Antena de matriz de dipolo periódico logarítmico: Um Guia Completo

A tecnologia está a avançar a passos largos no mundo de hoje. A comunicação desempenha um papel importante neste rápido crescimento e as antenas são um dos componentes mais importantes. As antenas LPDA (Log Periodic Dipole Array Antenna) são importantes nos modernos sistemas de radiodifusão e de telecomunicações. As antenas de matriz de dipolo periódico logarítmico são antenas direcionais com vários elementos dispostos num padrão específico. O comprimento dos elementos da antena diminui geralmente em direção à frente da antena e, com elementos de diferentes comprimentos, são capazes de captar diferentes frequências, o que as torna ideais para aplicações que exigem soluções de comunicação robustas e versáteis em diferentes frequências. São designadas por antenas log periódicas porque a impedância destas antenas é uma função logaritmicamente periódica da sua frequência. As antenas log-periódicas são geralmente utilizadas em aplicações em que é necessário transmitir ou receber diferentes frequências em diferentes ângulos e diferentes frequências, tais como a radiodifusão televisiva, a monitorização de banda larga, os sistemas de medição, etc.

História e desenvolvimento da antena LPDA

Considera-se que a antena periódica logarítmica foi inventada pelo engenheiro eletrotécnico americano Dwight E. Isbell e o seu colega Raymond DuHamel no período de 1957-1958 e publicaram um artigo sobre o assunto. Mais tarde, o conceito foi desenvolvido por Paul Mayes. O conceito de antena periódica logarítmica foi patenteado pela Universidade de Illinois, nos EUA, na sequência do trabalho destes inventores. No entanto, acredita-se também que foi inventada por John Dunlavy em 1952, mas não lhe foi dado o devido crédito, uma vez que foi inventada numa missão secreta enquanto trabalhava para a Força Aérea dos Estados Unidos.

Caraterísticas de conceção da antena periódica lógica

As antenas periódicas logarítmicas são compostas por múltiplos elementos dipolares de diferentes comprimentos e espaçamentos dispostos numa configuração linear ou plana. Geralmente, estão dispostos de forma a que o comprimento dos elementos diminua em direção à frente da antena e com fase alternada entre eles em intervalos específicos, seguindo uma função logarítmica da frequência. Estes elementos de antena são normalmente fabricados a partir de materiais condutores, como o alumínio ou o cobre, e montados paralelamente em ambos os lados de uma estrutura de suporte que é normalmente feita de um material não condutor. As caraterísticas de desempenho da antena periódica logarítmica dependem do comprimento, do espaçamento, da diferença de fase e da progressão logarítmica dos elementos.

As antenas periódicas logarítmicas funcionam com base no princípio da inversão de fase dependente da frequência. Cada elemento ressoa a uma frequência diferente e, à medida que a frequência aumenta, o elemento ressonante desloca-se em direção aos elementos mais pequenos, criando um sinal tipo onda que se desloca ao longo da estrutura central. Este mecanismo proporciona uma resposta de frequência de banda larga com um ganho e impedância consistentes em antenas periódicas de registo.

Parâmetros-chave

Considerando os principais parâmetros de desempenho das antenas log-periódicas, estas são capazes de funcionar em várias bandas de frequência. As antenas log-periódicas podem funcionar numa vasta gama de frequências, desde alguns megahertz até vários gigahertz, dependendo da sua conceção. As antenas log-periódicas são utilizadas para ter um ganho relativamente elevado devido ao seu padrão de radiação e direccionalidade. São capazes de funcionar com um ganho de pico de cerca de 10-11dBi e o ganho varia geralmente entre 5 e 15 dBi. O alcance operacional de uma antena periódica de registo depende de todos estes factores, como a frequência, o ganho, bem como dos factores ambientais e de quaisquer obstáculos ou interferências. As antenas periódicas logarítmicas utilizam, na maioria dos casos, conectores fêmea normais de tipo N e são geralmente montadas em postes ou mastros. Mas isto pode variar consoante o tipo de antena periódica de registo, uma vez que também estão disponíveis em modelos muito compactos do tipo painel.

Principais caraterísticas da antena periódica de registo

Algumas das principais caraterísticas de uma antena log-periódica incluem a gama de frequências de banda larga, o ganho direcional e o seu design compacto.

• Gama de frequências de banda larga

As antenas periódicas logarítmicas, devido à presença de elementos condutores de antena de diferentes comprimentos, têm a capacidade de funcionar numa vasta gama de frequências. A sua cobertura num vasto espetro de frequências torna-as uma opção de antena adequada para várias aplicações de comunicação e RF. Isto permite aos utilizadores utilizar uma única antena para comunicar através de vários canais em diferentes frequências. Assim, as antenas periódicas logarítmicas são extremamente úteis em aplicações em que o ambiente de funcionamento é dinâmico ou se altera rapidamente, uma vez que podem assegurar uma comunicação estável e ininterrupta em tais cenários.

• Ganho direcional

As antenas periódicas logarítmicas têm um ganho estável, o que constitui uma vantagem fundamental. São capazes de manter um desempenho de ganho direcional elevado e estável, mesmo quando a frequência varia ou flutua. Assim, as antenas periódicas logarítmicas são capazes de fornecer um ganho direcional consistente em diferentes bandas de frequência. Devido ao seu elevado ganho direcional, são capazes de direcionar os sinais para uma direção específica, aumentando assim o alcance da comunicação nessa direção. Esta caraterística torna as antenas periódicas logarítmicas ideais para aplicações que requerem uma comunicação de longo alcance eficaz e precisa.  

• Design compacto

As antenas periódicas logarítmicas têm um design e uma estrutura simples. São geralmente de tamanho compacto, pelo que podem ser facilmente utilizadas em aplicações com restrições de espaço. Podem ser utilizadas de forma conveniente tanto em aplicações estáticas como móveis. As antenas periódicas Log são relativamente fáceis de fabricar e instalar devido à sua conceção compacta.

Tipos de antenas de período lógico

As antenas periódicas logarítmicas estão disponíveis em diferentes formas e frequências. Quatro dos tipos mais comuns de antenas são discutidos a seguir.

• Matriz de dipolo periódico lógico (LPDA)

Este é o tipo mais comum de antena periódica de registo. Como o nome sugere, as antenas LDPA têm um conjunto de elementos de antena dipolo dispostos em comprimento crescente e montados ao longo de cada lado de uma barra de suporte. Os elementos da antena estão ligados em paralelo a uma linha de alimentação e o dipolo mais longo actua como um refletor. A antena LPDA é geralmente alimentada a partir do elemento de meio-dipolo mais curto através de uma única porta. As LPDAs funcionam normalmente com impedâncias de entrada uniformes, VSWR e caraterísticas de radiação numa vasta gama de frequências. Este tipo de antenas log periódicas é normalmente utilizado para aplicações de receção de televisão e rádio.

• Antena monopolar log-periódica

As antenas monopolo periódicas logarítmicas são bastante semelhantes às LPDAs. Nesta variação, são utilizados monopolos em vez de

dipolos nas antenas e geralmente montados numa placa de terra condutora. Esta conceção tem um melhor desempenho em termos de ganho e é normalmente utilizada em sistemas de comunicação terrestres.

• Antena planar log-periódica

Este tipo de antena periódica de registo tem os seus elementos de antena impressos num substrato plano semelhante a uma placa de circuito impresso. Devido ao seu design compacto, são ideais para serem utilizadas em dispositivos mais pequenos com limitações de espaço, bem como para aplicações móveis. Também são normalmente utilizadas em aplicações de radar e micro-ondas.

• Antena Log-Periódica de Fio

Semelhante a outras antenas periódicas de registo, as antenas periódicas de registo com fio também têm vários elementos de antena. No entanto, em vez dos elementos sólidos típicos, estas antenas consistem em elementos de antena feitos com fios suportados numa estrutura rígida ou numa estrutura de barra.

Antenas Log-Periódicas vs. Antenas Yagi

As antenas LPDA e as antenas Yagi são bastante semelhantes. No entanto, têm algumas diferenças fundamentais que as tornam únicas, tanto em termos de estrutura física e conceção, como em termos de parâmetros de desempenho.

As antenas log-periódicas têm normalmente uma estrutura triangular e são compostas por vários elementos de antena de diferentes comprimentos e distâncias entre si, dispostos num conjunto específico em ambos os lados de uma estrutura em forma de barra. As antenas Yagi têm uma estrutura mais linear com os seus múltiplos elementos de antena, que têm geralmente o mesmo comprimento, ao contrário das antenas periódicas logarítmicas, dispostos num conjunto ao longo de uma estrutura em forma de barra. Devido aos elementos de antena de comprimento semelhante, as antenas Yagi são consideradas ligeiramente mais fáceis de construir e fabricar do que as antenas log periódicas. As antenas log-periódicas são ligeiramente mais complexas de projetar e construir, uma vez que os diferentes comprimentos dos elementos, o seu espaçamento e as diferenças de fase têm de ser calculados e implementados com precisão. Além disso, as antenas Yagi são geralmente mais volumosas do que as antenas log-periódicas. No entanto, as antenas log-periódicas são comparativamente mais fáceis de instalar do que as antenas Yagi, uma vez que as antenas Yagi necessitam de um alinhamento mais preciso para um desempenho ótimo numa direção específica.

Considerando os parâmetros de desempenho, tanto as antenas periódicas logarítmicas como as antenas Yagi estão disponíveis numa vasta gama de bandas de frequência. As antenas periódicas logarítmicas funcionam geralmente em gamas de frequência entre 30 e 4200 MHz, enquanto as antenas Yagi funcionam entre 30 e 3000 MHz. As antenas log-periódicas têm um padrão de radiação mais amplo e, por conseguinte, um ganho mais baixo e são pouco direcionais em comparação com as antenas Yagi. As antenas Yagi são altamente direcionais e têm uma largura de banda estreita, pelo que têm um ganho muito mais elevado numa direção específica. Os sinais de uma antena Yagi estão concentrados numa área de cobertura com um ângulo de cerca de 45 a 90 graus, ao passo que as antenas periódicas logarítmicas conseguem ter uma área de cobertura muito mais ampla devido ao facto de terem elementos de antena de diferentes comprimentos e espaçamentos.

As antenas log-periódicas e as antenas Yagi também variam em termos das suas aplicações. As antenas log-periódicas são normalmente utilizadas em aplicações que exigem que os sinais sejam transmitidos e recebidos em várias direcções e em várias frequências diferentes em simultâneo. São utilizadas em aplicações LPWAN, LoRa, LTE-M, NB-IoT, IoT, M2M, etc. As antenas Yagi são melhores para sistemas de comunicação ponto-a-ponto, como em aplicações de radiodifusão, domésticas e comerciais, uma vez que são altamente direcionais e têm um elevado ganho numa direção específica.

Os custos iniciais de instalação e os custos de manutenção das antenas Yagi e das antenas periódicas logarítmicas são relativamente semelhantes. No entanto, as antenas periódicas logarítmicas são geralmente consideradas mais versáteis, uma vez que podem ser utilizadas para casos de utilização que exigem frequências diferentes. As antenas Yagi necessitam de uma manutenção mais regular para manter o seu desempenho numa direção a um nível ótimo.

Vantagens das antenas periódicas de registo

As antenas log-periódicas são um tipo de antena extremamente versátil utilizado em vários sistemas de comunicação devido às suas principais vantagens em termos de desempenho. De seguida, apresentam-se algumas dessas vantagens.

• Largura de banda larga

As antenas periódicas logarítmicas são capazes de cobrir uma vasta gama de frequências e podem funcionar em várias bandas de frequência devido à sua ampla largura de banda sem necessidade de afinação ou ajustes. Por conseguinte, as antenas periódicas logarítmicas são consideradas versáteis, uma vez que uma única antena pode substituir várias antenas concebidas para diferentes gamas de frequências. Por este motivo, as antenas periódicas logarítmicas são versáteis e económicas.

• Padrão de radiação direcional

As antenas log-periódicas têm um padrão de radiação direcional. Assim, são capazes de concentrar a sua energia numa direção específica, o que as torna ideais para comunicações a longa distância. O padrão de radiação das antenas log-periódicas tem lóbulos laterais baixos, o que significa que irradiam a maior parte da sua energia na direção desejada e minimizam o desperdício de energia noutras direcções. O seu padrão direcional torna-as mais resistentes à interferência de outros sinais indesejados e de quaisquer obstáculos. Isto também ajuda a melhorar a relação sinal/ruído.

• Ganho elevado

As antenas log-periódicas têm normalmente um ganho mais elevado devido ao seu padrão de radiação direcional. Assim, têm a capacidade de transmitir e receber sinais a distâncias mais longas e com grande eficiência. Nos sistemas de comunicação, o ganho elevado é um parâmetro crucial para manter sinais fortes e estáveis numa gama mais alargada.

• Tamanho compacto

As antenas periódicas Log podem ser utilizadas em aplicações com limitações de espaço, uma vez que são geralmente concebidas para serem pequenas e compactas em comparação com outros tipos de antenas. São ideais para serem utilizadas tanto em aplicações fixas como móveis.

De um modo geral, as antenas log-periódicas oferecem vantagens importantes, tais como uma vasta gama de frequências, um ganho elevado, um padrão de radiação direcional e um tamanho compacto, o que as torna uma opção versátil e conveniente para várias aplicações em comunicações e radiodifusão.

Desvantagens e limitações

Embora as antenas periódicas de registo tenham algumas vantagens importantes, como sempre, também existem algumas limitações.

• Conceção e construção complexas

Uma vez que as antenas periódicas logarítmicas são construídas para funcionar em várias frequências diferentes, a sua conceção tem de ser precisa. Os comprimentos dos elementos da antena, o seu espaçamento e colocação, a diferença de fase entre os elementos, etc., devem ser tidos em consideração. Devido à complexidade do projeto e da construção, as antenas periódicas logarítmicas tendem a ser relativamente caras.

• Montagem e manutenção

A instalação e a manutenção de uma antena periódica de registo podem ser ligeiramente complexas e demoradas, uma vez que têm vários elementos que requerem um espaçamento e uma colocação precisos. Além disso, para garantir que a antena funciona continuamente no seu estado ótimo com uma transmissão e receção de sinal estável e precisa, é necessária uma manutenção regular para as antenas periódicas de registo.

• Interferência

Especialmente em aplicações exteriores, as antenas periódicas de registo tendem a estar sujeitas a interferências de outros sinais, bem como a quaisquer obstruções físicas. Podem também ser afectadas por condições meteorológicas, como ventos fortes, tornando-as susceptíveis a cargas de vento.

Aplicações de antenas periódicas logarítmicas

Como referido ao longo do artigo, as antenas periódicas de registo são extremamente versáteis e, por isso, são utilizadas em várias aplicações em diferentes sectores. Alguns dos casos de utilização mais comuns são apresentados de seguida.

• Radiodifusão televisiva e radiofónica

As antenas periódicas logarítmicas são normalmente utilizadas para a receção e transmissão de sinais de televisão e rádio, uma vez que são capazes de funcionar numa vasta gama de frequências, permitindo assim fornecer conteúdos em vários canais e estações. Com as caraterísticas de conceção e desempenho das antenas periódicas logarítmicas, é possível utilizar uma única antena para várias bandas de frequência através da utilização de antenas periódicas logarítmicas.

• WiFi

As antenas periódicas de registo também são normalmente utilizadas para estabelecer redes WiFi. Podem ser utilizadas para transmitir e receber sinais para aplicações WiFi, uma vez que são capazes de fornecer uma ligação à Internet sem fios estável e forte.

• Redes celulares

À semelhança das redes WiFi, também são utilizados em redes celulares para transmitir e receber sinais de torres de telemóveis, permitindo a comunicação móvel. A sua direccionalidade e ganho permitem-lhes focar fortemente os sinais numa determinada direção, permitindo-lhes assim estabelecer ligações a longas distâncias.

• Amplificadores de sinal

As antenas periódicas logarítmicas também são normalmente utilizadas em sistemas de reforço de sinal. O seu elevado ganho e direccionalidade aumentam a força e o alcance dos sinais para uma melhor receção e transmissão, tornando-as assim ideais para amplificadores de sinal.

• Sistemas de antenas distribuídas (DAS)

As antenas periódicas logarítmicas também são normalmente utilizadas em instalações DAS. A sua ampla largura de banda, elevado ganho e direccionalidade são úteis para melhorar a cobertura sem fios e a capacidade dos sistemas de comunicação em grandes edifícios, estádios, aeroportos e outras áreas públicas.

Instalação e manutenção

O processo de instalação de uma antena periódica de registo começa com a seleção do local. É importante selecionar um local com o mínimo de obstruções e interferências para garantir um desempenho ótimo. Outras condições meteorológicas e factores ambientais também têm de ser tidos em consideração. As antenas periódicas de registo são geralmente montadas num mastro ou poste para minimizar as obstruções nas vias de sinal. É importante montar as antenas de forma segura para garantir a estabilidade e o alinhamento correto. É necessário utilizar cabos coaxiais e conectores de alta qualidade para minimizar a perda de sinal durante a transmissão. Outro fator a ter em conta é a ligação à terra adequada, que é crucial para proteger a antena de picos de corrente que possam ocorrer. É essencial colocar a antena na orientação correta e alinhá-la adequadamente para garantir um desempenho ótimo numa direção específica e numa gama de frequências pretendida. Por fim, é importante realizar testes suficientes e afiná-la, fazendo os ajustes necessários para obter uma qualidade óptima e um desempenho fiável de uma antena periódica de registo.

Estudos de caso

As antenas log-periódicas são utilizadas em muitos sectores e têm vários casos de utilização, como se pode ver ao longo do artigo. De seguida, descrevem-se alguns dos cenários e aplicações reais das antenas log-periódicas.

• Radiodifusão

As antenas periódicas logarítmicas são capazes de cobrir um amplo espetro de frequências devido à sua estrutura com diferentes elementos de antena alongados e diferenças de fase e, por conseguinte, são habitualmente utilizadas na radiodifusão sonora e televisiva. Assim, as antenas periódicas logarítmicas são amplamente utilizadas tanto em zonas urbanas como em zonas remotas para transmitir sinais através de vários canais, proporcionando uma cobertura eficiente e estável.

• Militar e defesa

As antenas periódicas Log são amplamente utilizadas no sector militar e da defesa para várias aplicações de defesa e segurança. São normalmente utilizadas em aviões, satélites, sistemas de radar, equipamento militar, etc., para a transmissão e receção de sinais. As antenas periódicas Log são capazes de fornecer uma comunicação fiável numa ampla largura de banda e com uma elevada direccionalidade, o que as torna ideais para missões críticas e operações de vigilância nas forças armadas. No sector militar e da defesa, o pessoal do exército utiliza dispositivos alimentados por antenas periódicas de registo para se manter ligado em diferentes locais operacionais. Isto é possível devido à fiabilidade e estabilidade dos sinais transmitidos e recebidos através de antenas periódicas. Também são amplamente utilizadas para aplicações de vigilância em missões militares e de defesa. São capazes de transmitir e receber sinais rapidamente, o que as torna importantes em missões críticas. As antenas periódicas de registo permitem a troca de dados em tempo real entre sensores remotos, drones e centros de comando. Isto permite que o pessoal do exército tome decisões bem informadas em aplicações de tempo crítico em tarefas militares e de defesa.

• Guerra eletrónica

As antenas periódicas logarítmicas são também parte integrante dos sistemas de guerra eletrónica. O seu elevado ganho direcional e a transferência de sinal direcionada podem ser cruciais para identificar dispositivos inimigos e para intercetar e bloquear sinais de comunicação inimigos. Na guerra eletrónica, as antenas log-periódicas são utilizadas como parte de sistemas para intercetar, empastelar ou proteger as comunicações, tirando partido das suas capacidades de banda larga e desempenho direcional. Isto pode ser crucial na guerra para contra-atacar eficazmente os sinais de comunicação do inimigo e obter uma vantagem tática no campo de batalha.

Conclusão

As antenas periódicas logarítmicas são um componente crucial no panorama moderno da tecnologia de antenas. As antenas log-periódicas estão disponíveis em várias formas, tamanhos e configurações e, entre elas, as antenas Log Periodic Dipole Array estão na vanguarda como o tipo mais utilizado de antenas log-periódicas. As antenas LPDA funcionam de modo a que a impedância da antena seja uma função logaritmicamente periódica da sua frequência de funcionamento. São capazes de facilitar uma vasta gama de aplicações, desde a radiodifusão televisiva a sistemas WiFi e celulares, passando por aplicações militares e de defesa críticas. A capacidade das antenas periódicas logarítmicas para funcionar numa vasta gama de frequências, a sua capacidade direcional e o seu design compacto fazem delas um dispositivo versátil e uma solução conveniente para os consumidores que procuram melhorar os seus sistemas de comunicação.