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Antena de slot

feeding

Figura 1: O comprimento de um slot determina a frequência ressonante, a largura da ranhura determina a ampla largura de banda do radiador do slot.

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Figura 1: O comprimento de um slot determina a frequência ressonante, a largura da ranhura determina a ampla largura de banda do radiador do slot.

Antena de slot

Radiadores de slot ou antenas de slot são antenas usadas na faixa de frequência de cerca de 300 MHz a 25 GHz. Eles são freqüentemente usadas no radar de navegação, geralmente como uma matriz alimentada por um guia de ondas. Mas também as antenas antigas de grandes arranjos em fase usaram o princípio porque os radiadores de slot são uma maneira muito barata de arrays de varredura de frequência. As antenas de slot são um slot alongado de aproximadamente λ/2, cortado em uma placa condutora (considere uma folha condutora infinita) e excitado no centro. Este slot se comporta de acordo com o princípio de Babinet como radiador ressonante. Jacques Babinet (1794 - 1872) era um físico e matemático francês, formulou o teorema de que padrões de difração semelhantes são produzidos por duas telas complementares (princípio de Babinet). Este princípio relaciona os campos irradiados e a impedância de uma antena de abertura ou slot à do campo de uma antena dipolo. A polarização de uma antena de slot é linear. Os campos da antena do slot são quase os mesmos da antena dipolo, mas os componentes do campo são trocados: um slot vertical possui um campo elétrico horizontal; e o dipolo vertical tem um campo elétrico vertical.

The impedance of the slot antenna (Zs) is related to the impedance of its complementary dipole antenna (Zd) by the relation:

Zd · Zs = η2/4   Zs = impedância da antena do slot
Zd = impedância de sua antena dupla
η  = impedância intrínseca do espaço livre.
(1)

Segue-se por Zs = 485 Ω.

A largura da banda de uma ranhura retangular estreita é igual à do dipolo relacionado e é igual a metade da largura de banda de um dipolo cilíndrico com um diâmetro igual à largura da ranhura. A Figura 2 mostra antenas de slot diferentes da forma retangular que aumenta a largura de banda da antena de slot.

Figura 2: Várias antenas de slot de banda larga.

Figura 2: Várias antenas de slot de banda larga.

Embora a teoria exija uma superfície condutora de propagação infinita, o desvio do valor teórico é pequeno quando a superfície é maior que o quadrado do comprimento de onda. A alimentação da antena do slot pode ser feita com uma linha de dois fios comum. A impedância depende do ponto de alimentação, como em um dipolo. O valor de 485 Ω aplica-se apenas a um ponto de alimentação no centro. Uma mudança do ponto de alimentação do centro para a borda diminui constantemente a impedância.

A aplicação de antenas de slot pode ser versátil. Eles podem substituir dipolos, por exemplo. se for necessária uma polarização perpendicular à extensão longitudinal do radiador. Se um dipolo é usado para alimentar uma antena parabólica para gerar um feixe de ventilador verticalmente orientado, mas polarizado horizontalmente, esse dipolo deve ser orientado horizontalmente. Isso significa que as superfícies das bordas do refletor parabólico não serão suficientemente iluminadas, mas muita energia acima e abaixo do refletor seria perdida. Além disso, o comprimento do dipolo é estendido em um plano, no qual exige um ponto como fonte de radiação para o foco do refletor parabólico. Se esse dipolo for substituído por uma antena de slot, nesse caso, não surgem essas desvantagens.

Slots em guias de onda

Figura 3: Vários arranjos de slots em um guia de ondas.

Figura 3: Vários arranjos de slots em um guia de ondas.

Antenas de slot em guias de onda fornecem uma maneira econômica de projetar matrizes de antenas. A posição, forma e orientação dos slots determinarão como (ou se) eles irradiam. A Figura 3 mostra um guia de ondas retangular com um instantâneo desenhado com linhas vermelhas da distribuição esquemática da corrente nas paredes do guia de ondas. Se os slots forem cortados nas paredes, o fluxo de corrente será afetado mais ou menos, dependendo da localização do slot. Se os slots forem suficientemente estreitos, os slots B e C (Fig. 3) terão pouca influência na distribuição atual. Esses dois slots não irradiam (ou muito pouco). Os slots A e D representam barreiras ao fluxo atual. Assim, esse fluxo de corrente atua como um sistema de excitação para o slot, este atua como radiador. Como a onda no guia de ondas avança, essas linhas desenhadas migram na direção da propagação. O slot obtém um potencial de tensão sempre alternado nas bordas do slot (dependendo da frequência no guia de ondas). A energia que o slot irradia pode ser alterada movendo-os para mais perto ou mais longe da borda. Os slots A e D (conforme ilustrado na Figura 3) têm o acoplamento mais forte à energia de RF transportada no guia de ondas. Para reduzir esse acoplamento, por exemplo, o slot A pode ser movido para mais perto de uma das paredes mais curtas do guia de ondas. A rotação dos slots teria o mesmo efeito (um ângulo entre as orientações de A e B ou C e D). O acoplamento dessa fenda girada é um fator de aproximadamente sin2 do ângulo de rotação θ.

Antenas com guia de ondas com fenda

Figura 4: Geometria básica de uma antena com guia de onda com fenda (os radiadores de fenda estão na parede mais larga do guia de onda retangular.)

Figura 4: Geometria básica de uma antena com guia de onda com fenda (os radiadores de fenda estão na parede mais larga do guia de onda retangular.)

Vários radiadores de fenda em um guia de ondas formam uma antena de grupo. O guia de ondas é usado como linha de transmissão para alimentar os elementos. Para irradiar na fase correta, todos os slots únicos devem ser cortados à distância do comprimento de onda, válido para o interior do guia de ondas. Esse comprimento de onda difere do comprimento de onda no espaço livre e é uma função do lado mais largo a de um guia de ondas retangular. Normalmente, esse comprimento de onda é calculado para o modo TE₁₀ mode por:

a  = comprimento do lado mais largo dos guias de onda retangulares
λh = comprimento de onda „guiado“ (dentro do guia de ondas)
λ  = comprimento de onda no espaço livre
(2)

Figura 5: Geometria básica de uma antena de guia de onda com fenda com antenas de slot giradas na parede mais estreita.

Figura 5: Geometria básica de uma antena de guia de onda com fenda com antenas de slot giradas na parede mais estreita.

O comprimento de onda dentro do guia de ondas é maior que no espaço livre. A distância dos radiadores de fenda no grupo é ajustada nesse comprimento de onda para um valor ligeiramente maior que o comprimento de onda λ no espaço livre. O número e o tamanho dos lobos laterais são afetados de maneira tão desfavorável. Os slots geralmente são fixados à esquerda e à direita excentricamente (com acoplamento reduzido). Se montado no lado estreito do guia de ondas, pode acontecer que o comprimento do radiador da ranhura ressonante seja menor que a parede. Nesse caso, o slot também pode ser guiado pelos cantos e, então, também fica ligeiramente no lado A do guia de ondas. Na prática, essas fendas são todas cobertas com um material isolante fino (para a proteção do interior) do guia de ondas. Este material pode não ser higroscópico e deve ser protegido das condições climáticas.

Um único radiador de slot estreito também pode funcionar em frequências ±5 … ±10%, além da frequência de ressonância. Para antenas de matriz, isso não é possível com tanta facilidade. Uma antena desse grupo é fixada fortemente a uma única frequência, que é determinada pelo espaçamento de exatamente λh, e para a qual a antena foi otimizada. Se a frequência for alterada, essas distâncias não estão corretas, o desempenho da antena diminui. A diferença de fase que surge entre os elementos da antena é adicionada a todo o comprimento da antena a valores que não podem mais ser tolerados. Essa antena começa a „apertar os olhos“, ou seja, o padrão da antena aponta em uma direção diferente do eixo central óptico. Este efeito também pode ser explorado para obter um pivotamento eletrônico do feixe da antena em função da alteração da frequência de transmissão.


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