A "antena EH" é realmente um novo tipo de antena ?

 

Ou uma teoria revolucionária (palavras do seu autor) pode estar correta mesmo sendo baseada em ERROS elementares?

 

 

 

Por PY4ZBZ, Roland Zurmely. (04-06-2003   rev: 11-08-2009)

 

 

Eu quase nada não sei. Mas desconfio de muita coisa. (Guimarães Rosa, em Grande Sertão: Veredas)

 

 

    Vários colegas radioamadores me pediram informações sobre a "antena EH". Fiz inúmeras pesquisas na Internet, analisei os artigos do “inventor” da antena, artigos de defensores e outros artigos técnicos que reportam a baixa eficiência e outros inconvenientes desta antena. Também fiz, eu mesmo, varias experiências de construção e testes desta antena, sempre comparando os resultados com uma antena de referencia bem conhecida que é o dipolo de meia onda. E queimei os dedos ao tocar na bucha (ligada a blindagem do cabo) do wattímetro Bird, ligado com um cabo de 3 metros para a antena e 5 metros para o radio, com 20 W de potencia direta e 0,5 W de potencia refletida, ou seja, uma ROE da ordem de 1,4/1, o que foi uma forma dolorosa de comprovar que é o cabo que irradia mais que a própria "antena EH", como será mostrado a seguir.

E nem o fato de ter um tamanho pequeno é vantagem, porque ela funciona somente quando ligada através de um cabo bem comprido !... (E não funciona como antena móvel, com cabo curto!...)

Veja algumas fotos da "EH", junto com as promessas mirabolantes!.

 

    Escrevi as palavras "inventor" e "antena EH", no parágrafo anterior, entre aspas, pois para mim o senhor Ted Hart, W5QJR, não inventou nada, simplesmente porque a antena denominada por ele de EH não passa de um dipolo de Hertz, ligado a um circuito adaptador de impedância. O dipolo de Hertz recebeu este nome em homenagem a Heinrich Hertz, que em 1888 provou a existência das ondas eletromagnéticas.

 

    É importante lembrar que um dipolo de Hertz é um dipolo muito curto, ou seja, um dipolo cujo comprimento é muito menor que meia onda. É sabido que tal dipolo apresenta uma impedância muito alta e essencialmente capacitiva, e que para ser usado com equipamentos comuns de comunicação precisa de um adaptador de impedância ou sintonizador de antenas. E é sabido também que o ganho do dipolo de Hertz é muito inferior ao dipolo de meia onda, e é por isso mesmo muito pouco usado para transmissão em telecomunicações, sendo mais usado para recepção, medições de intensidade de campo e como modelo teórico (dipolo elementar ou dipolo infinitesimal) em programas de modelagem e cálculos de antenas como o NEC (Numerical Electromagnetic Code), EZNEC, NEC4WIN, MMANA e muitos outros. (obs.: muitas vezes, o dipolo de meia onda é chamado erroneamente de dipolo de Hertz)

 

    Repetindo: a antena denominada EH nada mais é que um dipolo de Hertz junto com o respectivo circuito adaptador de impedância.

 

    E exatamente como acontece em uma serie de outras antenas de outros autores (e que não pregam a teoria da EH), como por exemplo: a Super-C, a Micro-Vert e a Isotron.

 

    Todas evidentemente funcionam, mas como um simples dipolo de Hertz, e como é de se esperar de um tal dipolo, com um ganho sempre muito inferior ao dipolo de meia onda ou a vertical de um quarto de onda com plano de terra. E todas usam um cabo (Micro-vert e Isotron) ou placa (super C) de dimensões razoáveis como contrapeso.

 

    Mas o sr. Hart se gaba de ter inventado uma forma de combinar os campos, elétrico (E) e magnético (H), de forma que fiquem em fase, já na região de campo próximo (near field) da antena, e não apenas na região de campo distante (far field), como acontece com qualquer antena. E ele prega que isso resulta numa alta eficiência,  com um tamanho físico menor que 2% do comprimento de onda, mas sem ter provado isto com números ou resultados de testes precisos. (todas as medições sérias provam o contrário). Defensores da antena EH dizem que receberam reportagens de por exemplo S9+10 dB com a tal antena, mas isto não prova absolutamente nada, pois não há referencia, ou seja, qual seria o sinal na mesma hora usando uma antena de referencia e de ganho conhecido como por exemplo o simples dipolo de meia onda (e que no caso, comprovado por mim mesmo e muitos outros, seria de pelo menos S9+20 dB !...). Onde está a alta eficiência?

 

    Na teoria do Sr Hart, que se baseia em formulas complicadas (teorema de Poynting e equações de Maxwell), existem no mínimo três erros básicos e elementares, e que mostrarei a seguir. Mas antes vou resumir a teoria do Sr Hart a respeito de sua “antena EH”.

 

A parte inicial (e QUASE correta) da teoria do Sr. Hart:

 

    A antena EH é constituída fundamentalmente de um pequeno dipolo, feito com dois cilindros metálicos separados e que formam evidentemente um capacitor, já que o comprimento dos dois cilindros é muito pequeno em relação ao comprimento de onda.

(Por exemplo, dois cilindros de cobre de 16 cm de comprimento e 5 cm de diâmetro, separados por 5 cm (da forma usada na "EH") apresentam uma impedância de entrada de 0,071 -j3028 ohms em 14,2 MHz, ou seja, um capacitor quase perfeito de 3,7 pF. A resistência de radiação é de apenas da ordem de 0,05 ohms !...)

 

Ao aplicarmos uma fonte de RF ao dipolo, circula uma corrente, defasada praticamente 90 graus para frente da tensão aplicada, pois o dipolo de Hertz é altamente capacitivo, sendo a sua parte resistiva muito pequena (comparada à parte reativa) e constituída pela soma das resistências de radiação e de perdas. Entre os dois cilindros, a tensão aplicada gera um campo elétrico (E). E como esta tensão é alternada, haverá uma corrente entre estes dois cilindros: a famosa corrente de deslocamento (displacement current) formulada por Maxwell. E esta corrente por sua vez gera um campo magnético (H). E como a corrente num capacitor está adiantada 90 graus em relação à tensão aplicada nele, conclui-se que os dois campos E e H também estão defasados de 90 graus, pois E está em fase com a tensão e H em fase com a corrente.

 

    Mas, acontece que numa onda eletromagnética :

    - estes dois campos E e H estão em fase eletricamente,

    - e situados fisicamente em planos ortogonais,

    - e os dois vetores E e H, além de estarem a 90 graus fisicamente, ainda estão ambos a 90 graus em relação ao vetor velocidade de propagação. Veja em três dimensões nesta animação)

 

    Esta segunda propriedade, campos em planos a 90 graus, já está satisfeita entre os dois cilindros, porque o campo elétrico é paralelo aos eixos (coincidentes) dos dois cilindros, enquanto que o campo magnético é perpendicular aos mesmos (pois é perpendicular a corrente que o produz). Portanto falta apenas colocar os dois campos em fase eletricamente para termos uma onda eletromagnética. Até aqui está quase tudo certo. (apesar de que existe muita polemica no meio cientifico a respeito da corrente de deslocamento, mas isto é outro problema e não importa muito neste caso). O "quase" da frase anterior se refere ao terceiro erro listado mais abaixo.

 

A parte final da teoria do Sr. Hart, onde estão dois dos três os ERROS ! 

 

Na figura abaixo, os erros marcados por mim em vermelho e azul, na copia de parte do artigo original do Sr. Hart :

 

 

    Primeiro erro : Ingenuamente (é o mínimo que posso dizer de alguém que cita Maxwell e Poynting!; e não consigo entender como muita gente “boa”, ou seja, que tem algum conhecimento, embarcou neste sofisma!  : o Sr. Hart resolve o problema colocando em serie com os cilindros um indutor (ou qualquer outro circuito mais complexo de defasamento), que, como todo mundo sabe, defasa a corrente 90 graus (ou quase) para traz em relação à tensão existente nos terminais deste indutor (parte marcada em vermelho). Pelo raciocínio do Sr Hart: o indutor atrasou em 90 graus a corrente que estava adianta em 90 graus no capacitor, e portanto agora está com +90-90 = zero graus, e conseqüentemente, os dois campos E e H agora estão em fase, e portanto gerou-se uma onda eletromagnética, já na região de campo próximo da antena. E o Sr Hart batizou a sua “descoberta” de Antena EH !. E ainda diz no seu artigo que no futuro todas as antenas serão EH !... E  patenteou o seu “invento”.

 

    Qualquer estudante de segundo grau de eletrotécnica é capaz de descobrir o ERRO GRITANTE no raciocínio do Sr. Hart (que ignorou as leis de Kirchhoff !, de forma semelhante aquele prefeito que mandou revogar a lei da gravidade!...), sem precisar recorrer a Maxwell e etc... Vejamos:

O indutor e o capacitor formam um circuito SERIE. E num circuito serie a corrente é a MESMA em todos os elementos do circuito, e é portanto é usada como referencia de fase. Qualquer que seja a reatância do indutor e do capacitor (e desprezando-se as perdas), a tensão nos terminais do indutor estará sempre 90 graus à frente da corrente; e a tensão nos terminais do capacitor estará sempre 90 graus para trás em relação a esta mesma corrente no circuito. E a soma das tensões de cada componente do circuito serie é igual à tensão total e é igual à tensão da fonte.

No caso particular (da EH e outras que citei acima) em que a reatância do indutor for ajustada propositalmente para ser igual à do capacitor, a soma vetorial das tensões do indutor e do capacitor será nula, pois serão iguais e estão a 180 graus entre si. Nesta situação o circuito está em ressonância e a antena está sintonizada, pois apresentara uma reatância total nula, restando apenas a parte resistiva composta pela resistência de radiação do dipolo mais as perdas, e a corrente do circuito estará em fase com a tensão da fonte, que é a mesma tensão aplicada à parte resistiva do circuito. Portanto, o indutor, colocado em serie com o capacitor, e ajustado para ter a mesma reatância, teve como efeito de colocar a corrente do circuito em fase sim, mas com a tensão da fonte (e que é igual à soma das tensões do capacitor e do indutor), e não com a tensão individual do capacitor ou do indutor !

 

    A TENSÃO nos terminais DE UM CAPACITOR CONTINUA SEMPRE 90 GRAUS PARA TRÁS EM RELAÇÃO À CORRENTE que circula nele (e o capacitor pode estar em um circuito serie, paralelo ou misto, NÃO importa!).

 

    Portanto, esta antena NÃO gera, na região de  campo próximo, campos E e H em fase, como quer o Sr.Hart !

 

    E NINGUÉM conseguirá que estejam em fase (usando como radiador um capacitor), pois a propriedade natural do capacitor faz com que a corrente que circula nele seja proporcional à taxa de variação da tensão aos seus terminais: 

    i = C dV/dt

ou em outras palavras, proporcional a derivada da tensão em relação ao tempo. No caso desta tensão ser senoidal, a corrente será proporcional à derivada da função seno, ou seja, será uma função coseno do tempo e portanto igual em forma a uma função seno (ou senoidal), porém defasada 90 graus para frente (cos(x) = sen(x+90)). Se tensão e corrente estão em fase num determinado elemento, então este elemento só pode ser um resistor, e não um capacitor ou um indutor !

 

    Somente no dipolo de meia onda (e seus derivados, ou múltiplos inteiros, e seu equivalente monopolo de um quarto de onda com plano de terra, etc..) corrente e tensão estão em fase, devido ao fato que ele está em ressonância natural, ou seja, as reatâncias distribuídas, indutivas e capacitivas, são iguais. A sua impedância de entrada é essencialmente resistiva, e principalmente constituída da resistência de radiação. (da ordem de 73 ohms para o dipolo aberto de meia onda)

E a resistência de radiação é responsável pela transformação da energia elétrica em energia eletromagnética (ou vice versa). 

 

    Segundo erro : E para piorar as coisas, o Sr. Hart conseguiu um milagre, pois é impossível mudar as características intrínsecas internas de um elemento bipolar colocando em serie (ou em paralelo) com ele outro elemento bipolar. Na parte marcada em azul, ele diz que o indutor colocado em serie com o dipolo faz aparecer neste ultimo uma nova resistência e um novo indutor. Uma verdadeira afronta as leis básicas de eletrotécnica, ou melhor, um belo conto do vigário !...

 

   Terceiro erro:  O Sr. Hart afirma que na antena EH ele consegue uma "forma revolucionária de gerar separadamente e depois combinar o campo elétrico E e o campo magnético H para formar a onda eletromagnética". 

Isso é IMPOSSÍVEL, simplesmente porque NÃO é possível COMBINAR  aquilo que não é possível SEPARAR !

Vejamos porque:

1 - o elétron PARADO gera apenas um campo elétrico estático, pois o elétron possui carga elétrica.

2 - o elétron em movimento UNIFORME constante gera, além do campo elétrico, um campo magnético estático. O movimento do elétron dá origem à corrente elétrica que por sua vez gera campo magnético.

3 - o elétron em movimento ACELERADO (e/ou desacelerado) (movimento produzido por uma corrente senoidal por exemplo), gera uma onda eletromagnética. Ou seja, já gera ao mesmo tempo as ondas de campo elétrico e magnético. Conseqüentemente, não é possível a um elétron em movimento ondulatório (onde há aceleração e desaceleração) gerar somente ondas de campo elétrico ou somente ondas de campo magnético.

Portanto, na antena EH, a corrente de deslocamento  (displacement current) no capacitor formado pelo dois cilindros já gera uma onda eletromagnética, e não apenas uma onda magnética como diz o Sr Hart, e que seria "combinada" milagrosamente com o campo elétrico gerado por este capacitor. A própria corrente que circula longitudinalmente nos cilindros também já gera uma onda eletromagnética.

Um exemplo bem claro de que não é possível separar o componente elétrico do magnético de uma onda eletromagnética é a gaiola de Faraday, muito usada em laboratórios para ter um ambiente livre das ondas eletromagnéticas geradas externamente. Ela pode ser feita de material não magnético, basta ser feita de um material bom condutor elétrico, que somente age como curto-circuito para o campo elétrico. Mas internamente à gaiola, não há vestígios de ondas eletromagnéticas geradas externamente (ou são no mínimo muito atenuadas) ! Mas a gaiola de Faraday não impede que internamente existam campos magnéticos estáticos (não ondas) como por exemplo o campo magnético da terra ou o campo gera por um imã externo. Neste caso de campos estáticos, a gaiola condutora de material não magnético apenas bloqueia campos elétricos.

E a famosa relação entre os campos elétrico E e magnético H de uma onda eletromagnética, que no espaço livre é de E / H = 377 ohms (conhecida com impedância do espaço livre e que é uma constante natural assim como Pi por exemplo), também permite entender porque é impossível separar os componentes: o elétrico é sempre 377 vezes o magnético !

Portanto, se conseguirmos anular (zerar) um deles (como o faz a gaiola com o campo elétrico), o outro será 377 vezes zero, ou 0 dividido por 377, conforme o caso, e o que sempre resulta em zero também para o outro componente !

E inversamente, se conseguíssemos gerar uma onda apenas elétrica, automaticamente ela viria acompanhada por por uma onda magnética, pois a relação entre elas é de 377 ohms (e não zero!), e além de estarem EM FASE (as suas variações no tempo), elas estão situadas fisicamente em planos ortogonais, como já foi dito mais acima.

Da mesma forma que numa resistência ôhmica (diferente de zero ohms), não é possível existir apenas tensão ou apenas corrente !

 

 

Finalizando.

 

    Estas antenas, EH e outras citadas acima, baseadas no dipolo de Hertz, usam o fenômeno da ressonância para conseguir uma impedância resistiva. Mas como valor desta resistência de radiação é muito diferente de 50 ou 75 ohms (valores comuns em equipamentos de RF), ainda é preciso um outro circuito para converter a impedância da antena em 50 ohms (ou qualquer outro valor). Esta conversão pode ser feita também no mesmo circuito que garante a ressonância (ou defasamento),  por exemplo, usando circuitos LC em PI , L, T ou outras combinações, ou  um sintonizador de antenas separado.

 

    Como a "antena EH" gera um campo elétrico muito intenso num espaço muito pequeno e situado no final do cabo coaxial que a alimenta, isso resulta em correntes de modo comum (ou longitudinais) no cabo coaxial, o que provoca problemas de retorno de RF no equipamento e faz com que o próprio cabo coaxial passa a funcionar como parte da antena (e acontece o mesmo com qualquer estrutura metálica situada nas imediações). O Sr. Hart reconhece o problema no seu artigo: RF on the coax.

Portanto, quanto mais alta for a posição da antena em relação ao solo, maior será o comprimento do cabo e mais ele contribuirá com o ganho da “antena EH” , de maneira semelhante a uma “end feed antenna” ou uma “long wire”!... Foi o que comprovei, e qualquer um pode repetir a experiência, desligando a "antena EH" no final do cabo de aproximadamente 10 metros, e alimentando o cabo apenas pela blindagem, em relação a um condutor de terra, com um sintonizador de antenas, obtendo exatamente os mesmos resultados, na banda de 20 metros, em relação à "antena EH" corretamente alimentada!

Existem variações quanto à forma do dipolo usado nestes tipos de antenas de tamanho reduzido: dois cilindros, dois cones, um cone e um plano (disco), dois discos paralelos, etc...

 

 

Conclusão.

 

    Como pode ser conferido no que escrevi acima, não estou dizendo que a "antena EH" não funciona, mas que ela certamente NÃO funciona como o pretende o Sr. Hart !

NÃO tem alta eficiência, NÃO é imune a interferências e EMI, NÃO tem as outras vantagens que seu “inventor” alega, a não ser o seu "tamanho reduzido", e NÃO é um novo tipo de antena ou muito menos um novo tipo de tecnologia revolucionária !.

 

       Observação: a "antena EH" já nasceu meio capenga, pois foi derivada de um outro tipo de antena, a CFA (Cross Field Antenna), cujos autores também afirmam (erroneamente) ter conseguido sintetizar uma onda eletromagnética na região de campo próximo, mas usando três elementos. Este tipo de antena está sendo usado em poucas estações de radiodifusão AM, mas várias já foram abandonadas devido ao seu baixo rendimento...

 

        IMPORTANTE:

    

    Se você pretende usar uma EH, você devera usar um cabo com no mínimo um quarto de onda de comprimento (não calculado com o fator de velocidade do cabo, que só vale no modo diferencial, porque o cabo irradia devido a corrente de modo comum). Este cabo devera ser o mais esticado (reto e vertical) possível e passar longe de qualquer outro cabo ou estrutura metálica, pois é ele que irradia mais de 99% da energia, restando menos de 1% para a própria EH.

 

     O que a EH faz é simplesmente se comportar como um gerador de corrente de modo comum ligado ao final do cabo, em relação a terra, fazendo com que o cabo se comporta como uma antena end-feed.  (veja o artigo de V.Demidov).

 

 

    Vejam também a conclusão de Lloyd Butler VK5BR, após vários anos de testes com antenas EH e antenas X2/X3 : THE EH AND X2/X3 ANTENNAS - WHAT REALLY MAKES THEM WORK

 

 

Bibliografia:  

 

 

Veja aqui os artigos originais do autor da EH, Ted Hart.  

 

Veja aqui um excelente artigo de Vadim Demidov, uma verdadeira aula, que prova (usando o MMANA) que mais de 99% do ganho da EH é devido ao cabo que a alimenta!... (G=-25,2 dBI para EH sem cabo contra -0,67 dBi para a EH com cabo vertical de um quarto de onda o que equivale a 99,647% para o cabo!.) (E, para aqueles que esqueceram, o artigo também explica o que é corrente de modo comum...)

Veja aqui também mais artigos do mesmo autor. 

 

E veja aqui mais alguns artigos que o contestam (de forma mais técnica e aprofundada) a falsa "teoria da EH":

  artigo1artigo 2 de W8JIartigo 3artigo 4artigo 5.

 

Veja sites de PY2CM  e  EHeuroantenna (patenteada), alguns dos fabricantes destas "antenas EH" !...

 

Fabricantes de outras antenas de dimensões reduzidas, não denominadas EH, mas de comportamento semelhante: a Super-C,  a Micro-Vert  e a Isotron.