Estudo sobre a influência dos mastros paralelos às antenas verticais
O objectivo deste estudo é mostrar a influência que os mastros, torres, ou qualquer outra estrutura de suporte vertical têm sobre o diagrama de radiação das antenas verticais.
Um caso típicos são as antenas verticais para 2m e 70cm instaladas a meio de torres como ilustra a foto seguinte (repetidores CT0SRP e CS0SRP).
Para estudar o caso usei um programa de simulação numérica (MININEC).
Optei por estudar o caso da banda dos 2m, para os 70cm o
resultado será equivalente se pensarmos em termos de comprimento de onda.
Comecei por simular um dipólo para 2m em espaço livre. O resultado é o
seguinte:
Neste e nos gráficos seguintes apresenta-se o diagrama de radiação em 3D, no
plano X-Z (visto de frente) e no plano X-Y (visto de cima).
Aí está o clássico diagrama de radiação em donut (ou toroide). A radiação é omnidirecional no plano X-Y (visto de cima) e máxima na direcção do horizonte. O ganho máximo é de 2.15dBi.
O que acontece então se aproximar-mos o dipólo de um mastro ?
Considerando um mastro de 7m e um dipólo cujo centro está a 5.5m de altura e
afastado 0.5m do mastro teremos o seguinte esquema para simular:
Note-se que não foi modelado o suporte do dipólo pois este seria horizontal não tendo portanto influência na radiação do dipolo.
Para a distância de 0.5m entre o mastro e o dipólo os resultados são os seguintes:
Como se pode ver o diagrama sofreu alterações significativas. A radiação deixou de ser omnidirecional passando a exibir um máximo na direcção oposta ao mastro. O ganho máximo aumentou para 4.4dBi na direcção oposta ao mastro enquanto que não direcção do mastro passou a ser cerca de 0dBi.
O que acontece se diminuir-mos ainda mais a distância entre mastro e antena ?
Para a distância de 0.5m entre o mastro e o dipólo os resultados são os seguintes:
Como se pode ver os resultados não são muito diferentes, o ganho máximo (e por conseguinte a direccionalidade) aumentou.
Para valores de distância inferiores a 0.25m o diagrama de radiação não se altera muito, o que se altera e muito é a impedância da antena elevando o VSWR para valores pouco recomendáveis.
O que acontece então se aumentar-mos a distância ao mastro ?
Passemos então dos originais 0.5m para 0.75m:
Em relação ao caso dos 0.5m de distância verifica-se uma
diminuição do ganho máximo bem como uma alteração na forma do
diagrama.
A radiação na direcção perpendicular ao plano mastro-dipólo aumentou.
Se passar-mos a distância para 1m o resultado é o seguinte:
Este resultado é algo surpreendente, a radiação máxima dá-se na direcção perpendicular ao plano mastro-dipólo (eixo-Y). O ganho chega aos 4.3dBi nesta direcção enquanto que na direcção do plano mastro-dipólo (eixo-X) é de cerca de 1dBi. No diagrama de radiação visto de frente (plano X-Z) é visível uma pequena assimetria, esta deve-se ao facto de o dipólo não estar exactamente a meio da altura do mastro, no entanto o seu efeito é pouco importante pois o ganho máximo continua a verificar-se na direcção do horizonte.
Este diagrama de radiação não é necessariamente medíocre, se imaginar-mos uma antena no centro de Portugal esta forma do diagrama permitirá uma melhor cobertura do que um diagrama puramente omnidireccional!
Vamos afastar o dipólo mais 0.5m do mastro ficando agora à distância de 1.5m.
A influência do mastro diminui com a distância e para o caso dos 1.5m o diagrama já apresenta uma forma mais equilibrada, no entanto o ganho no sentido do mastro continua a ser baixo, apenas 0.6dBi por oposição aos 3.7dBi nas direcções com mais ganho.
Os 3 lóbulos de radiação podem ser úteis em certas situações, quem como eu vive junto ao mar pode não ter interesse em radiar para o oceano.
Por últimos vamos estudar o caso da distância de 2m entre o mastro e dipólo.
Para uma distância de 2m o diagrama já se vai aproximando do omnidireccional apresentando um ganho máximo de 3.5dBi e mínimo de 1.dBi com 4 lóbulos de radiação.
Ao ultrapassar-mos os 2m o diagrama vai apresentando cada vez mais lóbulos mas cada vez menos pronunciados. No limite, ou seja, com uma distância infinita entre o mastro e dipólo a influência do mastro será nula e obteremos uma figura igual à obtida em espaço livre.
Vamos então comparar os diagramas de radiação no plano X-Y (visto de cima):
Em resumo:
Para distâncias inferiores a 0.75m ( 3/8 do comprimento de onda) o diagrama apresenta um máximo na direcção do dipólo tornando-se mais pronunciado à medida que se diminui a distância
Distâncias inferiores a 0.25m (1/8 do comprimento de onda) alteram a impedância da antena - VSWR elevado
Distâncias entre 0.75m e 1.25m (3/8 e 5/8 do comprimento de onda) proporcionam um máximo de radiação na direcção perpendicular ao plano mastro-dipólo
Distâncias entre 1.25m e 1.75m (5/8 e 7/8 do comprimento de onda) permitem 3 direcções de ganho máximo sendo a radiação menor na sentido do mastro
Distâncias superiores a 1.75m (7/8 do comprimento de onda) fazem aparecer mais lóbulos de radiação menos pronunciados aproximando-se da omnidirecionalidade
Para terminar gostaria apenas de referir que este estudo, apesar de ter sido realizado com um dipólo, é válido para todas as antenas de polarização vertical onde se incluem por exemplo os monopólos de 1/4 e 5/8 de onda.
Também há que referir que a altura do mastro não tem muita influência, qualquer estrutura vertical com mais de 1 comprimento de onda terá o mesmo efeito.