Arranjo de Antenas

Autor: Dante J. S. Conti

Pode-se configurar arranjos com qualquer tipo de antena tomado como elemento básico do arranjo. Em aplicações de radiodifusão opera-se na maior parte dos casos com arranjos de antenas tipo yagi, logperiódica, painel, superturnstile, slot, anel FM, seta FM. Usualmente, não se opera com arranjos de parábolas, e tampouco se trabalha com arranjos de antenas que sejam de tipos diferentes como, por exemplo, a combinação de uma antena painel com uma antena slot, embora possa ser teoricamente possível desenhar um arranjo deste tipo.

Genericamente, o desenho e análise de um arranjo de antenas pode ser separado em duas partes: uma que trata do arranjo horizontal, isto é, a manipulação da quantidade das faces do sistema, e outra que trata do arranjo vertical, ou seja, a manipulação da quantidade dos níveis de empilhamento do sistema. O diagrama e o ganho da antena (arranjo) resultante irá aproximar muito bem o diagrama e o ganho obtido a partir da análise dos arranjos horizontal e vertical separadamente. A figura 1 apresenta três ilustrações dos possíveis tipos de arranjos que ocorrem na prática.

À esquerda tem-se um arranjo de painéis H ao redor das quatro faces de uma torre, existe neste caso o interesse pela manutenção do diagrama vertical (elevação) do elemento básico do arranjo e a geração de um novo diagrama horizontal (azimute) que seja diferente do diagrama horizontal do elemento básico do arranjo, logo tem-se por definição um arranjo horizontal, o que implicará na manipulação do ganho horizontal ou ganho de azimute desta nova antena.

Ao centro temos o empilhamento vertical de 3x painéis H ao longo da face de uma torre, existe aqui o interesse pela manutenção do diagrama horizontal do elemento básico do arranjo e a geração de um novo diagrama vertical que seja diferente do diagrama vertical do elemento básico do arranjo, portanto, tem-se por definição um arranjo vertical, o que implicará na manipulação do ganho vertical ou ganho de elevação desta nova antena. À direita tem-se um arranjo de painéis H em duas faces com dois níveis de empilhamento vertical por face, existe agora o interesse pela geração de diagramas de radiação horizontal e vertical que sejam diferentes dos diagramas nativos do elemento básico do arranjo, e assim temse por definição um arranjo combinado horizontal + vertical, o que implicará na manipulação simultânea dos ganhos de azimute e de elevação desta nova antena. Embora a ilustração tenha utilizado a representação de painéis H, o conceito é genérico e pode ser aplicado para qualquer tipo de antena. Trabalhar com arranjo de antenas significa liberdade e flexibilidade para atingir as especificações de antena requeridas pelo projeto de viabilidade técnica da Emissora. Emprega-se invariavelmente solução com arranjo onde existem restrições de montagem na torre e/ou restrições de cobertura, pois nestes casos as especificações nativas de antenas-padrão não são suficientes para lidar com estas restrições.

Como parte integrante de um arranjo de antenas existe necessariamente um sistema de distribuição de potência, responsável por garantir as potências e fases projetadas por elemento além de estar dimensionado para garantir o casamento de impedância do arranjo com a linha de transmissão e suportar a potência de entrada especificada para o sistema. Os diversos graus de liberdade relacionados são:

• Quantidade de faces

• Quantidade de níveis

• Quantidade de níveis por face

• Potência e fase por elemento.

A disposição mecânica do elemento pode ser manipulada ou não de acordo com a arquitetura escolhida para o arranjo, isto é se o mesmo se trata de um arranjo horizontal, vertical ou horizontal + vertical.

O grau de liberdade “disposição mecânica” refere-se à situação de montagem individual de cada antena do arranjo, onde pode-se operar deslocamentos mecânicos no sentido horizontal e/ou vertical, bem como recuos, afastamentos e inclinações mecânicas com relação às faces da torre.

À esquerda da figura 2 tem-se a foto de dois arranjos empilhados sobre um mesmo mastro, no topo um arranjo de duas faces de painéis faixa larga de UHF, abaixo o arranjo de duas faces com dois níveis por face de painéis de VHF banda alta. Em ambos os arranjos foi aplicado tilt mecânico.

No centro da figura tem-se a foto de um arranjo vertical de dois níveis de superturnstile de VHF banda baixa. À direita, a foto superior mostra um arranjo composto horizontal + vertical de painéis faixa larga UHF com a aplicação do grau de liberdade “disposição mecânica” conforme a definição apresentada na figura anterior. Abaixo, tem-se a foto de um arranjo de quatro faces com dois níveis por face de antenas tipo painel dipolos de VHF banda baixa. Nas próximas figuras serão exercitados os vários graus de liberdade oferecidos por arranjo de antenas do tipo horizontal. Arranjos horizontais são, na maioria das vezes, desenhados a partir da situação mecânica da torre disponível para alojar as antenas; o mais usual é o emprego de antenas separadas axialmente de 90 graus, em geometrias de 2, 3 ou 4 faces como ilustradas na parte superior da figura 3, entretanto conformações do tipo triângulo (separação axial em 120 graus) ou pentágono (separação axial em 72 graus) podem ser imaginadas, bem como outras.

Para tornar a análise despolarizada e representativa dos compromissos que se quer ilustrar, adotar-se-á nas próximas figuras como elemento básico do arranjo horizontal uma antena descrita matematicamente no plano horizontal pela função cos^2(phi) e com relação frente-costa de 20 dB, esta antena apresenta HPBWH= 66 graus e tem diagrama de radiação de azimute conforme o diagrama polar no centro superior da figura 4.

Como geometria básica do arranjo horizontal, será considerado um círculo imaginário de raio r centrado ao redor de uma torre e dispostas sobre este círculo imaginário quatro antenas iguais componentes do arranjo segundo as posições e nomenclaturas da ilustração superior esquerda da figura 4 (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 faces sobre o diagrama de azimute resultante de um arranjo horizontal deve-se supor r constante, distribuição de potência simétrica e fase de alimentação também simétrica (todos os elementos pertencentes ao arranjo 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 P 1 =P 2 =P 3 e para quatro faces tem-se P1=P2=P3=P4. Os diagramas de azimute resultantes destes arranjos estão apresentados na parte inferior da figura 4, para o caso de 2 ou 3 faces tem-se um diagrama direcional tipo cardioide e para 4 faces o diagrama resultante é do tipo ominidirecional. Nesta figura foi ilustrado o compromisso do grau de liberdade = “quantidade de faces”.

Para ensaiar os efeitos da variação da potência por face sobre o diagrama de azimute resultante de um arranjo horizontal deve-se supor r constante e fase de alimentação simétrica, sendo a potência aplicada a cada face o parâmetro de teste. Para cada situação de 2,3 ou 4 faces foram arbitrados valores de potência distintos para cada uma das faces do arranjo e os diagramas resultantes apresentados na parte inferior da figura 5.

Comparando o diagrama de azimute da figura 4 anterior para P1=P2 contra o ensaio de assimetria de potência P1=30 % e P2=70 % mostrado na figura 5 verifica-se imediatamente a influência deste parâmetro (assimetria de potência) e como o mesmo pode ser útil em situações onde se deseja otimizar e/ou restringir coberturas em determina- das radiais. Ensaios de assimetria de potência para 3 faces e para 4 faces também estão apre- sentados na figura 5, e proporcionam uma ideia das variações de cobertura possíveis empregando-se esta técnica. Nesta figura foi ilustrado o compromisso do grau de liberdade = “potência por elemento”.

Para ensaiar os efeitos da variação da fase por face sobre o diagrama de azimute resultante de um arranjo horizontal deve-se supor r constante e a potência de alimentação simétrica, sendo a fase de alimentação aplicada a cada face o parâmetro de teste. Para cada situação de 2,3 ou 4 faces foram arbitrados valores de fase distintos para cada uma das faces do arranjo e os diagramas resultantes apresentados na parte inferior da figura 6.

Comparando o diagrama de azimute da figura 4 anterior para P1=P2 contra o ensaio de assimetria de fase P1=0 graus e P2 =+70 graus mostrado na figura 6, verifica-se imediatamente a influência deste parâmetro (assimetria de fase) e como o mesmo pode ser útil em situações onde se deseja otimizar e/ou restringir coberturas bem como quando se deseja provocar nulos em determinadas radiais (este último caso é bastante útil para lidar com limitações impostas pelo projeto em situações de operação co-canal). Ensaios de assimetria de fase para 3 faces e para 4 faces também estão apresentados na nessa figura, e proporcionam uma ideia das variações 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 fácil compreensão imaginar a infinidade de possíveis combinações e a versatilidade para a síntese de diagramas de radiação de azimute que resultam em se poder operar simultaneamente os valores de potência e de fase de alimentação para cada elemento de um arranjo horizontal, note ainda que até este ponto lidamos com apenas dois graus de liberdade simultaneamente. Para ensaiar os efeitos da variação do afastamento dos elementos da face da torre sobre o diagrama de azimute resultante de um arranjo horizontal deve-se supor a potência e a fase de alimentação simétricas, sendo r variável o parâmetro de teste. Para a situação de um arranjo de 4 faces foram arbitrados três valores de afastamento distintos valendo respectivamente 0,5 l, 1 l e 1,5 l entre os elementos do arranjo e o centro da torre, os diagramas resultantes para cada caso estão apresentados na parte inferior da figura 7.

Note a deterioração do diagrama ominidirecional, isto é a redução de circularidade e surgimento de penetrações no diagrama de azimute à medida que os elementos vão se afastando, o que indica que para antenas de UHF (onde a seção da torre facilmente é do tamanho ou ultrapassa 1l do canal de operação) não é recomendável trabalhar com torres de seção muito grandes, e para o caso de antenas de VHF ao redor de torres pequenas deve-se projetá-las mecanicamente para fora, sempre procurando trabalhar ao redor de r =0,5 l para sintetizar diagramas omnidirecionais.

Em situações onde a seção da torre é menor mecanicamente do que a dimensão lateral da antena que será instalada nesta seção (situação bastante comum em antenas tipo painel em que a largura do quadro refletor é maior do que a largura da torre) recorre-se ao artificio de instalação de acomodar os elementos do arranjo aplicando-se um ligeiro deslocamento lateral, ou como também denominado “offset mecânico”, aos elementos; a figura 8 ilustra esta situação de montagem onde para cada elemento do arranjo operou-se um deslocamento entre o seu centro e o centro da torre, este deslocamento lateral é o “offset”.

Embora esta técnica proporcione um ganho de imediato na ferragem agregada de instalação, independentemente desta situação prática como apresentada, a técnica de “offset” é também e muito mais frequentemente utilizada para se proporcionar redução de estacionária em um arranjo de antenas quando este arranjo é instalado, pois ocorre que cada antena passa a apresentar individualmente um descasamento de impedância provocado pelas impedâncias mútuas originadas pelas demais antenas do arranjo e pela própria torre, desequilibrando os divisores de potência e consequentemente piorando o VSWR do arranjo. Como será visto na figura 9 a seguir, a técnica de “offset” é um recurso empregado em arranjo de antenas para a otimização do VSWR dentro da faixa de operação.

A figura 8 apresenta em sua parte inferior os diagramas de azimute resultantes de um arranjo de 4 faces alimentados em simetria de potência e ensaiados, respectivamente, sem offset (diagrama à esquerda), com offset e com o respectivo faseamento dos elementos F1=0 F2=90 F3=180 F4=-90 (diagrama ao centro) e com offset sem o necessário faseamento dos elementos, isto é F1=0 F2=0 F3=0 F4=0 (diagrama à seguir). Verifica-se que a montagem com offset não duplica o diagrama ominidirecional gerado pelo arranjo sem offset, bem como caso não seja efetuado a devida compensação, de fase o diagrama gerado irá apresentar distorções significativas. Como afirmado na figura 8, a técnica de offset é um recurso empregado em arranjo de antenas para a otimização do VSWR dentro da faixa de operação, porém o deslocamento mecânico do eixo do elemento com relação ao eixo da torre deve ser compensado eletricamente nos cabos e esta combinação de efeitos gera, na prática, ligeiras deformações no diagrama de radiação do arranjo que emprega offset.

O diagrama resultante de um arranjo empregando offset somente seria igual ao diagrama resultante de um arranjo sem offset caso os elementos do arranjo apresentassem relação frente-costa infinita e reproduzissem a função cos^2(phi), imposições não realizáveis na prática. Mesmo apresentando compromissos, a técnica de offset, entretanto, é de grande valia e bastante empregada pois permite, na prática: melhorar ligeiramente a circularidade de arranjos ominidirecionais; reduzir o VSWR de arranjos de antenas provocados por “build up” de estacionária de cada elemento quando o mesmo entra no arranjo, ou quando condições atmosféricas deterioram o casamento de impedância da antena (frequente em antenas alimentadas de forma balanceada e/ou alta impedância).

A figura 9 pretende explicar o mecanismo de redução de VSWR quando se emprega offset, recorrendo ao circuito mostrado no extremo superior esquerdo tem-se duas antenas iguais, denominadas ant1 e ant2 e alimentadas por um mesmo gerador por intermédio de duas linhas de transmissão distintas e de comprimento elétrico L (para ant1) e L+D (para ant2). Se a diferença de comprimento elétrico entre estas duas linhas (o parâmetro D) é feito D= l/4, esta diferença de 90 graus irá se transformar em 180 graus sobre o gerador para a onda refletida em ant2 por ocasião de um descasamento de impedâncias sofrido simultaneamente por ant1 e ant2, ora as ondas refletidas de ant1 e ant2 irão somar-se sobre o gerador com uma diferença de fase de 180 graus, cancelando-se teoricamente e “simulando” para o gerador uma situação de VSWR inferior àquela que efetivamente está estabelecida sobre os terminais de cada antena ant1 e ant2.

O gráfico na parte inferior da figura 9 mostra o VSWR resultante sobre o gerador versus o VSWR desenvolvido na antena, onde pode-se observar que, por exemplo, com o emprego desta técnica variações de VSWR na antena até 1,6:1 se traduzem em variações no gerador de no máximo 1,1:1.

Esta técnica pode ser empregada tanto para arranjos horizontais como para arranjos verticais conjuntamente (neste caso chamado de “ double step phase compensation”) em arranjos complexos; como ilustrado na figura 9, se tomarmos como exemplo um arranjo de 4 faces com dois níveis de empilhamento por face e procedermos à aplicação de offset mecânico nos dois níveis alimentando o nível superior com as fases/face indicadas (0, -90, 180,+90) e o nível inferior com as fases/face indicadas L + D L (+90,0,-90,180), deveremos obrigatoriamente alimentar o nível inferior com –90 graus de defasagem com relação ao nível superior para garantir a mesma fase / face para o arranjo como um todo, esta introdução deliberada da defasagem de 90 graus entre o nível superior e nível inferior fará com que o VSWR do divisor 1:2 que alimenta os dois níveis seja inferior àquele caso esta técnica não tivesse sido utilizada.

Conclusão

Em breve, continuaremos a ver outras formas segundo as quais as antenas podem ser configuradas em “arranjos”. Não percam.

* Matéria originalmente publicada na revista Saber Eletrônica; Ano: 47; N° 455; Setembro – 2011

Fonte: www.sabereletronica.com.br


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