Dipolo de Meia-Onda e sua eficiência

 

A dipolo ressonante de meia onda é a mais eficiente?  

Qual a vantagem de trabalharmos com a dipolo ressonante? 

Basta a dipolo estar ressonante para eliminar a estacionária?

Para que a potência do transmissor gere o maior sinal possível naquela figurinha que você estava “caçando”, devemos considerar o conjunto formado pelo transmissor, linha de transmissão e antena, sendo necessárias as seguintes condições: 

1. Casamento de impedância entre o transmissor e a linha de transmissão;
2. Mínima perda na linha de transmissão;
3. Casamento de impedância entre a linha de transmissão e a antena;
4. Balanceamento da antena para evitar retornos de RF que alteram a sua eficiência (isso pode requerer o uso de balun no caso da linha ser desbalanceada);
5. Máxima eficiência da antena

Vejamos as razões e requisitos para cada item anterior:

O casamento de impedância entre o transmissor e a linha de transmissão é necessário para a máxima transferência de potência do transmissor à linha. Adicionalmente, os modernos transmissores reduzem a sua potência de saída como proteção do seu estágio final quando há o descasamento de impedâncias.

As perdas na linha dependerão do seu tipo, comprimento e frequência de operação, além, obviamente, da sua qualidade. Essas perdas são especificadas por unidade de comprimento e para a condição de não existência de estacionária na linha. A presença de estacionárias aumentará as perdas totais da linha.

O casamento de impedância entre a linha de transmissão e a antena é necessário para a máxima transferência de potência à antena (sua máxima excitação);

A eficiência da dipolo depende do seu diagrama de radiação que, por sua vez, depende basicamente do seu comprimento. Mas existe uma visão frequente de que a dipolo de meia onda é a mais eficiente devido à sua ressonância. Esta é uma explicação simplista que pode levar a um entendimento equivocado.  

Se o critério de eficiência é colocar o maior sinal possível para a mesma excitação da antena, observa-se que, ao se aumentar o comprimento de uma dipolo acima de meia onda, ela até aumenta o seu ganho (dentro de limites). Se subirmos o seu comprimento para um pouco mais de uma onda completa, o seu ganho em relação à meia onda atinge cerca de 3 dB na direção de máxima radiação (duplica a potência do sinal recebido!). A partir daí vai caindo e subindo em lobos que se formam em várias direções com o aumento do seu comprimento, conforme pode ser visto no interessante vídeo de uma aula do Dr Doug Tougaw, PHD da Universidade de Valparaiso, Indiana/USA (https://www.youtube.com/watch?v=7yfN8xJ4n-k).

Ou seja, se considerarmos apenas a dipolo, não é necessariamente na condição de ressonância que você terá mais eficiência de radiação, ou seja, gerar mais campo para a mesma excitação. A grande questão está na excitação da antena quando esta deixa de ser ressonante, condição em que a transferência de potência da linha de transmissão para a antena cai (e logo a sua excitação) ao mudar o seu comprimento ou frequência de excitação.

A máxima excitação só ocorre se a antena apresentar uma impedância resistiva, e essa impedância for igual à impedância característica da linha. E isso acontece quando a antena é ressonante. Daí a popularidade da dipolo de meia onda pois ela é a menor antena ressonante que permite o uso de um cabo coaxial sem estacionária e, portanto, com qualquer comprimento, onde toda a potência desenvolvida pelo transmissor será entregue à antena, descontadas as perdas do cabo.

Na medida em que se afasta da frequência de ressonância da antena, a sua impedância se altera, tanto na parte resistiva quanto pela inserção de uma parte reativa, podendo ser capacitiva se a frequência cai, ou indutiva se a frequência sobe. Essa mudança de impedância gera reflexão e estacionária na linha, reduzindo a transferência de potência do transmissor para a linha e da linha para a antena. E isso reduz a sua excitação e a eficiência de todo o conjunto, não da antena. Não é a antena que perde eficiência, mas, fora da ressonância, ela recebe menos potência!

Podemos corrigir a impedância vista pelo transmissor com um acoplador junto a ele (quando não está dentro dele!), de forma a permitir que o transmissor entregue toda a potência à linha, mesmo com estacionária. Mas a estacionária na linha continua, assim como as perdas inerentes a ela.

Porém, se conseguimos neutralizar a componente reativa apresentada pela antena não ressonante e igualamos a impedância resistiva ao valor da linha de transmissão, teremos a total transferência da potência conduzida pela linha para a antena. E, nesse caso, poderemos ter antenas não ressonantes, mas adequadamente acopladas às linhas de transmissão e com ganhos até superiores à dipolo de meia onda. Esse acoplamento pode ser feito por um circuito acoplador junto da antena.

Pode parecer estranho pensarmos em acoplador junto da antena no caso de dipolos, mas é muito comum em antenas portáteis como as antenas móveis (terrestres, marítimos ou aeronáuticos) ou as antenas de janela com o circuito acoplador na base e o respectivo “contrapeso”. O problema, que torna essa solução pouco popular (ainda) para as dipolos, é que o circuito acoplador precisa ser reajustado quando se altera a frequência.  

 

Em resumo,

a forma mais prática e eficiente de se ter uma antena é a dipolo ressonante de meia onda, cuja impedância resistiva (dependendo da sua altura) seja bem próxima da impedância do cabo coaxial. Pequenos descasamentos das impedâncias da antena e cabo, quer seja em função da altura da antena, quer seja quando se afasta da frequência de ressonância, começam a gerar estacionária que pode ser tolerada dentro de certos limites. Maiores variações podem ser compensadas com o uso do acoplador de antena junto ao transmissor, única e exclusivamente para permitir o transmissor entregar toda a sua potência. As perdas na linha de transmissão continuam a existir. As dipolos não ressonantes, inclusive para operação em várias bandas, podem ser utilizadas de forma eficiente (às vezes mais do que a dipolo de meia onda) se forem usados acopladores entre a linha de transmissão e elas. O mesmo vale para outros tipos de antenas como as verticais, unifilares etc com os respectivos contrapesos.

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