O que é uma antena ativa? O guia completo

A tecnologia de antenas avançou significativamente com as antenas activas, que integram componentes electrónicos activos, incluindo amplificadores, filtros e unidades de processamento de sinais, para proporcionar um melhor desempenho. As antenas activas são mais eficazes em situações em que a intensidade do sinal é um problema, porque utilizam a sua eletrónica integrada para melhorar os sinais, ao contrário das antenas passivas, que apenas utilizam a sua conceção física para captar sinais.

As antenas activas permitem uma receção eficaz do sinal numa gama de frequências mais ampla devido aos amplificadores integrados; no entanto, o reforço adicional pode fazer com que o nível do sinal seja enviado com uma potência de saída superior à permitida. É por este motivo que as antenas activas são normalmente utilizadas para receber sinais e não para os transmitir. Além disso, como algumas antenas direcionais já adicionam um ganho embutido, o ganho extra em uma antena ativa pode ser desnecessário e até mesmo prejudicial para alguns sistemas. Este artigo explora os tipos, funções, benefícios, usos e dificuldades das antenas ativas. Também as compara com as antenas passivas e inclui estudos de caso pertinentes.

O que é uma antena ativa e como funciona?

Uma antena ativa é um dispositivo que amplifica ou modifica sinais através da fusão da arquitetura convencional da antena com componentes electrónicos activos. A antena pode fazer mais do que apenas receber e transmitir sinais graças à incorporação de componentes activos como processadores de sinal ou amplificadores de baixo ruído (LNAs).

Um amplificador é um componente de uma antena ativa. É possível utilizar cabos mais longos sem sacrificar a qualidade do sinal graças a este amplificador, que reforça os sinais de RF que a antena recebe. Além disso, o amplificador melhora a relação sinal/ruído, amplificando os sinais desejados de forma mais eficaz, muitas vezes em conjunto com a filtragem para minimizar as interferências. Por este motivo, as antenas activas são perfeitas para utilização em locais como cidades ou fábricas, onde existem muitas interferências electromagnéticas.

As antenas activas também podem ser utilizadas para ultrapassar a perda de sinal dos divisores ou de outro equipamento de distribuição ou para compensar a perda de sinal em cabos longos. Por este motivo, são úteis em aplicações como sistemas de microfone sem fios e distribuição de televisão por cabo. Tudo considerado, as antenas activas oferecem um meio de melhorar a qualidade e a receção do sinal numa variedade de aplicações, tornando-as um instrumento inestimável para vários sectores.

Princípio de funcionamento

Normalmente, um circuito amplificador está ligado a um pequeno elemento de antena, como um laço ou um dipolo, para criar uma antena ativa. O elemento de antena recebe sinais de entrada fracos, que são amplificados pelo circuito amplificador. O recetor ou o resto do sistema de rádio recebe depois este sinal amplificado.

Uma bateria ou uma fonte de alimentação ligada à antena pode alimentar o amplificador de uma antena ativa. A energia necessária para que o amplificador funcione e amplifique os sinais é fornecida por esta fonte de alimentação.

A funcionalidade principal de uma antena ativa envolve:

1. Receção de sinais: A antena recebe ondas electromagnéticas.
2. Amplificação: Os componentes activos incorporados amplificam os sinais fracos para aumentar a clareza e a força.
3. Processamento do sinal: As antenas activas avançadas podem processar o sinal para filtrar o ruído ou as frequências indesejadas.
4. Transmissão de sinais: No modo de transmissão, os componentes activos asseguram uma propagação eficiente através da amplificação da potência do sinal.

Ao integrar estes componentes activos, as antenas activas podem funcionar de forma mais eficaz em ambientes difíceis, como os que apresentam interferências elevadas ou sinais fracos.

Tipos de antenas activas

As antenas activas podem ser classificadas com base na conceção e na aplicação. Abaixo estão os principais tipos e as suas definições.

1. Antenas de receção ativa: Estes tipos são concebidos para amplificar os sinais de entrada e são utilizados apenas em sistemas de comunicação onde a intensidade do sinal é um fator crítico.
2. Antenas de transmissão activas: Estas incluem amplificadores incorporados para aumentar a potência dos sinais transmitidos, garantindo um maior alcance e fiabilidade. No entanto, as antenas activas são utilizadas principalmente para receber sinais.
3. Antenas inteligentes: Equipadas com algoritmos de processamento de sinais, estas antenas podem orientar os feixes de forma dinâmica para se concentrarem nas direcções desejadas.
4. Antenas de matriz faseada: Compostas por vários elementos com sinais controlados por fase, estas antenas permitem a formação e direção de feixes sem movimento mecânico.
5. Antenas activas de banda larga: Estas antenas funcionam numa vasta gama de frequências, o que as torna adequadas para sistemas de comunicação co1TP15 multifrequência.

Vantagens das antenas activas

As antenas activas oferecem várias vantagens em comparação com as antenas passivas tradicionais. Quando a antena tem de ser utilizada com muitos dispositivos ou em locais com má receção, as antenas activas oferecem uma forma fiável e prática de receber sinais de alta qualidade.

Algumas das principais vantagens das antenas activas são as seguintes

• Melhoria da qualidade do sinal - Normalmente, as antenas activas vêm com amplificadores incorporados que reforçam o sinal, melhorando a receção e a qualidade do sinal. Isto é especialmente útil em locais onde os sinais são fracos ou distantes. A integração de LNAs garante uma receção de sinal amplificada, tornando-as eficazes em ambientes de sinal fraco.

• Alcance alargado - Em comparação com as antenas passivas, as antenas activas podem receber sinais a uma maior distância devido à amplificação que proporcionam. Os componentes activos aumentam a potência do sinal transmitido, alargando a área de cobertura. Em locais rurais ou isolados, onde as torres de transmissão estão longe, isto pode ser extremamente útil.
• Receção multidirecional - Dependendo da sua conceção, as antenas activas podem ser omnidireccionais, permitindo-lhes receber sinais de várias direcções. Encontrar o sinal ideal já não requer modificações constantes da antena devido à disponibilidade de receção omnidirecional ou multidirecional.
• Eficiência energética - Apesar das suas capacidades melhoradas, as antenas activas modernas são concebidas para consumir o mínimo de energia, o que as torna adequadas para aplicações portáteis.

• Tamanho compacto - Em comparação com as antenas convencionais, as antenas activas são normalmente mais compactas e mais pequenas. Por este motivo, é agora possível colocá-las em paredes, janelas ou mesmo em interiores, e a instalação é mais simples. Ao integrar elementos activos diretamente na antena, o tamanho total do sistema pode ser reduzido.

• Funcionalidade dinâmica - As antenas inteligentes e de matriz faseada oferecem capacidades como a formação de feixes, melhorando a eficiência da comunicação.

• Menor interferência - Como as antenas activas têm amplificadores incorporados e capacidades de processamento de sinal, são menos vulneráveis a interferências de equipamentos ou estruturas eléctricas adjacentes. Podem produzir um sinal mais preciso através da remoção de ruído desnecessário.

• Compatibilidade com vários dispositivos - Numerosas antenas activas são concebidas para funcionar com uma série de dispositivos, como dispositivos de streaming, televisores e rádios. São uma opção prática para vários ambientes e aplicações devido à sua adaptabilidade.

• Instalação fácil - A instalação e configuração de antenas activas é normalmente simples. Para ajudar a determinar a melhor localização, incluem frequentemente hardware de montagem, instruções detalhadas e, ocasionalmente, até indicadores de intensidade de sinal integrados.

• Utilização futura - É cada vez mais provável que as novas normas e frequências de radiodifusão sejam suportadas por antenas activas à medida que a tecnologia evolui. Isto implica que a aquisição de uma antena ativa agora garantirá a compatibilidade com quaisquer avanços ou modificações futuros na tecnologia de radiodifusão.

Aplicações das antenas activas

As antenas activas são essenciais para melhorar a fiabilidade, a qualidade e o alcance do sinal numa variedade de aplicações de comunicação sem fios. Seguem-se as aplicações em que as antenas activas são utilizadas para uma variedade de fins.

1. Melhorar a receção de televisão: Utilizadas na radiodifusão sonora e televisiva para melhorar a qualidade e a cobertura do sinal. Em locais onde há interferências ou fraca intensidade de sinal, podem ser utilizadas antenas activas para melhorar a qualidade da receção de televisão.
2. Comunicação sem fios comm: Os routers Wi-Fi e outros dispositivos de comunicação sem fios utilizam antenas activas para enviar e receber sinais.
3. Infra-estruturas de telecomunicações: As estações de base e outros equipamentos de telecomunicações utilizam antenas activas para enviar e receber sinais para comunicações móveis.
4. Redes celulares: As redes celulares utilizam antenas activas para aumentar a cobertura e a intensidade do sinal. Também utilizadas na infraestrutura 5G para melhorar a conetividade.
5. Navegação GPS: Para receber sinais de satélites e fornecer dados de posição precisos, os sistemas GPS necessitam de antenas activas.
6. Sistemas de radar: Os sistemas de radar utilizam antenas activas para enviar e receber ondas de rádio, a fim de localizar e detetar coisas.
7. Comunicação por satélite comm: Os sistemas de comunicação por satélite utilizam antenas activas para enviar e receber mensagens de e para satélites. Também são utilizados em aeronaves para navegação e communicação.
8. Aplicações militares: Para uma ligação fiável e segura, os sistemas de comunicação co1TP15 militares utilizam antenas activas. Aplicadas em sistemas de radar, vigilância e redes de comunicação comm seguras.
9. Internet das Coisas (IoT): Os dispositivos IoT utilizam antenas activas para facilitar a comunicação e a conetividade sem fios.

Comparação com antenas passivas

O tipo mais básico de sistema de antena é o passivo. Com estas, os sinais sem fios viajam através do sistema sem qualquer interferência adicional depois de passarem da rede para o controlador. A força do sinal de entrada é tudo o que as antenas passivas podem usar; elas não são capazes de amplificar o sinal. São mais adequadas para situações em que o custo é uma consideração fundamental, uma vez que são mais fáceis e menos dispendiosas de fabricar.

Em contrapartida, o sinal é melhorado de alguma forma antes de ser distribuído num sistema de antena ativa. Normalmente, é utilizado um amplificador ligado ao controlador, mas também podem ser utilizadas técnicas alternativas de reforço do sinal. As ligações de fibra ótica, por exemplo, são ocasionalmente utilizadas para aumentar a funcionalidade. As antenas activas são normalmente utilizadas em locais com uma elevada densidade de utilizadores e em áreas urbanas densas, onde obstruções como árvores e edifícios enfraquecem o sinal. Para compensar a perda de sinal provocada por estas obstruções, podem aumentá-lo, garantindo uma ligação sólida e fiável.

As antenas passivas são frequentemente utilizadas em regiões menos povoadas, com elevada intensidade de sinal e poucas obstruções. São adequadas para fornecer conetividade fiável sem necessidade de amplificação do sinal.
Em conclusão, as antenas passivas são mais adequadas para locais menos urbanos com uma força de sinal robusta, enquanto as antenas activas, em particular os sistemas de phased array, desempenham um papel crucial na resposta aos desafios do espetro de alta frequência do 5G em áreas urbanas.

Desafios e limitações

Apesar das suas vantagens, as antenas activas enfrentam alguns desafios:

Em grandes edifícios, muitos tipos de sistemas de antenas são benéficos. Afinal, é mais provável que as comunicações sem fios sofram interferências neste tipo de edifícios. O tamanho de um edifício, entretanto, pode eventualmente trabalhar contra um sistema de antena. Atenuação é o processo pelo qual o sinal enfraquece quando os cabos transportam dados por distâncias cada vez maiores. Para inverter este processo, são necessárias antenas activas. Estas reforçam o sinal e permitem uma transmissão a maior distância. Por isso, as antenas activas são muito úteis em grandes edifícios. Nestas situações, podem resolver imediatamente os problemas inerentes à escala do edifício.

1. Dependência de poder: As antenas activas requerem uma fonte de alimentação, o que pode ser uma limitação em ambientes remotos ou com restrições de energia.
2. Complexidade: A integração de componentes activos aumenta a complexidade da conceção e do fabrico.
3. Custo: Os custos de produção mais elevados podem tornar as antenas activas menos acessíveis para projectos com orçamento limitado.
4. Problemas de fiabilidade: Os componentes activos são mais propensos a falhas do que os elementos passivos, o que exige um controlo de qualidade rigoroso.
5. Gestão das interferências: A gestão das interferências em sistemas de antenas activas densamente compactadas pode ser um desafio.

Estudos de caso

• Implantação da rede 5G

No que diz respeito à implantação de redes 5G, as antenas activas têm sido essenciais. Por exemplo, em ambientes urbanos, as antenas phased array com capacidades de beamforming tornaram possível a transmissão de dados a alta velocidade e com menor latência.

• Sistemas de radar militares

Os benefícios estratégicos nas aplicações de defesa são assegurados pelo desempenho superior dos sistemas de radar avançados que utilizam antenas activas na identificação de alvos pouco observáveis.

• Satélite Commransmissão

Os satélites com antenas activas oferecem ligações de comunicação fiáveis, mesmo em condições atmosféricas desfavoráveis, sublinhando a sua importância para a conetividade e a investigação espacial.

• Antena GPS

As antenas activas são utilizadas em antenas GPS que se encontram em smartphones e sistemas de comunicação por satélite, onde é essencial manter a intensidade do sinal em distâncias longas.

• Router sem fios

A antena Wi-Fi que se encontra nos routers sem fios é outro exemplo de uma antena ativa. O alcance da rede sem fios é aumentado e o sinal Wi-Fi é amplificado com a ajuda da antena ativa.

Conclusão

Ao combinarem a filtragem e a amplificação numa pequena embalagem, as antenas activas alteraram completamente o processamento de sinais e a comunicação. São essenciais em utilizações modernas, desde militares a telecomunicações, devido à sua capacidade de aumentar a intensidade do sinal, reduzir o ruído e ajustar-se dinamicamente a circunstâncias variáveis. A importância das antenas activas nos futuros sistemas de commelecomunicações aumentará em resultado dos contínuos melhoramentos tecnológicos que prometem resolver as actuais limitações, como o custo e a dependência da potência.

Ao escolher entre antenas activas e passivas, deve ter em conta uma série de critérios, incluindo o preço, a aplicação e o número de dispositivos suportados. Algumas antenas passivas podem ser menos dispendiosas do que as activas devido à ausência de um amplificador, embora as antenas activas sejam normalmente mais compactas e possam reduzir o ruído e as interferências. Este artigo apresenta uma análise abrangente das antenas activas.