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 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.

 

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