terça-feira, 1 de junho de 2021

Projetando Antenas Direcionais YAGI


No uso das faixas de radioamadorismo e mesmo PX, o ideal é colocar o sinal na direção desejada e se possível eliminar todo e qualquer sinal de RF nas direções não desejadas. Essa condição, na prática nem sempre é possível, mas alguns conceitos a esse respeito ajudarão obter sempre a melhor eficiência do seu sistema.

Uma das antenas mais positivas neste sentido é a YAGI. Esta antena foi pela primeira vez descrita pelos idos de 1926 e seus inventores eram dois japoneses UDA e YAGI. Apesar de "idosa", a antena Yagi ainda é uma das melhores soluções e de fácil construção.

Figura 1

O elemento básico de uma antena Yagi é o dipolo (figura 1), alimentado naturalmente ao centro. Suas dimensões em espaço livre deveria ser de 1/2 onda, porém na prática, devido ao chamado efeito de pontas, este comprimento físico é um pouco menor = 0,48 de onda. Por exemplo, para uma frequência de 27.205 KHz (canal 20 da Faixa do Cidadão), a dimensão física do dipolo deverá ser:

Conversão de frequência em comprimento de onda.

Comprimento prático do dipolo (teoricamente 1/2 onda).

A frequência para cálculo do comprimento do dipolo é sempre baseada pelo centro da banda em que se irá operar, pois desse modo haverá uma margem acima e abaixo da frequência central para que o transmissor possa funcionar razoavelmente bem.

A resistência de irradiação de um dipolo, alimentado pelo centro, quando na frequência de ressonância, é de aproximadamente 70 ohms. Mas isto só é válido se a parte propriamente dita do dipolo (antena) estiver pelo menos a uma altura equivalente a 1/4 de onda, acima do terreno e obstáculos. Por exemplo, uma antena dipolo para a faixa dos 80 metros deverá estar pelo menos a 20 metros de altura do terreno ou obstáculos (casas, árvores, etc.). Nas antenas de 80 e 40 metros isso nem sempre é observado e como consequência a impedância da antena é menor, devido a influência da sua proximidade ao solo e outros obstáculos. Ocorrem então os chamados "mistérios". Tudo aparentemente correto, porém a transmissão "não chega", não é recebida por ninguém!

É prática comum utilizar cabos coaxiais tipo RG8 ou RG58 (52 ohms) para ligação entre transmissor e antena. Isto porque a grande maioria dos equipamentos comerciais utilizam saída padronizada de 50 ohms.

Já aí existe o fator de desajuste. A impedância do dipolo é nominalmente de 75 ohms, a impedância de saída do transmissor é de 50 ohms, os cabos coaxiais são de 52 ohms e isso, quanto mais elevada for a frequência de trabalho, mais sério se torna. Veja um exemplo: se for ligado um transmissor com saída de 50 ohms, utilizando um cabo coaxial de 52 ohms para uma antena de 75 ohms a ROE (Relação de Onda Estacionária) será da ordem de 1:4.

Uma solução seria utilizar um transformador casador de impedâncias como se pode apreciar na figura 2.

Figura 2

O diagrama polar de um dipolo é na forma de um 8, como se pode ver na figura 3.

Figura 3

Dipolo Dobrado

Uma outra forma de apresentação do dipolo é chamada de dipolo dobrado, assim como pode ser visto na figura 4.

Figura 4

A alimentação para o dipolo dobrado é feita por uma linha paralela denominada "balanceada".

A impedância central dessa antena é da ordem de 270 ohms, valor este bastante próximo da impedância da chamada linha de 300 ohms utilizada na ligação de antena para televisores. A impedância de 270 ohms é influenciada por diversos fatores: relação entre o diâmetro dos dois elementos d2 e d1 e o espaçamento (S) entre eles. Para que a impedância seja de 270 ohms, o diâmetro de d1 e d2 deverá ser igual, neste caso o espaçamento (S) poderá ter qualquer valor, como se pode observar pelo gráfico da figura 5. Na prática adota-se 4 vezes o diâmetro de d2.

Figura 5

Dessa forma o dipolo dobrado pode ser alimentado pela linha de 300 ohms utilizada em antenas de TV. Essa linha não é recomendada para grandes potências. Na maioria dos casos, os equipamentos de radioamador e PX trazem suas saídas ajustadas para 50 ou 75 ohms (desbalanceadas). Por essa razão, para adaptar o dipolo dobrado em operações de VHF ou UHF utiliza-se um balun (balanced/unbalanced) de relação 4:1 como se vê na figura 6.

Figura 6

Uma das vantagens deste dipolo dobrado é possuir maior largura de banda.

O centro do elemento d2 do dipolo dobrado pode ser ligado diretamente à barra de suporte, porque este ponto é eletricamente neutro.

Além dos dipolos acima descritos, existem ainda os dipolos com alimentação diferente: Delta, "T", Gama e Ômega. Os sistemas Delta e "T" são aplicados em linhas balanceadas e o Gama e Ômega para linhas desbalanceadas, como os cabos coaxiais. O sistema mais popular entre os radioamadores é o sistema T.

Na figura 7 pode ser observado que no dipolo L a tensão (E) no seu centro é zero, aumentando depois, até atingir um valor máximo nas extremidades; a corrente (I) é o inverso, sendo máxima no centro e mínima nas extremidades. Desse modo, a impedância (Z) varia praticamente de zero no centro até atingir seu valor máximo nas extremidades.

Figura 7

A distribuição da tensão (E) ao longo desse dipolo pode ser facilmente observada. Se tomamos uma pequena lâmpada neon e aproximarmos da extremidade de um dipolo energizado, ela acenderá com brilho máximo. Esse brilho diminuirá à proporção que a neon for sendo deslocada ao centro do dipolo. Naturalmente é necessário que a energia de R.F. aplicada ao dipolo seja suficiente para acender a lâmpada neon.

Como o centro do dipolo é eletricamente neutro, esse ponto poderá ser ligado diretamente à estrutura de suporte, permitindo uma construção simples e sólida, o que é uma vantagem sobre o dipolo com alimentação central.

Devido a essas características do dipolo dobrado, o mesmo pode ser alimentado com o sistema de acoplamento denominado gama. Esse sistema é apropriado para uso com cabos coaxiais.

Na figura 8 temos um acoplamento gama, derivado do sistema de acoplamento "T". Um elemento denominado de "vareta", que é colocado paralelamente a uma certa distância do centro do dipolo e fixado por meio de braçadeiras, permitirá o deslizamento para ajuste. Na extremidade oposta a vareta é ligado um capacitor variável, cujo outro terminal é ligado ao fio central do cabo coaxial. Este capacitor pode constituir-se de um tubo de cobre ou alumínio, dentro do qual desliza sem tocar a vareta. Desse modo é possível construir um capacitor variável sólido e compacto.

Figura 8

As dimensões do acoplamento gama determinam sua impedância, assim:

a) quanto maior for a vareta, maior será sua impedância na sua base e menor a capacidade do capacitor ligado em série com o mesmo;

b) quanto maior for o espaço entre a vareta e o dipolo, maior será a impedância na base da vareta.

Combinando-se esses fatores, podem ser obtidas impedâncias que vão desde 10 a 50 ohms. Na prática, para utilização de cabos coaxiais tipo RG8 e RG58-U, foram achadas as seguintes dimensões para acoplamento gama:

  • diâmetro da vareta = 1/3 do diâmetro de L
  • vareta = 0,05 comprimento de onda
  • S = 0,007 comprimento de onda
  • C = 7pF por metro de comprimento de onda

Por exemplo, para uma frequência na Faixa do Cidadão, de 27,205 MHz (canal 20) teremos as seguintes dimensões:

  • diâmetro de L = 14 milímetros
  • diâmetro vareta = 5 milímetros
  • extensão vareta = 55 milímetros
  • S = 8 centímetros
  • C = 77pF. Um trimer de 90pF poderá ser usado.

O dipolo poderá ser construído com tubo de duralumínio (mais rígido que o alumínio puro) de 14 milímetros de diâmetro ou mais. Um tubo de duralumínio de 12 milímetros de diâmetro encaixa perfeitamente dentro do outro e isto permite fazer o dipolo extensível, tipo telescópico, facilitando assim o ajuste final. A vareta deve ser de tubo de duralumínio ou outro metal e a braçadeira metálica fixada com parafuso de latão (para evitar a ferrugem). O capacitor pode ser propriamente um trimer ou então um tubo deslizante dentro do outro. O capacitor tem o outro extremo ligado ao fio central do cabo coaxial.

Se na estrutura que suporta o dipolo for colocado um elemento parasita a uma distância de 1/4 de onda ou menos, a corrente no elemento parasita ficará em fase, atuando então como refletor (figura 9-A) se for sintonizado para uma frequência inferior a do dipolo e como diretor (figura 9-B) se for sintonizado para uma frequência mais elevada que a do dipolo. Resumindo: para que o elemento parasita atue como diretor deverá ser 5% menor que o dipolo e como refletor deverá ser 5% maior que o dipolo. Os elementos parasitas obtêm energia através do acoplamento eletromagnético com o dipolo excitado. Por isso denominam-se de parasitas.

Figura 9

No gráfico da figura 10, a distância ideal para se colocar o refletor seria de 0,15 do comprimento de onda do dipolo, obtendo assim um ganho de 5dB. Para o diretor, o espaçamento de maior rendimento seria de 0,10 do comprimento de onda do dipolo. Porém, na prática isso não é aconselhável, pois quanto menor seja o espaçamento entre elemento ativo e parasita, mais crítica se torna a sintonia e a largura de faixa útil fica muito reduzida.

Figura 10

Desse modo, recomenda-se que o espaçamento tanto para o refletor como para o diretor seja de 0,20 do comprimento de onda do dipolo.

Se houver dificuldade de encontrar no comércio tubos de alumínio com 1—1/2 polegadas de diâmetro e extensão superior a 4 metros, o espaçamento dos elementos poderá ser reduzido para 0,18 de comprimento de onda, para limitar a extensão da estrutura de sustentação.

Antena Yagi de 3 elementos

Se forem colocados dois elementos parasitas, um de cada lado do dipolo excitado, com espaçamentos de 0,18 de comprimento de onda, o maior na parte posterior e o menor a frente do dipolo, teremos uma antena de 3 elementos (um ativo e dois parasitas) como se vê na figura 11. No gráfico da figura 12 uma antena direcional de 3 elementos, com espaçamento de 0,18, terá um ganho de aproximadamente 7,5 dB, ou seja, 5,6 vezes o ganho em relação ao dipolo simples.

Figura 11

Figura 12

Se o elemento excitado dessa antena fosse um dipolo alimentado no centro, com a adição dos elementos parasitas a uma distância de 0,18, a resistência nominal de 70 ohms baixaria para 20 ohms (figura 13), o que apresentaria alguns problemas de casamento.

Figura 13

Os elementos parasitas serão colocados à frente e atrás do dipolo excitado, a uma distância de 0,18 do comprimento de onda deste e terão suas extremidades dotadas de tubos que entrem e saiam do interior do tubo maior, atuando como ajuste de comprimento, em princípio telescópico. Todos os elementos são fixados à estrutura por meio de braçadeiras (figura 14).

Figura 14

Essa antena Yagi de 3 elementos tem uma relação frente-costa de aproximadamente 20 dB (100 vezes), como se pode observar no gráfico da figura 15 e tanto pode operar em polarização vertical como horizontal.

Figura 15

Na figura 16 temos o diagrama polar da irradiação da antena com o posicionamento dos elementos parasitas. A altura desta antena em relação ao terreno e obstáculos deve ser de pelo menos 1/4 do comprimento de onda frequência central do dipolo excitado.

Figura 16

O ajuste final é efetuado com a antena já instalada (uma tarefa nada fácil), ajustando-se primeiro a braçadeira da vareta e por último o capacitor, seja trimer ou tubo, para uma indicação mínima de onda estacionária. Naturalmente, se for utilizado um sistema de capacitor tipo tubo telescópico, como mostra o detalhe da figura 8, o ajuste da vareta e do capacitor será simultâneo.

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