horizontal,sendo a polarização elíptica mais rara e empregada somente em algunscasos e em centros urbanos para combater a despolarização da ondapor efeitos de multipercurso numa tentativa de se melhorar a recepçãolocal e indoor. Em transmissão de FM predomina polarização elíptica,sendo que mais recentemente vem se dando ênfase à transmissão empolarização vertical, visto aparentemente apresentar melhor resultadoem situações de recepção móvel

Figura 18 – Elipse de Polarização

Quando se emprega polarização elíptica, a visualizaçãoespaço-temporal do vetor campo elétrico é melhor representadagraficamente pelo diagrama conhecido como “elipse de polarização”.Este diagrama representa o lugar geométrico do vetor campo elétrico epermite extrair parâmetros relevantes para a análise do enlace quandose opera em polarização elíptica.

• Elipse de Polarização

Representação gráfica da variação no tempo da magnitude do vetor campo elétrico tomado à uma distância fixa no espaço

ExMm

Ey

ExMm

Ey Relação AxialAR = M / m

Descasamento de PolarizaçãoPLF = | cos (δδ ) |2

δantena

TEMδ

antena

TEM

Um parâmetro de interesse é definido como Relação Axial, ou“axial ratio - AR”, que representa o quociente entre o eixo maior eo eixo menor da elipse de polarização, o AR traduz a pureza dapolarização circular, isto é se AR=1 significa que a onda eletromagnéticagerada pela antena apresenta polarização circular, se AR se aproximade 0 ou infinito trata-se de polarização linear. Em antenas detransmissão de polarização circular ou elíptica o que se procura égarantir AR o mais constante possível dentro da área de coberturapretendida.

Na figura anterior mencionamos que a máxima transferência deenergia entre uma antena de transmissão e outra de recepção somentese dá quando ambas possuem a mesma orientação de polarização,quando não é este o caso a medida deste descasamento de polarizaçãopode ser calculada por intermédio da equação apresentada na Fig. 18(válido para polarização linear).

A parte da orientação entre as antenas de TX e RX, odescasamento de polarização pode ser ainda provocado por fenômenosde propagação e por difração das ondas eletromagnéticas, alem do maisa penalidade de se empregar polarização circular no TX e linear no RXserá no máximo –3 dB, contra -∞ dB no caso do TX empregarpolarização linear (imagine o TX transmitindo polarização horizontal e ovetor campo elétrico rodar 90 graus por efeitos de propagação). Por estarazão o emprego de polarização circular ou polarização elíptica natransmissão é preferido para a manutenção e robustez da comunicaçãoem ambientes de elevada incidência de propagação multipercurso.

Analisando-se a conformação espacial das ondaseletromagnéticas ao redor de uma antena, conceitua-se o que sedenomina de “regiões de campo” para fins de análise e caracterizaçãodas propriedades de radiação da mesma.

Como ilustrado na Fig. 19, a região externa imediatamentepróxima da antena é chamada de região de campo próximo reativo e umpouco adiante de campo próximo de radiação, nestas regiões os camposelétrico e magnético da onda eletromagnética radiada pela antena nãose encontram ortogonais (a 90 graus) e não se pode facilmente extrairas propriedades de radiação da antena, bem como deve-se evitar aproximidade de objetos e estruturas interferentes à operação da antena.



Figura 19 – Regiões de Campo

À partir de uma dada distância da antena conceituada comoregião de campo distante, a onda eletromagnética tem conformaçãoTEM (transversal eletromagnética) e transporta a energia de RF espaciale temporalmente conformadas nos vetores de campo elétrico e decampo magnético, portanto compatíveis para se proceder àcaracterização completa das propriedades de radiação da antena (empiricamente adota-se a distância de (2*d^2) / λ onde d é a maiordimensão física da antena em comprimentos de onda e λ é ocomprimento de onda).

• Regiões de Campo

O espaço ao redor de uma antena pode ser subdividido em três regiões de campo distintas:

Campo próximo reativo Campo próximo reativo R1R1Campo próximo de radiação Campo próximo de radiação R2R2

Campo distante Campo distante

R1

R2

R1

R2


Capítulo 2 – Tipos de Antenas e suas propriedades 16

Tipos de Antenas e suas propriedades

Figura 20 - Tipos de antenas para TV e FM

Concentraremos a nossa análise nos modelos de antenas maiscomuns utilizadas em sistemas de transmissão de radiodifusão(Televisão e Rádio FM), não trataremos neste texto de antenas de AM.

Embora o conceito de antena também possa ser aplicado aarranjos (ou agrupamentos) de antenas, neste momento focalizaremos aatenção nas propriedades de antenas tomadas individualmente, o tema“Arranjos de antenas” será extensamente discutido no Capítulo 3 maisadiante.

Antenas Lineares:Antenas Lineares:• Yagi-Uda• Log-Periódica• Painel Dipolos MO/OC/X• Painel H (Duplo Delta)• Superturnstile (Batwing)

Antenas de Abertura:Antenas de Abertura:• Parabólica• Slot

Antenas Lineares:Antenas Lineares:• Yagi-Uda• Log-Periódica• Painel Dipolos MO/OC/X • Anel (ciclóide)• Seta

Antenas de Abertura:Antenas de Abertura:• Parabólica

Antenas Lineares:Antenas Lineares:• Yagi-Uda• Log-Periódica• Painel Dipolos MO/OC/X• Painel H (Duplo Delta)• Superturnstile (Batwing)

Antenas de Abertura:Antenas de Abertura:• Parabólica• Slot

Antenas Lineares:Antenas Lineares:• Yagi-Uda• Log-Periódica• Painel Dipolos MO/OC/X • Anel (ciclóide)• Seta

Antenas de Abertura:Antenas de Abertura:• Parabólica

TV FM

A conceituação dos diversos tipos de antenas é muito ampla eneste texto adotaremos uma divisão bastante simplificada (mas nãomenos abrangente) em duas grandes famílias ou tipos de antenas ondepodem ser classificadas as antenas que desejamos estudar.

Antenas de condutores lineares, ou simplificadamente antenaslineares tem a propriedade de apresentarem a dimensão transversal doselementos condutores que radiam RF como uma fração (número << 1)do comprimento de onda da freqüência de operação, por exemplo emFM na freqüência de 100 Mhz, o comprimento de onda vale 3 metros (ou3000 mm), a seção transversal de um anel de FM em linha rígida de 15/8” (= 41,3 mm) vale 0,01376 comprimentos de onda. Esta matemática,quando satisfeita, permite simplificar a análise da antena em termoseletromagnéticos e aproximar as correntes que circulam na antena comosendo apenas correntes de natureza linear e unidimensionais, facilitandosobremaneira a determinação das equações de campo e aspropriedades de radiação da antena em análise.

Nesta categoria de antenas de condutores lineares recaem ostipos de antenas conhecidas como: yagi, log periódica, painel de dipolos(MO=meia onda, OC=onda completa, X=dipolos cruzados), painel H (ouduplo delta), superturnstile, anel de FM, seta de FM.

Antenas de abertura por sua vez estabelecem um mecanismode radiação de energia de RF onde as correntes se distribuem em umaárea ou abertura no espaço que determinam campos eletromagnéticosde natureza mais complexa e mais difíceis de serem analisadosmatematicamente quando comparados ao caso anterior. Para o caso deantenas de abertura o que se faz é determinar as propriedades doscampos Elétrico e Magnético na abertura de radiação da antena e àpartir daí determinar as demais propriedades de radiação da antena emanálise.

Nesta categoria de antenas de abertura recaem os tipos deantenas conhecidas como: parabólica e slot (ou antena de fendas).



Figura 21 - Yagi - Uda

A Fig. 21 mostra a foto deste tipo de antena, onde seidentificam o dipolo dobrado (elemento que está conectado na linha detransmissão) e os demais elementos parasitas, chamados de refletor(atrás do dipolo) e diretor (a frente do dipolo).

A antena Yagi pode ser implementada nas faixas de VHF eUHF, opera segundo a orientação mecânica dos seus elementos empolarização linear horizontal ou linear vertical, mediante a incorporaçãode uma segunda antena mecanicamente a 90 graus e alimentada emquadratura de fase (defasada em 90 graus elétricos) com a primeira, aantena Yagi pode ser implementada para operação em polarizaçãocircular.

Os ganhos obtidos com este tipo de antena variam entre 3 e 16dBd, quanto maior a quantidade de elementos maior o ganho e vice-versa, note ainda que quanto maior o ganho mecanicamente maior emais pesado será a antena bem como maior a área de exposição aovento.

As antenas Yagi são eminentemente antenas de faixa estreita(operação monocanal) e dedicadas a aplicação no modo de recepção

Figura 22 – Yagi UHF

em 75 ohms e no modo de transmissão em 50 ohms com potências, viade regra, não superiores a 100 W unitariamente.

As figuras 22 e 23 mostram as especificações de dois projetosde Yagi, na Fig. 22 uma antena com 22 elementos para UHF e na Fig.23 uma antena com 4 elementos para VHF.

Nestas figuras o diagrama polar representa o corte de azimutedo diagrama 3D e os diagramas retangulares (abaixo e à esquerda)representam o corte de elevação do diagrama 3D, sendo o diagrama 3Dda antena apresentado no canto inferior direito.

Com relação aos diagramas retangulares (vide Fig.4), oprimeiro mostra o setor angular [0,180] onde 0 graus representa oângulo theta tomado sobre o eixo z (ou apontando para o céu), 90 grausrepresenta o ângulo theta tomado sobre o eixo x (apontando para a linhado horizonte) e 180 graus representa o ângulo theta tomado sobre o

• Yagi-Uda

Especificações :Especificações :

Faixa: VHF + UHFPolarização: linear ou circularGanho: [3 - 16] dBdImpedância: 50 / 75 ΩVSWR : 1: [1,2 - 1,5]Conector: N / FPotência : < 100 WL x C : 0,5 λ x [0,5 - 6] λPêso : [1 - 15] KgÁrea vento : [0,1 - 0,4] m2

0

10

20

30

40

50

60

708090100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250260 270 280

290

300

310

320

330

340

350

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

Yagi UHF

Especificações :Especificações :22x elementos @ 16 dBdHPBWH ≅ 32 grausHPBWV ≅ 36 grausF/C ≅ -24 dB

Az

El

El

,,X Y Z



Figura 23 – Yagi VHF

eixo – z (ou apontando para o solo). O segundo diagrama retangular éum “zoom” ou corte ampliado do primeiro diagrama retangular ao redorda linha do horizonte, note que neste caso a nomenclatura dos ângulosfoi modificada onde 0 graus representa a linha do horizonte, -15 grausrepresenta o ângulo 15 graus acima da linha do horizonte e +45 grausrepresenta o ângulo 45 graus abaixo da linha do horizonte.

Ainda nestes figuras, o termo HPBWH identifica o setor angularde meia potência de Azimute (ou do diagrama horizontal), HPBWVidentifica o setor angular de meia potência de Elevação (ou do diagramavertical) e F/C a relação frente costa em dB.

Note como estes parâmetros variam em cada Yagi e comoexiste uma correspondência entre estes parâmetros e o “desenho” dosdiagramas polar, retangular e 3D apresentados.

Figura 24 – Log - Periódica

A Fig. 24 mostra a foto deste tipo de antena, onde seidentificam o membro estrutural horizontal da antena compreendido pôrduas partes em paralelo (perfil quadrado neste caso) e elementos tipo“dipolos” ligados à cada membro estrutural formando pares intercalados,sendo a conexão à linha de transmissão feita na parte posterior daantena.

O termo Log-Periódica tem origem na propriedade deste tipode antena exibir características de radiação que são repetitivas (ouperiódicas) em função do logaritmo da freqüência de operação dentro deuma faixa de funcionamento.

Trata-se portanto de uma antena tipo faixa-larga e, ao contráriode Yagi, indicada para operação multicanal quer seja no modo derecepção em 75 ohms ou no modo de transmissão em 50 ohms compotências, via de regra, não superiores a 100 W unitariamente.

A antena Log-Periódica pode ser implementada nas faixas de

0

10

20

30

40

50

60

708090100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250260 270 280

290

300

310

320

330

340

350

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.1

0.20.30.4

0.50.60.70.8

0.91

15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

0.10.20.3

0.40.50.60.7

0.80.9

1

Yagi VHF

Especificações :Especificações :4x elementos @ 5 dBdHPBWH ≅ 62 grausHPBWV ≅ 100 grausF/C ≅ -14 dB

Az

El

El

,,X Y Z

• Log - Periódica


Faixa: VHF + UHFPolarização: linear ou circularGanho: [6 - 10] dBdImpedância: 50 / 75 ΩVSWR : 1: [1,2 - 1,5]Conector: N / FPotência : < 100 WL x C : 0,5 λ x 1,5 λPêso : [5 - 15] KgÁrea vento : [0,3 - 0,6] m 2



VHF e UHF, opera segundo a orientação mecânica dos seus elementosem polarização linear horizontal ou linear vertical, mediante aincorporação de uma segunda antena mecanicamente a 90 graus ealimentada em quadratura de fase (defasada em 90 graus elétricos) coma primeira, a antena Log-Periódica pode ser implementada paraoperação em polarização circular.

Os ganhos obtidos com este tipo de antena variam entre 6 e 10dBd, quanto maior a quantidade de elementos maior o ganho e vice-versa, note ainda que quanto maior o ganho mecanicamente maior emais pesado será a antena bem como maior a área de exposição aovento. As curvas de projeto para este tipo de antena tendem à assíntotaspara ganhos maiores do que 10 dBd, tornando-as extremamenteineficientes em termos de custo-benefício (quantidade de elementos /ganho).

Figura 25 – Log-Periódica - VHF

Log - Periódica VHF

Especificações :Especificações :Banda III [canais 7 a 13]9x elementos @ 7 dBdHPBWH ≅ 54 grausHPBWV ≅ 74 grausF/C ≅ -24 dB

0

10

20

30

40

50

60

708090100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250260 270 280

290

300

310

320

330

340

350

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

Az

El

El

,,X Y Z

Antenas tipo Log-Periódica fazem parte de uma família extensade antenas conhecidas como “independentes com a freqüência” eapresentam a virtude de serem soluções faixa-larga, evidentementemais onerosas do que soluções monocanal (Yagi por exemplo) poremmais eficientes para utilização em sites de recepção onde os azimutesde orientação estejam compreendidos dentro do HPBWH ou em sites detransmissão onde não se tenha um conhecimento , `a priori, do canal deoperação mas exista conhecimento da banda de operação do sistema.

A Fig. 25 mostra as propriedades de uma antena projetadapara operação em banda III de VHF, com os respectivos diagramas deradiação e figuras de mérito.

Figura 26 – Painel Dipolos DMO / DOC

Antenas tipo Painel Dipolos caracterizam-se sempre peladisposição mecânica de um ou mais dipolos (DMO=dipolo de meia onda,DOC=dipolo de onda completa, X=dipolos cruzados) a frente de um

• Painel Dipolos DMO / DOC


Faixa: VHF + UHFPolarização: linearGanho: [5 - 16] dBdImpedância: 50 ΩVSWR : 1: 1,1Conector: N / EIAPotência : < 2 kWL x C :1 λ x [1 - 6] λPêso : [10 - 200] KgÁrea vento : [0,9 - 7] m2

OC

MO0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

E1



painel refletor, quer seja este painel do tipo sólido (usual em UHF emicroondas) ou tipo grade (usual em VHF).

A Fig. 26 mostra três fotos, no extremo inferior designado comoMO, a foto de um painel de dipolo de meia onda para VHF, acima dolado direito designado como OC, a foto de um painel de dipolo de ondacompleta para UHF na configuração de 8 dipolos empilhadosverticalmente e finalmente à esquerda a foto de um arranjo de painéis deUHF do tipo faixa larga ao redor de uma torre, onde o dipolo, refletor edemais componentes do painel são revestidos por uma capa deproteção (ou radome).

Esta categoria de painéis é amplamente utilizada em sistemasde radiodifusão de TV pois atende as faixas de VHF e UHF em váriasespecificações possíveis de ganho e níveis de potência unitários

Figura 27 – Painel Dipolos Cruzados TV

compatíveis com sistemas de baixa, média e alta potência, tornando-osantenas propícias para utilização em arranjos de antenas para acomposição de diagramas de radiação mais elaborados

Para a faixa de VHF, em função da freqüência de operação epresença de um dipolo acoplado e afastado de um painel refletor, asantenas tipo painel dipolos apresentam dimensões, peso e área devento que as tornam pouco compactas e de difícil instalação, bem como

Figura 28 – Painel Dipolos Cruzados FM

impõem restrições ao uso em qualquer tipo de estrutura portante outorre. Já em UHF as menores dimensões e características mecânicasmais aliviadas as tornam de mais fácil instalação.

Quando o sistema de transmissão exige antenas que operemem polarização circular, o dipolo linear como utilizado nas geometrias daFig. 26, é substituído pôr um conjunto de dois dipolos cruzados comomostrado na Fig. 27 para o caso de uma antena na faixa de TV em VHFou como mostrado na Fig. 28 para o caso de antenas na faixa de FM.Nestes mesmos figuras as demais características elétricas e mecânicasestão relacionadas.

Nas figuras 29,30 e 31 estão apresentadas as especificaçõesde painéis de dois dipolos empilhados verticalmente à frente de umúnico painel refletor.

• Painel Dipolos Cruzados


Faixa: VHF (TV)Polarização: circularGanho / polarização: 3,5 dBdAR: 3 dB máxImpedância: 50 ΩVSWR : 1: 1,1Conector: EIAPotência : < 10 kWL x C :0,7 λ x 0,7 λPêso : [100 - 500] Kg

• Painel Dipolos Cruzados


Faixa: VHF FM (88-108)Polarização: circularGanho / polarização: 3,5 dBdAR: 3 dB máxImpedância: 50 ΩVSWR : 1: 1,2Conector: EIA (2x)Potência : < 10 kWL x C : 0,7 λ x 0,7 λPêso : [40 - 80] Kg



Figura 29 – Painel Dipolos VHF B 1/2

Em canais baixos de VHF (2 até 6), dado o elevadocomprimento de onda de operação, implementam-se usualmente painéiscom dipolos de meia onda como mostrado na Fig. 29, já em canais altosde VHF (7 até 13), implementam-se tanto painéis com dipolos de ondacompleta como com dipolos de meia onda como mostrado nas figuras 32e 33.

Na Fig. 32 está apresentado a especificação de um painel dedoze dipolos empilhados verticalmente à frente de um único painelrefletor, bastante comum em UHF, note o estreitamento do diagramavertical com a conseqüente redução do HPBWV comparativamente aoscasos anteriores.

O maior empecilho construtivo das antenas tipo painel dedipolos é a necessidade de se utilizar dispositivos de equilíbrio deimpedância ou “balun” para a interligação do dipolo com a linha detransmissão, além do que o requisito de faixa necessário para utilizaçãoem TV impõem a necessidade de se trabalhar com dipolos cilíndricos de

Figura 30 – Painel Dipolos VHF B3

dimensões significativas.

Ao contrário, o painel H (ou como chamado de painel duplodelta ou ainda painel rômbico) emprega uma filosofia de alimentação daantena que é desbalanceada portanto compatível com a linha detransmissão, bem como uma geometria do elemento “ativo” nadaconvencional se comparado ao dipolo, eliminando assim as principaisdesvantagens do painel de dipolos e agregando propriedades elétricasdesejadas à esta categoria de antenas.

O painel H representa uma solução muito eficiente paraemprego em sistemas de transmissão de TV em VHF tornando-os, aexemplo dos painéis de dipolos, antenas propícias para utilização emarranjos de antenas para a composição de diagramas de radiação maiselaborados. Quando comparados aos painéis de dipolos apresentamainda menor peso e menor área de vento.

A Fig. 33 mostra a foto de um painel H onde pode-se identificar

Painel Dipolos VHF-B1/2

Especificações :Especificações :canal 2 até 62x dipolos de meia ondaHPBWH ≅ 72 grausHPBWV ≅ 54 grausF/C ≅ -16 dB

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0

10

20

30

40

50

60

708090100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240250

260 270 280290

300

310

320

330

340

350

,,X Y Z

Az

El

El

0

10

20

30

40

50

60

708090100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250260 270 280

290

300

310

320

330

340

350

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

Painel Dipolos VHF-B3

Especificações :Especificações :canal 7 até 132x dipolos de onda completaHPBWH ≅ 62 grausHPBWV ≅ 56 grausF/C ≅ -16 dB

Az

El

El

,,X Y Z



Figura 31 – Painel Dipolos VHF – B3

o painel refletor tipo grade e montado na sua frente o elemento tipo“dipolo” de geometria semelhante às asas de uma borboleta, onde estáconectado a linha de transmissão.

A Fig. 34 apresenta a especificação de um painel H projetadopara atender a faixa de TV em VHF correspondente aos canais 4 até 6,onde se verifica as aberturas de meia potência horizontal e vertical e arelação frente costa que se obtém com esta geometria. Cabe a ressalvade que o valor de HPBWV superior ao painel com dois dipolos de meiaonda (vide Fig. 29) torna o ganho individual do painel H ligeiramenteinferior.

A Fig. 35 mostra a foto da antena Superturnstile, tambémconhecida como “Batwing”. Observa-se a geometria semelhante às asasde borboleta e perfeita simetria mecânica dos elementos tipo “dipolo” aoredor do tubulão de sustentação, bem como a presença de quatro linhasde transmissão ( a foto destaca apenas duas) desbalanceadas para aalimentação da antena. Trata-se de uma antena otimizada para a

Figura 32 – Painel Dipolos UHF

Figura 33 – Painel H

Painel Dipolos UHF

,,X Y Z

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0

10

20

30

40

50

60

708090100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250260 270 280

290

300

310

320

330

340

350

Especificações :Especificações :canal 14 até 59 (monocanal)12x dipolos de onda completaHPBWH ≅ 60 grausHPBWV ≅ 9 grausF/C ≅ -24 dB

Az

El

El

Especificações :Especificações :canal 7 até 132x dipolos de meia ondaHPBWH ≅ 64 grausHPBWV ≅ 62 grausF/C ≅ -16 dB

Painel Dipolos VHF-B3

0

10

20

30

40

50

60

708090100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250260 270 280

290

300

310

320

330

340

350

Az

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

El

El

,,X Y Z

• Painel H


Faixa: VHFPolarização: linearGanho: 6,5 dBdImpedância: 50 ΩVSWR : 1: 1,1Conector: EIAPotência : < 10 kWL x C : 0,7 λ x 1 λPêso : [20 - 190] KgÁrea vento : [0,9 - 7] m2



conformação de diagramas de azimute ominidirecionais para TV na faixade VHF.

A antena Superturnstile é auto portante e condicionada àinstalação em topo de torres, representando uma melhor solução emtermos de peso, carga aerodinâmica e circularidade do diagrama deazimute para a implementação de diagramas ominidirecionais secomparadas a arranjos utilizando antenas tipo painel.

A Fig. 36 apresenta a especificação de uma Superturnstileprojetada para atender a faixa de TV em VHF correspondente aos canais4 até 6, onde se verifica a excelente circularidade do diagrama de azimute(apenas 1,4 dB) e a abertura de meia potência vertical equivalenteàquelas obtidas com antenas tipo painel, o que resulta em um ganho depotência da ordem de 0,5 dBd (ou aprox. 1,1x) pôr nível de empilhamentovertical.

Figura 34 – Painel H – VHF B2

Figura 35 – Superturnstile

Figura 36 – Superturnstile VHF B2

• Superturnstile


Faixa: VHFPolarização: linearGanho: 0,5 dBdImpedância: 50 ΩVSWR : 1: 1,1Conector: EIAPotência : < 10 kWL x C : 0,5 λ x 0,7 λPêso : [100 - 250] KgÁrea vento : [1,5 - 3,5] m2

Superturnstile VHF-B2

,,X Y Z

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.10.20.30.40.50.60.70.8

0.91

15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

0.10.20.3

0.40.50.60.70.80.9

1

0

10

20

30

40

50

60

708090100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250260 270 280

290

300

310

320

330

340

350

Az

El

El


canal 4 até 6Circularidade ≅ 1,4 dBHPBWV ≅ 62 graus

Painel H VHF-B2

,,X Y Z

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0

10

20

30

40

50

60

708090100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250260 270 280

290

300

310

320

330

340

350

Az

El

El

Especificações :Especificações :canal 4 até 6HPBWH ≅ 74 grausHPBWV ≅ 70 grausF/C ≅ -16 dB



Para o estabelecimento de enlaces ponto a ponto em aplicaçõesde repetição de sinais ou até mesmo retransmissão, a exigência deantenas com elevado ganho nas faixas de UHF e Microondas tornam asantenas parabólicas a solução mais indicada.

Em aplicações de Radiodifusão, as parabólicas mais utilizadasrecaem na categoria de antenas tipo “focal point” onde o alimentador ou“feeder” está situado geometricamente no ponto focal da parábolaconfigurada pelo refletor.

A foto da Fig. 37 ilustra uma antena parabólica deste tipo parautilização em Microondas, onde o refletor é do tipo sólido. Em UHF, dadoo maior comprimento de onda e dimensão do refletor parabólico, utilizam-se telas ou grades como superfície refletora.

Figura 37 – Parabólica

• Parabólica


Faixa: UHF / MOPolarização: linearGanho: [21 - 34] dBdImpedância: 50 ΩVSWR : 1: [1,1 - 1,3]Conector: N / EIAPotência : < 100 WDiam. : [3 - 70] λPêso : [10 - 130] KgÁrea vento : [1 - 12] m2

Antenas Slot representam soluções versáteis e econômicaspara transmissão de sinais de TV nas faixas de VHF (canais 7 até 13) eUHF dentro de uma gama de níveis de potência, ganhos e diagramaspossíveis sem similares dentre os demais tipos de antenas estudados, oque as tornam quase que uma categoria de antenas que se enquadramcomo solução universal para a maior parte das situações.

Figura 38 - Slot

Antenas Slot são constituídas basicamente por uma cavidadede RF com geometria e dimensões adequadas à ressonância econformação de diagramas de radiação especificados, a alimentação dacavidade é, via de regra, desbalanceada e o acoplamento de energiaentre a linha de transmissão e as fendas (aberturas da cavidade) se dápor elementos de acoplamento. Externamente à cavidade são aindaincorporados elementos parasitas para conformação dos diagramas deradiação especificados.

• Slot


Faixa: VHF / UHFPolarização: linearGanho: [4 - 21] dBdImpedância: 50 ΩVSWR : 1: 1,1Conector: N / EIAPotência : < 10 kWL x C : [0,2-0,5] λ x [2-4] λPêso : [20 - 120] KgÁrea vento : [0,4 - 1,5] m2



A Fig. 39 apresenta especificações de uma Slot VHFimplementada com cavidade retangular e com diagrama de azimute tipocardióide, o fato de operar na banda alta de VHF determina ofornecimento desta antena em módulos de duas fendas empilhadasverticalmente. A Fig. 40 por sua vez apresenta especificações de umaSlot UHF implementada com cavidade cilíndrica e com diagrama deazimute também tipo cardióide, o fato de operar em um menorcomprimento de onda determina o fornecimento desta antena emmódulos de quatro fendas empilhadas verticalmente.

As variações de geometrias e das técnicas de alimentaçãoutilizadas na construção de antenas slot conferem a estas antenasdesempenhos bem distintos quanto à largura de faixa de operação emtermos de ganho e de diagrama de radiação (mais sobre este assunto noCapítulo 9).

Em aplicações de FM o requisito de largura de faixa (vide Fig.16) não impõem grandes dificuldades para o desenho de antenas, o quese persegue são antenas e situações de instalação onde esteja garantidoo diagrama de radiação e a pureza da polarização elíptica (manutençãoda relação axial ao longo dos azimutes de cobertura).

Da Fig. 28 anterior tem-se a opção de utilizar painéis de FM queapresentam diagramas direcionais e que podem configurar diagramasominidirecionais quando montados em arranjos, em FM o mais usualentretanto é o emprego de elementos radiantes com diagrama nativoominidirecional, onde as antenas conhecidas como tipo anel ou tipo setacumprem estes requisitos operando em polarização elíptica.

Figura 39 – Slot VHF B3

Figura 40 – Slot UHF

Slot cavidade ret. VHF-B3

,,X Y Z

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.10.2

0.30.40.50.60.70.80.9

1

15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0

10

20

30

40

50

60

708090100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250260 270 280

290

300

310

320

330

340

350

Az

El

El

Especificações :Especificações :canal 7 até 13Diagrama A - cardióideHPBWH ≅ 230 grausHPBWV ≅ 24 graus @ 2 fendasF/C ≅ -12 dB

Slot cavidade cilíndrica UHF

,,X Y Z

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.10.2

0.30.40.50.60.70.80.9

1

15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0

10

20

30

40

50

60

708090100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250260 270 280

290

300

310

320

330

340

350

Az

El

El

Especificações :Especificações :canal 14 até 59Diagrama A - cardióideHPBWH ≅ 200 grausHPBWV ≅ 12 graus @ 4 fendasF/C ≅ -8 dB



A Fig. 41 apresenta no extremo superior a foto de um elementode FM conhecido como seta, trata-se de dois dipolos em V opostos ealimentados de forma desbalanceada, com uma inclinação tal quedetermina a pureza da polarização elíptica. Ao centro tem-se a foto deum elemento de FM conhecido como anel ou ciclóide, trata-se de trêsdipolos em configuração tipo “loop” alimentados de formadesbalanceada. No extremo inferior da Fig. 41 a foto de uma variante doelemento seta para aplicações em alta potência.

Figura 41 – FM Seta / Anel

Nas figuras 42 e 43 apresentam-se as especificações dediagrama respectivamente para os elementos de FM tipo seta e anel,onde a escala normalizada representa o módulo da intensidade decampo em polarização elíptica (isto é, a soma vetorial dos camposradiados em polarização horizontal e em polarização vertical). Oparâmetro AR (relação axial, vide Fig. 18) indica o desequilíbrio entre asamplitudes dos campos em polarização horizontal e em polarizaçãovertical especificados para estas antenas.

Figura 43 – FM Anel


Faixa: FMPolarização: elípticaGanho / polarização: -3,5 dBdAR : 3 dB máxImpedância: 50 ΩVSWR : 1: 1,1Conector: N / EIAPotência : < 4 kW @ EIA 7/8”Pêso : [10 - 50] KgÁrea vento : [0,4 - 1 ] m2

• FM seta / anel

FM anel


Circularidade ≅ 1 - 2 dBAR ≅ 1 - 1,5 dBHPBWV ≅ 95 graus

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

El

El

0

10

20

30

40

50

60

708090100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250260 270 280

290

300

310

320

330

340

350

Az

,,X Y Z

0

10

20

30

40

50

6070

8090100110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250260 270 280

290

300

310

320

330

340

350

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

FM setaAz

El

El


Circularidade ≅ 1 - 2 dBAR ≅ 1 - 1,5 dBHPBWV ≅ 95 graus

,,X Y Z

Figura 42 – FM Seta



As antenas apresentadas nas figuras anteriores representamos modelos com maior aplicabilidade em sistemas de radiodifusão de TVe FM, evidentemente outros modelos de antenas e variações dasgeometrias apresentadas existem e são utilizadas mas, via de regra, agrande maioria das instalações e sistemas radiantes em operação irárecair em algum dos modelos anteriores.

Cada antena apresenta especificações elétricas e mecânicasparticulares, a adequação e escolha de um tipo de antena em detrimentode outra deve levar em consideração estas características sempre à luzdo cumprimento das especificações do projeto de viabilidade técnica edo melhor custo-benefício possível para o sistema de transmissão.Recorrer ao fabricante é sempre uma boa estratégia para otimizar aespecificação do sistema radiante da sua estação.

.


Capítulo 3 – Arranjo de Antenas 28

Arranjo de Antenas

Figura 44 – Definição

Arranjo de antenas ou “array” é o nome dado ao agrupamentocontrolado de um conjunto de antenas iguais com o objetivo de se atingirespecificações de ganho e de diagramas de radiação não realizáveis àpartir do emprego de uma única antena isolada deste mesmo conjunto.Trata-se portanto de uma nova antena gerada pela combinação de umconjunto de antenas.

Pode-se configurar arranjos com qualquer tipo de antena tomadocomo elemento básico do arranjo, em aplicações de radiodifusão opera-se na maior parte dos casos com arranjos de antenas tipo yagi, log-periódica, painel, superturnstile, slot, anel FM, seta FM comoapresentado nas figuras anteriores.

Usualmente não se opera com arranjos de parábolas, tambémnão se trabalha com arranjos de antenas que sejam de tipos diferentes,como por exemplo a combinação de uma antena painel com uma antenaslot, embora possa ser teoricamente possível desenhar um arranjo destetipo.

Genericamente o desenho e análise de um arranjo de antenaspode ser separado em duas partes, uma que trata do arranjo horizontalisto é : a manipulação da quantidade das faces do sistema e outra quetrata do arranjo vertical isto é: a manipulação da quantidade dos níveisde empilhamento do sistema. O diagrama e o ganho da antena (arranjo)resultante irá aproximar muito bem o diagrama e o ganho obtido à partirda análise dos arranjos horizontal e vertical separadamente.

Figura 45 – Tipos

A Fig. 45 apresenta três ilustrações dos possíveis tipos dearranjo que ocorrem na prática.

À esquerda tem-se um arranjo de painéis H ao redor dasquatro faces de uma torre, existe neste caso o interesse pelamanutenção do diagrama vertical (elevação) do elemento básico doarranjo e a geração de um novo diagrama horizontal (azimute) que sejadiferente do diagrama horizontal do elemento básico do arranjo, logotem-se por definição um arranjo horizontal o que implicará namanipulação do ganho horizontal ou ganho de azimute desta novaantena.

• Definição

É uma antena composta por um grupo de elementos radiantes iguais, alimentados e dispostos de maneira tal a se obter uma determinada combinação desejada de ganho / diagrama de radiação.

Arranjo HorizontalArranjo Horizontal : determina o diagrama e o ganho de azimute manipulação # facesArranjo VerticalArranjo Vertical : determina o diagrama e o ganho de elevação manipulação # níveis

ArranjoHorizontal

ArranjoVertical

ArranjoHorizontal + Vertical



Ao centro temos o empilhamento vertical de 3x painéis H aolongo da face de uma torre, existe neste caso o interesse pelamanutenção do diagrama horizontal do elemento básico do arranjo e ageração de um novo diagrama vertical que seja diferente do diagramavertical do elemento básico do arranjo, logo tem-se por definição umarranjo vertical o que implicará na manipulação do ganho vertical ouganho de elevação desta nova antena.

À direita tem-se um arranjo de painéis H em duas faces comdois níveis de empilhamento vertical por face, existe neste caso ointeresse pela geração de diagramas de radiação horizontal e verticalque sejam diferentes dos diagramas nativos do elemento básico doarranjo, logo tem-se por definição um arranjo combinado horizontal +vertical o que implicará na manipulação simultânea dos ganhos deazimute e de elevação desta nova antena.

Embora a ilustração tenha utilizado a representação de painéisH, o conceito é genérico e pode ser aplicado para qualquer tipo deantena.

Figura 46 – Graus de Liberdade vs. Tipo de arranjo

Trabalhar com arranjo de antenas significa liberdade eflexibilidade para atingir as especificações de antena requeridas peloprojeto de viabilidade técnica da emissora.

Emprega-se invariavelmente solução com arranjo aondeexistem restrições de montagem na torre e/ou restrições de cobertura,pois nestes casos as especificações nativas de antenas padrão não sãosuficientes para lidar com estas restrições.

Como parte integrante de um arranjo de antenas existenecessariamente um sistema de distribuição de potência, responsávelpor garantir as potências e fases projetadas por elemento além de estardimensionado para garantir o casamento de impedância do arranjo coma linha de transmissão e suportar a potência de entrada especificadapara o sistema.

Como listado na Fig. 46, os diversos graus de liberdaderelacionados como:

Quantidade de facesQuantidade de níveisQuantidade de níveis pôr facePotência e fase pôr elementoDisposição mecânica do elementopodem ser manipulados ou não de acordo com a arquitetura

escolhida para o arranjo, isto é se o mesmo trata-se de um arranjohorizontal, vertical ou horizontal + vertical.

O grau de liberdade “disposição mecânica” refere-se à situaçãode montagem individual de cada antena do arranjo, onde pode-se operardeslocamentos mecânicos no sentido horizontal e/ou vertical, bem comorecuos, afastamentos e inclinações mecânicas com relação às faces datorre.

• Graus de Liberdade vs. Tipo de arranjo

# faces arranjo H# níveis arranjo V# níveis por face arranjo composto (H+V)potência por elemento arranjo H / V / (H+V)fase por elemento arranjo H / V / (H+V)disposição mecânica arranjo H / V / (H+V)



Figura 47 – Exemplos

À esquerda da Fig. 47 tem-se a foto de dois arranjosempilhados sobre um mesmo mastro, no topo um arranjo de duas facesde painéis faixa larga de UHF, abaixo o arranjo de duas faces com doisníveis pôr face de painéis de VHF banda alta. Em ambos os arranjos foiaplicado tilt mecânico.

No centro da Fig. 47 tem-se a foto de um arranjo vertical dedois níveis de superturnstile de VHF banda baixa.

À direita da Fig. 47, a foto superior mostra um arranjocomposto horizontal + vertical de painéis faixa larga UHF com aaplicação do grau de liberdade “disposição mecânica” conforme adefinição apresentada na figura anterior. Abaixo tem-se a foto de umarranjo de quatro faces com dois níveis pôr face de antenas tipo paineldipolos de VHF banda baixa.

Figura 48 – Horizontal

Nas próximas figuras serão exercitados os vários graus deliberdade oferecidos por arranjo de antenas do tipo horizontal.

Arranjos horizontais são, na maioria das vezes, desenhados àpartir da situação mecânica da torre disponível para alojar as antenas; omais usual é o emprego de antenas separadas axialmente de 90 graus,em geometrias de 2, 3 ou 4 faces como ilustradas na parte superior daFig. 48, entretanto conformações do tipo triângulo (separação axial em120 graus) ou pentágono (separação axial em 72 graus) podem serimaginadas, bem como outras.

ArranjoHorizontal

ArranjoVertical

ArranjoHorizontal + Vertical

Arranjo HorizontalExemplos :



Figura 49 – Variação da quantidade de faces

Para tornar a análise despolarizada e representativa doscompromissos que se quer ilustrar, adotar-se-á nas próximas figurascomo elemento básico do arranjo horizontal uma antena descritamatematicamente no plano horizontal pela função cos^2(phi) e comrelação frente-costa de 20 dB, esta antena apresenta HPBWH=66 grause tem diagrama de radiação de azimute conforme o diagrama polar nocentro superior da Fig. 49.

Como geometria básica do arranjo horizontal, será consideradoum circulo imaginário de raio ρ centrado ao redor de uma torre edispostas sobre este círculo imaginário quatro antenas iguaiscomponentes do arranjo segundo as posições e nomenclaturas dailustração superior esquerda da Fig. 49 (antena 1 @ 0 graus, antena 2 @90 graus, antena 3 @ 180 graus e antena 4 @ 270 graus).

Para ensaiar os efeitos da variação da quantidade de facessobre o diagrama de azimute resultante de um arranjo horizontal deve-se supor ρ constante, distribuição de potência simétrica e fase dealimentação também simétrica (todos os elementos pertencentes aoarranjo alimentados com a mesma potência e fase).

Para o caso de um arranjo de duas faces com separação axial

de 90 graus tem-se P1=P2, para arranjo de três faces tem-se P1=P2=P3e para quatro faces tem-se P1=P2=P3=P4. Os diagramas de azimuteresultantes destes arranjos estão apresentados na parte inferior da Fig.49, para o caso de 2 ou 3 faces tem-se um diagrama direcional tipocardióide e para 4 faces o diagrama resultante é do tipo ominidirecional.

Nesta figura foi ilustrado o compromisso do grau de liberdade =“quantidade de faces”.

Figura 50 – Variação da potência pôr face

Para ensaiar os efeitos da variação da potência por face sobreo diagrama de azimute resultante de um arranjo horizontal deve-sesupor ρ constante e fase de alimentação simétrica, sendo a potênciaaplicada a cada face o parâmetro de teste.

Para cada situação de 2,3 ou 4 faces foram arbitrados valoresde potência distintos para cada uma das faces do arranjo e osdiagramas resultantes apresentados na parte inferior da Fig. 50.

Comparando o diagrama de azimute da Fig. 49 anterior paraP1=P2 contra o ensaio de assimetria de potência P1=30% e P2=70%mostrado na Fig. 50 verifica-se imediatamente a influência desteparâmetro (assimetria de potência) e como o mesmo pode ser útil em

0

3 0

6 0

9 0

1 2 0

1 5 0

1 8 0

2 1 0

2 4 0

2 7 0

3 0 0

3 3 0

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

torre

ρ

P1

P4

P3

P2

torre

ρ

P1

P4

P3

P2 Variação da quantidade de facesρ constantePotência simétricaFase simétrica

P1 = P2 P1 = P2 = P3 P1 = P2 = P3 = P4

Φazimute

± 66 graus@ -3 dB

± 66 graus@ -3 dB

0

3 0

6 0

9 0

1 2 0

1 5 0

1 8 0

2 1 0

2 4 0

2 7 0

3 0 0

3 3 0

0

3 0

6 0

9 0

1 2 0

1 5 0

1 8 0

2 1 0

2 4 0

2 7 0

3 0 0

3 3 0

0

3 0

6 0

9 0

1 2 0

1 5 0

1 8 0

2 1 0

2 4 0

2 7 0

3 0 0

3 3 0

torre

ρ

P1

P4

P3

P2

torre

ρ

P1

P4

P3

P2 Variação da potência pôr faceρ constantePotência assimétricaFase simétrica

30% / 70% 20% / 30% / 50% 40% / 40% / 10% / 10%

Φazimute

± 66 graus@ -3 dB

± 66 graus@ -3 dB



situações onde se deseja otimizar e/ou restringir coberturas emdeterminadas radiais.

Ensaios de assimetria de potência para 3 faces e para 4 facestambém estão apresentados na Fig. 50, e proporcionam uma idéia dasvariações de cobertura possíveis empregando-se esta técnica.

Nesta figura foi ilustrado o compromisso do grau de liberdade =“potência por elemento”.

Figura 51 – Variação da fase por face

Para ensaiar os efeitos da variação da fase por face sobre odiagrama de azimute resultante de um arranjo horizontal deve-se suporρ constante e a potência de alimentação simétrica, sendo a fase dealimentação aplicada a cada face o parâmetro de teste.

Para cada situação de 2,3 ou 4 faces foram arbitrados valoresde fase distintos para cada uma das faces do arranjo e os diagramasresultantes apresentados na parte inferior da Fig. 51.

Comparando o diagrama de azimute da Fig. 49 anterior paraP1=P2 contra o ensaio de assimetria de fase P1=0 graus e P2=+70graus mostrado na Fig. 51 verifica-se imediatamente a influência deste

parâmetro (assimetria de fase) e como o mesmo pode ser útil emsituações onde se deseja otimizar e/ou restringir coberturas bem comoquando se deseja provocar nulos em determinadas radiais (este últimocaso é bastante útil para lidar com limitações impostas pelo projeto emsituações de operação co-canal).

Ensaios de assimetria de fase para 3 faces e para 4 facestambém estão apresentados na Fig. 51, e proporcionam uma idéia dasvariações de cobertura possíveis empregando-se esta técnica.

Nesta figura foi ilustrado o compromisso do grau de liberdade =“fase por elemento”.

Embora não apresentado, torna-se imediato e de fácilcompreensão imaginar a infinidade de possíveis combinações e aversatilidade para a síntese de diagramas de radiação de azimute queresultam em se pode operar simultaneamente os valores de potência ede fase de alimentação para cada elemento de um arranjo horizontal,note ainda que até este ponto lidamos com apenas dois graus deliberdade simultaneamente...

Figura 52 – Variação do afastamento da face

0

3 0

6 0

9 0

1 2 0

1 5 0

1 8 0

2 1 0

2 4 0

2 7 0

3 0 0

3 3 0

0

3 0

6 0

9 0

1 2 0

1 5 0

1 8 0

2 1 0

2 4 0

2 7 0

3 0 0

3 3 0

0

3 0

6 0

9 0

1 2 0

1 5 0

1 8 0

2 1 0

2 4 0

2 7 0

3 0 0

3 3 0

torre

ρ

Φ1

Φ4

Φ3

Φ2

torre

ρ

Φ1

Φ4

Φ3

Φ2 Variação da fase pôr faceρ constantePotência simétricaFase assimétrica

0 / 70 grau 0 / 180 / 0 grau 0 / 0 / 180 / 180 grau

Φazimute

± 66 graus@ -3 dB± 66 graus@ -3 dB

0

3 0

6 0

9 0

1 2 0

1 5 0

1 8 0

2 1 0

2 4 0

2 7 0

3 0 0

3 3 0

0

3 0

6 0

9 0

1 2 0

1 5 0

1 8 0

2 1 0

2 4 0

2 7 0

3 0 0

3 3 0

0

3 0

6 0

9 0

1 2 0

1 5 0

1 8 0

2 1 0

2 4 0

2 7 0

3 0 0

3 3 0

torre

ρ

P1

P4

P3

P2 Variação do afastamento da faceρ variável

Potência simétrica P1 = P2 = P3 = P4

Fase simétrica Φ1 = Φ2 = Φ3 = Φ4

0.5 λ 1 λ 1.5 λ

± 66 graus@ -3 dB

± 66 graus@ -3 dB

Φazimute



Para ensaiar os efeitos da variação do afastamento doselementos da face da torre sobre o diagrama de azimute resultante deum arranjo horizontal deve-se supor a potência e a fase de alimentaçãosimétricas, sendo ρ variável o parâmetro de teste.

Para a situação de um arranjo de 4 faces foram arbitrados trêsvalores de afastamento distintos valendo respectivamente 0.5 λ, 1 λ e1.5 λ entre os elementos do arranjo e o centro da torre, os diagramasresultantes para cada caso estão apresentados na parte inferior da Fig.52.

Note a deterioração do diagrama ominidirecional, isto éredução de circularidade e surgimento de penetrações no diagrama deazimute à medida que os elementos vão se afastando, o que indica quepara antenas de UHF (onde a seção da torre facilmente é do tamanhoou ultrapassa 1l do canal de operação) não é recomendável trabalharcom torres de seção muito grandes e para o caso de antenas de VHF aoredor de torres pequenas deve-se projetá-las mecanicamente para fora,sempre procurando trabalhar ao redor de r =0.5 l para sintetizardiagramas ominidirecionais.

Figura 53 – Deslocamento lateral (Off-set)

Em situações onde a seção da torre é menor mecanicamentedo que a dimensão lateral da antena que será instalada nesta seção(situação bastante comum em antenas tipo painel onde a largura doquadro refletor é maior do que a largura da torre) recorre-se ao artificiode instalação de acomodar os elementos do arranjo aplicando-se umligeiro deslocamento lateral, ou como também denominado “offsetmecânico”, aos elementos; a Fig. 53 ilustra esta situação de montagemonde para cada elemento do arranjo operou-se um deslocamento entreo seu centro e o centro da torre, este deslocamento lateral é o “offset”.

Embora esta técnica proporcione um ganho de imediato naferragem agregada de instalação, independentemente desta situaçãoprática como apresentada, a técnica de “offset” é também e muito maisfreqüentemente utilizada para se proporcionar redução de estacionáriaem um arranjo de antenas quando este arranjo é instalado, pois ocorreque cada antena passa a apresentar individualmente um descasamentode impedância provocado pelas impedâncias mutuas (vide Fig. 15)originadas pelas demais antenas do arranjo e pela própria torre,desequilibrando os divisores de potência e consequentemente piorandoo VSWR do arranjo. Como será visto na Fig. 54 a seguir, a técnica de“offset” é um recurso empregado em arranjo de antenas para aotimização do VSWR dentro da faixa de operação.

A Fig. 53 apresenta em sua parte inferior os diagramas deazimute resultantes de um arranjo de 4 faces alimentados em simetriade potência e ensaiados, respectivamente, sem offset (diagrama àesquerda), com offset e com o respectivo faseamento dos elementosΦ1=0 Φ2=90 Φ3=180 Φ4=-90 (diagrama ao centro) e com offset sem onecessário faseamento dos elementos, isto é Φ1=0 Φ2=0 Φ3=0 Φ4=0(diagrama à direita). Verifica-se que a montagem com offset não duplicao diagrama ominidirecional gerado pelo arranjo sem offset, bem comocaso não seja efetuado a devida compensação de fase o diagramagerado irá apresentar distorções significativas.0

3 0

6 0

9 0

1 2 0

1 5 0

1 8 0

2 1 0

2 4 0

2 7 0

3 0 0

3 3 0

0

3 0

6 0

9 0

1 2 0

1 5 0

1 8 0

2 1 0

2 4 0

2 7 0

3 0 0

3 3 0

torre Φ1

Φ 4

Φ 3

Φ 2 Deslocamento lateral (Off-set)ρ constantePotência simétrica P1 = P2 = P3 = P4

Fase assimétrica Φ1=0 Φ2=90 Φ3=180 Φ4=-90

Fase simétrica Φ1=0 Φ2=0 Φ3=0 Φ4=0

sem off-set

Off-set

com off-setfase assimétrica

0

3 0

6 0

9 0

1 2 0

1 5 0

1 8 0

2 1 0

2 4 0

2 7 0

3 0 0

3 3 0

com off-setfase simétrica

Φazimute

± 66 graus @ -3 dB± 66 graus @ -3 dB



Figura 54 – Offset

Como afirmado na Fig. 53, a técnica de offset é um recursoempregado em arranjo de antenas para a otimização do VSWR dentroda faixa de operação, porem o deslocamento mecânico do eixo doelemento com relação ao eixo da torre deve ser compensadoeletricamente nos cabos e esta combinação de efeitos gera, na prática,ligeiras deformações no diagrama de radiação do arranjo que empregaoffset.

O diagrama resultante de um arranjo empregando offsetsomente seria igual ao diagrama resultante de um arranjo sem offsetcaso os elementos do arranjo apresentassem relação frente-costainfinita e reproduzissem a função cos^2(phi), imposições não realizáveisna prática.

Mesmo apresentando compromissos, a técnica de offsetentretanto é de grande valia e bastante empregada pois permite, naprática:

Melhorar ligeiramente a circularidade de arranjosominidirecionais;

Reduzir o VSWR de arranjos de antenas provocados por “buildup” de estacionária de cada elemento quando o mesmo entra no arranjo,ou quando condições atmosféricas deterioram o casamento deimpedância da antena (freqüente em antenas alimentadas de formabalanceada e/ou alta impedância).

A Fig. 54 pretende explicar o mecanismo de redução de VSWRquando se emprega offset, recorrendo ao circuito mostrado no extremosuperior esquerdo tem-se duas antenas iguais, denominadas ant1 e ant2e alimentadas por um mesmo gerador por intermédio de duas linhas detransmissão distintas e de comprimento elétrico L (para ant1) e L+D(para ant2).

Se a diferença de comprimento elétrico entre estas duaslinhas, o parâmetro D, é feito D= λ/4 esta diferença de 90 graus irá setransformar em 180 graus sobre o gerador para a onda refletida em ant2pôr ocasião de um descasamento de impedâncias sofridosimultaneamente por ant1 e ant2, ora as ondas refletidas de ant1 e ant2irão somar-se sobre o gerador com uma diferença de fase de 180 graus,cancelando-se teoricamente e “simulando” para o gerador uma situaçãode VSWR inferior àquela que efetivamente está estabelecida sobre osterminais de cada antena ant1 e ant2.

O gráfico na parte inferior da Fig. 54 mostra o VSWR resultantesobre o gerador versus o VSWR desenvolvido na antena, onde pode-seobservar que, por exemplo, com o emprego desta técnica variações deVSWR na antena até 1,6:1 se traduzem em variações no gerador de nomáximo 1,1:1.

Esta técnica pode ser empregada tanto para arranjoshorizontais como para arranjos verticais conjuntamente (neste casochamado de “ double step phase compensation”) em arranjoscomplexos; como ilustrado na Fig. 54 se tomarmos como exemplo umarranjo de 4 faces com dois níveis de empilhamento por face eprocedermos à aplicação de offset mecânico nos dois níveisalimentando o nível superior com as fases/face indicadas (0, -90,180,+90) e o nível inferior com as fases/face indicadas

L + DL

Ant 1

Ant 2

Ger

ador

VS

WR

Ant

VS

WR

Ger

ador

VS

WR

Ant

0 -90 180 +90

+90 0 -90 180

Offset Hor

Offset Ver

• “Suavização do diagrama”• Redução de VSWR do arranjo

1

1.1

1.2

1.3

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

V S W R A n t VS

WR

Ger

adorD = λ / 4



(+90,0,-90,180), deveremos obrigatoriamente alimentar o nível inferiorcom –90 graus de defasagem com relação ao nível superior paragarantir a mesma fase / face para o arranjo como um todo, estaintrodução deliberada da defasagem de 90 graus entre o nível superior enível inferior fará com que o VSWR do divisor 1:2 que alimenta os doisníveis seja inferior àquele caso esta técnica não tivesse sido utilizada.

Figura 55 – Deslocamento diagonal

Conforme mostrado na Fig. 52 anteriormente, para o caso dediagramas de azimute do tipo ominidirecional, existe um compromissoótimo entre a seção transversal da torre e o comprimento de onda deoperação do arranjo ao redor desta torre, sendo que diagramasominidirecionais com baixa circularidade requerem uma seçãotransversal de torre de, no máximo, 1λ (ρ < 0.5 λ).

Ocorre entretanto que a disponibilidade de torres e mesmo oespaço em torres disponíveis para a instalação destes arranjos muitasvezes não cumpre estes requisitos e, nestes casos, resta pensar em umaumento da quantidade de faces do arranjo (pôr exemplo 5,6,7 até 8faces) ou alternativamente empregar a técnica descrita nesta Fig. 55,conhecida como deslocamento diagonal ou “skew”.

Neste tipo de arranjo os elementos são dispostos sobre umalinha imaginária que se projeta passando pelas diagonais da torre, aparte frontal de cada elemento (ou máx do diagrama de radiação doelemento) é apontada na direção perpendicular à esta diagonal e cadaelemento alimentado com fase própria conforme ilustração enomenclatura indicadas no extremo superior esquerdo da Fig. 55.

Para arranjos de 4 elementos com separação axial 90 graus, aformulação matemática desta montagem requer que o elemento doarranjo possua diagrama de azimute conforme a função cos^2(phi) erelação frente-costa infinita a fim de se obter o diagrama ominidirecionalótimo, tal elemento deve ter o diagrama de azimute conforme ilustradono centro superior da Fig. 55.

A Fig. 55 apresenta em sua parte inferior os diagramas deazimute resultantes desta montagem onde à esquerda tem-se, apenaspara fins de comparação, o diagrama de azimute associado à um arranjode 4 faces alimentado em simetria de potência e fase considerandoρ=1.4 λ onde pode-se verificar a perda de circularidade edesconfiguração da característica ominidirecional desejada.

Ao centro pode-se observar o resultado da montagemempregando a técnica descrita de deslocamento diagonal comassimetria de fase (Φ1=0 Φ2=90 Φ3=180 Φ4=-90), sendo o diagrama obtidoperfeitamente ominidirecional com circularidade equivalente às situaçõesde ρ=0.5λ (vide Fig. 52).

À direita está apresentado o diagrama resultante para o casopratico de se utilizar uma antena tipo painel de dipolos de VHF bandaalta (canal 7 até 13) nesta configuração de deslocamento diagonal, ondenota-se a deterioração da circularidade (embora tendo sido mantido acaracterística ominidirecional do diagrama) provocada pelos desvios doângulo de meia potência e da relação frente-costa finita desta antenarealizável comparativamente à antena ideal considerada na formulaçãomatemática para a solução ótima do problema.

Nesta figura e nas anteriores 54, 53 e 52 foram ilustrados oscompromissos do grau de liberdade = “disposição mecânica doelemento”.

Φ1

0

3 0

6 0

9 0

1 2 0

1 5 0

1 8 0

2 1 0

2 4 0

2 7 0

3 0 0

3 3 0

torre

Φ 4Φ 3

Φ 2

Φazimute

Deslocamento diagonal (Skew)ρ constante > λPotência simétrica P1 = P2 = P3 = P4

Fase assimétrica Φ1=0 Φ2=90 Φ3=180 Φ4=-90

0

3 0

6 0

9 0

1 2 0

1 5 0

1 8 0

2 1 0

2 4 0

2 7 0

3 0 0

3 3 0

ρ

0

3 0

6 0

9 0

1 2 0

1 5 0

1 8 0

2 1 0

2 4 0

2 7 0

3 0 0

3 3 0

1.4 λ na facecos^2

1.4 λ skewcos^2

1.4 λ skewpainel

± 66 graus @ -3 dB± 66 graus @ -3 dB



Figura 56 – Vertical

Nas próximas figuras serão exercitados os vários graus deliberdade oferecidos por arranjo de antenas do tipo vertical.

Como ilustrado na Fig. 56 esta categoria de arranjo é criadapelo empilhamento vertical de, pelo menos, dois elementos (ou tambémdenominado dois níveis) podendo, em tese, atingir qualquer quantidadede elementos, embora na prática em antenas de radiodifusão para FM eTV não seja usual empregar-se mais do que 24 elementos empilhadosverticalmente (situação de uma antena slot de UHF com 24 fendas porexemplo).

A configuração e possíveis variantes de arranjos verticais nãoapresentam uma “amarração” com a geometria da torre como ocorrecom arranjos horizontais que, por uma questão de facilidade deinstalação, procuram “vestir” a torre em conformidade com a quantidadede faces da própria torre (vide Fig. 48); em arranjos verticais oempilhamento projeta-se acima do topo da torre ou projeta-se emparalelo e ao longo da altura na face da torre.

Figura 57 – Variação da quantidade de níveis

Para tornar a análise despolarizada e representativa doscompromissos que se quer ilustrar, adotar-se-á nas próximas figurascomo elemento básico do arranjo vertical uma antena descritamatematicamente no plano vertical como um dipolo de meia-onda e comrelação frente-costa de 20 dB, esta antena apresenta HPBWV=78 grause tem diagrama de radiação de elevação conforme o diagrama polar nocentro superior da Fig. 57.

Como geometria básica do arranjo vertical, será considerado umempilhamento vertical de N elementos básicos separados entre si pelasdistâncias di (i = 1...n) e alimentados com potência Pi (i = 1...n) e fase φi(i = 1...n) segundo a disposição e a nomenclatura da ilustração superioresquerda da Fig. 57.

Para ensaiar os efeitos da variação da quantidade de níveis sobreo diagrama de elevação resultante de um arranjo vertical deve-se supord constante (separação uniforme), distribuição de potência simétrica efase de alimentação também simétrica (todos os elementospertencentes ao arranjo alimentados com a mesma potência e fase).

Para o caso de um arranjo de dois níveis tem-se P1=P2, para

torreP1 / Φ1

Variação da quantidade de níveisd constantePotência simétricaFase simétrica

P2 / Φ2

PN / ΦN

P3 / Φ3

d1

d2

dN-1

θelevação

± 78 graus@ -3 dB

P1 = P2 P 1 = P2 = P3 P1 = P2 = P3 = P4

Arranjo Vertical



arranjo de três níveis tem-se P1=P2=P3 e para quatro níveis tem-seP1=P2=P3=P4. Os diagramas de elevação resultantes destes arranjosestão apresentados na parte inferior da Fig. 57 em formato polar, noteque à medida que se aumenta a quantidade de níveis o diagrama deelevação ou diagrama vertical vai de fechando em torno do horizonte,isto é o ganho vertical do arranjo vai aumentando e vão surgindo lóbulossecundários em quantidade proporcional aos elementos empilhados ecom amplitudes variáveis, o nível do lóbulo traseiro se mantém.

Nesta figura foi ilustrado o compromisso do grau de liberdade =“quantidade de níveis”.

Figura 58 – Variação da potência por nível

Para ensaiar os efeitos da variação da potência por nível sobreo diagrama de elevação resultante de um arranjo vertical deve-se supord constante (separação uniforme) e fase de alimentação simétrica,sendo a potência aplicada a cada nível o parâmetro de teste.

Para cada situação de 2,3 ou 4 níveis de empilhamento foramarbitrados valores de potência distintos para cada um dos níveis doarranjo e os diagramas resultantes estão apresentados em formato polar

(para dois níveis) e em formato retangular (para três e quatro níveis) naparte inferior da Fig. 58.

Para os diagramas em formato retangular são sobrepostos odiagrama resultante da aplicação de potência simétrica (em vermelho)com o diagrama resultante da aplicação de potências assimétricas (emazul) a fim de se melhorar visualizar as implicações deste parâmetro deteste.

Para o caso de 2 e de 3 níveis de empilhamento a distribuiçãoassimétrica de potência possibilitou o preenchimento de nulos (ou “nullfill”), com a manutenção da quantidade dos lóbulos laterais. Para o casode 4 níveis de empilhamento a assimetria de potência adotada segundoa lei de distribuição binomial permitiu eliminar completamente 2 dos 3lóbulos laterais, às custas porem de uma redução do ganho de elevaçãodo arranjo (vide o alargamento do ângulo de meia potência vertical parao arranjo alimentado segundo a lei binomial onde P1=5%, P2=45%,P3=45%, P4=5%).

Nesta figura foi ilustrado o compromisso do grau de liberdade =“potência por nível”.

Figura 59 – Variação da fase por nível

torreP1 / Φ1

Variação da potência pôr níveld constantePotência assimétricaFase simétrica

P2 / Φ2

PN / ΦN

P3 / Φ3

d1

d2

dN-1

θelevação

± 78 graus@ -3 dB

70% / 30%

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1/3-1/3-1/3 %15-35-50 %1/3-1/3-1/3 %15-35-50 %

25-25-25-25 %5-45-45-5 %25-25-25-25 %5-45-45-5 %

torreP1 / Φ1

Variação da fase pôr níveld constantePotência simétricaFase assimétrica

P2 / Φ2

PN / ΦN

P3 / Φ3

d1

d2

dN-1

θelevação

± 78 graus@ -3 dB

45 / 0 grau

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0-0-0 grau0-30-0 grau0-0-0 grau0-30-0 grau

0-0-0-0 grau60-20-0-20 grau0-0-0-0 grau60-20-0-20 grau



Para ensaiar os efeitos da variação da fase por nível sobre odiagrama de elevação resultante de um arranjo vertical deve-se supor dconstante (separação uniforme) e potência de alimentação simétrica,sendo a fase aplicada a cada nível o parâmetro de teste.

Para cada situação de 2,3 ou 4 níveis de empilhamento foramarbitrados valores de fase distintos para cada um dos níveis do arranjo eos diagramas resultantes estão apresentados em formato polar (paradois níveis) e em formato retangular (para três e quatro níveis) na parteinferior da Fig. 59.

Para os diagramas em formato retangular são sobrepostos odiagrama resultante da aplicação de fase simétrica (em vermelho) com odiagrama resultante da aplicação de fases assimétricas (em azul) a fimde se melhorar visualizar as implicações deste parâmetro de teste.

Para o caso de 2 níveis de empilhamento a distribuiçãoassimétrica de fase possibilita a incorporação de inclinação elétrica (ou“beam tilt”), com o conseqüente aumento da amplitude dos lóbuloslaterais e redução de ganho de elevação do arranjo. Para o caso de 3níveis de empilhamento pode-se trabalhar o preenchimento de nulos(como também era possível com a distribuição assimétrica de potência-vide Fig. 58) e para 4 níveis de empilhamento consegue-se trabalhartanto a inclinação elétrica como o preenchimento de alguns nulossimultaneamente.

Nesta figura foi ilustrado o compromisso do grau de liberdade =“fase por nível”.

Para ensaiar os efeitos da variação da separação entre níveissobre o diagrama de elevação resultante de um arranjo vertical deve-sesupor potência e fase de alimentação simétrica, sendo a separação dentre níveis o parâmetro de teste.

Para cada situação de 2,3 ou 4 níveis de empilhamento foramarbitrados valores de separação entre níveis distintos e os diagramasresultantes estão apresentados em formato polar (para dois níveis) e emformato retangular (para três e quatro níveis) na parte inferior da Fig. 60.

Para os diagramas em formato retangular são sobrepostos odiagrama resultante da aplicação da separação uniforme (em vermelho)com o diagrama resultante da aplicação de separação não uniforme (em

Figura 60 – Variação da separação por nível

azul) a fim de se melhorar visualizar as implicações deste parâmetro deteste.

Para o caso de 2 níveis, o emprego de separação diferente de1 comprimento de onda permite aumentar ou reduzir os lóbulossecundários. Para o caso de 3 ou 4 níveis de empilhamento consegue-se trabalhar o preenchimento de nulos preservando-se o HPBWV e aamplitude dos lóbulos laterais bem com a redução daqueles maisafastados do lóbulo principal.

Para ensaiar os efeitos da variação do afastamento de cadanível do arranjo (avanço ou recuo em relação à linha imaginária quedetermina a colinearidade dos elementos) sobre o diagrama de elevaçãoresultante de um arranjo vertical, deve-se supor potência e fase dealimentação simétricas bem como a separação d entre níveis uniforme.Recorrendo à ilustração superior esquerda da Fig. 61 verifica-se que talafastamento caracteriza-se como um “offset” mecânico do

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

torreP1 / Φ1

Variação da separação pôr níveld variávelPotência simétricaFase simétrica

P2 / Φ2

PN / ΦN

P3 / Φ3

d1

d2

dN-1

θelevação

± 78 graus@ -3 dB

0.75 λ

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

2-1 -0 λ1.75-1-0 λ2-1 -0 λ1.75-1-0 λ

3-2 -1-0 λ2.9-1.6-0.8-0 λ3-2 -1-0 λ2.9-1.6-0.8-0 λ



Figura 61 – Variação do afastamento da face

elemento do arranjo com relação à uma linha imaginária decolinearidade que centralizaria todos os elementos, portanto um conceitosemelhante àquele apresentado na Fig. 53 anterior.

Uma análise mais atenta desta variante de montagem permiteconcluir que esta técnica tem o efeito de provocar uma variação da fasepôr nível como já apresentado na Fig. 59 anterior, pois o afastamentoou aproximação de cada nível do arranjo com relação à torre éequivalente a uma incorporação de fase neste nível com relação aosdemais; a conversão entre o afastamento mecânico e a fase dealimentação é imediata pois um deslocamento de lambda implica emvariação de 360 graus, se o deslocamento é da linha de colinearidadepara trás (em direção à torre) isto eqüivale a atrasar a fase desteelemento com relação aos demais e vice versa.

O diagrama polar da Fig. 61 corresponde a um arranjo de doisníveis de empilhamento e é obtido pela projeção mecânica do elementosuperior para a frente da linha de colinearidade pelo valor de λ/8, note

.

que λ/8 = 45 graus e portanto esta situação é exatamente igual àquelamostrada no diagrama polar da Fig. 59.

Para 3 e 4 níveis de empilhamento os diagramas retangularesda Fig. 61 reproduzem a mesma situação daqueles apresentados na Fig.59 anterior, porem neste caso o que provocou a defasagem foi odeslocamento mecânico de cada nível proporcionado por esta técnica.

Figura 62 – Inclinação ou “Tilt”

O empilhamento vertical de antenas em um arranjo possibilita oemprego da técnica de inclinação de feixe ou “tilt” que nada mais é doque inclinar o lóbulo principal do diagrama de elevação para abaixo dalinha do horizonte. Quando o máximo do diagrama de elevação édeslocado para α graus abaixo da linha do horizonte diz-se que osistema apresenta tilt de α graus.

Existem duas formas de se provocar inclinação de feixe emarranjos verticais, classificadas como:

Inclinação elétrica ou tilt elétricoInclinação mecânica ou tilt mecânico

torreP1 / Φ1

P2 / Φ2

PN / ΦN

P3 / Φ3

d1

d2

dN-1

θelevação

± 78 graus@ -3 dBOff-set

Variação do afastamento da faced constantePotência simétricaFase simétrica

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

λ/8 - 0 mt

0-0-0 mt0−λ/12 −0 mt0-0-0 mt0−λ/12 −0 mt

0-0-0-0 mtλ/6−λ/18 −0-λ/18 mt0-0-0-0 mtλ/6−λ/18 −0-λ/18 mt

torreP1 / Φ1

Inclinação ou “Tilt”•mecânico : geração de α pela inclinação com relação à torre•elétrico : geração de α via Φ1...N

P2 / Φ2

PN / ΦN

P3 / Φ3

d1

d2

dN-1

α

α

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1


0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1


Mecânico

Elétrico



O extremo superior esquerdo da Fig. 62 ilustra duas situaçõesde montagem típicas para arranjos verticais, a situação de disposiçãomecânica em colinearidade onde os elementos estão alinhadosverticalmente e centrados sobre uma linha imaginária configura oemprego típico da técnica de tilt elétrico, já a situação de disposiçãomecânica onde a linha de colinearidade sofre uma inclinação mecânica eprojeta todo o arranjo em ângulo configura o emprego da técnica de tiltmecânico.

No caso de se empregar tilt elétrico a inclinação de α graus sedá pela manipulação das fases Φ1...N dos elementos do arranjo e no casode se empregar tilt mecânico a inclinação de α graus se dá pelainclinação mecânica de α graus da linha de colinearidade do arranjo.

O diagrama polar da Fig. 62 mostra uma ampliação dos lóbulossecundários de um arranjo de quatro níveis, onde o diagrama emvermelho representa o arranjo sem tilt e o diagrama em azul o arranjocom tilt elétrico, note o aumento de alguns lóbulos secundários para esteúltimo caso (incorporação do tilt elétrico), o diagrama retangular destasituação está também ilustrado ao lado para fins de comparação.

Acima deste diagrama retangular, a Fig. 62 ainda mostra asobreposição de, novamente, em vermelho o arranjo sem tilt e em azul oarranjo com tilt mecânico, note neste caso que o diagrama de elevaçãode um arranjo com tilt mecânico trata-se do diagrama de elevação doarranjo sem tilt deslocado à direita por tantos graus quanto for o ângulode tilt.

O tilt mecânico é mais indicado quando se dispõe dediagramas direcionais e o tilt elétrico quando se dispõe de diagramasominidirecionais, sendo que neste último caso o aumento de amplitudede alguns lóbulos secundários sempre irá provocar uma redução doganho de elevação do arranjo (tipicamente de alguns décimos de dB).

O tilt mecânico, embora não distorça o diagrama de elevação,não é indicado quando a antena é do tipo ominidirecional, pois a partede trás da antena estará radiando para acima da linha do horizonte epoderá implicar em problemas de cobertura.

Nesta figura e nas anteriores 61 e 60 foram ilustrados oscompromisso do grau de liberdade = “disposição mecânica doelemento”.

Por último, resta dizer que pode-se aplicar simultaneamente astécnicas de tilt elétrico com tilt mecânico em arranjos onde se desejeoperar com valores elevados de α.

.


Capítulo 4 – Tilt e Null Fill 41

Tilt e Null Fill

Figura 63 – Tilt e Null Fill

O emprego das técnicas de preenchimento de nulos ou “NullFill” e Inclinação de feixe ou “Tilt” pode ser utilizada em qualquer tipo deantena ou arranjo de antenas sem distinção e representa umaferramenta de projeto muito poderosa para otimizar a cobertura desistemas radiantes profissionais.

A propagação das ondas eletromagnéticas radiadas pôrqualquer antena estará sempre sujeita às perturbações do meio e odimensionamento de sistemas de RF deve sempre considerar estesefeitos a fim de se conseguir uma qualidade de cobertura satisfatória edentro de limites de intensidade de campo ( e de dispersão)preestabelecidas para cada tipo de serviço.

A determinação da cobertura com base unicamente nosdiagramas de radiação não é suficiente, deve-se verificar a topografia,tipo e a variação do nível médio do terreno com relação a altura daantena de transmissão, considerar os efeitos estatísticos de propagaçãoe à partir de metodologias conhecidas de projetos de radioenlacesdeterminar-se o melhor ponto de transmissão, altura do centro de fasedo mesmo (normalmente coincidente com o centro mecânico da antena),tipo da antena, diagramas de radiação e ganho.

A partir deste ponto se é constatado uma altura de antenasobre o Nível Médio do Terreno tal que a energia ou máximo do verticalda antena está se espalhando para acima do horizonte rádio torna-seinteressante utilizar “Tilt”, se ainda é constatado a incidência de nulos naárea de cobertura (provocados pelo vertical da antena), aplica-se “NullFill”. O dimensionamento correto do tilt e do null fill melhorasignificativamente a cobertura local sem o comprometimento dacobertura distante.

A quantidade e tipo do tilt, a quantidade de preenchimento denulo e de quantos nulos devem ser preenchidos é uma especificação deprojeto para o fabricante do sistema radiante e deve ser levado emconsideração desde o início da fabricação do mesmo

A Fig. 63 mostra uma situação exemplo onde para a antenasuperturnstile a implementação de tilt sempre é do tipo elétrico(diagrama de azimute ominidirecional) e a implementação para painéisnormalmente é do tipo mecânico (diagrama de azimute direcional).

A Fig. 64 ilustra graficamente as diferenças entre o tilt elétricoe o tilt mecânico e os efeitos de cada um sobre o diagrama de radiaçãoda antena. O tilt elétrico inclina para abaixo da linha do horizonte tanto olóbulo principal como os secundários e portanto é aplicável a qualquertipo de diagrama de azimute (direcional ou não), já o tilt mecânicoprojeta o lóbulo principal para abaixo com conseqüente projeção paraacima da linha do horizonte do(s) lóbulo(s) oposto(s) o que o faz maisindicado para diagramas de azimute direcionais.

A aplicação de tilt sempre reduz a potência ERP na linha dohorizonte na direção do lóbulo principal, característica que pode seraproveitada para a viabilização técnica de limitações combinada com oincremento de cobertura que se pretenda proporcionar com o tilt,

Quando a altura da antena sobre o NMT é tal que a energia do vertical da antena está sendo radiada acima do horizonte rádio, aplica-se tilttilt..

Se a antena está no centro ou ao redor da área de cobertura, aplica-se nullnull--fillfill .

Se corretamente dimensionados, o tilttilt e o nullnull--fillfill melhoram a cobertura local e tem efeito mínimo sobre a cobertura distante.

tiltelétrico

tiltmecânicoTilt

mecânico

Tiltelétrico



entretanto o tilt elétrico reduz o ganho de elevação da antena, porconseqüência do aumento do nível dos lóbulos secundários, ao passoque o tilt mecânico preserva o ganho de elevação (vide Fig. 62 anterior).

Figura 64 – Tilt Elétrico e Tilt Mecânico

A Fig. 65 apresenta em sua parte inferior as curvas deintensidade de campo em dBuV versus distância tomadas com base nascurvas FCC(50,50) para um sistema com potência Tx=20Kw, Ganho deantena=20x e potência ERP=2400 KW.

À esquerda tem-se acima o diagrama vertical em escalaretangular da antena sem tilt (em linha cheia) e o diagrama com oemprego de tilt de 1 grau (em linha pontilhada) com as correspondentescurvas de intensidade de campo abaixo para cada situação.

À direita tem-se acima o diagrama vertical em escalaretangular da antena com null fill 5% (em linha pontilhada), null fill 10%(em linha tracejada) e null fill 20% (em linha cheia) com ascorrespondentes curvas de intensidade de campo abaixo para cadasituação.

Figura 65 – Intensidade de campo vs. Tilt e Null fill

Verifica-se que, neste caso, 1 grau de tilt resultou em umincremento de 10 dB na cobertura local e 5% no primeiro nulo já foisuficiente para garantir city grade.

A incorporação de tilt e null fill simultaneamente reduzem oganho vertical da antena, variam entre 0,5 a 1,5 dB sendo que valoresexatos devem ser especificados pelo fabricante do sistema radiante.

A Fig. 66 ilustra graficamente os compromissos entre o ganhovertical de uma antena e a distância dos nulos provocados por estaantena, para uma situação calculada onde a antena encontra-se 500metros acima do nível médio do terreno.

A incorporação de null fill é, via de regra, necessária quando overtical da antena é muito fechado (isto é ganho vertical elevado) e oslóbulos secundários do diagrama vertical recaem sobre a área decobertura. Mesmo em situações onde o ganho vertical seja baixo (p.ex.< 10) se a antena estiver muito acima do nível médio do terreno, osnulos podem recair sobre região habitada e comprometer a qualidade doserviço.

• Tilt Elétrico– lóbulos inclinados abaixo

do horizonte– aplicável a qualquer

diagrama de azimute

• Tilt Mecânico– lóbulo principal abaixo do

horizonte– não aplicável a qualquer

diagrama de azimute



Figura 66 – Distância do Nulo # vs. Ganho Vertical da antena

Para antenas com ganho vertical variando de 4 até 30xverifica-se que o primeiro nulo apresenta uma inclinação ou “derivada”de maior valor e este nulo vai se afastando mais rapidamente da antenaà medida que o seu ganho vertical aumenta, é este primeiro nulo que,via de regra, recai sempre sobre a área de cobertura e que deve sernecessariamente eliminado (ou preenchido).

Já o segundo e terceiro nulos apresentam uma inclinação ou“derivada” de menor valor e vão se afastando mais lentamente daantena à medida que o seu ganho vertical aumenta, estes nulos irão, viade regra, recair mais próximos da antena e não representam problemas,a menos porem que a antena esteja muito acima do nível médio doterreno (como indicado pelas setas na lateral direita da Fig. 66 se aaltura da antena aumenta, todas as curvas deslocam-se para cima istoé, tanto o primeiro com segundo e terceiro nulos encontram-se maisafastados da antena e podem recair sobre a área de cobertura).

Distância do nulo # vs. Ganho Vertical da antena

0

1

2

3

4

5

6

7

8

4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0

Ganho Ver t i ca l da an tena

Dis

tân

cia

do

nu

lo e

m K

m

@ a

nte

na

a 5

00

mts

NM

T

nulo # 1 nulo # 2 nulo # 3

Alt

ura

da a

nten

a ac

ima

do N

MT

Alt

ura

da a

nten

a ac

ima

do N

MT


Capítulo 5 – Montagem da Antena na Torre 44

Montagem da Antena na Torre

Figura 67 – Montagem da antena na torre

A maneira ou forma como a antena é instalada em uma torreou estrutura de sustentação é muito mais importante e sério do que éconsiderado na maioria das situações práticas do dia a dia, onde existeum conhecimento muito precário ou quase nenhum conhecimento dascaracterísticas mecânicas da torre que irá acomodar a antena bem comodas condições em que a antena deverá ser instalada nesta estrutura.

A menos que a estação esteja investindo em uma instalaçãonova, onde uma nova torre deverá ser construída e portanto apresentaráespecificação, a maioria dos casos irá sempre recair em situações ondeo topo já encontra-se ocupado e a seção reta bastante “povoada” poroutras antenas.

Um projeto com menor risco portanto é aquele onde aespecificação do sistema radiante levou em consideração ascaracterísticas e a ocupação da torre desde o seu início, pois asespecificações de diagrama fornecidas em catálogo supõem situação de

Figura 68 – Opção Topo

espaço livre e/ou desobstrução que, com certeza não ocorrem namaioria dos casos na prática.

Outro aspecto interessante é que nem sempre a melhor antenapara uma dada cobertura é aquela que vai caber na torre ou estruturaexistente para acomodá-la, por exemplo sistemas ominidirecionais emVHF apresentam melhor circularidade de diagrama de azimute seimplementados com antenas superturnstile; entretanto muitas vezes énecessário configurar arranjos com antenas painel na seção reta por nãose dispor do topo para a instalação da superturnstile, ou mesmo énecessário configurar arranjos com antenas mais leves, tipo yagi ou log,em torres que apresentam o seu topo livre mas são mecânica eestruturalmente incompatíveis com o esforço oferecido por antenassuperturnstile.

A torre ou qualquer outra estrutura de sustentação paramontagem da antena sempre irá apresentar material condutor edimensões físicas da mesma ordem de grandeza dos comprimentos deonda radiados pela antena, parte desta energia radiada será espalhada

• Opção Topo Vista de planta

antena

•Situação mais adequada para sistemas ominidirecionais.

•Deve-se trabalhar a isolação da antena com a torre (afastamento de topo) em função de L e de λ op.

L

L

• Premissas

Determina o funcionamento da antena de acordo com as especificações de projeto / fab.Deve ser considerado desde o início do processo de seleção do sistema radiante.Determina o tipo de antena que pode ser utilizadaA torre é parte do sistema radiante, atua também como antena.



eletromagneticamente pela torre e parte acoplada à mesma provocandore-radiações com conseqüente distorção de diagrama e alteração deVSWR da antena ( mais sobre este tema no Capítulo 6).

A Fig. 68 mostra a foto de uma antena em montagem de topo.A fixação de topo, independente do tipo de diagrama de radiação, ésempre a mais desejada pois oferece a menor obstrução à antena.

Em função das dimensões do topo da torre (L na figura) e docanal de operação, deve-se trabalhar o afastamento da antena comrelação ao topo da torre a fim de se livrar a primeira zona de fresnel daantena da interferência provocada pela torre e/ou demais antenas a elafixadas (na prática esta separação varia de 1 a 3 comprimentos deonda).

O topo da torre é, via de regra, o primeiro espaço a serocupado numa instalação, o empilhamento ou “stacking” de antenas notopo passa então a acontecer naturalmente configurando montagensonde tem-se, por exemplo, uma slot acima de uma antena FM, uma FMou slot acima de uma superturnstile, slots de vários canais distintosempilhadas, várias antenas de FM montadas ao longo de um mesmotubulão, etc.

A Fig. 69 mostra a foto de antenas FM e de uma antena slotinstaladas na lateral da torre. A fixação lateral é a que tende a ocorrercom maior freqüência na prática, uma vez que invariavelmente o toposempre se encontra ocupado.

Embora possa ser utilizada para diagramas ominidirecionais oudirecionais, sempre que possível deve-se utilizar esta montagem comdiagramas somente direcionais, por questões obvias de interaçãoantena-torre provocados por este tipo de montagem.

Em aplicações de TV se a antena é do tipo slot, deve-se evitardiagrama ominidirecional, se a antena é do tipo painel, a montagemlateral acomodará bem qualquer diagrama, desde que a seção lateral datorre esteja compatível com a faixa de operação do sistema, quaissejam:

até 0,5 metro para UHFaté 1 metro para VHFB3 (canais 7 – 13)até 2,8 metros para VHFB2 (canais 4 – 6)até 3,2 metros para VHFB1 (canais 2 – 3)

Figura 69 – Opção Lateral

Em aplicações de FM se a antena é do tipo painel, seções até2,8 metros permitem a implementação de diagramas direcionais ouominidirecionais, para antenas tipo anel, seta e dipolos de polarizaçãovertical a seção da torre irá determinar o diagrama resultante e deve serconsiderada já na fase de projeto do sistema radiante.

Em função das dimensões da lateral da torre (S na figura) e docanal de operação, deve-se trabalhar o afastamento da antena comrelação a torre a fim de se acomodar as distorções de diagrama dentrode níveis toleráveis (na prática esta separação varia de 1 a 5comprimentos de onda).

A Fig. 70 mostra a foto de antenas slot montadas lateralmenteno topo da torre. Este tipo de montagem também é denominada decandelabro e apresenta variações como a do tipo mostrado na figura,candelabros em forma de triângulo ou retângulo onde as antenas estãomontadas nos vértices, sempre buscando-se um maior afastamentoentre cada uma delas.

• Opção Lateral

•Situação mais adequada para sistemas direcionais

•Deve-se trabalhar a isolação da antena com a torre (afastamento lateral) em função de S e de λ op.

Vista de lado

antena

S

S



Figura 70 – Opção Topo + Lateral

Este tipo de montagem é encontrada em localidades onde otopo é “premium” e ocorreu coordenação entre as estações na fase deimplantação do serviço ou onde a torre caracteriza-se como de usocomunitário entre vários operadores de serviços distintos.

Trata-se de uma situação de ocupação extrema da torre eonde não se pode evidentemente impor restrições ou diretrizes de usode diagramas ominidirecionais e/ou direcionais como nos casosanteriores, opera-se com base em critérios de instalação e determinaçãode níveis de distorção de diagramas toleráveis.

• Opção Topo + Lateral

•Situação extrema de ocupação da torre, empregada para sistemas direcionais e ominidirecionais

•Deve-se trabalhar a isolação das antenas com a torre e entre as demais antenas em função de S, L, λ op.


Capítulo 6 – Deformação de Diagrama / Ecos 47

Deformação de Diagrama / Ecos

Figura 71 – Deformação de Diagrama

No capítulo 5 anterior verificou-se a possibilidade de montagemda antena na sua estrutura de sustentação desde uma situaçãocontrolada e ótima sob o ponto de vista da antena (montagem de topo)até uma situação não controlada e não ótima (montagem topo + lateralou candelabro) para a antena. Para cada situação de montagem aspropriedades de radiação da antena se alteram sendo a deformação dosdiagramas de radiação o fator de maior impacto na qualidade decobertura do sistema de transmissão e, portanto, a incógnita que sempredeve-se buscar estimar ou minimizar nas instalações de antenas.

A Fig. 71 mostra a foto de um sítio de torres com vários tiposde antenas de Radiodifusão de FM e de TV montados em situações das

mais variadas formas, cada antena deste sítio de torres apresenta o seudiagrama de radiação deformado pela presença da própria torre outubulão que a sustenta, presença de outras antenas nas suasproximidades e presença de outras torres na proximidade da torre emque está instalada; com certeza os diagramas de azimute (horizontal) ede elevação (vertical) de cada uma destas antenas não corresponde aosdiagramas de catálogo e consequentemente discrepâncias entre oprojeto técnico de cobertura e a operação destes sistemas “comoinstalados” devem existir.

O diagrama polar à direita da Fig. 71 apresenta os efeitos deespalhamento eletromagnético provocados por uma estrutura cilíndrica(tubo condutor vertical de diâmetro 0,2 λ neste exemplo) iluminada poruma frente de onda plana (sem flutuações espaciais de intensidade) empolarização horizontal e em polarização vertical, onde o campo distanteresultante corresponde, para cada componente de polarização, à somavetorial do campo direto emitido pelo gerador com o campo espalhadopelo cilindro (por soma vetorial deve-se entender a soma dascomponentes de campo levando-se em conta as informações deamplitude e de fase de cada componente).

Verifica-se que o campo distante resultante ao invés de serperfeitamente ominidirecional (situação esperada para o caso aonde nãoexistisse obstrução ou estrutura interferente) assume as formasapresentadas no diagrama polar e que são distintas para cadacomponente de polarização. Verifica-se também que a deformaçãoprovocada por este cilindro vertical em campos incidentes polarizadosverticalmente apresenta maior magnitude do que a deformaçãoprovocada sobre campos incidentes polarizados horizontalmente.

Este comportamento já determina alguns critérios que devemser observados para a instalação de antenas, por exemplo antenas deTV operando em polarização horizontal irão sofrer menos deformaçãode diagrama comparativamente a antenas de FM (que operam empolarização elíptica) montadas lado a lado em instalações tipocandelabro. Pode-se concluir também que, para o caso de antenas deFM, não apenas os diagramas sofrem deformação, a relação axial (quemede a proporção entre as componentes de polarização horizontal evertical – vide Fig. 18 anterior) é deteriorada.



O campo eletromagnético espalhado irá somar ou subtrair como campo direto da antena para cada radial considerada, dando origem àdeformação do diagrama de radiação de espaço livre da antena, o“formato” e magnitude desta distorção irá depender basicamente da áreada estrutura interferente, da sua geometria, do seu espaçamento comrelação à antena em análise e da freqüência de operação.

Figura 72 – Deformação @ Lateral vs. Torre

A Fig. 72 ilustra a influência da montagem lateral sobreum diagrama ominidirecional em função do tipo de torre e da disposiçãorelativa entre a antena e a torre (ensaio em polarização horizontal).

Em azul e com amplitude constante tem-se o diagramade espaço livre de azimute de uma antena ominidirecional, em vermelhoo diagrama resultante da instalação desta antena afastada de 5comprimentos de onda da lateral de uma torre com seção de 1comprimento de onda, sendo o diagrama à esquerda resultante de umatorre de seção triangular e o diagrama à direita resultante de uma torrede seção quadrada.

O espalhamento eletromagnético nos membros

estruturais da torre geram reflexões em fase e em contra-faserelativamente ao campo da antena, fazendo com que ocorram flutuaçõesna intensidade de campo distante da ordem de até 6 dB neste exemplo.

Para uma dada situação de instalação pode-se afirmar que adeformação dos diagramas de radiação será menor em freqüênciasmais baixas ou na presença de estruturas interferentes eletricamentemenores para uma dada freqüência.

Figura 73 – Deformação @ Lateral direcional

O caso exemplo apresentado na Fig. 73 considera uma antenade TV tipo painel H de canal 10 montada à frente da seção reta de umatorre auto-portante de dimensão proporcionalmente maior do que adimensão do refletor da antena painel.

À esquerda tem-se o diagrama polar de azimute e à direita odiagrama polar de elevação onde estão sobrepostos os diagramas deespaço livre e os diagramas da antena resultantes desta situação deinstalação.

Neste exemplo a projeção lateral da seção reta da torre atuaeletricamente como um refletor complementar para a antena

Deformação @ Lateral vs. TorreDeformação @ Lateral direcional



painel H, melhorando ligeiramente a relação frente-costa (no planohorizontal) pôr meio da redução da amplitude dos lóbulos traseiros.

Já a projeção vertical em forma piramidal da estrutura da torreperturba o lóbulo principal do diagrama de elevação da antena abaixo dalinha do horizonte (ângulo theta maior do que 90 graus – vide Fig. 4anterior) além de deteriorar sensivelmente a relação frente costa (noplano vertical).

É evidente que o tipo de deformação dos diagramas provocadopela iteração antena-torre como apresentado neste exemplo para e nosdas próximas figuras não podem ser generalizados, o fenômeno deespalhamento eletromagnético é de natureza complexa e deve sertratado caso a caso mediante um estudo específico de deformação dediagrama.

Figura 74 – Deformação @ Lateral ominidirecional

Muitas situações práticas determinam que a instalação de

sistemas ominidirecionais de TV operando na faixa de UHF sejam feitasao redor de torres de seção transversal que apresentam dimensõeselétricas equivalentes à vários comprimentos de onda, o que já sabemosser uma situação ruim e não recomendada.

Para antenas tipo painel de UHF, quer seja o painel do tipoDMO (meia onda), DOC (onda completa) ou painel de UHF faixa larga(vide Fig. 26 anterior), o arranjo resultante desta situação de instalaçãojá foi estudado e corresponde àquela mostrada anteriormente na Fig. 52onde, para uma seção transversal de torre da ordem de 2λ(correspondendo a ρ=1λ na Fig. 52 anterior), pode-se ter penetração dodiagrama de azimute da ordem de até 6 dB!.

A Fig. 74 apresenta uma situação de instalação onde, ao invésde um arranjo tipo painel de dipolos, foi otimizado a separação edisposição relativa antena-torre para o caso de uma antena tipo slotominidirecional, de maneira a minimizar o “ripple” ou oscilação dodiagrama “instalado” dentro da área de cobertura especificada (nesteexemplo a torre apresenta seção quadrada de lado 1,75 λ).

Figura 75 – Deformação @ Topo

Deformação @ Lateral ominidirecional

Deformação @ Topo



A instalação de antenas no topo de torres ou estruturas desustentação representa a situação mais apropriada para operação daantena quanto à minimização das deformações de diagrama.

Antenas autoportantes como do tipo Superturnstile (vide Fig. 35anterior) ou Slot (vide Fig. 38 anterior) utilizadas em TV não sofremportanto deformação de diagrama na condição de montagem de topo; jápara antenas de FM projetadas na lateral de um tubulão de sustentaçãomontado no topo de torres a situação não é a mesma pois neste caso otubulão interfere nos diagramas de radiação nativos do elemento de FM.

A Fig. 75 ilustra este caso onde o diagrama polar apresenta asobreposição dos diagramas de radiação de espaço livre e do diagramaresultante do afastamento do elemento de FM em ½ comprimento deonda de um tubulão de 2” de diâmetro.

Verifica-se que o diagrama “instalado” do elemento de FM sofrevariação de ± 1 dB com relação ao diagrama de espaço livre, sendo queneste caso os diagramas apresentados correspondem à soma dascomponentes do campo elétrico em polarização horizontal com ascomponentes do campo elétrico em polarização vertical.

A influência do tubulão de 2” é mais acentuada sobre acomponente de campo elétrico de polarização vertical (vide Fig. 71anterior) do que sobre a componente de campo elétrico de polarizaçãohorizontal, este efeito é apresentado no diagrama retangular naextremidade inferior direita da Fig. 75 onde estão sobrepostos a variaçãoda Relação Axial (vide Fig. 18 anterior) vs. Azimute para as condições daantena em espaço livre e antena considerando o tubulão de 2”.

Na Fig. 76 o caso exemplo apresentado considera a influênciade uma torre próxima a uma antena de FM tipo Seta (vide Fig. 41 anterior)com quatro níveis de empilhamento vertical.

A ilustração está em escala e em perspectiva mas dá uma boaidéia da obstrução provocada pela torre sobre a antena de FM, a torre épiramidal e a seção de sua base tem aproximadamente 6 metros, adistância entre a antena de FM e a torre é de aproximadamente 25metros e a antena de FM encontra-se obstruída ao longo de toda a suaaltura pela torre.

Figura 76 – Deformação @ Sítio de Torres

O diagrama polar mostra a sobreposição dos diagramas deazimute da antena de FM na situação de espaço livre (sem obstrução) ena situação em análise. Verifica-se uma maior penetração no diagramade azimute na radial 20 graus com redução da potência ERP da ordemde 4 dB (o que pode comprometer este setor de cobertura), bem comoocorre um aumento da potência ERP da ordem de 2 dB nas radiais 0 e40 graus (o que pode provocar interferência em outra estação nestasdireções).

O diagrama retangular apresenta a sobreposição dosdiagramas de elevação da antena de FM na situação de espaço livre(sem obstrução) e na situação em análise tomados na radial 20 graus.Verifica-se a já esperada redução de campo da ordem de 4dB na linhado horizonte (theta=90 graus), com redução das amplitudes dos lóbulossecundários. A surpresa fica por conta do aumento da intensidade decampo no primeiro nulo do diagrama de elevação, o que tambémpoderia ter sofrido um efeito na direção oposta (isto é, redução daintensidade de campo).

Deformação @ Sitio de torres



Os campos elétricos associados aos diagramas apresentadosreferem-se à soma das polarizações horizontal e vertical, certamente aRelação Axial vs. radial será deteriorada em maior ou menor grau pelainfluência da obstrução sobre o espalhamento em cada componente depolarização.

Figura 77 – Deformação @ Sítio de torres

A situação oposta a figura anterior é o caso exemplo da Fig.77, a influência de torres com espaçamento acentuado sobre o diagramade radiação de antenas. O diagrama polar apresenta a sobreposição dosdiagramas de azimute de uma antena Superturnstile operando em canal4 na condição de espaço livre e o diagrama resultante da influência deduas torres espaçadas de 120 e de 180 metros respectivamente nadisposição relativa ilustrada.

Verifica-se que a deformação do diagrama de azimute é daordem de 1 dB pico a pico, sendo o “ripple” ou oscilação do campodistante de freqüência bastante acentuada comparativamente ao “ripple”ou oscilação como aquela observada para obstruções próximas daantena e ilustradas no caso exemplo da Fig. 76 anterior.

O diagrama de elevação está apresentado em formatoretangular e praticamente não se percebe alteração entre os diagramasde espaço livre e o diagrama “instalado”. Como já esperadointuitivamente, esta situação de instalação não apresenta nenhum tipode comprometimento em termos de deformação de diagrama.

Figura 78 – Deformação @ Projeto

Situações como aquelas ilustradas nos casos exemplo dasfiguras anteriores são indesejáveis em qualquer instalação de umsistema radiante onde se deseje copiar ou reproduzir o diagrama deespaço livre.

Entretanto existem situações muito freqüentes onde se desejaprovocar determinado tipo de deformação ou desenho de diagrama deforma que o projeto de viabilidade técnica possa atingir asespecificações desejadas combinado-se as características da topografiada área de cobertura com uma deformação intencional do diagrama deespaço livre.

Deformação @ Sitio de torres Deformação @ Sitio de torresEmprego de técnicas de projeto para otimizar aCobertura vs. Relevo ( manipulação de P e α)i



A Fig. 78 apresenta um caso exemplo desta situação para umarranjo horizontal ominidirecional de antenas tipo painel H para TV (videFig. 33 anterior) de quatro faces onde foi utilizado ligeira assimetria depotência e assimetria de tilt mecânico pôr face, a fim de se otimizar acobertura local mantendo-se a potência ERP dentro da outorga na linhado horizonte.

O diagrama 3D sobreposto ao desenho da geometria doarranjo mostra a linha do horizonte e para a face à esquerda a reduzidainclinação mecânica e intensidade de campo comparativamente a faceda direita. O ponto do diagrama indicado pela seta e que corresponde àelevação e azimute desejada é o ponto do espaço onde o ganho máximoda antena ocorre e portanto tem-se a ERP máxima do sistema.

A deformação dos diagramas de radiação da antena na suacondição “como instalada” é uma conseqüência da natureza complexada composição vetorial de campos eletromagnéticos diretos e decampos espalhados pelas estruturas próximas da antena, que devemossempre procurar minimizar sob pena de se comprometer a qualidade doserviço, qualidade esta representada pelo sinal de vídeo demodulado nocaso do serviço de TV e pelo sinal de áudio demodulado para FM .

Sob o ponto de vista do sinal de vídeo demodulado em TV, adeterioração da qualidade do serviço provocada pelos ecos (oupopularmente chamados de “fantasmas”) a que nos referimos ocorrempara os ecos de longa duração, normalmente acima de 1µs, queprovocam perturbação subjetiva mesmo com pequenas amplitudes, viade regra acima de 2%. Ecos com menor atraso e com até maioramplitude não incomodam tanto subjetivamente.

A Fig. 79 ilustra em seu canto inferior esquerdo os doisprincipais mecanismos de surgimento dos ecos em sistemas detransmissão, os quais podem ser provocados pôr:

1 – Descasamento de impedância na entrada da antena detransmissão, onde o sinal refletido pela antena percorre de volta a linhade transmissão até o TX e retorna até a antena sendo re-radiado;

2 – Espalhamento em estruturas interferentes nasproximidades da antena bem como em outras antenas que operem namesma faixa, as quais podem absorver e re-radiar o sinal gerando ecoadicional àquele provocado primariamente pelo espalhamentoeletromagnético.

Em sistemas analógicos de 525 linhas o tempo associado aoeco visível pode ser estimado com base na observação do monitor eaplicação da relação matemática no canto inferior direito da Fig. 79.

• Ecos no vídeo analógico de-modulado

Visibilidade na tela e perturbação subjetiva quando ocorrem em teco > 1 µs e apresentam amplitude > 2%

Provocado por : 1 - Linha de transmissão + complexo de conexões entre o transmissor e a antena

2 - Estruturas interferentes nas proximidades da antena

1

2

estruturainterferente

antena

sinal

eco

eco

Ld

teco(µs) = ( d / L) * 52

tela

sinal eco

Figura 79 – Ecos no Vídeo analógico de - modulado

Ecos no vídeo analógico de-modulado



Figura 80 – Ecos no vídeo analógico demodulado

À esquerda da Fig. 80 tem-se a máscara do nível deestacionária aceitável para um sistema de transmissão de TV analógicoa fim de se minimizarem as perturbações subjetivas provocadas pelaocorrência de ecos no vídeo demodulado. No eixo das ordenadas tem-se o nível de VSWR e no eixo das abcissas a freqüência do sinal devídeo composto.

Embora a faixa de freqüência ocupado pelo canal de TVanalógico seja de 6 Mhz, a densidade espectral de potência do sinal deTV (potência pôr unidade de freqüência) não é uniforme e apresentauma maior concentração de energia ao redor das portadoras de vídeo,de cor e de áudio sendo a maior parte da potência distribuída ao redorda portadora de vídeo, explicando assim o requisito de menorestacionária ao redor desta portadora com aceitação de maiores níveisde estacionária à medida que se caminha para os extremos do canal deTV.

O gráfico à direita da Fig. 80 mostra a associação entre aperda de retorno de um sistema de transmissão (VSWR transformadaem dB onde menores valores de VSWR conduzem a maiores valores da

perda de retorno e vice versa) representada por valores no eixo dasordenadas com o tempo de atraso associado ao eco representado porvalores no eixo das abcissas, parametrizados por curvas associadas aonível de perturbação subjetiva experimentada pelo observador.

Com relação às curvas de perturbação subjetiva deve seresclarecido que as mesmas obedecem a uma escala de 5 pontos, ondeo grau 5 estaria associado àquela imagem de qualidade excelente(degradação imperceptível) e o grau 1 estaria associado àquela imagemde qualidade ruim (degradação muito perturbadora), no gráficoapresentado as curvas de perturbação subjetiva foram restringidas aointervalo de grau 3 a 4,5 representando assim uma qualidade deimagem desde aceitável (grau 3) até excelente (grau 5).

Analisando-se este gráfico verifica-se que ecos de longaduração (neste texto convencionados como ecos com atrasos acima de1 µs) irão causar perturbação subjetiva maior a medida queapresentarem maior amplitude, por exemplo um eco de 1,5 µs comamplitude 10% perturba subjetivamente (grau 3) muito mais do que omesmo eco com amplitude de 3% (grau 4). Ainda neste exemplo, esteeco de 1,5 µs poderia muito bem ser resultante do descasamento deuma antena separada de 200 mt do transmissor que operando comperda de retorno de 20 dB provocaria perturbação subjetiva de grau 3 ena condição de operação com perda de retorno de 30 dB provocariaperturbação subjetiva de grau 4.

Do parágrafo anterior conclui-se portanto que o casamento deimpedância entre a antena e a linha de transmissão, alem de estarintimamente relacionado com a eficiência da cadeia de transmissão(vide Fig. 14 anterior), é um fator também determinante da qualidade deimagem resultante em sistemas de transmissão de FM e TV.

Ecos no vídeo analógico de-modulado



Figura 81 – Descasamento de Impedância – domínio do tempo

Sistemas de antenas profissionais para aplicação emtransmissão de FM e TV operando em níveis de potência elevados ondeas amplitudes de eco gerados por re-radiação da antena de transmissãopodem deteriorar a qualidade do sinal de vídeo ou do áudio demodulado,necessitam de recursos para otimização do casamento de impedânciada antena com a linha de transmissão após a mesma encontrar-seinstalada.

Os dispositivos empregados para a otimização do casamentode impedância do conjunto antena + torre + cabo são chamados dedispositivos sintonizadores ou também de dispositivos reativos, poisatuam de maneira a minimizar os níveis de estacionária dentro do canalou faixa de operação do sistema resultantes da antena como instalada.

A foto superior a direita da Fig. 81 mostra este dispositivo parao caso específico de uma antena slot de UHF, onde pode-se identificar otubulão de sustentação da antena e logo abaixo a ele preso o dispositivo

sintonizador composto por uma seção de linha rígida com quatroelementos de ajuste de sintonia. A resultante da ação de um dispositivodeste tipo está apresentada nos dois gráficos abaixo da foto onde tem-se respectivamente a situação de VSWR anterior e posterior ao ajuste.

Neste ponto cabe uma breve discussão acerca das técnicasnormalmente empregadas para a aferição do nível de descasamento deimpedância de uma antena posterior a sua instalação, onde o acessodireto à entrada da mesma não se faz mais possível em função dapresença da linha de transmissão entre o instrumento de medição e aprópria antena.

Para “driblar” esta situação recorre-se ao método de mediçãodo descasamento de impedância da antena no domínio do tempoempregando-se a técnica TDR (Time Domain Reflectometry). Nestemétodo o equipamento de teste é conectado na entrada da linha detransmissão onde emite um pulso que é refletido pelo sistema em teste(antena) e posteriormente analisado permitindo desta forma traçar umgráfico associando o nível de estacionária ou VSWR versus distância aolongo da linha de transmissão. Os gráficos da Fig. 81 foram tomados doinstrumento em uma situação prática de ajuste de sintonia de umaantena no campo.

O outro método de medição do descasamento de impedânciada antena é o tradicionalmente conhecido no domínio da freqüênciaempregando-se a técnica de varredura (Sweep). Neste método oequipamento de teste é conectado na entrada da linha de transmissão egera uma varredura em freqüência na faixa de operação do sistema,permitindo desta forma traçar um gráfico associando o nível deestacionária ou Perda de Retorno versus freqüência como aquelesmostrados pelos gráficos da Fig. 82 que ilustram uma situação práticade ajuste de sintonia da antena no campo.

À esquerda da Fig. 82 tem-se a ilustração de um sistema deantena slot de 8 fendas composto por dois conjuntos de quatro fendasempilhados verticalmente e calibrados individualmente em fábrica, aincorporação do dispositivo de sintonia permite tornar a curva de Perdade Retorno do sistema plana dentro do canal de operação, comoilustrado pelo registro gráfico associado a este desenho.

Descasamento de Impedância



Figura 82 – Descasamento de Impedância – domínio da frequência


Capítulo 7 – Critérios de Instalação 56

Critérios de Instalação

Figura 83 – Critérios de Instalação

Partindo-se do principio de que a estrutura que irá suportarmecanicamente a antena, quer seja esta estrutura uma torre ou qualqueroutra ferragem de sustentação, foi em algum momento considerada comoespecificação para fins do projeto de instalação do sistema radiante,podemos afirmar que a correta instalação de sistemas radiantes devesempre observar a seqüência listada na Fig. 83, qual seja:

§ Proceder à fixação dos elementos radiantes ou antenaspropriamente ditas na estrutura de sustentação;

§ Proceder à fixação / montagem dos componentes que formam osistema de distribuição de potência, tais como: divisores, cabos,seções de linha rígida, curvas, adaptadores, conectores, etc... naestrutura de sustentação;

§ Proceder à interligação entre os elementos radiantes e o sistemade distribuição de potência

§ Proceder à seqüência de testes de desempenho do sistemaradiante, pela ordem: testes de pressurização, testes de potência,testes de cobertura e testes de qualidade de imagem.

O funcionamento de um sistema radiante em conformidade com asespecificações do fabricante depende da correta instalação das suaspartes e manuseio por pessoal tecnicamente habilitado. Por outro lado, omau funcionamento de um sistema radiante ou funcionamento emdesacordo com as especificações do fabricante após a sua instalação, emsendo apurado durante as etapas de teste de desempenho relacionadasacima, sempre estará associado à erros introduzidos em uma ou maisdas 3 etapas iniciais (desde que não existam imprecisões no projetotécnico que gerou a especificação do sistema radiante para a aplicaçãoem questão).

A dificuldade de instalação de um sistema radiante é umacaracterística intrínseca de cada sistema e está associado a diversosfatores, tais como:§ a faixa de operação da antena ser em VHF ou UHF;§ o nível de potência de operação da antena e os padrões de

conexão empregados;§ a situação de montagem da antena ser lateral ou de topo de torre,

ser antena auto-portante ou não;

para citar apenas os principais, sendo portanto muito difícil estabeleceruma escala de dificuldade à priori para cada tipo de antena.

Nas figuras a seguir serão apresentados casos exemplo que irãoilustrar as particularidades de instalação para alguns tipos de antenasmais comuns empregados em sistemas de transmissão de TV.

• Sequência

[ Fixação dos elementos radiantes

[ Fixação do sistema de distribuição de potência

[ Interligação antena(s) - cabo(s) - divisor(es)

[ Testes :PressurizaçãoPotência

Cobertura




Nas duas figuras a seguir é apresentado o caso exemplo deuma instalação de um sistema de Painéis H de VHF de canal baixo (videfiguras 35-36 anteriores), que ilustra particularidades que devem serobservadas em qualquer trabalho de instalação de sistema de painéisem geral.

A ilustração da Fig. 84 chama a atenção para a necessidadede se garantir a fixação dos elementos radiantes na torre ou emqualquer outra estrutura de suporte garantindo-se sempre o alinhamentomecânico do conjunto com relação à torre e com relação aos demaiselementos do arranjo nas direções horizontal e vertical, bem como aimportância da instalação atender as especificações de tilt mecânicocaso exista.

Às vezes a própria torre ou estrutura de sustentação podeapresentar algum des-alinhamento, o que significa que o simples fato deprender a antena na estrutura nem sempre irá garantir o alinhamento outilt mecânico especificado pelo fabricante, sendo portanto imprescindívelsempre aferir o alinhamento da torre antes de iniciar-se o


processo de fixação das antenas.

A não observação destes critérios de fixação pode levar àdeformações do diagrama de azimute (no caso de offset mecânico eafastamentos horizontais não respeitados) e deformações do diagramade elevação (no caso de tilt mecânico e separações verticais nãorespeitados).

Critérios para a correta fixação do conjunto de divisores,curvas e dos cabos de interligação onde não ocorra o surgimento deesforços mecânico sobre as conexões bem como estejam sendorespeitados os raios mínimos de curvatura dos cabos empregados sãorequisitos fundamentais para se garantir a confiabilidade e eficiência dosistema de distribuição de potência como dimensionados pelofabricante.

A ilustração à esquerda da Fig. 85 apresenta o diagramaelétrico de um sistema Painel H de 2x faces com 2x níveis deempilhamento vertical pôr face com os respectivos divisores secundáriose o divisor primário.

Vista lateral daface cominclinaçãomecânica

0,85 m @4

r ef l

et o

r

r ef l

et o

r

torre

Vista da facecondição decolinearidade

ângulo deinclinaçãomecânicaespecificado

DESENHO 1 DESENHO 2

• Fixação dos elementos - Painel HPainel H

Torre - vista de planta

2800

2800

• Fixação / Interligação Branch RF - Painel HPainel H

A1

Nível #1

Nível #2

Entrada EIA 1 5/8"

D12S1R7812-4

D12S115878-4

D12S1R7812-4

A2

B1

B2

Face A Face B



Figura 86 – Slot

A foto à direita desta figura mostra a situação de instalaçãoresultante onde os componentes foram acomodados de forma a nãointerferir com o acesso ao interior da torre pela escada, note que oscabos coaxiais estão conduzidos e presos ao longo das travessas datorre por intermédio de abraçadeiras de fixação a fim de se evitarvibração por ação do vento ou o risco de sofrerem deformação por atritoou engate com outras partes da torre.

Nas duas figuras a seguir são apresentados casos exemplo deinstalação de antenas Slot (vide figuras 40-42 anteriores)respectivamente na condição de montagem de topo e de montagemlateral.

A Fig. 86 apresenta a foto de um sistema de 4 fendas em VHFinstalado no topo de uma torre, a fixação do tubulão de sustentação daantena se dá por intermédio de uma flange mecânica padronizada de 8furos como apresentado na foto / ilustração ao centro.

Figura 87 – Slot

Nesta condição de montagem e na maioria das vezes, aconexão de entrada da antena com a linha de transmissão provenientedo TX, ou com os cabos de interligação ao divisor principal ( i.e. sistemade distribuição de potência ou branch de RF do sistema radiante ), se dápela base da flange de fixação como mostrado na foto / ilustração dafigura, conectores no padrão EIA ( 7/8”, 1 5/8”, 3 1/8” ) são normalmenteutilizados para estabelecer a interface de conexões entre a antena ecabos coaxiais.

A chapa de apoio no topo da torre que irá sustentar a antenadeve portanto ser fabricada com um vão livre compatível com esta áreade conexões e apresentar furação para fixação da flange de 8 furos detal maneira que o tubulão possa ser preso respeitando-se o azimute de 0graus da antena slot na direção determinada pelo projeto de viabilidadetécnica ( em antenas slot adota-se o padrão construtivo de alinhar o furoda sua flange de fixação com 0 graus do seu diagrama de azimute ).

Na Fig. 87 tem-se a foto de um sistema de 8 fendas em UHFinstalado na lateral de uma estrutura de concreto, neste caso o tubulãode

90.0°

7300

1630

TORRE

EntradaEIA 1 5/8"

FlangesEIA 1 5/8"

1

2

4 3

5

A A

Corte A-A

Flange6" 150lbs

Flange EIA 1 5/8"slot inferior

Flange EIA 1 5/8"slot superior

34

• Caso exemplo - SlotSlot• Caso exemplo - SlotSlot

3

4

550 mm @15

1

2

5050 mm@ 15

EntradaEIA 1 5/8"

90.0°

FlangeEIA 7/8"

FlangeEIA 7/8"

CL

CL

950 mm@ 15

TORRE

6

6

6

6




de sustentação foi excluído e foram incorporados braços ou “brackets”que, via de regra, adaptam a antena à ferragem existente respeitando-seespecificações de afastamento e tilt-mecânico caso existam. Ainterligação entre a antena e a linha de transmissão proveniente do TX,ou com os cabos de interligação ao divisor principal ( i.e. sistema dedistribuição de potência ou branch de RF do sistema radiante ), se dápela lateral da antena por intermédio de conexões no padrão EIA ( 7/8”,1 5/8”, 3 1/8” ).

Em qualquer situação de instalação, quer seja de topo oulateral, tanto os cabos como os divisores do branch de RF do sistemaradiante poderão apresentar-se de alguma forma não integralizadosconstrutivamente no conjunto mecânico da antena como uma única peçae terão de ser instalados na estrutura de sustentação a fim de permitir aconexão deste conjunto com a linha de transmissão proveniente do TXe, simultaneamente com as antenas slot requerendo estrita observaçãodas recomendações do fabricante e manuseio por pessoal técnicohabilitado.


As mesmas recomendações quanto a fixação de todos oscomponentes do branch de RF de forma a não se aplicar nem transferiresforços para as conexões bem como observar-se os raios de curvaturamínimos dos cabos coaxiais utilizados são aplicáveis e devem sersempre observados para se garantir confiabilidade e eficiência dosistema conforme dimensionados pelo fabricante.

A natureza auto-portante das antenas Superturnstile (videfiguras 35-36 anteriores) tornam a instalação de sistemas VHF em canalbaixo por si só um trabalho complicado e que exige perícia e pessoaltécnico habilitado em função da complexidade do sistema.

Já para o caso de sistemas operando em canal alto de VHF,em função das dimensões mecânicas mais reduzidas e da quantidadedos níveis de empilhamento vertical do sistema, pode-se proceder aofornecimento do sistema completamente montado para instalação comoilustrado nas fotos das figuras 88 e 89.

500

2600

1200

3800

1500

3000

16000

8500

centro de radiação

2250 máx

4" sch40D=114

5" sch40D=141

6" sch40D=168

nível #1

nível #2

nível #3

nível #4

6" sch40D=168

secção penetrante

DivisorNorte-Sul

DivisorLeste-Oeste

Divisorde entrada

N1 S1 L1 O1

N4 S4 L4 O4

N2 S2 L2 O2

L3 O3N3 S3

NS LO

Plano de conexãofeed-l ine

Plano de conexãoentrada do s is tema

• Caso exemplo - SuperturnstileSuperturnstile

S1

N1

S2

N2

N3

S3

N4

S4

L1

O1

L2

O2

O3

L3

O4

L4

LONS

D18S2R15812-8 D18S2R15812-8

D12S1158158-8

níve l #1

níve l #2

níve l #3

níve l #4

Nor

te

Su

l

Le

ste

Oes

te

Entrada

• Caso exemplo - SuperturnstileSuperturnstile



A instalação de antenas Superturnstile se dá sempre nacondição de topo de torre, dependendo das características mecânicasda antena a mesma pode ser presa por intermédio de flangespadronizadas de 8 furos (como no caso de antenas Slot de topo – videFig. 86 anterior) ou por intermedio de seção penetrante quando ascaracterísticas mecânicas da antena assim exigem, este ultimo casoestá mostrado na ilustração esquerda da Fig. 88 onde tem-se o desenhode uma antena de 4 níveis de VHF canal baixo que se projeta 16 mtacima do topo da torre e apresenta seção penetrante de 3 mt (abaixo dotopo da torre) aparada por ferragens que permitem o apoio da antena natorre e ajuste do seu prumo vertical.

O diagrama elétrico do branch de RF de uma antenaSuperturnstile de 4 níveis está mostrado na ilustração esquerda da Fig.89, neste caso são utilizados dois divisores secundários 1:8 e um divisorprincipal 1:2 com os respectivos cabos coaxiais de interligação, a foto àdireita mostra o detalhe das conexões dos dois divisores secundários.Normalmente o divisor principal é instalado no interior da torre a fim dese facilitar a conexão da entrada do sistema radiante com a linha detransmissão proveniente do TX.

A quantidade de componentes e complexidade das conexões efixação dos cabos coaxiais ao longo do tubulão são elementoscomplicadores à medida que se lida com instalação de antenasSuperturnstile com número crescente de níveis de empilhamento e aantena opera em canais baixos de VHF, pois o acesso às diversaspartes e componentes da antena deve ser feito obrigatoriamenteescalando-se a sua estrutura.

Arranjos de antenas painel com várias faces e vários níveis deempilhamento vertical tornam o branch de RF do sistema complexo etambém de difícil instalação caso se trate de um sistema operando emcanais de UHF ou banda III de VHF normalmente utilizados em torrescom dimensões reduzidas, como mostrado na Fig. 90.

A instalação do branch de RF deve obrigatoriamenteacomodar-se dentro da torre e continuar permitindo acesso ao seuinterior, desta forma divisores e cabos devem estar distribuídos ao longoda altura do sistema e ao longo da seção transversal da torre, como nailustração à direita onde pode-se verificar a distribuição dos divisoressecundários em diversas alturas relativamente ao centro de radiação dosistema.


As figuras 91 e 92 apresentam alguns aspectos relacionados àinstalação de antenas Painel de Dipolos (vide figuras 26-32 anteriores)operando em canais baixos de VHF.

A instalação de sistemas de banda I e II não é somentetrabalhosa no que se refere à fixação dos painéis dado a suaconstituição mecânica e pêso, quando se emprega empilhamento comoneste caso a construção do branch de RF pode requerer várioscomprimentos de onda de extensão que devem ser vencidos com lancesde cabos coaxiais e/ou seções de linha rígida.

A foto à esquerda da Fig. 91 mostra o detalhe do divisorprincipal 1:4 e as conexões com as curvas e seções de linha rígidautilizadas para interligar os divisores secundários, os quais estãodistribuídos ao longo da abertura vertical de 21 mt ocupado pela antenacomo mostrado no detalhe da foto e das ilustrações à direita da Fig. 91.

6360 centro de radiação

Face A,B,C,D

Nível #1

Nível #2

Nível #3

Nível #4

1640 2403180

2200 (*)

Plano de conexãofeed-l ine #1

Plano de conexãoentrada do s is tema

N1

N2

Divisorníve l 1

Divisorníve l 2

Divisor deentrada

EIA 3 1/8"

D1

4S

13

18

15

8-8

D1

4S

11

58

12

-8

D1

4S

11

58

12

-8

D1

4S

11

58

12

-8

D1

4S

11

58

12

-8

A1 B1 C1 D1

A2 B2 C2 D2

A3 B3 C3 D3




Divisorníve l 3

Divisorníve l 4

Plano de conexão d iv isorpr imár io / secundár ios

N3

N4

(*) medidaaproximada

A4 B4 C4 D4

medidas em mm

Face B

Face A

315

Face D

Face C

500

315

• Caso exemplo–– Painel HPainel H



No caso da instalação de um branch de RF constituído emquase a sua totalidade por componentes em linha rígida, deve-segarantir alinhamento mecânico de todo o conjunto, preservar asconexões livres de esforços, bem como deve-se incorporar dispositivosde apoio que possibilitem margem mecânica de acomodação doconjunto por efeito de variações térmicas e ação do vento.

A instalação de antenas tipo Yagi (vide figuras 21-23anteriores) e tipo Log-Periódica (vide figuras 24-25 anteriores) nãorepresentam maiores dificuldades, dado entretanto a dimensão físicapronunciada destas antenas em canais baixos de VHF sua fixação natorre exige obrigatoriamente o emprego de apoios do tipo mão francesaa fim de estabilizar mecanicamente a antena contra a ação do vento, oque pode atrapalhar a instalação de arranjos verticais e horizontaisempregando-se esta classe de antenas.

A Fig. 93 mostra ilustrações de um arranjo de antenas Yagi aoredor de uma torre de seção reduzida o que obriga o emprego de umdeslocamento vertical da antena para cada uma das faces do arranjo,

Figura 92 – Painel Dipolos VHF

Figura 93 - Yagi

• Caso exemplo - Painel Painel DipolosDipolos VHFVHF

D12SNN-6 D12SNN-6 D12SNN-6 D12SNN-6

A2 B2

A2 B2

C2

C2

D2

D2

A1 B1

D12SNN-6 D12SNN-6 D12SNN-6 D12SNN-6

A1 B1

C1

C1

D1

D1

D14SNN-6

D14SNN-6

N1B

N1A

N1C

N1D

N2B

N2A

N2C

N2D

N1 N2

EntradaEIA 7/8"

D12S1R78N-6

1800

6210

2020

Face A,B,C,D

Nível #1

Nível #2

3105

Ah

Alfa

L

C

lado

Av (*)

4

N-Fêmea

5 8

9

1 2

6

3

7

• Caso exemplo - YagiYagi

Figura 91 – Painel Dipolos VHF



caso contrário antenas adjacentes se sobreporiam. Esta providênciamecânica reflete-se no diagrama de radiação vertical do arranjo mas, sedimensionada com critério, apenas para elevações além do ângulo demeia potência vertical da antena (HPBWV) não comprometendo assim acobertura.

Normalmente estes sistemas operam com baixa potência,conexões tipo N e cabos coaxiais flexíveis de bitola reduzida sem auto-sustentação, deve-se portanto instalar os divisores dentro da torre demaneira a evitar-se cabos longos e suspensos nas proximidades dasantenas.


Capítulo 8 – Critérios de Especificação 63

Critérios de Especificação

Figura 94 – Especificação de Faixa / Aplicação

Nas figuras a seguir apresentamos um mapeamento dosdiversos tipos de antenas para transmissão / recepção de TV estudadossegundo alguns quesitos de desempenho, com o propósito de direcionartecnicamente uma melhor seleção e especificação de sistemas radiantesjunto ao fabricante.

A Fig. 94 classifica as antenas estudadas com relação a faixa deoperação, aplicação TX e/ou RX e melhor adequação a enlaces derepetição, retransmissão e geração. Cabe esclarecer as seguintesdefinições:

Repetidora - rp: estação que recebe o sinal e o retransmite paraoutra estação em um novo canal.Retransmissora - rt: estação que recebe o sinal e o retransmiteem novo canal para cobertura local e para outra estação.Geradora - ge: estação que gera o sinal para cobertura local erepetição / retransmissão.

Algumas observações a respeito da tabela apresentada:

§ Antenas Painel de Dipolos surgiram junto com a TV (década de50) e no passado foram muito utilizadas em estações geradorasde VHF, das quais várias ainda encontram-se em operação, masestão sendo gradualmente substituídas por antenas Painel H demelhor desempenho;

§ Antenas Parabólicas para aplicação em links de repetição oucobertura setorizada em retransmissão geralmente recaem norequisito de necessitarem impor baixa carga de vento o que,além do custo reduzido, tornam a opção por parábolas de gradebastante atrativa.

Figura 95 – Especificação de Diagrama / Ganho

A Fig. 95 classifica as antenas estudadas com relação aodiagrama de radiação de azimute (horizontal) e o seu ganho associado,subentendo-se entretanto que tanto o diagrama nativo quanto o ganhoapresentado refere-se à antena isoladamente e na condição em que amesma é fabricada (1x bay), isto significa que os arranjos resultantes doagrupamento destas antenas necessariamente irão apresentar outrosdiagramas e valores de ganho distintos daqueles apresentados.

Algumas observações a respeito da tabela apresentada:§ Antenas Painel de Dipolos para VHF apresentam 2 ou 4

• Quanto à Faixa / Aplicação no enlace

Yagi-Uda VHF 2-13 +UHF rp/rt Tx+RxLog-Periódica VHF 2-13 +UHF rp/rt Tx+RxPainel Dipolos VHF 2-13 +UHF rp/rt TxPainel H VHF 2-13 rt/ge TxSuperturnstile VHF 2-13 rt/ge TxParabólica UHF rp Tx+RxSlot VHF 7-13 +UHF rt/ge Tx

repetição - rp retransmissão - rt geração - ge

• Quanto ao Diagrama / Ganho

Yagi-Uda Direcional 5-18 dBiLog-Periódica Direcional 8-12 dBiPainel Dipolos Direcional 7-18 dBiPainel H Direcional 8,5 dBiSuperturnstile Omini 2,5 dBiParabólica Direcional 23-36 dBiSlot Omini/Direcional 6-23 dBi

Antenas direcionais podem gerar diagramas omini apenas se empregadas como elementos de um arranjo


Capítulo 8 – Critérios de Especificação 64

dipolos, ao passo que para UHF são fabricados com 4,6,8,12dipolos. O extremo superior de ganho apresentado refere-se àeste último caso;

§ Antenas parabólicas podem ser do tipo vazada ou sólida, assólidas apresentam uma eficiência de radiação e ganhoconsequentemente superior às vazadas;

§ Postos de Repetição e de Retransmissão equipados com torresleves que não admitem parábolas de grade possibilitam oemprego de arranjos de Yagi que conseguem concorrer emganho com as parabólicas (apresentando ganho de até 23 dBipara o caso de arranjo de 4x Yagi) sem no entantocomprometerem a torre em função do pêso e da carga de ventoresultante.

Figura 96 – Especificação de Potência Operação

A Fig. 96 classifica as antenas estudadas com relação a máximapotência de operação CW (contínua) suportada pela antena na condiçãoem que a mesma é fabricada (1x bay), isto significa que arranjosresultantes do agrupamento destas antenas necessariamente suportarãoníveis de potência mais elevados e distintos daqueles apresentados.


§ A flexibilidade dos níveis de potência suportados por Antenas

Painel H e por Antenas Superturnstile decorre do fato dosistema de alimentação destas antenas ser desbalanceado ede implementação prática mais simples comparativamente aosdemais tipos de antenas.

Figura 97 – Especificação de Montagem / Vento

A Fig. 97 classifica as antenas estudadas com relação aostipos de montagem admissíveis e a carga de vento oferecida à estruturade sustentação, onde uma escala de 5 pontos é aplicada sendo 1 asituação de menor esforço e 5 a situação de maior esforço imposto pelaantena à estrutura.


§ Embora certos tipos de antena possibilitem a sua fixação nacondição de topo ou lateral, via de regra a montagem de topo ésempre a preferida para se obter uma situação de melhorisolação da antena com relação à estrutura e também porresultar em um ganho adicional em termos de cobertura;

§ Para o caso de antenas Painel H, a montagem de topo só éviável para sistemas operando em banda III de VHF;

§ Para o caso de antenas Slot, a montagem lateral só é indicadapara diagramas de azimute do tipo direcional.

• Quanto à Montagem / Carga de Vento [1,5]

Yagi-Uda Lateral 1Log-Periódica Lateral 1Painel Dipolos Lateral (*) / Topo 2-4Painel H Lateral (*) / Topo 2-5Superturnstile Topo 3-5Parabólica Lateral 2-4Slot Topo (*) / Lateral 2-3

(*) preferencial 1≡menor5≡maior

• Quanto à Potência de operação

Yagi-Uda baixa < 100 WLog-Periódica baixa < 100 WPainel Dipolos baixa-média < 1 Kw Painel H média-alta [> 1,< 10] KwSuperturnstile média-alta [> 1,< 10] KwParabólica baixa < 100 WSlot baixa-alta < 10Kw

Em função da potência e da faixa de operação, tem-se conexões: N, F, EIA 7/8”, EIA 1 5/8”, EIA 3 1/8”


Capítulo 9 – Sistemas Radiantes para DTV 65

Sistemas Radiantes para DTV

Figura 98 – Sistemas de Televisão Avançada

Televisão Avançada (ou ATV) constitui uma definição amplaem torno das tecnologias utilizadas em busca da melhoria da qualidadetécnica do conteúdo e do sistema associado para a transmissão desinais de televisão, de onde derivam e particularizam-se os conceitos deSDTV (Standard Definition Television) e HDTV (High DefinitionTelevision) que são os sistemas de Transmissão Digital de Televisão (ouDTV) que representam nos dias de hoje a ênfase do planejamento e doinvestimento estratégico para o negócio de radiodifusão.

Na minha e não só particular opinião, ATV representa aredenção da mídia TV para a sua sobrevivência e manutenção comoveículo de entretenimento de massa durante as próximas décadas, poiseste serviço encontra-se perigosamente afetado pela concorrência dasmídias e pela demanda de qualidade, facilidades e diversidade deacesso à informação requeridas pela sociedade moderna.

Desde o surgimento da televisão a cores no final da década de50, a indústria de TV não experimentava uma mudança tão maciça e tãorevolucionária nos seus conceitos como serviço bem como nos seusconceitos enquanto tecnologia. A base desta mudança foi a digitalização(processo de transformação da informação representada no domínioanalógico para o domínio digital) que possibilitou a integraçãoharmoniosa de sistemas de processamento da informação,telecomunicações e informática.

Embora o processamento de sinais em banda base dentro deuma emissora de TV já há muito tempo agregue funções digitais,somente a partir dos últimos anos é que foram consolidados os padrõespara a transmissão digital de sinais de TV. A implementação da“Emissora Digital” requer portanto a revisão e a adequação de todas asetapas de processamento de sinais, o que estaremos preocupados emanalisar neste texto é o que muda na etapa de transmissão de umaestação de TV, mais especificamente com relação à antena detransmissão ou Sistema Radiante.

Figura 99 – Sinal de RF em ATV

A estratégia de implantação de ATV nos EUA cumpre umaagenda ambiciosa onde pretende-se desligar definitivamente o atualsistema analógico NTSC até 2006 (ou antes caso o serviço DTV estejadisponível em pelo menos 85% dos domicílios atendidos pelo atualsistema), para atingir este objetivo foi estabelecida uma nova canalização

• Sistemas de Televisão Avançada

Revolucionária concepção para a geração, produção, transmissão e recepção de conteúdo multimídia com qualidade vídeo ≡película 35mm e áudio ≡surround CD.

Emprego de técnicas de processamento digital em todas as etapas.

Requer a adequação / substituição de várias partes do sistema em funcionamento até hoje.

O que muda na etapa de transmissão ?O que muda na etapa de transmissão ?

• O Sinal de RF em sistemas ATV

“Quase “Quase -- Manutenção” da canalização (NTSC)Manutenção” da canalização (NTSC)

Espectro de potênciaEspectro de potência

2 3 7 8 1514 16 52 61 69

6 Mhz

Pv Pc Pa

NTSC / PAL-M0 6

Piloto

8 VSB0 6

5.38 @ -3 dB

Piloto

8 VSB0 6

5.38 @ -3 dB

51136



de RF tendo-se como premissas:§ A manutenção da largura de faixa de 6 Mhz para o sinal de RF

digital ;§ A reutilização do espectro radioelétrico num intervalo de canais

[2,51] (“core channels”) com exclusão do intervalo [52,69],menor portanto do que aquele atualmente utilizado [2,69] ;

§ A duplicação da atual área de cobertura do canal analógico pelonovo canal digital sem prejuízo da qualidade de ambos osserviços (i.e. controle dos níveis de interferência);

de forma que para cada estação atualmente em operação foi alocadoum segundo canal digital para a exploração simultânea do serviço DTV(“simulcast”) durante o período de transição e de coexistência entre osdois sistemas.

Existe muito interesse em alterar-se a canalização de RF parao serviço DTV (principalmente pela agência do governo visando ageração de receita com leilões) mas em contrapartida existe tambémmuito interesse em preserva-la intacta (principalmente por quem jáocupa esta fatia do espaço). A faixa de freqüências associada à bandaIII de VHF irá permanecer intacta, porem a faixa ocupada pelos canaisbaixos de VHF é muito questionada para a transmissão de DTV devendoser extinta para este serviço, bem como as faixas de freqüênciascompreendidas entre os canais 52 e 59 e entre os canais 60 e 69 (esteúltimo intervalo atualmente utilizado para links de repetição) devem serextintas em detrimento da alocação destas faixas do espectro paranovos serviços.

Uma característica relevante em sistemas de transmissão DTVrefere-se ao espectro de potência de RF de um sinal de TelevisãoDigital, o qual apresenta distribuição uniforme de energia empraticamente toda a faixa de 6 MHz, diferentemente do espectro depotência de RF do sinal de TV analógico NTSC / PAL-M que apresentamaior concentração de energia somente ao redor das portadoras devídeo, de cor e de áudio, como ilustradas na Fig. 99.

Uma das principais características associadas à transmissãode um sinal de Televisão Digital refere-se à técnica empregada para amodulação digital da portadora de RF onde os valores de amplitude e defase desta portadora assumem valores discretos de acordo com ainformação que se deseja transmitir, informação que está representadadigitalmente e que refere-se ao conteúdo de vídeo, áudio e de dados

agrupados num mesmo formato digital (também chamado de“bitstream”).


A modulação digital da portadora de RF dá origem ao que sechama de constelação, que nada mais é do que a representação gráficados possíveis estados de amplitude e de fase do sinal de RF dentro deum conjunto de valores pré-determinados.

A Fig. 100 exemplifica a constelação resultante da modulação16QAM aonde para cada estado da portadora representadograficamente pelo lugar geométrico do fasor de RF (pontos daconstelação) pode-se associar uma dentre 16 possibilidades de valoresde amplitude e de fase distintas. No caso da modulação 16QAM cadaponto da constelação (ou como também chamado de símbolo ) carregaa informação associada à 4 dígitos binários ou bits, pois 2^4 = 16.

Na recepção a decodificação do “bitstream” transportado pelaportadora de RF modulada digitalmente consiste em se recuperarprecisamente a referência de freqüência e de fase da portadora eproceder à amostragem da mesma em intervalos discretos de tempo tnsincronizados com a transmissão, de maneira a permitir o mapeamentodos valores detetados de amplitude e de fase da portadora de RF na sua


Modulação DigitalModulação Digital

Variação de potênciaVariação de potênciaSinal no domínio do tempo define-se :

PMÉDIA / PPICO

16 QAM

1010 | t1

0100 | t2

1010010010110010 010001101011010110...

ÁudioVídeoDados

t

t



correspondente palavra binária.

Durante o processo de decodificação do “bitstream” na recepçãotem-se ainda origem do chamado “diagrama de olho”, que nada mais é doque a sobreposição dos possíveis valores de amplitude da portadora deRF tomados sobre um mesmo intervalo de tempo que é igual à duraçãodo símbolo gerado pelo sistema de modulação digital utilizado. Quantomais aberto o “diagrama de olho” na recepção ( provocado por menoresníveis de ruído e/ou interferência ao redor do instante de amostragem daportadora ) menor será o erro resultante da amostragem (i.e. menor taxade erro) e vice-versa.

A natureza aleatória do “bitstream” e a aplicação da modulaçãodigital sobre a portadora de RF faz com que o sinal DTV no tempo maisse assemelhe ao ruído, apresentando picos de amplitude quecorrespondem aos estados mais externos da constelação e que sãocodificados para que ocorram com menor freqüência. Ao contrário dosinal de TV analógica onde define-se a potência de pico de sincronismo,para o caso de um sinal DTV torna-se mais razoável definir-se umarelação entre a potência de pico e a potência média do sinal digital.

Para sistemas DTV o que se deseja é que esta relação seja amenor possível a fim de se poder trabalhar com transmissores maiseficientes, para o caso do padrão ATSC tem-se Ppico/Pmédia < 7,5 dBem 99,99% do tempo ao passo que para o padrão DVB-T este valor é daordem de 10 dB.

Por último deve-se observar que a potência de pico demandadapelo sinal de RF irá determinar o tamanho do TX (spec de potênciamáxima) e o limite de potência que os estágios de saída e a antenadevem operar, ao passo que a potência média é quem irá irá determinar acobertura e o gasto de energia elétrica.

Em sistemas de transmissão de TV analógica como osutilizados atualmente, à medida que a intensidade do sinal de RF vaireduzindo e/ou o nível de ruído aumentando na recepção a relaçãosinal/ruído (S/N) de vídeo demodulado vai consequentementedeteriorando-se e tornando a qualidade da imagem subjetivamente piorpara o telespectador. A presença de “chuviscos” ou pontos brancossobrepostos à imagem em determinadas condições de recepçãocaracterizam esta degradação da relação S/N de vídeo demodulado maspossibilitam ao telespectador, ainda que sob condições desconfortáveis,


ter acesso ao serviço.

No caso da transmissão do sinal de Televisão Digital, oemprego da modulação digital da portadora de RF irá estabelecer umcompromisso de manutenção plena da qualidade do serviçoindependentemente da intensidade do sinal de RF e do nível de ruído narecepção, este comportamento de manutenção da relação S/N de vídeodemodulado com a redução da relação portadora/ruído (C/N) do sinal deRF representa uma das grandes vantagens dos sistemas DTV porémesta característica é preservada somente até um determinado limiar derecepção, abaixo do qual o sistema começa a apresentar falhas quepodem comprometer o acesso ao serviço.

O efeito “cliff” como é chamado este comportamento universalde qualquer sistema de transmissão digital decorre portanto daimpossibilidade destes sistemas continuarem em operação à partir domomento em que a capacidade de recuperação da informação digital noreceptor é inferior aos erros introduzidos pelo canal de transmissão;nestas circunstâncias a decodificação do “bitstream” cessa e não hámais sinal de vídeo demodulado que permita ao telespectador sequer teruma recepção ainda que marginal, como ocorre no sistema analógico.

A ilustração inferior esquerda da Fig. 101 mostra esta situação,


Efeito “Efeito “CliffCliff””A redução da relação portadora ruído não altera a qualidade do sinal demodulado, até um limiar onde o sistema congela a imagem e inibe o áudio “frezze-out”.

C/N (dB)

BER

-10 -12 -14

10-2

10-3

10-7

10-4

TOV

16QAM

Contorno do limiar de C/N

10-5

10-6

FEC



os contornos de cobertura em sistemas DTV passam a ter umsignificado mais amplo e abrangente confundindo-se com a própriadisponibilização do serviço para situações de recepção aonde nãoestejam garantidos valores mínimos para a relação C/N, à partir docontorno do limiar de C/N (como indicado pela seta) não se pode maisgarantir a própria cobertura !

No receptor DTV são empregadas técnicas de processamentode sinais projetadas para tratar e corrigir as imperfeições do canal detransmissão, estas técnicas são implementadas no equalizadoradaptativo (combate erros introduzidos pelas distorções lineares e pormultipercurso) e no decodificador do código corretor de erros (combateerros introduzidos basicamente por ruído). A ilustração inferior direita daFig. 101 mostra a relação entre taxa de erro (BER) vs. C/N para oesquema de modulação 16QAM com e sem código corretor de erros(FEC), verifica-se que para uma mesma relação C/N a curva com FECproporciona níveis de taxa de erro menores do que a curva do mesmosistema sem FEC.

O valor do parâmetro relação S/N de vídeo demoduladoutilizado em TV analógica para se garantir uma determinada qualidadede imagem subjetivamente aceitável tem a sua contrapartida no domíniodigital (i.e. para o caso de sistemas DTV) à medida que também define-se um valor para a máxima taxa de erro (BER) associada à um limiar devisibilidade (TOV) subjetivo de degradação da qualidade de imagem.Para o padrão ATSC o valor de C/N mínimo para se garantir uma taxade erro inferior à 10^-3 definindo um limiar TOV equivalente ao grau 3(vide Fig. 80 anterior) é de 15,2 dB.

Em sistemas de transmissão analógica de TV a intensidade desinal (ou potência ERP) representa um dos principais parâmetros deprojeto que se deve manipular a fim de garantir a cobertura econseqüente qualidade do sinal de vídeo demodulado na recepção. Osconceitos de city grade, grade A e grade B (vide Fig. 65 anterior) perdemo significado em sistemas DTV porque ao contrário do sistema de TVanalógico, a qualidade do serviço DTV é determinada por umacombinação de vários outros fatores além da intensidade de campocomo, por exemplo, aqueles relacionados na Fig. 102.

Visto que o sinal DTV é um sinal de faixa larga (vide Fig. 99anterior), qualquer deterioração do sistema de TX ou erro introduzido

Figura 102 – Contorno de Cobertura

pelo canal de transmissão pode se converter em perda do serviço aoinvés de uma simples degradação de qualidade como ocorre com ossistemas analógicos. Efeitos de propagação, presença demultipercursos, distorções e interferências do sinal de RF devem serquantificadas ao longo de todo o espectro ocupado pelo canal DTV enão apenas sobre a portadora de vídeo como habitualmente se procedecom os sistemas analógicos, pois devido ao efeito cliff qualquerdeterioração do sinal de RF pode resultar em perda ou penalidade decobertura.

As fotos à direita da Fig. 102 ilustram uma situação de perdade cobertura que pode ocorrer no limiar da área de cobertura ou “fringearea” provocado por uma redução de apenas 1 dB na relação C/N !

A análise de cobertura (ou perda de cobertura) em sistemasDTV consiste em quantificar a deterioração da relação C/N comoapresentado na Fig. 103 a fim de verificar-se a margem de operação dosistema com relação ao valor de C/N mínimo aceitável (vide Fig. 101anterior).

A idéia central consiste em determinar-se os níveis depenalidade denominados como P1 e P2, onde P1 traduz a perda de

• Contorno de cobertura em sistemas ATV

Ao contrário do NTSC / PAL-M, a intensidade de campo do sinal de RF não determina unicamente a qualidade do serviço DTV.

♦ Multipercurso (Ecos)♦ Interferência co-canal♦ Interferência de canal adjacente Perda de cobertura♦ Interferência canal taboo♦ Distorções da etapa de TX

-1 dB



potência do sinal de transmissão primário decorrente da combinação noreceptor deste sinal com os ecos (multipercurso) gerados no ambiente depropagação e P2 traduz o aumento da potência de ruído na bandapassante do sistema provocado pela ação do equalizador adaptativo doreceptor na tentativa de compensar as distorções de amplitude e de fasegerados no ambiente de propagação.

Figura 103 – Perda de Cobertura

P1 reflete a influência do ambiente de propagação sobre onumerador da relação C/N (ou relação portadora – ruído) fazendo comque C reduza, ao passo que P2 reflete a influência do ambiente depropagação sobre o denominador da relação C/N fazendo com que Naumente.

Deve-se portanto caracterizar o valor das penalidades P1 e P2para cada uma das radiais de cobertura bem como ao longo da faixa defreqüência de operação do sistema como apresentado na ilustração domodelo de análise da Fig. 103.

A Fig. 104 apresenta na parte superior os espectros de potênciatomados na transmissão e na parte inferior tomados na recepção paraos sistemas digital ATSC (HDTV) e analógico NTSC, onde pode-se ter

P1 - perda de potência do sinal primário- Para cada radial, o sinal de RF presente na entrada do receptor é a somatória do sinal primário com os ecos - reduz C

P2 - distorção na banda passante - O ganho doequalizador do RX aumenta nas regiões de notch no espectro em sua entrada, inserindo ruído - cresce N

• Perda de Cobertura <=> redução de C/N

α Τ , Φ

α1 Τ1 , Φ1

αΝ ΤΝ , ΦΝ

ecoRF

+

para cada =>radial / freq freq

H(ω)

|H(ω) |

freq

|H(ω) |

freq

RF

eco

eco

Figura 104 – Perda de Cobertura

Figura 105 – Planta de Transmissão

Tx 8VSB

Rx 8VSB

1

NTSCNTSC

HDTVHDTV

• Planta de Transmissão

A tecnologia atual de antenas, cabos, acessórios de conexão e transmissores é “boa” o suficiente para a transmissão de ATV

[ Linearidade de Amplitude / Fase [ Potência refletida[ Controle dos diagramas de radiação

das antenas “como instalado”



flutuação de nível da ordem de até 20 dB provocados por multipercurso.

Uma vez conhecidas as características do sinal de RF e doscompromissos do sistema de transmissão para se garantir cobertura, épossível determinar-se os requisitos da planta de transmissão digital e,mais especificamente, os requisitos das antenas de transmissão a fim deestejam garantidas as condições para transmissão de sinais DTV.

Tomando-se como referência a constelação resultante de ummodulador “ideal”, qualquer distorção sobre o sinal de RF moduladodigitalmente será transformado em um desvio dos pontos da constelaçãoresultante na recepção ao redor do seu lugar geométrico ideal (este erroé denominado de EVM – Error Vector Magnitude) provocandofechamento do olho no lado da recepção e aumento da taxa de erro que,sob certas circunstâncias, pode implicar em perda de cobertura.

A linearidade de amplitude e de fase dos transmissores DTV,do sistema de antena bem como da linha de transmissão entre o TX e aantena, são fatores determinantes para que a constelação não sofradegradação como indicado na Fig. 105. Estes requisitos podem serfacilmente compreendidos se pensarmos que cada ponto da constelaçãotem que preservar o seu “lugar geométrico” (amplitude-fase) narecepção para correta demodulação.

Analisando-se os efeitos dos ecos provocados pordescasamento de impedância na entrada da antena de transmissão(vide Fig. 79 anterior), a potência refletida que até então se manifestavacomo fantasma ou como calor em uma carga dissipativa nos sistemasanalógicos, irá manifestar-se nos sistemas DTV como ruído para odemodulador digital e, dependendo dos níveis de descasamento, podecomprometer a cobertura no contorno limiar de C/N (vide Fig. 101anterior).

O controle dos diagramas de radiação horizontal e vertical dasantenas DTV passarão a representar cada vez mais um fatordeterminante da qualidade e da garantia de cobertura (principalmente nocontorno limiar de C/N) pois na grande maioria das novas instalações asantenas DTV estarão partilhando espaço em torre, isto é estarãoobstruídas por estruturas adjacentes em sua região de campo próximo esujeitas às distorções dos seus diagramas de espaço livre.

Recorrendo ao modelo da Fig. 103, a penalidade P1 é

determinada por multipercursos provocados pelo ambiente depropagação porem influências de estruturas interferentes tais comotorres próximas ou outras antenas adjacentes podem contribuir para oaumento desta penalidade e redução da relação C/N com conseqüentecomprometimento da cobertura.

Em resumo, a planta de transmissão deve preservar a faixa decorreção do equalizador do RX digital para que o mesmo tenha quecompensar apenas os efeitos de propagação, interferência e ruídoinerentes do ambiente de RF, qualquer distorção introduzida peloselementos da planta quer seja pelo transmissor, antena ou linha detransmissão irá requerer capacidade de correção adicional doequalizador desnecessariamente que irá manifestar-se em última análisecomo perda de cobertura ou, na melhor das hipóteses, redução damargem de cobertura (confiabilidade) do sistema DTV.

Figura 106 – Características Antenas para ATV

Particularizando-se a análise para os sistemas radiantes, deve-se ter em mente que as antenas de transmissão requerem técnicasconstrutivas e de projeto onde estejam minimizadas as distorçõeslineares do elemento radiante e do branch de RF pois qualquerdegradação introduzida dentro da faixa de operação irá comprometer odesempenho do sistema, visto ter o sinal DTV um espectro praticamenteplano dentro da faixa do canal.

♦ Baixa variação de impedância♦ Baixa variação de ganho dentro da♦ Baixa variação do Beam-tilt faixa♦ Baixa variação do Null-fill de 6 Mhz

Requerem técnicas construtivas e de projetoonde seja minimizado as distorções lineares (fase e amplitude) do conjunto antena + sistema de distribuição de potência

• Características desejadas para antenas ATV



Como relacionado na Fig. 106, antenas para DTV devempossuir as seguintes características dentro do seu canal de operação:

§ Largura de faixa de impedância§ Largura de faixa de diagrama

A variação do ganho da antena deve ser menor do que 1 dB aolongo do canal de operação, bem como a variação da inclinação elétrica(também chamado de “beam steering” ou “beam sway”) e dopreenchimento de nulo ao longo do canal são tanto mais críticas quantomaior for o ganho vertical da antena requerendo técnicas especiais deprojeto do branch de RF.

Técnicas de redução de VSWR do conjunto antena + branchRF tais como montagem com deslocamento mecânico ou off-set (videFig. 53 anterior), ou estrutura de alimentação de arranjos do tipo“branch-fed” e do tipo “center-fed” para slots são necessárias a fim de seatingir as especificações do sistema radiante para aplicação em DTV.

Figura 107 – Diagrama Vertical (8bay)

O efeito de “beam steering” ou seja, variação da inclinaçãoelétrica do diagrama de elevação da antena ao longo da faixa deoperação ocorre tipicamente em antenas do tipo slot alimentadas naconfiguração “end fed” isto é, à partir do extremo inferior ou da primeirafenda em direção à ultima fenda do arranjo como ilustrado na parte

superior da Fig. 107, onde nota-se que ao redor da portadora de vídeo omáximo do diagrama de elevação está apontando na direção 0 graus (=horizonte) como indicado pela curva em vermelho. À medida que afreqüência de operação da antena desloca-se para o extremo superiorda faixa (F+6) o máximo do diagrama de elevação desloca-se para cimada linha do horizonte como indicado pela curva em azul.

Para o caso dos sistemas de TV analógicos o efeito é, a rigor,uma alteração de cobertura para as portadoras de vídeo, de croma e deáudio que na prática não causam maiores problemas de qualidade dosinal demodulado, entretanto em sistemas DTV esta variação podecomprometer a recepção do sinal nas proximidades da região decontorno do limiar de C/N. Este efeito é mais dramático para antenas dealto ganho vertical, onde o desvio de p. ex. 1 grau do lóbulo verticalprincipal em torno do horizonte pode determinar a perda de umasignificativa região de cobertura distante.

Para se evitar este efeito deve-se trabalhar com o conceito dealimentação “center fed”, como mostrado na parte inferior da Fig. 107.Neste caso a distribuição de potência se dá do centro em direção aoselementos das extremidades do arranjo evitando-se o “beam steering”.

Figura 108 – Diagrama Vertical ( 16 bay)

5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150

0.1

0.20.3

0.40.50.60.70.80.9

1

F+1,25 F+6

5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150

0.1

0.20.3

0.40.50.6

0.70.80.9

1

Características do diagrama Vertical (8bay)Vertical vs. alimentação “End-Fed”

Vertical vs. alimentação “Center-Fed”

F= 470Mhz# 14

λpv0o 0o

+6.7o -25.4o

F F+6

λpv0o 0o

0o 0o

F F+6

Características do diagrama Vertical (16bay)

5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

Início do canal

fim do canal0,9o

5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

2.52.75 3 3.25 3.5 3.75 4 4.25 4.5 4.75 50

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Vertical vs. alimentação “End-Fed”

Vertical vs. alimentação “Center-Fed”



Em antenas com elevado ganho vertical a técnica dealimentação “center fed” embora resolva o problema do “beam steering”provoca outro efeito: a variação do nível do preenchimento de nulosdentro da faixa de operação da antena.

A Fig. 108 ilustra a situação de um arranjo de 16x bay para assituações de alimentação estudadas na Fig. 107 anterior onde tem-se naparte superior os diagramas de elevação resultantes no início e no fimdo canal apresentando inclinação de 0,9 graus empregando-se a técnicade alimentação “end fed”. A mesma antena alimentada na técnica“center fed” não apresenta mais “beam steering” porem passa aapresentar preenchimento de nulo variável dentro do canal da ordem de7% (neste exemplo) como ilustrado na parte inferior da Fig. 108.

A variação do preenchimento de nulo ou “null fill” pode levar aocomprometimento de cobertura local provocada pela intensidade decampo variável da antena nas proximidades dos seus nulos, podendoaté dar origem ao surgimento de regiões de sombra.

A técnica de alimentação mais poderosa para evitar estesefeitos é a técnica de “branch-fed”, onde empregam-se divisõessucessivas da potência de entrada do sistema em ramificações tipo1:2:4:8:16. Esta técnica é a mais indicada e utilizada em arranjos deantenas painel para uso em DTV, embora o compromisso de empregode antenas painel já seja o sabido aspecto de se ter ondulações ou“scallop” no diagrama de radiação de azimute, como veremos a seguir.

A operação em DTV onde o canal digital e o canal analógicoocupem ambos a faixa de UHF e operem multiplexados numa mesmaantena, ou mesmo uma antena “broadband” recebendo canaismultiplexados num sistema compartilhado entre várias emissoras iráexibir o comportamento mostrado na Fig. 109, particularizado para ocaso de painéis UHF faixa larga.

Dado que a menor dimensão da torre estará limitada ao menorcanal de UHF (maior comprimento de onda associado ao canal #14) e amesma é fixa, o diagrama de radiação de azimute ao longo da faixa deUHF implementado por intermédio de um arranjo de painéis poderáexibir variações de até 4 dB como apresentado no diagrama polar daFig. 109, o que não é recomendado em vista do comprometimento dacobertura nestas radiais.

Figura 109 – Diagrama Horizontal

O emprego de arranjos horizontais em sistemas radiantes deDTV é portanto crítico e no caso de sistemas ominidirecionais sempreque possível deve-se optar por uma antena desobstruída da torre e emmontagem de topo, com o menor afastamento ρρ possível entreelementos opostos (vide Fig. 52 anterior).

Já para o caso de antenas montadas na lateral de torres e/ouestruturas de sustentação é imperativo o emprego de técnicas de análisepara determinar a interação com as estruturas adjacentes e o impacto dadeformação do diagrama “como instalado” na área de coberturapretendida.

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

Horizontal vs. Canal de operação

Sistemas ominidirecionais empregando painéis UHF faixa larga em arranjo ao redor da torre

• Características do diagrama Horizontal

0,32 m

# 14

# 37

# 59



Figura 110 – Diretrizes de Especificação

A Fig. 110 sintetiza as diretrizes necessárias para aespecificação eficiente de antenas de transmissão para aplicação em TVDigital, a solução particularizada que cada caso irá exigir deverá sempreobservar a maior quantidade possível dos seguintes quesitos, quaissejam :

§ Selecionar antenas com um diagrama nativo que se melhor seadapte ao projeto de cobertura é uma solução melhor do quetrabalhar com arranjos;

§ Baixo ganho é desejável à fim de reduzir as distorções dediagrama vertical, ganho alto também é indesejável à medidaque impõe requisitos de carga para a estrutura de sustentação;

§ Aplicação de “null fill” é interessante para garantir a qualidade deimagem próxima à torre em antenas onde se requer ganhovertical elevado;

§ Alimentação “center fed” é recomendável pois visa eliminarefeitos de “tilt elétrico” variável dentro da faixa de operação,particularmente mais crítico com antenas de alto ganho;Resposta em freqüência plana é o requisito para a manutençãoda constelação do sinal de RF, portanto o projeto elétrico daantena deve preservar linearidade de amplitude e de fase;

§ Montagem de topo ou empilhamento “stacked” visa isolar a

• Diretrizes de especificaçãoHDTV work plan :HDTV work plan :

[ Diagrama nativo[ Baixo Ganho[ Alimentação “ Branch/Center-Fed ”[ Resposta em freq. plana @6 Mhz[ Montagem de topo “ stacked ”[ Baixa carga de vento “windsway”[ Análise de Eco

antena de estruturas adjacentes e minimizar distorção dediagramas;

§ requisito de baixa carga de vento / peso é desejável, visto ser aantena DTV uma antena que na maior parte dos casos durante operíodo simulcast estará sendo montada na lateral de torres, o quepode comprometer a estrutura e ter de forçar o investimento emreforço estrutural;

§ Análise de eco é importante e recomendável em qualquer caso,principalmente em condições de instalação da antena emmontagem lateral.

antenas de transmision

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