O que é uma antena monopolo? Um guia completo

A antena monopolar é um marco significativo no domínio das comunicações sem fios. É uma daquelas peças que pode não considerar frequentemente, mas está presente em tudo, desde o telemóvel no seu bolso até ao rádio no seu carro. Neste artigo, vamos explorar o mundo das antenas monopolo, destacando como se adaptaram para se tornarem um componente necessário da vida quotidiana.

No início, compreender os fundamentos do funcionamento de uma antena monopolar pode parecer difícil, mas estamos aqui para o tornar mais fácil. A eficiência e a simplicidade são as principais caraterísticas destas antenas, que constituem uma opção económica para uma variedade de utilizações.

Este artigo apresenta uma análise exaustiva das antenas monopolo, as suas origens históricas, os tipos de antenas, a estrutura e os elementos de conceção, bem como a importante função que desempenham nas redes de comunicação modernas. Para além de discutir as vantagens, desvantagens e utilizações específicas das antenas monopolo. Vamos estudar a forma como estes dispositivos captam e enviam sinais, permitindo-nos mantermo-nos ligados de mais formas do que possamos pensar.

História da Antena Monopolo

A antena monopolar, inicialmente concebida no final do século XIX, tem as suas origens na investigação pioneira de Guglielmo Marconique utilizou as primeiras versões dos conceitos de monopolo para os seus estudos inovadores de telegrafia sem fios. Durante mais de um século, as antenas monopolo foram essenciais na indústria das comunicações sem fios. Com base na investigação básica da radiação electromagnética, iniciaram a sua aventura no início do século XX. Estas antenas revolucionaram a forma como captamos e transmitimos sinais devido à sua eficiência e simplicidade, o que levou à sua popularidade numa variedade de aplicações.

No início, as antenas monopolo desempenharam um papel fundamental nas fases iniciais do desenvolvimento das comunicações via rádio. Ofereciam um método simples de transmissão e receção de áudio a longas distâncias. A utilização de antenas monopolar expandiu-se com os avanços tecnológicos. Eram a opção preferida para as novas tecnologias sem fios devido à sua acessibilidade e versatilidade.

As antenas monopolo têm mudado ao longo do tempo para satisfazer as necessidades de um mundo cada vez mais interligado. Atualmente, continuam a ser uma parte essencial da tecnologia sem fios, permitindo a transmissão precisa de dados e a comunicação internacional. O seu desenvolvimento reflecte os avanços da tecnologia sem fios, demonstrando a sua aplicabilidade contínua na era digital.

O que é uma antena monopolar?  

Um único elemento condutor, normalmente um fio ou uma barra, posicionado acima de um plano de terra condutor, constitui uma antena monopolar, que é uma forma de antena de rádio. Esta antena é um dispositivo simples de fio único que é amplamente utilizado em sistemas de comunicação sem fios, tanto para enviar como para receber sinais. Uma vez que o seu comprimento é normalmente concebido para ressoar num determinado comprimento de onda do sinal emitido ou recebido, é classificada como uma antena ressonante.

A haste condutora de uma antena monopolar oscila através de ondas estacionárias de tensão e corrente ao longo do seu comprimento, funcionando principalmente como um ressonador aberto para ondas de rádio. Dependendo do comprimento de onda da onda de rádio desejada, o comprimento da antena pode ser facilmente calculado. A antena monopolar tem um ganho médio de 3,7 dBi e funciona na gama de frequências de 1,7-2 GHz.

Estrutura e caraterísticas de conceção  

Devido às suas propriedades únicas, as antenas monopolo são extremamente úteis para uma vasta gama de aplicações, especialmente em sistemas de posicionamento global, onde a receção precisa do sinal é essencial.

Elemento de radiação: É o elemento principal para o envio e receção de ondas electromagnéticas, sendo normalmente uma haste ou fio vertical. O componente fundamental de uma antena monopolar é um único dispositivo condutor, conhecido como monopolo, que é posicionado acima de um plano de terra. Este conceito fornece uma onda polarizada verticalmente e é simples, mas muito eficaz. O padrão omnidirecional das antenas monopolo no plano horizontal é um componente crucial que garante capacidades de receção e transmissão consistentes, independentemente da orientação da antena em relação aos sinais de satélite.

Plano de terra: Uma rede de fios ou superfície condutora que melhora o desempenho do elemento radiante, servindo como uma superfície reflectida. Devido à forma como são fabricadas, as antenas monopolo necessitam de uma grande placa de terra para funcionarem bem. Para garantir que existe uma área de superfície suficiente para contrariar eficazmente o elemento monopolar, esta necessidade afecta frequentemente todo o design do dispositivo.

Caraterísticas de conceção: Isto inclui a adição de bobinas de carga para minimizar o tamanho físico sem afetar o desempenho, a alteração da altura e o afunilamento para a correspondência de impedância. O desempenho da antena é grandemente influenciado pelo comprimento do monopolo, que é normalmente expresso como um quarto do comprimento de onda da frequência. Esta medida é calculada para proporcionar uma ressonância óptima e a melhor receção possível de sinais sem fios.

Tipos de antenas monopolo  

As antenas monopolo existem em vários tipos, cada um deles para aplicações específicas:  

Antena magnética de chicote

Um tipo de antena monopolar é a antena chicote, que é extremamente flexível para evitar que se parta facilmente. O nome desta antena foi inspirado no movimento em forma de chicote que apresenta quando é perturbada. A parte inferior desta antena é simplesmente ligada ao transmissor ou ao recetor de rádio e é constituída por uma haste ou fio reto e flexível.

Estas antenas são normalmente fabricadas utilizando um conjunto de tubos metálicos telescópicos interligados para rádios portáteis, o que lhes permite serem dobrados para trás quando não estão a ser utilizados. Os chicotes mais longos, que podem atingir comprimentos de 11 metros, são feitos principalmente para serem montados em automóveis e outras estruturas que incluem uma haste de fibra de vidro flexível com um núcleo de fio. O comprimento de onda das ondas de rádio pode ser utilizado para calcular o comprimento ideal desta antena.

Estas são as antenas monopolo mais utilizadas nas bandas de rádio VHF, UHF e HF. São amplamente utilizadas em boom boxes, walkie-talkies, dispositivos com Wi-Fi, rádios FM, telefones sem fios e rádios de mão. Tanto os rádios bidireccionais para automóveis e aviões como os auto-rádios estão ligados a ele.

Monopolos de plano de terra

Metade de uma antena dipolo é posicionada num ângulo reto sobre um plano de terra condutor para criar uma antena monopolo de plano de terra. Não transmite sinais abaixo da placa de terra, embora funcione de forma semelhante a uma antena dipolo colocada acima de uma. As caraterísticas de radiação efectiva destas antenas e a facilidade de utilização tornam-nas populares em redes de Internet e comunicações móveis. As antenas monopolo de plano terrestre também são de terminação única, o que as torna muito úteis para conexão com transceptores que são de terminação única.

Monopólos de quarto de onda

Quando um plano de terra infinito é substituído por uma metade de uma antena dipolo de meia onda, a outra metade do dipolo "espelha-se" no plano de terra. O contrapeso é outro nome para este plano de terra. Isto é conhecido como monopolo de quarto de onda.

O monopolo actua como um dipolo de "meia onda" em todos os sentidos práticos. Por outras palavras, a resistência à radiação é metade da do dipolo de meia onda, e tem o mesmo padrão de radiação em forma de donut. Podem ser utilizados os mesmos métodos de carregamento e alimentação, e pode ser dobrado ou dobrado como um dipolo.

Monopolos helicoidais

Uma antena helicoidal é constituída por, pelo menos, um fio condutor torcido em forma de hélice. As antenas criadas com pelo menos dois ou quatro fios numa hélice são designadas por quadrifilares ou bifilares, enquanto as concebidas com apenas um fio helicoidal são conhecidas por monofilares. Os componentes helicoidais são utilizados para realizar a funcionalidade de banda larga.  

Monopolos dobrados

Este tipo de antena radiadora de mastro monopolar é utilizado principalmente por estações de rádio AM como antena de transmissão no espetro de ondas médias. O sistema de ligação à terra desta antena, que consiste em fios subterrâneos, está principalmente ligado a um mastro ou a uma haste metálica vertical. Em termos simples, o mastro é envolvido por fios verticais que estão ligados eletricamente no topo. Um anel de metal perto da base do mastro simplesmente conecta esses fios, e a eletricidade da linha de alimentação do transmissor é conectada entre o anel e o solo. Quando uma estação de rádio AM partilha uma torre com outras antenas, como as antenas de transmissão FM, esta é a opção ideal.

Monopolos encurtados com bobinas de carga

Quando as restrições de espaço impedem o uso de uma antena de comprimento total, especialmente em freqüências mais baixas, um "monopolo encurtado com uma bobina de carga" é uma antena vertical (monopolo) que é fisicamente mais curta do que um projeto típico de um quarto de comprimento de onda. No entanto, ao adicionar um indutor (bobina de carga) em série na sua base, a antena é levada a ressoar na frequência desejada, "alongando-a" eletricamente e permitindo-lhe funcionar com um comprimento físico mais curto. Isto é concebido para preservar a ressonância enquanto conserva o espaço.  

Correspondência de impedância  

A antena transfere efetivamente a energia entre o dispositivo radiante e a linha de transmissão através da correspondência de impedância. A correspondência de impedância para antenas monopolo geralmente envolve a modificação do comprimento do elemento radiante ou a adição de elementos como stubs de sintonia, baluns ou redes de correspondência. Para que a antena funcione da forma mais eficiente possível na banda de frequência pretendida, deve ser fabricada com uma impedância correspondente ao ambiente do utilizador final. Alcance máximo, baixo consumo de energia, menos aquecimento e fluxo de dados fiável são os resultados de uma eficiência óptima. Para garantir que a potência máxima é fornecida do circuito de RF para a antena com o mínimo de reflexão, a impedância de entrada da antena deve ser definida para 50 Ω.

A antena monopolar precisa de um plano de terra?  

Não, nas antenas monopolo que funcionam a frequências inferiores a 20 MHz, o plano de terra é tipicamente a Terra; neste caso, a antena é um mastro vertical colocado no solo e isolado eletricamente do solo por um isolador. A linha de alimentação é conectada a um aterramento na base da antena de um lado e ao mastro do outro. Uma rede radial de fios enterrados que se estende para fora a partir de uma terminação próxima da base da antena é frequentemente utilizada em antenas de transmissão para diminuir a resistência à terra. Para a radiodifusão sonora nas bandas MF e LF, esta conceção é utilizada para antenas de transmissão de radiadores de mastro. A antena em T e a antena guarda-chuva são exemplos de monopolos com carga capacitiva no topo que são utilizados para aumentar a eficiência e a potência irradiada porque o mastro da antena é eletricamente curto em frequências mais baixas, resultando em baixa resistência à radiação.

Os planos de terra artificiais são utilizados para permitir que a antena seja instalada acima do solo, uma vez que o tamanho do plano de terra necessário é menor nas frequências VHF e UHF. Uma antena de chicote de um quarto de onda com uma placa de terra constituída por três ou quatro fios ou hastes compridas de um quarto de onda que irradiam horizontal ou diagonalmente a partir da sua base ligada ao lado do solo da linha de alimentação. Este é um tipo comum de exemplo de antena monopolar nestas frequências para montagem em mastros ou estruturas. A superfície metálica do corpo de um avião ou do teto de um carro é um excelente plano de terra para freqüências de gigahertz. As antenas de telemóvel dos automóveis são constituídas por chicotes curtos montados no tejadilho e as antenas de comunicação dos aviões são frequentemente constituídas por um condutor curto numa carenagem aerodinâmica que se estende a partir da fuselagem. Isto é conhecido como uma antena de lâmina. 

As antenas monopolo também incluem as antenas de chicote de borracha e de um quarto de onda usadas com rádios FM portáteis e walkie-talkies. O lado de terra do transmissor nesses dispositivos portáteis é simplesmente conectado à conexão de terra em sua placa de circuito; a antena não tem um plano de terra efetivo. A combinação de antena e terra pode funcionar mais como uma antena dipolo assimétrica do que como um monopolo, já que o terra da placa de circuito é freqüentemente menor que o da antena. Um plano de terra simples pode ser a mão e o corpo da pessoa que os segura.

Padrão de radiação de antena monopolar  

Para identificar claramente a função e a directividade da antena, o padrão de radiação é uma representação da emissão ou receção da frente de onda da antena que especifica a sua força. Tanto as regiões de campo distante como de campo próximo são afectadas quando a antena emite potência. A partir de qualquer antena, o padrão de radiação pode ser representado graficamente como uma função da distância radial e da localização angular.
Devido ao seu padrão de radiação omnidirecional, a antena monopolar emite eletricidade em todas as direcções que lhe são verticais. Ao reduzir a radiação a zero no pico do eixo da antena, a potência irradiada da antena varia com o ângulo de elevação. Ela emite ondas de rádio polarizadas verticalmente.

A densidade de potência radiada a uma dada elevação é diretamente proporcional à distância radial da linha à fonte em qualquer ângulo de elevação. Dentro de uma densidade de potência comparável a um monopolo de um quarto de onda e isotrópico em decibéis, o eixo radial é modificado.

Qual é a finalidade de uma antena monopolar? (Aplicações)  

As antenas monopolo são utilizadas numa variedade de contextos, incluindo dispositivos portáteis e sistemas montados em veículos. São uma opção desejável para os fabricantes que pretendem adicionar dispositivos de comunicação sem fios de qualidade sem aumentar significativamente o seu tamanho ou alterar o seu aspeto, devido à sua versatilidade e custos de produção razoavelmente baixos.

Em termos de aplicações, o desempenho consistente e fiável das antenas monopolo beneficia clientes que vão desde fornecedores de serviços de navegação a pessoas que utilizam serviços de smartphones. A sua simplicidade fundamental não diminui a sua potência; pelo contrário, realça a elegância de um sistema bem concebido que proporciona uma transmissão precisa de forma consistente e eficiente.

• Uma variedade de indústrias, incluindo a ciência espacial, a tecnologia de radar, a investigação biomédica, etc., utilizam antenas monopolo.
• O monopolo é normalmente utilizado como uma antena ressonante, com a sua haste a atuar como um ressonador aberto, especialmente para ondas de rádio, e a flutuar através de ondas estacionárias de tensão e corrente ao longo do seu comprimento. Por conseguinte, o comprimento de onda da onda de rádio selecionada é o único fator que determina os comprimentos da antena.
• Os sistemas de comunicação sem fios utilizam muito bem este tipo de antena.
• Para aplicações portáteis, é construída e utilizada uma antena monopolar pentagonal de baixo perfil.
• Esta antena é amplamente utilizada em rádios AM/FM portáteis, automóveis, etc.
• As aplicações de banda dupla, banda múltipla e UWB (banda ultra larga) utilizam todas antenas monopolo, que são incrivelmente eficazes, económicas e de baixo perfil.

Antena monopolar vs. antena dipolo  

Embora tanto as antenas monopolo como as antenas dipolo sejam do tipo ressonante, diferem na sua conceção e aplicação:  

• Uma antena monopolar utiliza apenas um pólo ou elemento condutor e é constituída por uma haste condutora reta que é posicionada verticalmente num plano de terra real. Uma antena dipolo, por outro lado, transmite ou recebe energia de radiofrequência através da utilização de dois pólos ou partes condutoras separadas no centro.
• A antena dipolo utiliza um plano de terra sintético feito pelos seus elementos radiadores simétricos, enquanto a antena monopolo depende de um plano de terra, com o condutor externo de um cabo coaxial a atuar como referência de terra.
• O padrão de radiação omnidirecional de uma antena monopolar oferece uma cobertura consistente do plano horizontal. Por outro lado, os elementos radiadores da antena dipolo, que estão 180° fora de fase com os condutores internos e externos do cabo coaxial, fornecem um padrão de radiação que é verticalmente simétrico.
• Enquanto as antenas monopolo estão disponíveis num número limitado de formas e variedades, os dipolos são amplamente utilizados e existem numa grande variedade.

Vantagens e desvantagens  

Vantagens  

As antenas monopolo são a opção preferida para muitas aplicações de comunicação sem fios, porque oferecem uma série de vantagens significativas em relação a tipos de antenas alternativos. Destacam-se pela sua facilidade de utilização, acessibilidade e eficácia na transmissão e receção de sinais, o que garante que são essenciais para o funcionamento de uma grande variedade de dispositivos.

• Tamanho e design compactos - São bem conhecidos pelo seu design simples. Esta facilidade de utilização facilita a sua incorporação em aparelhos como a tecnologia wearable, smartphones e sistemas de navegação automóvel. Em contraste com tipos de antenas mais complexos, os monopolos podem funcionar eficientemente sem a necessidade de grandes áreas ou estruturas complexas. Devido ao seu tamanho reduzido, os fabricantes conseguem manter a portabilidade e a elegância dos dispositivos sem sacrificar a qualidade do sinal.

• Elevada qualidade de sinal - Em ambientes urbanos, onde a interferência multipercurso pode afetar seriamente a qualidade do sinal, as antenas monopolo são bastante eficazes. Devido à sua capacidade natural para reduzir o ruído e manter um sinal forte, proporcionam uma conetividade fiável aos utilizadores que navegam em ambientes urbanos difíceis.

• Económicas - Ao contrário das antenas mais complicadas, a sua conceção simples elimina a necessidade de materiais dispendiosos e de procedimentos de fabrico morosos. Devido à sua relação custo-eficácia, as antenas monopolo são uma escolha desejável para os produtores que pretendem criar dispositivos de comunicação sem fios de alta qualidade e a preços razoáveis.

• Alto desempenho - Devido aos seus vantajosos padrões de radiação e capacidades de largura de banda, as antenas monopolo têm um desempenho visivelmente melhor. Podem enviar e receber eficazmente sinais de satélites com perdas insignificantes, garantindo dados geográficos fiáveis e precisos.

• Transmissão eficiente - A impedância reactiva de uma antena monopolar é comparativamente elevada na maior parte da sua gama de frequências. É possível alterar a impedância sem sacrificar a sensibilidade, colocando um amplificador ativo com uma impedância de entrada elevada.

Desvantagens  

• Radiação fraca - Quando uma antena monopolar irradia igualmente em todas as direcções ao longo do plano horizontal, isso significa que a energia é distribuída uniformemente. Por conseguinte, a intensidade do sinal em qualquer direção não é muito forte, embora esta caraterística omnidirecional seja útil para aplicações que necessitem de uma cobertura ampla.

• Interferência - Os objectos metálicos próximos e o solo podem causar reflexões de sinal, que interferem com o percurso do sinal primário. Estas reflexões podem resultar na receção ou transmissão de sinais em polarizações inesperadas (tanto verticais como horizontais), potencialmente degradando a qualidade do sinal e causando interferências multipercurso.

• Necessidade de um plano de terra - As antenas monopolo requerem um plano de terra que é normalmente proporcional ao comprimento de onda de funcionamento. Isto pode levar a planos de terra grandes e volumosos para frequências mais baixas, o que torna difícil a sua implementação em ambientes com espaço limitado ou em dispositivos pequenos.

• Erros de calibração - Pode ser difícil calibrar antenas monopolo dentro de câmaras blindadas porque suas impedâncias podem diferir em ordens de magnitude. É provável que as medições efectuadas demasiado perto do plano de terra ou da ponta da antena sejam imprecisas.

Aplicações em sistemas de comunicação  

Para garantir uma conetividade fiável na rede de comunicações sem fios, as antenas monopolo são essenciais. Para ligações de comunicação fiáveis, estas antenas são essenciais porque podem receber e enviar sinais num padrão horizontal de 360 graus. Em ambientes urbanos, onde os obstáculos podem potencialmente impedir o fluxo de sinal, esta caraterística é especialmente útil.

• As antenas monopolo são atualmente uma parte crucial do desenvolvimento e funcionamento dos sistemas GNSS/GPS devido à sua conceção simples e acessibilidade. Ao reconhecer a sua função essencial nas comunicações sem fios, podemos aproveitar o potencial para novos avanços nos serviços de geolocalização, aumentando a sua fiabilidade e acessibilidade para os utilizadores de todo o mundo.

• Estas antenas são também utilizadas para transmitir sinais de televisão em direto devido à sua facilidade de funcionamento e padrões de emissão eficientes. Estas antenas garantem uma transmissão fiável do sinal para casas e empresas, especialmente em áreas sem conetividade por satélite ou cabo.

• Uma vez que as antenas monopolo podem transmitir sinais uniformemente em todas as direcções horizontais, são frequentemente utilizadas em torres de transmissão AM/FM. Devido à sua cobertura omnidirecional, as emissões de rádio podem efetivamente atingir grandes audiências, tanto em zonas urbanas como rurais.

Conclusão  

Em conclusão, devido à sua facilidade de utilização, eficácia e versatilidade, as antenas monopolo continuam a ser um componente fundamental da tecnologia das comunicações. A sua vasta gama de utilizações, desde a radiodifusão às redes sem fios contemporâneas, e a sua relevância histórica realçam o seu significado no desenvolvimento da tecnologia. As suas vantagens tornam-nas inestimáveis no domínio da comunicação em rápido crescimento. A partir deste artigo, os utilizadores podem compreender o que é uma antena monopolar e as suas caraterísticas de conceção, comparando os prós e os contras e as aplicações para tornar as suas soluções tecnológicas ainda melhores.