O programa MMANA de Makoto Mori JE3HHT
 
Por Roland Zurmely PY4ZBZ  rev. 07-04-2007
 
Parte 2
Índice:

- Interconexão dos condutores.

- Posicionamento de fontes e cargas.

- Cálculo das características fundamentais da antena.
 

    Interconexão dos condutores.

    Para definir um simples dipolo, basta definir um único condutor e colocar a fonte no meio, como no caso do radiador do exemplo 1 anterior. Mas, para definir um dipolo em V invertido, devemos definir dois condutores, pois somente podemos definir segmentos de reta. E para poder inserir a fonte, precisamos de um terceiro condutor bem curto, ligado aos dois primeiros.
Para que dois ou mais condutores fiquem interligados, devem ter cada um uma extremidade com exatamente as mesmas coordenadas.
Veja o exemplo do V invertido: (coordenadas x1,y1,z1 e x2,y2,z2)
    fio 1:  0, 0.01, 0   e   0, 5, -5  (uma metade do dipolo)
    fio 2:  0, -0.01, 0   e   0, -5, -5  (a outra metade)
    fio 3:  0, 0.01, 0   e   0, -0.01, 0  um fio de 2 cm de comprimento que ira conter a fonte, em w3c.
Veja o resultado na figura 7, onde foi dado zoom no fio 3:

Para fazer uma derivação em T com dois condutores, ou seja, ligar a extremidade de um condutor ao centro (ou qualquer outro lugar excluindo as extremidades) do outro condutor, devemos definir três condutores: o topo do T deve ser dividido em dois pedaços que terão em comum duas extremidades e com as mesmas coordenadas de uma extremidade da base do T. Exemplo:
    fio 1 :  -1, 0, 0   e   0, 0, 0  onde 0, 0, 0 são neste exemplo as coordenadas do ponto de conexão.
    fio 2 :  0, 0, 0   e   2, 0, 0   fios 1 e 2 formam o topo do T com 3 metros de comprimento, horizontal.
    fio 3 :  0, 0, 0   e   0, 0 -4   fio 3 tem 4 metros, vertical e é ligado a 1 metro do inicio do fio de topo.
 

    Posicionamento de fontes e cargas.
 
    Fontes e cargas são posicionadas somente em pulsos, e usando a seguinte convenção :

    w n c m  :  m pulsos fora do centro do fio n  (m pode ser negativo)
    w n b m  :  m pulsos depois do inicio do fio n
    w n e m  :  m pulsos antes do fim do fio n

Por exemplo, já vimos que w1c significa : no centro do fio 1 (pois a variável m vale 0 quando omitida)
Obs.: o inicio ou o fim de um fio, para posicionamento de fonte ou carga não é o ponto físico de inicio ou fim, mas o primeiro pulso próximo ao inicio ou fim.
Portanto, se posicionarmos uma fonte em w2b3, esta fonte fica situada no quarto (3+1) pulso depois do inicio do fio 2.

Uma fonte, depois de posicionada, assume o valor default de 1 Volt com fase 0. O valor da tensão não tem a menor importância (desde que diferente de zero). A fase é muito importante quando temos mais de uma fonte como por exemplo numa HB9CV, onde os dois elementos são alimentados por duas fontes e com 135 graus de defasamento entre elas.
O valor das cargas pode ser informado de três formas : valores de L e C , valores de R + jX  ou parâmetros S, clicando na coluna "Type" (fig.1).
Para mais informações, consulte o "help" do programa e os inúmeros arquivos *.mma exemplos de antenas disponíveis, em Open, File.
 
 
    Cálculo das características fundamentais da antena.

    Finalmente, podemos efetuar um calculo das características básicas da antena, que são:

      Sempre para uma freqüência especificada pelo usuário:

    - a impedância de irradiação da antena, no formato R+jX . (impedância no ponto onde foi definida a fonte)

    - a relação de ondas estacionárias SWR, tendo como referência o valor especificado pelo usuário em Options, Setup, Standard Z.

    - os ganhos em relação ao dipolo e a isotrópica, a relação frente costas e para antenas que incluem o efeito do solo, o angulo de elevação do lóbulo principal.

    - o diagrama de irradiação de campo distante nos planos horizontal e vertical, e para componentes de polarização de onda V e H ou total.

    - gráficos que representam a variação de R, jX e SWR em função da freqüência, para permitir obter a banda passante da antena e a sua freqüência central ou de ressonância.

    - o programa também permite visualizar a distribuição da corrente em todos os elementos.

    Além destes parâmetro fundamentais, o programa anda permite calcular vários tipos de circuitos para adaptação da impedância da antena para um valor desejado, em "Options and setup".

O calculo e feito em "Compute" com o botão "Start", após serem definidos : a freqüência, o tipo de material dos condutores e se a antena esta em espaço livre ou então a que altura do solo, e neste caso, qual o tipo de solo.
A seguir temos os resultados dos cálculos feitos com a antena do exemplo 1, (definida na parte 1).

Observe na fig.8 que foram feitos dois cálculos, que vão sendo automaticamente inseridos na lista. O de numero 1 foi feito em espaço livre (free) e o Nr. 2 com a antena a uma altura de 10 metros, como solo de características reais (não perfeito). As medidas da antena do exemplo 1 são arbitrarias e depois, na parte 3, veremos como otimizá-la para uma determinada freqüência. Portanto, a freqüência usada para calculo não é necessariamente a freqüência de ressonância da antena, como se pode ver pelo valor da sua impedância: 54,478-j29,693 ohms: a antena está curta demais para a freqüência de 14200kHz pois apresenta uma reatancia capacitiva de -j29,693 ohms.

A figura 9 mostra o diagrama de irradiação polar da antena. A esquerda, o diagrama no plano horizontal (visto de cima), sendo a direção X ou zero de azimute o ponto onde está o 0 da escala de ganho em dB (a parte superior). Em preto está a intensidade do campo polarizado horizontalmente e em vermelho, a componente polarizada verticalmente (lembramos que o plano que define a polarização é o plano do campo elétrico, e por favor, não confunda plano do diagrama com plano de polarização) Como esta antena tem o seu dipolo radiador na horizontal, realmente o campo de maior intensidade é o horizontal, sendo o vertical criado pela presença do solo (inexistente em espaço livre)
A direita está o diagrama de irradiação no plano vertical, onde também são representados as intensidades relativas das ondas polarizadas H em preto e V em vermelho. Esta ultima, no caso particular desta antena, não existe. Nele podemos ver o angulo de elevação do lóbulo principal, que no caso vale 27,6 graus. Este diagrama só cobre 180 graus, o que é evidente com a presença do solo !, mas mesmo em espaço livre, também só é mostrada esta metade superior, pois a metade inferior é exatamente igual em espaço livre e inexistente com a presença do solo.
Importante: o diagrama do plano horizontal (a esquerda) é na verdade feito no plano horizontal correspondente a elevação do maior lóbulo do plano vertical, ou seja, no caso desta antena, é um plano elevado a 27,6 graus da horizontal ! e onde a antena tem o maior ganho. Porém, se o angulo de elevação do lóbulo principal for maior que 87 graus, então o diagrama horizontal será feito numa elevação de 45 graus. Você pode obter o diagrama em outro plano, apertando o botão "Elevation" e especificando o valor.
No caso da presença do solo, o ganho é especificado apenas em relação a antena isotrópica, e não em relação ao dipolo de meia onda como no caso de espaço livre. (a diferença entre Gi e Gd é 2,15 dB)

Na figura 10 seguinte, podemos ver a distribuição das correntes nos elementos. Como esta é uniforme desde as pontas dos elementos, podemos concluir que o método de segmentação usado é correto.

   IMPORTANTE :

Para que o diagrama de irradiação no plano vertical esteja correto, é preciso que a "frente" da antena esteja no eixo +X, que no diagrama horizontal da figura 9, aponta para cima ou NORTE. O eixo +Y corresponde a direção LESTE e o eixo -Y aponta para o OESTE. O eixo +Z aponta para cima ou para o ZÊNITE. O diagrama no plano vertical corresponde a um corte paralelo aos eixos Z e X, mostrando então a "frente" da antena para a direita (eixo +X ou Norte) e as "costas" da antena para esquerda (eixo -X ou Sul).

Outro detalhe importante:

Uma antena, (sempre que possível * ), deve ser caracterizada em ESPAÇO LIVRE (Free Space), pois o ganho, diagramas, etc... de uma antena são extremamente afetados pela presença do SOLO, dependendo da altura da antena em relação ao solo e das características elétricas deste solo. Tanto que o ganho Gh da antena é calculado em dBd somente em espaço livre

* É obvio que antenas monopolo, que usam o solo como refletor ou "contrapeso", e outras semelhantes, não podem ser caracterizadas em espaço livre.

* O ganho na presença do solo é usado principalmente em antenas na faixa de HF, onde ocorre propagação ionosférica, e onde é importante conhecer o angulo de elevação do lóbulo principal (veja exemplo anterior) que depende muito da altura da antena em relação ao solo.

Como na presença do solo, o diagrama e o ganho do dipolo mudam completamente, este não pode ser mais usado como referencia de ganho na presença do solo. A figura seguinte mostra por exemplo o efeito do solo:

No caso particular da condições da figura acima, o diagrama do dipolo é onidirecional no plano vertical transversal ao dipolo horizontal (O diagrama só mostra a metade superior: em espaço livre existe também a metade inferior do diagrama, que é idêntica a superior e simétrica ao eixo X e por isso não é desenhada). Se trata portanto de um circulo, com 2,15 dBi de ganho (vermelho). O mesmo dipolo a 6 metros de um solo perfeito passa a ter 12 direções (ou ângulos de elevação) com ganho de 8,02 dBi ! mas em compensação tem outras direções com ganho menor, e menor ainda que 2,15 dBi, chegando até a menos de -40 dBi !, nas áreas amarelas da figura seguinte. ( o ganho médio continua 2,15 dBi...)

Com a presença do solo, realmente não existe a metade inferior do diagrama, pois o solo sendo condutor, age como refletor, não havendo  irradiação para dentro dele.

Conclusão: na presença do solo, não existe mais a famosa diferença de 2,15 dB entre o ganho em dBi da antena e o seu ganho em dBd.

Veja aqui um ótimo artigo sobre dBi, dBd, dBd-I, dBd-RM e dBd-RR.