Noções básicas sobre antenas de chicote: O que deve saber

Reconhecidas pelo seu design de haste/fio fino, as antenas de chicote obtêm o seu nome distintivo devido ao movimento flexível semelhante a um chicote que exibem quando atingidas. Embora de aspeto simples, estas antenas são utilizadas numa vasta gama de aplicações, desde rádios portáteis a sistemas avançados de comunicação. Com raízes que remontam aos primórdios da comunicação por rádio, as antenas de chicote têm desempenhado um papel importante no domínio das comunicações sem fios.

Este artigo pretende explorar as caraterísticas únicas, os tipos, os casos de utilização e os aspectos tecnológicos das antenas de chicote que as distinguem como um papel indispensável no panorama das comunicações sem fios. Além disso, pretende fornecer indicações fundamentais a ter em conta na seleção e instalação de uma antena chicote para garantir o seu desempenho ideal.

Introdução às antenas de chicote

A antena chicote foi introduzida no processo de desenvolvimento de um sistema de comunicação de rádio portátil durante a Segunda Guerra Mundial. A necessidade de um dispositivo de comunicação fiável e compacto contribuiu significativamente para a materialização da atual conceção da antena de chicote. Estas melhorias levaram à adoção generalizada de antenas de chicote em sistemas portáteis de radiofrequência (RF) em aplicações civis no pós-guerra, revolucionando a comunicação pessoal e comercial.

Sendo um elemento fundamental nos sistemas de comunicação RF, a antena de chicote apresenta tipicamente uma haste/fio fino e flexível com a sua extremidade inferior ligada a um transmissor ou a um recetor. Como a antena é montada verticalmente, actua como um sinal irradiando em todas as direcções num plano horizontal, com exceção do seu ponto cego cónico.

Utilizado principalmente em alta-frequência (HF), muito alta frequência (VHF) e aplicações de ultra-alta frequência (UHF), as antenas de chicote têm vários comprimentos, sendo que as mais curtas são utilizadas em conjunto com rádios de mão e walkie-talkies, enquanto as versões mais longas são montadas em telhados e mastros de rádio, servindo como antenas para estações de base.

Projeto e estrutura da antena de chicote

A estrutura básica de uma antena de chicote é constituída por um fio ou haste reta e flexível, normalmente feita de um material condutor como o aço ou o alumínio. No entanto, para operações como rádios portáteis, também pode ser implementada como uma série de tubos metálicos interligados que podem ser recolhidos quando não estão a ser utilizados.

Os elementos de uma antena chicote típica incluem,

1.  Núcleo condutor:

Um fio sólido/trançado feito de aço inoxidável, aço revestido a cobre ou materiais semelhantes ao alumínio.

2.  Bainha de proteção

O revestimento flexível de borracha ou plástico, para além de atuar como uma superfície protetora, oferece:

• Isolamento, que impede o contacto acidental com o elemento condutor.

• Em alguns casos, aumenta a flexibilidade da antena.

No entanto, esta caraterística encontra-se sobretudo em antenas de chicote que funcionam em condições adversas.

3.  Conector de base:

Isso prende a antena chicote ao rádio ou ao hardware de montagem. Normalmente, são utilizados pinos roscados, conectores BNC ou conectores SMA com base na aplicação.

4.  Bobina de carregamento:

Antenas de chicote concebidas para aplicações compactas; incorporam uma bobina de carga perto da sua base. Esta bobina aumenta o comprimento elétrico efetivo da antena sem aumentar o seu tamanho físico.

O comprimento da antena é outra restrição importante no projeto de uma antena chicote. O comprimento da antena corresponde ao comprimento de onda de sua faixa de freqüência operacional. Com antenas mais longas usadas para freqüências mais baixas (como HF e VHF) e mais curtas para freqüências mais altas, o comprimento varia de 1/10 de comprimento de onda a 5/8 de comprimento de onda, sendo o mais popular 1/4 de comprimento de onda.

No entanto, algumas antenas de chicote de comprimento curto utilizam técnicas como bobinas de carga ou chapéus capacitivos para aumentar o seu comprimento elétrico sem aumentar o seu comprimento físico devido a considerações práticas.

O tipo de material utilizado numa antena de chicote afecta a condutividade, o peso e a resistência à corrosão da antena, contribuindo, em última análise, para o seu desempenho e durabilidade. Alguns dos tipos de materiais utilizados commonly incluem,

• Aço:

O aço oferece uma excelente combinação de resistência e durabilidade, o que faz dele uma escolha resiliente.

• Alumínio:

A combinação de boa condutividade e leveza torna-o uma escolha popular para dispositivos portáteis.

• Fibra de vidro:

Como oferece uma combinação de força, flexibilidade e resistência às intempéries, é mais frequentemente utilizado para chicotes mais longos, montados em veículos e estruturas.

Tipos de antenas de chicote

Antena monopolar com chicote

Este é o tipo de antena chicote mais básico e mais utilizado. É constituída por um único condutor reto montado perpendicularmente a um plano de terra (a carroçaria metálica de um veículo ou um sistema de fios de contrapeso que funciona como a segunda metade do sistema de antena). Contribui para a sua popularidade o facto de ser..:

• Design simples e económico
• Comprimento típico de um quarto de comprimento de onda
• Padrão de radiação omnidirecional no plano horizontal

As antenas de chicote monopolar são particularmente eficazes para aplicações como auto-rádios, transceptores de mão e estações de base que requerem uma área de cobertura alargada e em que o tamanho não é uma restrição significativa.

Antena de pato de borracha

Trata-se de uma versão reduzida e flexível da antena monopolar com chicote. Especialmente concebida para portabilidade e durabilidade, as suas caraterísticas notáveis incluem:

• Tamanho compacto, geralmente significativamente mais curto do que um quarto de comprimento de onda
• Envolvido numa bainha de borracha ou plástico para proteção e flexibilidade
• Uma bobina de carga incorporada para compensar o comprimento reduzido

Embora as antenas de pato de borracha sejam excelentes em termos de portabilidade e robustez, há um compromisso entre a sua eficiência e o seu tamanho compacto. No entanto, para muitas aplicações portáteis, como dispositivos de mão, como walkie-talkies, rádios portáteis e alguns routers Wi-Fi, esta solução de compromisso é aceitável, dada a melhoria significativa em termos de facilidade de utilização e durabilidade.

Antena de chicote montada em mola

As antenas de chicote montadas em molas são especialmente concebidas para funcionar em ambientes onde existe o risco de serem sujeitas a stress físico ou impactos. A sua caraterística definidora, a base de mola flexível, permite que a antena se dobre e regresse à sua posição original, tornando-a adequada para manter um desempenho consistente em ambientes exigentes, onde uma antena rígida pode falhar ou ficar frequentemente desalinhada.

A antena chicote montada em molas é utilizada apenas em aplicações montadas em veículos, especialmente em veículos todo-o-terreno e equipamento de construção em que é necessária uma durabilidade considerável e resistência a danos provocados por colisões ou obstáculos baixos.

Antena de chicote montada em veículo

Este tipo de antena chicote foi especialmente concebido de acordo com a aerodinâmica associada, a durabilidade ao vento e às intempéries e a facilidade de montagem em automóveis, camiões e outros veículos. As suas caraterísticas únicas incluem:

• Uma variedade de opções de montagem, tais como suportes magnéticos, suportes de orifícios passantes e suportes de encaixe
• Mecanismos de inclinação ou de dobragem para permitir a passagem em zonas de baixa altura

Frequentemente mais compridas do que as antenas portáteis, facilitando um melhor desempenho em frequências mais baixas, estas antenas são principalmente utilizadas para rádios CB, rádio amador e sistemas de comunicação de frotas.

Antena de chicote telescópica

Estas antenas possuem uma série de tubos interligados que permitem ajustar o seu comprimento, tornando-as adequadas para operações multibanda. As suas caraterísticas notáveis incluem:

• Capacidade de se estender ou retrair em diferentes comprimentos
• Compacidade que os torna ideais para armazenamento ou transporte

A natureza ajustável das antenas telescópicas permite aos utilizadores manipular o seu comprimento para uma gama de frequências, tornando-as particularmente úteis em receptores portáteis de ondas curtas, rádios de scanner e antenas de TV que funcionam numa vasta gama de frequências.

Antena Stubby Whip

As antenas Stubby whip são as versões ultra-compactas das antenas whip, o que as torna um candidato ideal para aplicações de tamanho crítico. Caracteriza-se pela sua..:

• Comprimento extremamente curto
• Indutância fortemente carregada que compensa o seu curto comprimento

Utilizadas principalmente para aplicações de UHF e de frequências mais elevadas, estas antenas de chicote são mais commapenas utilizadas em telefones inteligentes modernos, dispositivos Bluetooth e alguns equipamentos de rádio tácticos.

Embora as antenas stubby ofereçam uma compactação sem paralelo, têm a eficiência mais baixa entre os tipos de antena chicote. No entanto, esta desvantagem é compensada pela significativa redução de tamanho que proporcionam em muitas aplicações de eletrónica de consumo de alta frequência.

Gama de frequências e aplicações

Rádios CB (26.965 - 27.405 MHz)

O rádio da Banda do Cidadão (CB) é uma das aplicações mais conhecidas das antenas de chicote. Operando na faixa de cruzamento HF/VHF, os rádios CB são amplamente utilizados em:

• Setor dos transportes rodoviários de mercadorias para co1TP14Comunicação entre motoristas
• Entusiastas do todo-o-terreno para a coordenação de actividades
• Comunicação de emergência em caso de catástrofes naturais
• Operações comerciais locais para coordenação de equipas a curto prazo

As antenas de chicote CB são tipicamente mais longas devido à gama de frequências mais baixa, frequentemente cerca de 2,6 metros (102 polegadas) para antenas de onda de quarto inteiro. No entanto, as antenas mais curtas e carregadas também são common para uma montagem mais prática em veículos.

Banda VHF (30 - 300 MHz)

As antenas de chicote têm uma vasta gama de aplicações que se enquadram na banda de frequência muito alta (VHF). Algumas delas incluem

• VHF marítimo (156 - 174 MHz): Utilizado para comunicações navio-navio e navio-terramm
• Radiodifusão FM (88 - 108 MHz): Embora não sejam utilizados na transmissão, muitos rádios FM portáteis utilizam antenas de chicote para a receção
• Serviços de emergência: Os serviços da polícia, dos bombeiros e das ambulâncias utilizam frequentemente as bandas VHF com antenas de chicote montadas em veículos

Embora as antenas de chicote que funcionam na gama VHF sejam geralmente mais curtas do que as antenas CB, continuam a ser suficientemente longas para serem visíveis em veículos ou dispositivos portáteis.

Banda UHF (300 MHz - 3 GHz)

As antenas de chicote também são implementadas na banda de frequência ultra-alta (UHF), onde funcionam muitas tecnologias sem fios modernas. Alguns dos seus casos de utilização incluem:

• Redes celulares (700 MHz - 2,6 GHz): Os telemóveis utilizam frequentemente antenas internas do tipo chicote
• Wi-Fi (2.4 GHz e 5 GHz): As pequenas antenas de chicote são utilizadas em muitos routers e dispositivos com Wi-Fi.
• GPS (1.57542 GHz): Para receptores GPS em veículos ou equipamento exterior.
• Radiodifusão televisiva em UHF (470 - 890 MHz): Embora não sejam utilizados na transmissão, muitos aparelhos de televisão portáteis utilizam antenas telescópicas para a receção.

As antenas de chicote UHF são normalmente muito mais curtas do que as antenas de chicote VHF, muitas vezes com apenas alguns centímetros de comprimento, o que as torna ideais para a criação de dispositivos compactos.

IoT e redes de sensores sem fios

A Internet das Coisas (IoT) e as redes de sensores sem fios dependem de antenas eficientes e compactas para permitir uma conetividade sem descontinuidades. Operando principalmente nas bandas UHF e HF, estas tecnologias utilizam frequentemente antenas de chicote devido à sua eficiência, tamanho e custo-benefício. Alguns casos de uso comuns incluem:

• LoRaWAN: Operando em frequências como 433 MHz, 868 MHz e 915 MHz (dependente da região), a LoRaWAN utiliza pequenas antenas de chicote para garantir uma comunicação de longo alcance e baixo consumo de energia.
• Zigbee e Bluetooth: Operando normalmente na banda ISM 2.4 GHz, estes protocolos beneficiam de antenas de chicote ao utilizá-las em dispositivos compactos e robustos para comunicação de curto alcance.
• NB-IoT e LTE-M: As soluções IoT baseadas em telemóveis, que funcionam em bandas de telemóveis licenciadas, utilizam frequentemente antenas de chicote para manter ligações fiáveis com um consumo mínimo de energia.

Aplicações especializadas

As antenas de chicote também são utilizadas em domínios altamente especializados, alguns dos seus casos de utilização especializada incluem:

• Commransmissões militares: Os rádios tácticos utilizam antenas de chicote robustas concebidas para funcionar numa gama de bandas de frequência, assegurando uma comunicação fiável e robusta.
• Aeroespacial: Os sistemas de comunicação aeronáutica utilizam antenas de chicote devido ao seu design aerodinâmico, para garantir uma transmissão de dados eficiente no meio de perturbações do ar e do vento.
• Estações meteorológicas: Os sistemas de monitorização meteorológica remota dependem frequentemente de antenas de chicote para transmitir dados ambientais a longas distâncias.

Vantagens das antenas de chicote

As antenas de chicote oferecem várias vantagens que as tornam populares numa vasta gama de aplicações.

Simplicidade e eficácia em termos de custos:

• A sua conceção simples torna-os fáceis de fabricar.
• Relativamente barato em comparação com outros tipos de antenas.

Padrão de radiação omnidirecional:

• Ideal para aplicações móveis em que há mudanças frequentes de orientação.
• Eficaz para emitir e receber de várias direcções.

Durabilidade e resistência às intempéries:

• A sua estrutura simples torna-os resistentes aos factores ambientais.
• Podem ser facilmente protegidos contra as intempéries com revestimentos ou bainhas de proteção.
• As versões montadas em molas oferecem uma excelente resistência ao esforço físico.

Baixo impacto visual:

• O perfil fino torna-as menos perceptíveis do que muitos outros tipos de antenas.
• Pode ser facilmente escondido ou integrado em estruturas existentes.

Portabilidade:

• Leves e fáceis de transportar, especialmente as suas versões telescópicas.
• Ideal para operações no terreno e sistemas de comunicação móveis.

Desvantagens das antenas de chicote

Embora as antenas de chicote ofereçam uma quantidade considerável de vantagens, também têm certas limitações, tais como

Ganho limitado: O padrão de radiação omnidirecional da antena de chicote resulta num ganho reduzido em comparação com as antenas direcionais, o que a torna menos adequada para comunicações ponto-a-ponto de longo alcance.

Suscetibilidade ao ruído: Uma vez que a antena pode captar interferências de todas as direcções, será necessária uma filtragem adicional para ambientes RF ruidosos.

Restrições de comprimento: As aplicações de baixa frequência requerem antenas de chicote mais longas, o que pode não ser prático. Além disso, os projectos de antenas de chicote encurtadas comprometem a eficiência em função do tamanho.

Dependência do plano de terra: O desempenho da antena depende em grande medida de um plano de terra adequado, pelo que uma ligação à terra incorrecta pode levar a um funcionamento ineficiente e inadequado.

Potência limitada: O seu perfil fino pode limitar a capacidade de manuseamento de potência, o que o torna inadequado para aplicações de transmissão de alta potência

Antena chicote vs. Antena dipolo

As antenas de chicote e dipolo são alguns dos tipos de antenas mais utilizados. As suas diferenças em termos de estrutura, tamanho e funcionalidades operacionais tornam-nas aplicáveis a diferentes casos de utilização. Segue-se uma comparação das principais caraterísticas que realçam as suas distinções.

Caraterística	Antena de chicote	Antena Dipolo
Estrutura	Elemento único com uma placa de terra	Dois elementos symmetrical
Tamanho	Tipicamente um quarto de comprimento de onda	Normalmente meio comprimento de onda longo
Plano de terra	Requer um plano de terra	Não necessita de um plano de terra
Padrão de radiação	Omnidirecional em azimute (plano horizontal)	Padrão em forma de oito em azimute
Impedância	Tipicamente 30-50 ohms (com plano de terra)	Perto de 70 ohms
Aplicações	Commelecomunicações móveis, dispositivos portáteis	Instalações fixas, aplicações de banda larga
Facilidade de instalação	Geralmente mais fácil de instalar, especialmente em aplicações móveis	Requer mais espaço e, frequentemente, estruturas de apoio

Antena de chicote vs. antena de encaixe 

As antenas Stubby, sendo uma alternativa compacta às antenas chicote convencionais, oferecem vantagens únicas quando o tamanho e a durabilidade são uma prioridade. Portanto, embora existam semelhanças entre os dois tipos, há variações devido às suas diferenças de design. Segue-se uma comparação entre as antenas de chicote e as antenas de encaixe, que descreve a sua singularidade.

Caraterística	Antena de chicote	Antena de encaixe
Tamanho	Varia de alguns centímetros a vários metros	Normalmente com apenas alguns centímetros de comprimento
Gama de frequências:	Pode ser concebido para uma vasta gama de frequências	Geralmente utilizado para frequências mais elevadas (UHF e superiores)
Eficiência	Geralmente mais eficiente, especialmente em frequências mais baixas	Menos eficiente devido ao seu comprimento eletricamente curto
Largura de banda:	Tem frequentemente uma maior largura de banda	Largura de banda tipicamente mais estreita
Aplicações:	Versátil, utilizado em várias aplicações	Utilizado principalmente quando a compacidade é crucial (por exemplo, dispositivos portáteis)
Durabilidade:	Pode ser mais suscetível a danos físicos devido ao seu comprimento	Geralmente mais robustos devido ao seu tamanho compacto
Estética:	Mais visível e pode afetar a estética do dispositivo	Menos intrusivo, melhor para designs de dispositivos elegantes

Uma antena tipo chicote precisa de um plano de terra?

Uma antena chicote necessita de uma placa de terra para funcionar em toda a sua capacidade. Os principais requisitos que exigem uma placa de terra são os seguintes:

• Equilíbrio elétrico:

Como uma antena chicote é mais ou menos metade de uma antena dipolo, o plano de terra actua como a sua "metade em falta". Isto cria uma imagem espelhada efectiva da antena, mantendo o equilíbrio elétrico e um funcionamento eficiente.

• Padrão de radiação:

Um plano de terra adequado assegura um padrão de radiação omnidirecional no plano horizontal sem distorção, o que pode resultar numa intensidade de sinal desigual e numa cobertura reduzida.

• Correspondência de impedância:

O plano de terra ajuda a antena chicote a atingir a impedância de entrada correta, assegurando uma transferência de potência eficiente que, de outro modo, pode levar à perda de sinal e a um desempenho reduzido da antena.

Os tipos de planos de terra associados às antenas de chicote podem ser classificados como planos de terra naturais e artificiais.

Os planos de terra naturais incluem carroçarias de veículos, telhados metálicos ou, por vezes, a própria Terra quando utilizada como superfície reflectora.

Os planos de terra artificiais são essencialmente fios radiais, discos metálicos ou outras superfícies condutoras que criam um plano de terra eficaz em instalações fixas.

Na ausência de uma placa de massa convencional, as seguintes alternativas podem ser utilizadas como uma placa de massa efectiva,

• Fios de contrapeso:

Fios radiais dispostos à volta da base da antena, proporcionando um substituto funcional do plano de terra.

• Bobinas de carregamento:

As bobinas de indutância alongam eletricamente a antena, oferecendo uma compensação pela falta de um plano de terra, mas isto resulta numa ligeira redução do desempenho da antena.

• Antenas sem plano terrestre (NGP):

Trata-se de antenas especialmente concebidas para minimizar a dependência do plano de terra.

Um plano de terra bem estabelecido garante o melhor desempenho da antena chicote. Por conseguinte, compreender a sua importância e as alternativas disponíveis é essencial para garantir uma comunicação fiável e eficiente em várias aplicações.

Instalação e montagem

Uma antena de chicote corretamente instalada assegura o seu funcionamento em condições óptimas durante um longo período de tempo. A seguir, são apresentadas várias considerações a serem feitas ao instalar e montar uma antena chicote.

1. Localização

• Um local com o mínimo de obstruções físicas permite uma melhor propagação do sinal.
• É também de notar que a colocação da antena perto de outras antenas, linhas eléctricas ou grandes objectos metálicos pode causar perturbações de RF.

2. Métodos de montagem

• Suportes magnéticos: Estes tipos de montagem são rápidos e portáteis, o que os torna adequados para configurações temporárias, mas são menos fiáveis em alta velocidade ou em condições adversas.
• Suportes permanentes: Estes suportes requerem perfuração na superfície de montagem, o que os torna uma opção estável para utilização a longo prazo.
• Suportes de encaixe: Particularmente úteis como configurações temporárias, estes suportes podem ser facilmente fixados sem qualquer modificação da superfície de montagem.

3. Considerações sobre o plano de terra

• Assegurar um excelente contacto elétrico entre a antena e a placa de massa.
• Para instalações em superfícies não metálicas, devem ser utilizados planos de terra artificiais, como chapas metálicas ou fios radiais, para imitar o efeito de ligação à terra.

4. Passagem de cabos

• Utilize um cabo coaxial de alta qualidade e baixa perda para minimizar a perda de sinal.
• Certifique-se de que os cabos são tão curtos quanto possível e evite curvas acentuadas que possam degradar o sinal.

6. Considerações sobre segurança

• Evite a instalação perto de linhas eléctricas suspensas ou obstáculos baixos, especialmente no caso de antenas altas.
• Certifique-se de que a antena está bem fixa para evitar que se solte durante o movimento ou em condições climatéricas adversas.

7. Afinação e ensaio

• Após a instalação, utilize um medidor de SWR (Standing Wave Ratio) para medir o desempenho da antena e, em conformidade, afinar o comprimento ou a posição da antena, conforme necessário, para obter valores SWR óptimos e um funcionamento eficiente.

Conclusão

No panorama dinâmico das comunicações sem fios, as antenas de chicote desempenham um papel importante, oferecendo soluções versáteis para uma vasta gama de aplicações. Apesar do seu design esguio e simples, estas antenas destacam-se como componentes indispensáveis, graças à sua adaptabilidade, rentabilidade e facilidade de manutenção, tornando-as parte integrante dos modernos sistemas de comunicações sem fios. A sua capacidade de funcionar em diversos ambientes e gamas de frequência realça ainda mais o seu significado prático.

Embora existam certas limitações, como a sua dependência de um plano de terra e restrições no ganho, as antenas de chicote continuam a provar a sua relevância. A sua inigualável fiabilidade, simplicidade e flexibilidade garantem uma conetividade perfeita dos dispositivos e apoiam a inovação em inúmeras aplicações, desde sistemas de rádio tradicionais a tecnologias IoT emergentes, solidificando o seu lugar no mundo em evolução da tecnologia sem fios.