Como funciona uma antena para seu Receptor?

Como funciona uma antena para seu Receptor?

As antenas são amplamente usadas no campo das telecomunicações e já vimos muitas aplicações para elas nesta série de vídeos

As antenas recebem uma onda eletromagnética e a convertem em um sinal elétrico, ou recebem um sinal elétrico e a irradiam como uma onda eletromagnética. Neste vídeo, veremos a ciência por trás das antenas. Como temos um sinal elétrico, como o convertemos em uma onda eletromagnética? Você pode ter uma resposta simples em sua mente. Isso é para usar um condutor fechado e com a ajuda do princípio da indução eletromagnética, você poderá produzir um campo magnético flutuante e um campo elétrico ao seu redor. No entanto, esse campo flutuante ao redor da fonte não é útil na transmissão de sinais.

O campo eletromagnético aqui não se propaga, apenas flutua em torno da fonte.

Em uma antena, as ondas eletromagnéticas precisam ser separadas da fonte e devem se propagar. Antes de analisar como uma antena é feita, vamos entender a física por trás da separação das ondas. Considere uma carga positiva e uma carga negativa distanciadas. Esse arranjo é conhecido como dipolo, e eles obviamente produzem um campo elétrico como mostrado. Agora, suponha que essas cargas estejam oscilando conforme mostrado, no ponto médio do caminho, a velocidade estará no máximo e, no final do caminho, a velocidade será zero. As partículas carregadas sofreram aceleração e desaceleração contínuas devido a essa variação de velocidade. O desafio agora é descobrir como o campo elétrico varia devido a esse movimento. Vamos nos concentrar em apenas uma linha de campo elétrico. A frente de onda formada no tempo zero se expande e é deformada conforme mostrado após um oitavo de um período de tempo. Isso é surpreendente. Você pode esperar um campo elétrico simples, como mostrado neste local. Por que o campo elétrico se esticou e formou um campo como este? Isso ocorre porque as cargas de aceleração ou desaceleração produzem um campo elétrico com alguns efeitos de memória. O antigo campo elétrico não se ajusta facilmente à nova condição. Precisamos gastar algum tempo para entender esse efeito de memória do campo elétrico ou geração de torção de cargas aceleradas ou desaceleradas. Discutiremos esse tópico interessante com mais detalhes em um vídeo separado. Se continuarmos nossa análise da mesma maneira, podemos ver que em um quarto de um período de tempo, a frente da onda termina em um único ponto. Depois disso, acontece a separação e propagação do Wavefront.

Observe que este campo elétrico variável gera automaticamente um campo magnético variável perpendicular a ele.

Se você desenhar a variação da intensidade do campo elétrico com a distância, poderá ver que a propagação da onda é de natureza sinusoidal. É interessante notar que o comprimento de onda da propagação assim produzida é exatamente o dobro do comprimento do dipolo. Voltaremos a esse ponto mais tarde. É exatamente isso que precisamos em uma antena. Em resumo, podemos fazer uma antena se conseguirmos fazer um arranjo para oscilar as cargas positivas e negativas. Na prática, a produção de uma carga oscilante é muito fácil. Pegue uma haste condutora com uma curva no centro e aplique um sinal de voltagem no centro. Suponha que este seja o sinal que você aplicou, um sinal de voltagem variável no tempo. Considere o caso no tempo zero. Devido ao efeito da tensão, os elétrons serão deslocados à direita do dipolo e acumulados à esquerda. Isso significa que a outra extremidade que perdeu elétrons se torna automaticamente carregada positivamente. Esse arranjo criou o mesmo efeito que o caso de carga dipolo anterior, que é positivo e carrega negativamente no final de um fio. Com a variação da tensão com o tempo, as cargas positivas e negativas serão transferidas de um lado para o outro. A antena dipolo simples também modifica o mesmo fenômeno que vimos na seção anterior e ocorre a propagação da onda. Vimos agora como a antena funciona como transmissor.

A frequência do sinal transmitido será a mesma que a frequência do sinal de tensão aplicado.

Como a propagação viaja à velocidade da luz, podemos calcular facilmente o comprimento de onda da propagação. Para uma transmissão perfeita, o comprimento da antena deve ser metade do comprimento de onda. O funcionamento da antena é reversível e pode funcionar como um receptor se um campo eletromagnético em propagação atingir. Vamos ver esse fenômeno em detalhes. Pegue a mesma antena novamente e aplique um campo elétrico. Nesse instante, os elétrons se acumularão em uma extremidade da haste. É o mesmo que um dipolo elétrico. Como o campo elétrico aplicado varia, as cargas positivas e negativas se acumulam nas outras extremidades. A acumulação variável de carga significa que um sinal variável de voltagem elétrica é produzido no centro da antena. Este sinal de tensão é a saída quando a antena funciona como um receptor. A frequência do sinal de tensão de saída é igual à frequência da onda EM receptora. Fica claro na configuração do campo elétrico que, para uma recepção perfeita, o tamanho da antena deve ser metade do comprimento de onda.

Em todas essas discussões, vimos que a antena é um circuito aberto.

Agora vamos ver algumas antenas práticas e como elas funcionam. No passado, antenas dipolo eram usadas para recepção de TV. A barra colorida atua como adipolo e recebe o sinal. Um tipo de antena e refletor também são necessários para focalizar o sinal no dipolo. Essa estrutura completa é conhecida como antena Yagi-Uda. A antena dipolo converteu o sinal recebido em sinais elétricos, e esses sinais elétricos foram transportados por um cabo coaxial para a unidade de televisão. Hoje nos mudamos para antenas de TV em prato. Estes consistem em dois componentes principais, um refletor de formato parabólico e o conversor descendente de blocos de baixo ruído. A antena parabólica recebe sinais eletromagnéticos do satélite e os concentra no LNBF. A forma do parabólico é muito específica e precisa. O LNBF é composto de um feedhorn, um guia de ondas, um PCB e uma sonda. Nesta animação, você pode ver como os sinais recebidos são focados na sonda através do feedhorn e guia de ondas. Na sonda, a tensão é induzida como vimos no caso de dipolo simples. O sinal de tensão sogerado é alimentado a uma PCB para processamento de sinal, como filtragem, conversão de alta para baixa frequência e amplificação. 

 

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