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Efeitos da alteração do comprimento de antenas telescópicas no VSWR, frequências ressonantes e banda de irradiação

  • Publicado em RF

Neste estudo, analisamos o VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) de antenas telescópicas (retráteis) com a sua variação do comprimento das mesmas e, em consequência a variação da largura e frequência central da banda de irradiação, por meio de uma ponte VSWR, um analisador de espectro e um gerador de RF externo.

Caso deseje ler o estudo acerca de pontes VSWR e a definição dessa grandeza, clique aqui; ou ainda, caso deseje visualizar a reflexão de pulsos em um osciloscópio, consulte nossa respectiva análise, clicando aqui.

A ponte VSWR utilizada possui perda de inserção de 6,5dB, diretividade superior a 35dB e frequência de operação nominal de até 1 GHz e o sinal de entrada é obtido por meio de um gerador de RF em sweep com amplitude de 0dBm. Após a análise de um terminação resistiva de 50ohms, conforme a respectiva análise da ponte VSWR utilizada, é possível estimar que essa configuração garante precisão adequada até a potência de -36 dBm.

Obviamente, não estamos analisando antenas em uma câmara anecóica de RF, o que resultará na captura de ruídos e não apenas o sinal gerado pelo gerador de RF.

VSWR de uma antena telescópica de sete seções e comprimento de 58,8cm

Iniciamos a análise da variação do VSWR em uma antena telescópica com duas bandas de radiação mais significativas e sete seções de aproximadamente 8cm cada, comprimento total de 58,8cm e conector BNC, nos possibilitando visualizar o comportamento da radiação RF emitida ao longo do espectro. Constatamos que o sinal RF incidente é melhor irradiado na frequência de 129,79 MHz face ao ponto de reflexão mínimo nessa frequência (percentual máximo da potência incidente é irradiada pela antena), com a antena totalmente estendida.

No gráfico abaixo, demostramos seis traços diferentes, sendo o traço amarelo (marcador 1) com a antena telescópica totalmente estendida, o ciano (marcador 2) com uma seção de 8 cm retraída, o rosa (marcador 3) com duas seção retraídas, o verde (marcador 4) com três seções retraídas, o vermelho (marcador 5) com quatro seções retraídas e finalmente o traço roxo (marcador 6) com cinco seções retraídas.

130.1 0005

130.1 0005

Conforme o gráfico e tabela abaixos, por meio dos marcadores, constatamos que o traço amarelo (antena totalmente estendida) de fato apresenta duas bandas de radiação mais significativas conforme as especificações da mesma e frequências ressonantes em 129,79 MHz e cerca de 340MHz. Com apenas uma seção retraída, a frequência resonante varia 9,9MHz e a potência refletida em 3dB. 

Traço Comprimento (cm) Frequência resonante (MHz) Potência (dBm)
Amarelo 58,8 129,79 -25,51
Ciano 50,7 139,69 -28,08
Roxo  43,2 152,56 -32,49
Verde 35,4 170,38 -31,64
Vermelho 27,6 288,19 -44,87
Roxo 19,8 330,76 -21,57

130.1

130.1

Ainda, considerando-se apenas o espectro entre 100 e 400MHz, visualizaremos melhor, com a figura abaixo, a variação do VSWR da antena com a frequência e o deslocamento da frequência de menor reflexão (e maior irradiação neste caso), assim como toda a faixa da banda da antena para frequências maiores com a redução do comprimento total da antena. Perceba que a maior irradiação é obtida ao custo de uma largura ou comprimento de banda cada vez menor.

Ainda, é importante destacarmos que banda nominal de uma antena se refere a banda de frequência na qual a antena garante um VSWR inferior ao nominal (portanto, o mais correto seria especificar as características em conjunto: "uma banda de 64 MHz com VSWR inferior a 1,5", por exemplo). Ou seja, não podemos analisar a banda da antena considerando apenas o pico de maior radiação e a distância das frequências correspondentes a esse valor acrescido de 3dB no gráfico abaixo, mas sim cerca de 13,97dB que representa a conversão do VSWR (valor proporcional) do exemplo na grandeza "Perda de Retorno em dB" por meio da equação .

Screen 0014

Screen 0014

Com a redução de mais uma seção da antena, o traço verde indica um deslocamento para uma frequência ainda maior, assim como o início de formação de outra banda de frequência com frequência central em 244,0 MHz (-22,973 dBm):

Screen 0016

Screen 0016

Com mais uma seção retraída (traço vermelho), a primeira e segunda bandas se deslocam para frequências maiores e a segunda banda passa a ser mais significativa do que a primeira, com frequência central em 305,8MHz e -31,042dBm:

Screen 0017

Screen 0017

Ainda, configuramos a antena retrátil com um comprimento intermediário entre os dois comprimentos anteriores (traços verde e vermelho) e obtemos a seguinte variação da intensidade das reflexões (VSWR) versus frequência (traço roxo):

Screen 0018

Screen 0018

Por fim, conforme a imagem abaixo, com a antena telescópica totalmente retraída, não obteríamos uma frequência resonante com intensidade maior do que o traço vermelho, sendo a frequência resonante de 334,3MHz com potência de -25,592dBm. Perceba que, nesse caso, a largura da banda aumentou, reduzindo-se a potência máxima irradiada:

Screen 0019

Screen 0019

VSWR de uma antena telescópica de cinco seções e comprimento de 38cm e banda nominal de 400 a 470MHz

A seguir, faremos a mesma análise com uma antena telescópica de cinco seções, comprimento máximo de 38cm e banda nominal de 400 a 470MHz. Conforme a imagem abaixo, de maneira diferente da antena anterior, esta antena possui praticamente quatro bandas da irradiação mais significativas, sendo a mais relevante em 475,2 MHz com diferença de potência entre os casos de maior e menor VSWR mensurada de 20,16dB:

400 470.2

400 470.2

Analisando todas as combinações de redução de seções da antena retrátil, obtemos o gráfico a seguir, que novamente demonstra o deslocamento da banda da antena para frequências cada maiores com a redução do comprimento. Ainda, constatamos o aumento da potência irradiada na terceira banda, com respectiva redução da largura de banda, no marcador 2 do traço ciano (uma seção retraída) e menor aumento nas situações subsequentes (marcadores 3 e 4 dos traços roxo e verde, respectivamente):

400 470.2 0008

400 470.2 0008

Ainda, percebemos uma degeneração mais significativa da forma de onda na situação 5 (traço vermelho), na qual a antena é totalmente retraída. Nessa situação, a largura de banda é máxima, mas a intensidade da potência máxima irradiada é reduzida (frequência de 870,31MHz e potência refletida medida de -22,93dBm).

VSWR de uma antena telescópica de sete seções e comprimento de 38,7cm e banda nominal de 144 a 430MHz

A seguir, mensuramos as reflexões em uma antena telescópica de sete seções, comprimento máximo de 38,7cm e banda nominal de 144 a 430 MHz. Conforme a imagem abaixo, esta antena possui três bandas da irradiação mais significativas, sendo a mais significativa com frequência resonante de 133,28 MHz e a menor potência refletida (-32,62 dBm):

144.1

144.1

Com o espectro considerado apenas de 20 a 500 MHz, obtemos o gráfico a seguir, sendo o traço amarelo (marcador 1) referente à antena em seu comprimento nominal e sendo reduzida em etapas até o traço vermelho, caso em que ocorre a máxima intensidad de irradiação em apenas na frequência de 160,16 MHz (potencia refletida medida de -47,74 dBm) e praticamente o desaparecimento da terceira banda de frequência mais significativa.

Novamente, com a redução do comprimento da antena, há uma irradiação cada vez mais concentrada (menor largura de banda) e em frequências maiores:

144.1 0004

144.1 0004

Comparativo do VSWR de antena telescópica diversas

Por último, comparamos a resposta em frequência das três antenas telescópicas anlisadas em um mesmo gráfico, sendo o traço amarelo referente a antena de maior comprimento e sete seções e as outras duas referentes a antenas de comprimentos semelhantes, mas sendo a terceira (traço roxo) com espessura final maior e cinco seções em relação à segunda (traço ciano) de oito seções, sendo que a maior seção próxima à base foi pintada de preto, reduzindo sua eficiência de irradiação.

Screen 0021

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