O que é uma Antena Dipolo? Um guia completo

A antena dipolo é um dos tipos de antena mais fundamentais e amplamente utilizados em sistemas de comunicação. Reconhecidas pela sua simplicidade e eficiência, as antenas dipolo desempenham um papel fundamental na viabilização da comunicação sem fios em várias aplicações, desde a radiodifusão até às modernas redes IoT e 5G. A sua versatilidade e facilidade de implementação tornaram-nas um ponto de viragem na evolução da tecnologia de comunicação.

Este artigo explora as antenas dipolo em profundidade e os princípios fundamentais. Examinaremos suas principais caraterísticas, diferentes tipos e padrões de radiação. Configurações avançadas, como antenas de matriz e designs de polarização dupla, serão discutidas para destacar sua adaptabilidade em sistemas modernos. Além disso, analisaremos as aplicações, vantagens e limitações das antenas dipolo e compará-las-emos com as antenas monopolo. Por fim, exploraremos seu papel na tecnologia moderna, incluindo IoT, 5G e comunicação espacial. No final, terá uma compreensão clara do motivo pelo qual as antenas dipolo continuam a ser indispensáveis nos sistemas de comunicação.

O que é uma antena dipolo e como funciona?

O tipo de antena mais simples, mas amplamente utilizado em rádio e telecomunicações, é a antena dipolo, que é composta por dois elementos condutores ou hastes que enviam e recebem ondas electromagnéticas. Normalmente, as duas partes condutoras têm comprimentos iguais de metal. É um componente essencial dos sistemas de comunicação sem fios devido à sua conceção simples, que lhe permite enviar e receber sinais de forma eficiente numa vasta gama de frequências.

Um campo elétrico é criado ao redor da antena quando uma corrente alternada (CA) é aplicada à linha de alimentação. O campo elétrico muda de direção em conjunto com a corrente CA, produzindo ondas electromagnéticas que irradiam da antena.

O comprimento da antena dipolo é importante para a sua capacidade de funcionamento. Tem de ser uma determinada percentagem do comprimento de onda do sinal de rádio que se destina a enviar ou receber. O termo "antena dipolo de meia onda" refere-se ao facto de este comprimento ser normalmente metade do comprimento de onda. A antena transforma eficazmente a energia eléctrica em ondas de rádio quando o comprimento e o comprimento de onda são iguais.

As antenas dipolo emitem e recebem sinais igualmente bem em duas direcções opostas perpendiculares à antena, o que é conhecido como um padrão de radiação bidirecional. Isto deve-se ao facto de o campo elétrico da corrente alternada ser mais fraco nas extremidades da antena e mais elevado no centro. Consequentemente, a maior parte da energia emitida pela antena é direcionada perpendicularmente ao seu comprimento.

É criada uma corrente alternada nos condutores de uma antena dipolo quando as ondas de rádio a afectam. Um recetor ou outro equipamento eletrónico pode ser alimentado por esta corrente depois de ter sido transmitida para a linha de alimentação. Ao transformar as ondas de rádio novamente em energia eléctrica, a antena dipolo funciona como uma antena recetora.

Assim, ao enviar, uma antena dipolo transforma a energia eléctrica em ondas de rádio e, ao receber, transforma novamente as ondas de rádio em energia eléctrica. Para uma transmissão e receção eficazes do sinal, o seu comprimento e conceção são importantes.

Principais caraterísticas de uma antena dipolo

1. Conceção simples

A estrutura de uma antena dipolo, que consiste em duas partes condutoras de igual comprimento acopladas a uma linha de alimentação, torna-a simples. A sua conceção simples facilita a implantação e o fabrico. As antenas dipolo podem ser concebidas para funcionar nas bandas HF (alta frequência), VHF (frequência muito alta) e UHF (frequência ultra-alta) do espetro de radiofrequências.

2. Ressonância a meio comprimento de onda

Os elementos de uma antena dipolo têm, normalmente, metade do comprimento de onda da frequência de funcionamento. A eficiência máxima de radiação é possibilitada por essa ressonância. Como o comprimento do dipolo é meia onda e o primeiro comprimento de ressonância, seu raio não tem efeito sobre sua impedância de entrada. Na sua frequência de ressonância, que ocorre no seu comprimento de ressonância, uma antena funciona eficientemente.

3. Padrão de radiação omnidirecional

Esta radiação omnidirecional é perfeita para ligar dispositivos no mesmo plano e em lados opostos uns dos outros devido ao seu padrão de emissão em forma de donut. Estas são frequentemente mal utilizadas em aplicações móveis e em edifícios. As antenas dipolo omnidireccionais em aplicações móveis não têm o padrão adequado necessário para ligar a uma torre a uma altitude significativamente maior. As antenas dipolo omnidireccionais em determinadas aplicações são particularmente más em implantações ponto-a-multiponto, em que um utilizador pode estar numa zona morta quando se encontra imediatamente por baixo de uma antena de transmissão.

4. Polarização linear

A polarização de uma antena dipolo é linear por natureza. A orientação da polarização dependerá da forma como a antena é montada. A energia é transmitida ao longo de uma direção perpendicular à haste do dipolo quando uma antena dipolo irradia de forma generalizada.

5. Ganho

O ganho da antena é um parâmetro específico utilizado para medir a quantidade de directividade do padrão de radiação da antena. Em particular, uma antena de alto ganho emite numa determinada direção. O ganho da antena é um fenómeno passivo em que a eletricidade é simplesmente redistribuída para fornecer mais potência radiada numa determinada direção, em vez de ser adicionada através da antena. O ganho da antena pode ser expresso como dBi e dBd.

Em relação à antena dipolo de referência, o ganho da antena dipolo pode ser calculado em dBd. O ganho da antena dipolo é 2,15 dBi como referência. Utilizando a fórmula dBi = dBd + 2,15, é bastante fácil mudar entre dBi e dBd adicionando ou subtraindo 2,15.

Tipos de Antenas Dipolo

1. Antena Dipolo de Meia Onda

As antenas dipolo de meia onda são um tipo específico de antena dipolo em que o comprimento do dipolo é metade do comprimento de onda na frequência de funcionamento. Esta antena também é normalmente designada por antena de Hertz. Em comparação com outras antenas, esta tem uma estrutura de ressonância mais simples, o que a torna adequada tanto para a transmissão como para a receção numa variedade de aplicações. Esta antena funciona na gama de frequências de 3 kHz a 300 GHz.

As antenas dipolo de meia onda têm as seguintes vantagens: são leves, económicas e têm uma impedância de entrada comparável à da linha de transmissão. As desvantagens de uma antena de meia onda incluem o seu padrão de radiação omnidirecional e a sua independência, que lhe permite servir de componente básico para outros tipos de antenas que funcionam a frequências muito altas. Os receptores de TV e rádio são os principais dispositivos que utilizam estas antenas.

2. Antena de Dipolo Dobrado

Um tipo de antena dobrada é um grupo de antenas de dois dipolos que são simplesmente unidas uma de cada vez para formar um laço de fio fino. Como o nome indica, a antena dipolo é dobrada para trás e consiste em dois dipolos de meia onda, um dos quais é dividido no centro e o outro é contínuo. Em ambas as extremidades, estes são dobrados e unidos em paralelo.

O padrão de radiação de uma antena dipolo dobrada é comparável ao de um dipolo normal, com a exceção de uma maior impedância de entrada e de uma directividade bidirecional. A ampla largura de banda e o elevado valor da impedância de alimentação desta antena são as principais caraterísticas da sua utilização. Por conseguinte, estas antenas são utilizadas de forma independente, como parte essencial de outras antenas e para proporcionar uma elevada largura de banda. Existem tipos de antenas de dois e três fios.

3. Antena Dipolo Curta

O tipo mais básico de antena é o dipolo curto. Trata-se apenas de um fio que é alimentado no seu centro e é ligado em circuito aberto. Em engenharia de antenas, os termos "pequeno" ou "curto" sempre significam "relativo a um comprimento de onda". Portanto, apenas o tamanho do fio em relação ao comprimento de onda da frequência de operação importa, não o tamanho exato da antena dipolo. Se o comprimento de um dipolo for inferior a um décimo de um comprimento de onda, é geralmente considerado curto.

4. Antena Dipolo Log-Periódica

Uma antena direcional de vários elementos com uma vasta gama de frequências de funcionamento é designada por antena log-periódica. É perfeita para aplicações que necessitam de soluções de comunicação fiáveis e ágeis em termos de frequência devido à sua estrutura geométrica distinta, que permite um desempenho e ganho consistentes ao longo da sua largura de banda.

5. Antena Dipolo Cruzada

Uma antena dipolo cruzada, também conhecida como antena torniquete, é um tipo de antena de rádio composta por duas antenas dipolo idênticas que são alimentadas em quadratura de fase e posicionadas em ângulos rectos entre si. As duas correntes que são aplicadas aos dipolos estão 90 graus fora de fase. A ideia de que a antena se assemelha a um torniquete quando posicionada horizontalmente reflecte-se no nome.

Existem dois modos de funcionamento para a antena. A antena emite ondas de rádio que são polarizadas horizontalmente e perpendiculares ao seu eixo quando está no modo normal. A antena emite radiação polarizada circularmente ao longo do seu eixo quando está no modo axial. Para aplicações MIMO e de satélite, estas antenas são perfeitas.

Padrão de radiação de antenas dipolo

O padrão de radiação de uma antena dipolo é toroidal, assemelhando-se a um donut. Tem radiação máxima perpendicular ao eixo da antena e radiação mínima ao longo do eixo. Este padrão é eficaz para a comunicação horizontal, tornando as antenas dipolo altamente versáteis.

As 2 principais configurações avançadas de dipolo são:

1. Antenas de matriz utilizando dipolos

As matrizes de antenas dipolo podem ser utilizadas para aumentar a cobertura, o ganho e a directividade. Os sistemas de comunicação em grande escala e o radar são dois exemplos de aplicações que utilizam estes agregados. Vários dipolos, frequentemente dipolos de meia onda, são utilizados na construção de vários tipos de antenas de matriz. A utilização de múltiplos dipolos destina-se a aumentar o ganho direcional da antena acima do de um único dipolo, a radiação dos dipolos individuais interfere com o aumento da potência emitida em direcções específicas. A linha de alimentação é dividida utilizando uma rede eléctrica para fornecer energia aos elementos em matrizes com numerosos elementos dipolares. Os atrasos de fase relativos resultantes da transmissão entre o ponto comum e cada elemento são cuidadosamente considerados.

Para melhorar o ganho da antena nas direcções horizontais, é possível empilhar antenas na direção vertical numa matriz de lado largo em que as antenas são alimentadas em fase umas com as outras. Isto preserva a direccionalidade das antenas dipolo horizontais e anula na direção dos seus elementos. Essa direção nula, no entanto, torna-se vertical num conjunto de antenas dito colinear, se cada dipolo estiver orientado verticalmente. Isto permite que o conjunto adquira o padrão de radiação omnidirecional normalmente exigido (no plano horizontal). Nas bandas de frequências VHF e UHF, em que os comprimentos de onda dos elementos são pequenos para que seja possível empilhar vários numa torre, são utilizados conjuntos colineares verticais.

2. Projectos de dipolos duplamente polarizados (antenas MIMO)

Os dipolos duplamente polarizados podem tratar vários sinais de uma só vez, utilizando duas antenas polarizadas ortogonalmente. As redes sem fios modernas beneficiam muito com esta conceção, que é essencial para os sistemas MIMO e aumenta o débito e a fiabilidade dos dados. Uma antena que pode receber e transmitir simultaneamente sinais de radiofreqüência com duas polarizações diferentes, geralmente horizontal ou vertical, é conhecida como antena MIMO de dupla polaridade.

Na direção de propagação, os sinais de RF são emitidos por antenas linearmente polarizadas num único plano. Além de exigir o alinhamento entre o transmissor e o recetor, as antenas linearmente polarizadas podem ser orientadas verticalmente ou horizontalmente. As antenas com polarização circular emitem radiofreqüência em um padrão cilíndrico.

Os padrões de radiofrequência horizontal e vertical são emitidos simultaneamente por antenas de polarização dupla. A aplicação de antenas de polaridade dupla em ambientes de alta densidade é a sua principal vantagem em relação às antenas de polaridade horizontal e vertical. As áreas com uma elevada densidade populacional registam um congestionamento extremo de radiofrequências, o que inclui níveis elevados de interferência e ruído. Em contraste com as antenas tradicionais linearmente polarizadas, que irradiam em apenas um padrão linear, as antenas de polaridade dupla superam o congestionamento emitindo em padrões horizontais e verticais.

Existem três técnicas para polarizar antenas de RF: a mais frequente é a polarização vertical, seguida pela polarização horizontal e a menos popular é a polarização circular. A orientação da forma de onda de RF é determinada pelo plano do campo elétrico.

Para que serve uma antena dipolo?

As antenas dipolo são importantes nos sistemas de comunicação devido à sua adaptabilidade. Eis algumas das aplicações mais utilizadas:

1. Radiodifusão

Os aparelhos de radiocomunicação, como os walkie-talkies e os rádios bidireccionais, utilizam frequentemente antenas dipolo. Estas são utilizadas para a transmissão e receção de sinais de curto alcance.

2. Radiodifusão televisiva

Asseguram uma transmissão e receção eficazes do sinal e são frequentemente utilizadas em antenas de televisão VHF e UHF. Os sinais de televisão são enviados das estações de transmissão para as residências através de antenas dipolo. Também podem ser utilizadas para receber sinais de televisão em casas que não têm acesso à Internet ou televisão por satélite.

3. Comunicação sem fios

As antenas dipolo fornecem conetividade fiável e são essenciais para dispositivos Bluetooth, sistemas Wi-Fi e outras soluções de rede sem fios. Os routers e pontos de acesso Wi-Fi são exemplos de dispositivos de rede sem fios que utilizam antenas dipolo. O acesso à Internet sem fios é possível graças à sua ajuda na transmissão e receção de sinais entre dispositivos.

4. Redes celulares

As estações de base utilizam antenas dipolo para fornecer comunicações celulares, permitindo uma conetividade fiável e uma rápida transferência de dados. Os sinais celulares são transmitidos e recebidos pelos telemóveis utilizando antenas dipolo. Estas suportam uma comunicação fiável entre as torres de telemóveis e os dispositivos móveis.

5. Ham Radio (Rádio Amador)

As antenas dipolo são utilizadas para comunicações VHF e UHF devido à sua facilidade de utilização e eficiência. Os operadores de rádio amador, normalmente designados por operadores de rádio amador, utilizam frequentemente antenas dipolo. Nas comunicações de rádio amador, são utilizadas tanto para a transmissão como para a receção de sinais.

6. Comunicação no sector da aviação

As antenas dipolo são utilizadas por aeronaves para sistemas de comunicação VHF, que garantem a eficiência e a segurança na aviação. Os sistemas de radar que detectam e seguem objectos como navios, aviões e padrões meteorológicos utilizam antenas dipolo. Ao ajudarem na transmissão e receção de sinais de radar, permitem a medição da distância, velocidade e direção de um objeto.

Vantagens das Antenas Dipolo

1. Simplicidade

A conceção das antenas dipolo é simples: duas peças condutoras de igual comprimento são acopladas a uma linha de alimentação. Devido à sua simplicidade, podem ser construídas com conhecimentos simples de tecnologia e ferramentas. Além disso, como a resolução de problemas e as reparações apenas requerem pequenas modificações ou substituições, o seu método simples torna-as fáceis de manter.

2. Relação custo-eficácia

As antenas dipolo são feitas de materiais comumente acessíveis e com preços razoáveis, como cobre e alumínio. Isso, juntamente com o design simples que elimina a necessidade de componentes complexos, garante que as antenas dipolo estejam entre as opções de antena mais baratas. Devido ao seu preço acessível, são perfeitas para instalações de grande escala, como eletrónica de consumo de mercado de massas ou transmissão de rádio.

3. Versatilidade

As antenas dipolo podem ser facilmente modificadas para diferentes gamas de frequência, alterando o comprimento dos elementos condutores. Devido à sua adaptabilidade, podem ser utilizadas para uma variedade de fins, incluindo redes celulares, Wi-Fi de alta frequência e emissões de rádio AM de baixa frequência. A sua aplicabilidade em sistemas de comunicação tradicionais e modernos é assegurada pela sua capacidade de funcionar eficazmente numa gama de frequências.

4. Desempenho fiável

As antenas dipolo têm sido efetivamente utilizadas há muitos anos em redes sem fios, emissões de rádio e televisão e comunicações aéreas. A sua eficácia no envio e receção de mensagens, bem como os seus padrões de radiação regulares, são as principais razões para a sua fiabilidade. São consideradas como uma opção fiável tanto em sistemas críticos como não críticos.

5. Radiação omnidirecional

As antenas dipolo irradiam energia uniformemente no plano horizontal, o que significa que fornecem uma intensidade de sinal consistente em todas as direcções perpendiculares ao eixo da antena. São perfeitas para aplicações como Wi-Fi e radiodifusão, em que a cobertura em várias direcções é importante, devido ao seu padrão de radiação omnidirecional. A sua capacidade de oferecer uma cobertura horizontal consistente melhora a ligação e garante um funcionamento fiável em vários ambientes.

Limitações das antenas dipolo

1. Dimensão da antena

O comprimento de onda do sinal que uma antena dipolo se destina a utilizar tem uma correlação direta com o seu comprimento. O comprimento total da antena para um dipolo de meia onda é metade do comprimento de onda do sinal. São necessários elementos dipolo mais longos para transmissões de baixa frequência, porque o comprimento de onda aumenta à medida que a frequência diminui. Por exemplo, um dipolo de meia onda utilizado na rádio FM, concebido para uma frequência de 100 MHz, teria cerca de 1,5 metros de comprimento. Para aplicações como a radiodifusão AM, que precisa de funcionar a frequências extremamente baixas, este tamanho pode tornar-se inviável.

2. Limitações direcionais

As antenas dipolo irradiam energia de forma igual em toda a antena e, normalmente, incluem um padrão de radiação omnidirecional no plano horizontal. Quando é necessário um feixe focado ou direcionado, como nos sistemas de comunicação ponto-a-ponto, isto torna-se uma limitação, embora seja benéfico para aplicações que requerem uma cobertura ampla. São necessárias outras peças, como reflectores ou diretores (utilizados nas antenas Yagi-Uda) ou a combinação de dipolos em matrizes, para obter uma radiação direcional, o que complica o design.

3. Correspondência de impedância

A impedância da antena deve corresponder à da linha de transmissão e a quaisquer dispositivos ligados para obter resultados óptimos; na maioria dos sistemas de comunicação, esta é de 50 ou 75 ohms. No espaço livre, a impedância de entrada de uma antena dipolo padrão é de cerca de 73 ohms. Embora estes valores sejam bastante próximos dos valores padrão, as diferenças baseadas no ambiente ou nas configurações de instalação podem resultar em desfasamentos de impedância, que podem levar à perda de potência e à reflexão do sinal. A implementação torna-se mais complexa quando são necessárias modificações adequadas, como a utilização de baluns ou circuitos de correspondência, para garantir uma transferência de potência efectiva.

Antenas Dipolo vs. Antenas Monopolo

Existem várias maneiras pelas quais uma antena dipolo difere de uma antena monopolo. Vamos analisar as diferenças primárias destes dois tipos de antena com mais pormenor.

1. A Antena Dipolo tem radiação na parte inferior e campos em ambos os lados. Por outro lado, a antena monopolar tem radiação zero abaixo do plano de terra e apenas um campo na metade superior da área.

2. Para criar um plano de terra sintético, as antenas dipolo requerem normalmente um radiador adicional. Por outro lado, uma antena monopolar requer um plano de terra real.

3. Os elementos radiadores da antena dipolo estão 180 graus fora de fase. A antena monopolar, por outro lado, tem o condutor exterior de um cabo coaxial e o plano de referência da ligação da linha de transmissão. Quando se utiliza uma antena monopolar, estes padrões constituem o plano de terra.

4. O padrão de radiação de uma antena dipolo é verticalmente simétrico, mas o de uma antena monopolo não é. Enquanto o padrão de radiação da antena monopolar depende da orientação do plano de terra, a antena dipolo é um tipo de antena muito frequente.

5. Uma antena monopolar tem um número limitado de tipos e variedades no mercado, enquanto uma antena dipolar é uma antena comum com muitas variedades.

Antenas dipolo com tecnologia moderna

As antenas dipolo tornaram-se cruciais para as redes 5G e para os dispositivos da Internet das Coisas porque oferecem um serviço fiável e conetividade rápida em designs pequenos. Satisfazem os muitos requisitos e as elevadas exigências de dados das tecnologias modernas. As antenas dipolo são amplamente utilizadas em muitas aplicações de tecnologia sem fios para comunicação sem fios. As antenas dipolo podem suportar comunicações multifrequência como 5G, LTE, Wi-Fi, etc., porque têm frequentemente uma grande largura de banda.

Nas comunicações por satélite, as antenas dipolo cruzadas são utilizadas para polarização circular, o que permite uma transmissão fiável de sinais no espaço. As antenas de fio simples chamadas dipolos são frequentemente encontradas em sistemas de comunicação e transmissão por satélite.

Conclusão

A simplicidade, a acessibilidade e o desempenho de uma antena dipolo fazem dela uma excelente escolha. É simples de construir e não necessita de qualquer sintonização complexa ou circuito de correspondência. Pode funcionar bem numa variedade de frequências e tem uma grande largura de banda. Uma antena dipolo também fornece uma alimentação equilibrada, o que reduz a interferência e o ruído de modo comum. Em suma, uma antena dipolo é a escolha ideal para várias aplicações.

Em conclusão, as comunicações sem fios requerem antenas dipolo. Elas oferecem um bom equilíbrio entre desempenho e simplicidade. Compreender as antenas dipolo irá beneficiá-lo na indústria sem fios, independentemente da sua formação.