O que é uma antena passiva? Guia completo

As antenas passivas, simples mas eficientes na sua conceção, são capazes de receber e transmitir sinais quando adequadamente configuradas, dependendo inteiramente da sua conceção estrutural sem uma fonte de alimentação externa. Este artigo explora suas considerações de projeto, faixas de freqüência de operação e vantagens sobre as antenas ativas. Ao desenvolver estes conceitos fundamentais relacionados com as antenas passivas, o artigo pretende ajudar os utilizadores a tomar decisões informadas sobre a seleção de antenas passivas para utilizações diárias e especializadas.

Compreender as antenas passivas

As antenas passivas funcionam sem a necessidade de uma fonte de alimentação externa, uma vez que não utilizam amplificadores de sinal integrados. Totalmente dependentes da sua conceção estrutural, estas antenas são soluções simples mas eficientes para a transmissão de sinais numa variedade de aplicações que vão desde a receção de televisão à comunicação por satélite.

Diferente antenas activas que utilizam componentes activos, como díodos de cristal, transístores e díodos de feixe, as antenas passivas utilizam os seus elementos de antena, como laços e dipolos, para uma transmissão eficaz. Quando um sinal eletromagnético passa através dos seus elementos, induz uma corrente alternada que é depois transmitida a um dispositivo recetor ligado para processamento posterior. O sinal CA induzido corresponde à informação que transporta e, como a antena é concebida para ressoar em intervalos de frequência definidos, é capaz de lidar apenas com as frequências pretendidas, rejeitando outras. As antenas passivas podem transmitir sinais quando ligadas a um transmissor, convertendo sinais eléctricos em ondas electromagnéticas para propagação.

Apesar de as antenas passivas poderem ser susceptíveis a interferências em ambientes difíceis, a simplicidade da sua conceção minimiza problemas como a intermodulação.

Tipos de antenas passivas

Existe uma vasta gama de antenas passivas, cada uma delas concebida para responder a requisitos únicos de comunicação sem fios. Alguns dos tipos de common são apresentados a seguir:

• Antena de painel

Estas antenas são caracterizadas pela sua forma plana, retangular e semelhante a um painel. Como estas antenas produzem um feixe de sinal de radiofrequência direcional, permitem-lhes lidar com aplicações que requerem uma distribuição de sinal direcionada. As antenas de painel são normalmente utilizadas para formar ligações ponto a ponto e multiponto em estações de base de telemóveis e redes Wi-Fi no meio de uma elevada densidade de utilizadores para um desempenho ótimo da rede com interferência reduzida.

• Antena Yagi

A antena Yagi ou Yagi - Uda é constituída principalmente por um elemento de tração, um refletor e uma série de diretores dispostos de forma perpendicular para formar um elemento longo. Esta configuração permite que as antenas Yagi criem um padrão de radiação altamente direcional. A direccionalidade oferece um excelente ganho numa direção, mantendo as perturbações indesejadas no mínimo. Como as antenas Yagi são excelentes em termos de direccionalidade e capacidades de ganho superiores, são utilizadas na radiodifusão televisiva em ambientes rurais e em actividades de comunicação sem fios de longo alcance.

• Antena de sector

As antenas de sector fornecem cobertura num sector angular que, normalmente, varia entre 60 e 180 graus. Isto permite que os fornecedores de serviços combinem várias destas antenas para obter uma cobertura de 360 graus. Estas antenas são excelentes no fornecimento de uma distribuição de sinal melhorada para regiões específicas e, por isso, são utilizadas em redes celulares, estações de base e redes Wi-Fi. Em comparação, as antenas de sector proporcionam uma largura de feixe mais ampla do que as antenas Yagi e, normalmente, têm um ganho comparável ou ligeiramente inferior ao das antenas de painel, dependendo da sua conceção.

• Antena Dipolo

Essas antenas têm um dos projetos mais simples, que consiste em dois elementos condutores posicionados no centro com a linha de alimentação colocada em um ponto central equidistante. Com um padrão de radiação toroidal e ganho moderado, essas antenas são normalmente usadas em aplicações de rádio FM/AM, antenas de televisão e em vários sistemas de comunicação. Além disso, a antena dipolo é frequentemente utilizada como ponto de partida para projectos muito complexos, como o dipolo dobrado e o projeto de período logarítmico.

• Antena monopolar

Uma antena monopolar consiste num condutor em forma de haste montado num plano de terra condutor, que é fundamental para formar o padrão de radiação desejado e garantir uma transmissão eficiente do sinal. Por conseguinte, este tipo de antena também pode ser considerado como uma antena de meio-dipolo montada numa superfície condutora. Simples e compactas na sua conceção, estas antenas proporcionam uma cobertura uniforme em todas as direcções horizontais. Isto torna-as uma óptima escolha para comunicações móveis, sistemas de comunicações para veículos e aplicações de baixa frequência.

• Antena PCB

As antenas de placa de circuito impresso (PCB) estão diretamente integradas na placa de circuito impresso. Por conseguinte, estas antenas são a escolha ideal para aplicações em que o espaço é limitado. Uma vez que não há custos de fabrico adicionais, as antenas PCB são uma solução económica excelente para várias aplicações, incluindo dispositivos IoT, smartphones, routers Bluetooth e WiFi.

Considerações sobre o projeto de antenas passivas

A conceção de uma antena passiva, à semelhança da conceção de uma antena ativa, inclui muitos aspectos que afectam o desempenho e a eficiência da antena. Seguem-se algumas caraterísticas importantes a ter em conta na conceção de antenas passivas:

• Tipo de aplicação: Estacionária vs. Móvel

A aplicação pretendida desempenha um papel importante na conceção da antena. As antenas estacionárias, como as antenas para estações de base, centram-se na estabilidade, robustez e ganho elevado. Por outro lado, as antenas móveis, como as colocadas em automóveis ou telemóveis, têm de ser leves e pequenas e ter um padrão de radiação maior para manter uma melhor conetividade em várias direcções e situações.

• Utilização em interiores e exteriores

As antenas de interior são concebidas para serem esteticamente agradáveis, mantendo o risco de interferências no mínimo. Como estão protegidas dos elementos ambientais, não necessitam de materiais robustos. As antenas exteriores, por outro lado, têm de suportar tensões ambientais como o vento, a chuva e a exposição aos raios UV. Por conseguinte, espera-se que estejam equipadas com caixas de proteção com materiais resistentes à corrosão

• Número de dispositivos suportados

As antenas concebidas para lidar com vários dispositivos têm de suportar mais tráfego e manter a integridade do sinal. Por exemplo, as antenas dos routers Wi-Fi utilizam tecnologias como a Multiple Input Multiple Output (MIMO) para fornecer simultaneamente sinal a vários dispositivos. Em contrapartida, as antenas para um único dispositivo, como as utilizadas nos controlos remotos, são concebidas de forma mais modesta.

• Estratégias de redução de perdas de sinal

A minimização da perda de sinal é uma caraterística essencial na conceção de antenas passivas. Uma opção para isso é a utilização de antenas direcionais que proporcionam um ganho mais elevado sem necessidade de amplificação adicional. Uma estratégia alternativa é passar dos cabos coaxiais convencionais para cabos de fibra ótica. Como a fibra ótica é capaz de cobrir longas distâncias com uma perda mínima de sinal, a fibra ótica é perfeita para aplicações que exijam uma cablagem extensa.

Componentes chave no projeto de antenas passivas

O bom funcionamento das antenas passivas depende de vários componentes-chave. Alguns dos componentes-chave na conceção de antenas passivas são os seguintes

• Elemento de radiação

O elemento radiante está no centro da conceção de uma antena passiva. O elemento radiante é responsável pela geração e absorção de ondas electromagnéticas. É calibrado para a frequência de funcionamento do sistema e optimizado em termos de dimensões e materiais, para obter a máxima eficiência. A forma e o formato do elemento irradiante, como dipolo, monopolo ou patch, não só ditarão o padrão de radiação da antena, mas também sua polarização e ganho.

• Estação de base

A estação de base funciona como o nó central que liga as antenas a estruturas de comunicação maiores. Embora não seja um componente direto da conceção da antena, a estação de base é capaz de garantir trocas de sinal imperceptíveis, proporcionando um desempenho fiável e consistente tanto para aplicações móveis como fixas.

• Plano de terra

Os planos de terra são especialmente concebidos para lidar com a gama de frequências e a aplicação pretendidas para a antena. É responsável por melhorar a directividade e a eficiência do elemento de radiação da antena, reflectindo as ondas electromagnéticas. Além disso, nas antenas monopolo, o plano de terra completa o percurso da corrente, melhorando o seu padrão de radiação.

• Linha de alimentação

As linhas de alimentação funcionam como a ligação entre a antena, o transmissor e o recetor e facilitam a transmissão do sinal, assegurando uma perda mínima do mesmo. Embora os cabos coaxiais sejam utilizados como linhas de alimentação, em projectos compactos, como as antenas PCB, são utilizadas linhas de microfita. Ao efetuar uma correspondência de impedância adequada entre a linha de alimentação e a antena, a reflexão da potência pode ser ainda mais minimizada, garantindo uma transferência de energia eficiente.

Aplicações das antenas passivas

A simplicidade, a relação custo-eficácia e a durabilidade atribuídas às antenas passivas levam à sua utilização generalizada numa grande variedade de sectores. Algumas das suas aplicações populares são as seguintes:

• Telecommelecomunicações e radiodifusão

Nas redes móveis, os conjuntos de antenas passivas são utilizados com torres de telemóveis para cobertura de vastas áreas, de modo a garantir uma transmissão e receção fiáveis do sinal. Do mesmo modo, os sistemas Wi-Fi utilizam antenas passivas compactas, como dipolos, para fornecer acesso à Internet sem fios em casas, escritórios e espaços públicos. Na radiodifusão, as antenas Yagi são amplamente utilizadas para receber sinais de televisão terrestre, oferecendo um excelente ganho e direccionalidade.

• Satélite Commransmissão

As antenas parabólicas são utilizadas apenas em estações terrestres de comunicação com satélites para garantir uma elevada directividade e ganho. As antenas passivas compactas são incorporadas em dispositivos GPS, para auxiliar a navegação do utilizador com dados de localização precisos. Além disso, os satélites de monitorização meteorológica também utilizam antenas passivas para transmitir informações meteorológicas às estações terrestres, a fim de apoiar previsões meteorológicas exactas e estudos climáticos.

• IoT e dispositivos inteligentes

O crescimento da Internet das Coisas (IoT) aumentou significativamente a procura de antenas passivas compactas e eficientes. Smartwatches, rastreadores de fitness e sistemas domésticos inteligentes dependem frequentemente de antenas PCB e monopolo para permitir a conetividade através dos protocolos Bluetooth, Wi-Fi ou Zigbee. Para aplicações IoT industriais, as antenas passivas são utilizadas para transmitir dados entre máquinas e sistemas centralizados, melhorando a fiabilidade do desempenho e simplificando os processos.

• Aplicações automóveis

As antenas passivas são utilizadas em sistemas de entrada sem chave, permitindo uma comunicação segura entre o veículo e o comando. Além disso, as tecnologias emergentes, como a comunicação veículo-para-tudo (V2X), utilizam estas antenas para facilitar a interação entre veículos, infra-estruturas e peões, melhorando a segurança rodoviária e a gestão do tráfego.

LF a UHF: Compreender a versatilidade das antenas passivas

Uma antena passiva comporta-se de forma diferente e tem papéis diferentes a desempenhar em diferentes gamas de frequência. As frequências baixa, média e alta abrangem uma vasta gama de bandas, pelo que a conceção e a qualidade desta antena passiva dependem da banda. Segue-se um summário das caraterísticas da antena passiva, gamas de frequências de trabalho para as bandas LF, MF, HF, VHF, UHF e micro-ondas, e aplicações para cada banda:

• Frequência baixa (LF) e frequência média (MF):

Operando na faixa de 30 kHz a 3 MHz, as bandas LF e MF são conhecidas por seus longos comprimentos de onda, que exigem o uso de grandes estruturas de antena para um desempenho eficaz. Embora estas frequências não sejam ideais para dispositivos compactos, são excelentes para comunicações de longo alcance devido à sua capacidade de percorrer grandes distâncias com perdas mínimas. As antenas MF são utilizadas principalmente em sistemas de navegação marítima e aeronáutica, como os Faróis Não-Direcionais (NDB), que ajudam na navegação de longa distância sobre a água e terrenos difíceis. A sua capacidade de propagação através da superfície da Terra com pouca atenuação torna-as essenciais para aplicações críticas de segurança, em que a comunicação fiável é crucial em áreas extensas.

• Alta frequência (HF):

As bandas HF, que vão de 3 MHz a 30 MHz, são conhecidas pela sua capacidade de facilitar a comunicação de longo alcance, principalmente através da reflexão de sinais na ionosfera. Esta caraterística permite que os sinais viajem muito para além da linha de visão, possibilitando a comunicação global. As bandas HF são amplamente utilizadas em radiodifusão internacional, rádio amador e comunicações militares, onde a conetividade a longa distância é essencial sem a necessidade de sistemas de satélite. A sua capacidade única de refletir a ionosfera faz com que as antenas HF, tais como dipolos ou matrizes Yagi-Uda, sejam adequadas para a propagação de ondas no céu, o que é particularmente benéfico para a comunicação remota e a transmissão de alta frequência.

• Frequência muito alta (VHF) e frequência ultra alta (UHF):

As frequências VHF (30 MHz a 300 MHz) e UHF (300 MHz a 3 GHz) permitem a comunicação em linha de vista porque os seus comprimentos de onda mais curtos facilitam a conceção de antenas mais compactas. Nestas gamas de frequências, as antenas tendem a ser mais pequenas e mais eficientes para aplicações móveis, incluindo dispositivos portáteis. As bandas VHF são frequentemente utilizadas na radiodifusão FM, na transmissão televisiva e nos sistemas de controlo do tráfego aéreo, onde a comunicação de gama moderada e a resistência ao ruído atmosférico são essenciais. As bandas UHF desempenham um papel crucial nos sistemas de comunicação contemporâneos, como a radiodifusão televisiva, o GPS, os telemóveis e as redes Wi-Fi. As antenas UHF proporcionam uma maior largura de banda, permitindo taxas de transferência de dados mais rápidas e ligações mais fiáveis em redes digitais de communication e móveis.

• Bandas de micro-ondas (3 GHz a 300 GHz):

As frequências de micro-ondas requerem a utilização de antenas altamente direcionais, como pratos parabólicos e antenas de corneta, porque podem transmitir sinais a longas distâncias com perdas mínimas. Estas frequências desempenham um papel vital em sistemas de radar, comunicação por satélite e transmissão de dados de alta capacidade através de retransmissores de rádio por micro-ondas. As micro-ondas são particularmente úteis em cenários que requerem comunicação ponto-a-ponto, como sistemas de satélite, radares militares e telecomunicações avançadas. A elevada directividade e a capacidade de transmitir grandes volumes de dados tornam as antenas de micro-ondas essenciais para os sistemas de comunicação civis e de defesa.

Antena passiva vs. antena ativa

Enquanto as antenas passivas se limitam a retransmitir os sinais recebidos para o recetor, as antenas activas estão equipadas com um amplificador de baixo ruído (LNA) incorporado que melhora a intensidade do sinal. A decisão de utilizar um tipo em vez do outro depende de vários factores, incluindo a intensidade do sinal, o comprimento do cabo, a disponibilidade de energia e as necessidades específicas da aplicação. Abaixo encontra-se uma tabela comparativa que descreve as principais diferenças entre as antenas passivas e activas.

Corresponder às suas necessidades com o tipo de antena correto

A escolha de um tipo de antena adequado, ativa ou passiva, é uma decisão muito importante para garantir o melhor desempenho da aplicação. Reconhecer as diferenças entre estas duas formas ajudará a tomar uma decisão informada.

As antenas passivas são dispositivos simples que consistem apenas num elemento concebido para receber sinais sem qualquer circuito de amplificação adicional. Não precisam de uma fonte de alimentação externa porque não estão equipadas com peças integradas como os amplificadores de baixo ruído (LNAs). As antenas passivas são normalmente utilizadas quando a antena pode ser colocada perto do recetor, onde a atenuação do sinal é minimizada. A simplicidade resulta frequentemente em custos mais baixos e consumo de energia reduzido, tornando as antenas passivas adequadas para aplicações com cabos curtos e ambientes onde a intensidade do sinal é adequada.

As antenas activas, por outro lado, incorporam um LNA integrado que amplifica o sinal recebido antes de o transmitir ao recetor. Essa amplificação compensa a degradação do sinal que pode ocorrer em longas extensões de cabo ou em ambientes com interferência significativa. As antenas activas necessitam de uma fonte de alimentação que conduza o amplificador, complexidade e possíveis modos de falha, mas podem representar uma enorme melhoria na qualidade do sinal em condições difíceis. São especialmente úteis em situações em que a antena pode ser colocada a uma grande distância do recetor ou na presença de uma forte atenuação do sinal.

O comprimento do cabo, o ruído ambiental, a disponibilidade de energia e a complexidade do sistema devem ser considerados ao decidir entre antenas passivas e activas. Para instalações com cabos longos e/ou elevada interferência, uma antena ativa pode fornecer o melhoramento de sinal necessário e manter o desempenho de acordo com as normas. Por outro lado, para redes com pequenos comprimentos de cabo e baixa interferência, as vantagens de simplicidade e robustez da antena passiva podem prevalecer.

De um modo geral, ao selecionar uma antena, é necessário ter em conta as soluções de compromisso entre a simplicidade e a acessibilidade das antenas passivas e o desempenho e a complexidade das antenas activas, comparando as duas abordagens para a seleção, a fim de determinar o tipo de antena mais adequado para uma determinada aplicação. Através de uma avaliação cuidadosa dos requisitos da sua aplicação, será possível decidir qual o tipo correto de antena a utilizar.

Conclusão

As antenas passivas fornecem soluções versáteis para uma vasta gama de aplicações, o que as torna num ator-chave na comunicação sem fios moderna. Embora dependam apenas da sua estrutura para a transmissão do sinal, as suas aplicações vão desde facilitar a radiodifusão global até permitir dispositivos IoT compactos. Ao adaptarem o seu design a requisitos e ambientes específicos, as antenas passivas continuam a servir como uma solução vital e adaptável no avanço da conetividade sem fios.