Antena loop de quadro eficiente para Ondas Médias

Introdução Teórica
Antena Loop de Quadro
Nova Antena Loop de Quadro Confeccionada com Fio Litz

Mais informações sobre outros projetos de antenas

Introdução Teórica

Figura 1 - Antena Loop de Quadro DZ-60 - Acoplamento indutivo ao receptor

Antena Loop de Quadro

A antena demonstrada aqui foi fornecida pelo pesquisador Denis Zoqbi, que desenvolve e fabrica diversos tipos de antena Loop. Inclusive o nome Loop DZ-60 deve-se as iniciais de seu nome e o número, o tamanho em centímetros da diagonal do quadro.

As pequenas  antenas de loop são definidas como loops que apresentam o total do tamanho do fio menor do que 0.15 do comprimento de onda ( 0.15 λ ). Estas antenas loops pequenas são usada na procura de direção de transmissores de radio e na recepção regular de estacoes fracas em ondas medias, na presença de estações interferentes fortes.

O desempenho das pequenas loops é menor do que outras antenas ( ex: dipolo de meia onda ), mas seus nulos extremamente agudos e a grande largura de banda a tornam a escolha da antena para as faixas congestionadas. Neste caso, se está cambiando o ganho por uma melhor relação sinal-QRM. As pequenas loops são mais utilizadas em baixas freqüências. Mesmo existindo projetos para as faixas altas das ondas curtas, e até para as faixas de VHF, o principal uso é verificado desde VLF até a metade do espectro de HF ( basicamente 10 kHz até 8000 kHz ).

As antenas loops podem ter a a forma circular, quadrada, retangular ou octogonal. Neste estudo iremos analisar a forma quadrada porque são relativamente fáceis de serem construídas comparadas as outras formas geométricas. A loop quadrada também apresenta desempenho muito próximo das loops circulares de tamanho similar.

A figura abaixo mostra a antena básica loop de quadro, com os lados de tamanha "A". A profundidade "B" é o tamanho do enrolamento, tanto coplanar como paralelo em relação ao enrolamento. No caso analisado será usado o enrolamento paralelo simples.

Figura 2 - Diagrama elétrico da antena loop de quadro

O ganho da antena loop é menor do que uma dipolo para a mesma freqüência, e deve-se esperar normalmente baixos níveis de tensão nos terminais de saída para qualquer força de campo elétrico. A tensão de saída poderá ser aumentada significativamente se a antena loop for sintonizada à ressonância através de um capacitor em paralelo à bobina que compõe a antena loop.  No diagrama anterior, observamos o capacitor variável C1 utilizado para sintonizar a antena dentro da faixa de operação desejada.

Mesmo considerando que antenas loop não sintonizadas sejam utilizadas na prática, o acréscimo na tensão de saída é aproximadamente igual ao fator "Q" do circuito sintonizado. Valores de 50 a 100 são normalmente o "pior caso" prático para o "Q"  de antenas loop, e os valores de "Q" que se aproximam a 1.000  não são impossíveis de serem obtidos.

Especialmente quando for utilizado fio Litz para a confecção da bobina da antena, ao invés do fio esmaltado simples que é normalmente utilizado nestes projetos, devido ao custo e praticidade de montagem.

Os parâmetros reais utilizados no projeto da Loop DZ-60 são os seguintes :

Observe abaixo no detalhe de construção da loop de quadro DZ-60, o número de voltas e o espaçamento lateral total que representa o parâmetro "B" de profundidade. Também observe que é utilizado fio de cobre esmaltado utilizado em transformadores e motores, enrolado em uma cruzeta de madeira muito simples de ser construída. Compõe a antena de quadro um suporte vertical também de madeira, apoiado em uma base sólida e pesada, para dar estabilidade na antena. A antena em si, junto com seu suporte, é posicionada em cima de um prato giratório para que se possa girá-la até 360° de forma a obter todos os ângulos possíveis na caça de emissoras ou eliminar emissoras interferentes.

Figura 3 - Detalhe da construção da indutância

As antenas loop atenuam sinais indesejados através de dois mecanismos : anular o padrão e discriminação de sintonia. Se existem sinais locais fortes mesmo que em freqüências muito próximas do sinal desejado, então a discriminação da seletividade do circuito sintonizado auxilia a atenuação daquele sinal. A loop aprimora a habilidade do receptor com relação a sobre carga, falta de sensibilidade, e distorção por inter modulação ( com os níveis de potencia observados atualmente nos transmissores de radio difusão em Ondas Médias, isto pode ser um significativo ganho em desempenho ).

Algumas antenas são desenhadas como transformadores, e apresentam um loop de acoplamento de baixa impedância ao longo da antena loop. Para loops em ondas medias, o enrolamento de acoplamento pode ser de apenas um volta, ao lado da bobina da antena loop, montada naturalmente no mesmo quadro. Porém, a Loop DZ é projetada para acoplamento indutivo diretamente à antena interna de ferrite dos receptores portáteis, por isso, não utilizamos esta técnica de acoplamento direto a entrada do receptor.  Nos modelos portáteis da Sony por exemplo, ao se conectar uma antena externa para OM no conector apropriado, o circuito de pré amplificação de RF é desligado para evitar sobre carga nos circuitos. Desta forma, seria necessário desenvolver um circuito amplificador de RF externo para efetuar o acoplamento da antena loop caso fosse utilizada a técnica de transformador ( com um enrolamento de acoplamento ).

Figura 4 - Diagrama da recepção e direção de máxima e mínima intensidade

O padrão de  radiação azimutal ou recepção para a antena loop pequena ideal é mostrado acima. É um padrão formado pela "figura 8" com o máximo no fim da loop, e o ponto mínimo ( nulo ) perpendicular a antena loop. Este padrão é exatamente o oposto da maioria das antenas loop grandes onde o máximo é perpendicular ao plano da loop e o mínimo se posiciona no extremo. O nulos obtidos na pratica com a antena loop gira em torno de 20 dB relativo ao mínimo para projetos medianos e até 40 dB para projetos bem feitos. A diretividade é função da aresta da antena, parâmetro "A" e a profundidade "B". Observe que a antena loop deve apresentar no seu projeto o tamanho de "A" pelo menos maior que 5 vezes o tamanho de "B".

O padrão idealizado na figura 4 pode ser distorcido por interações locais com a Terra, construções, e outros objetos condutivos ou dielétricos próximos a antena.

Figura 5 - Equação de Groover para cálculo da indutância de antenas loop de diversos formatos

A indutância da antena loop pode ser calculada através da equação acima, Figura 5. Esta equação é conhecida como Equação de Groover. Uma vez determinada a indutância, a capacitância necessária para ressonar a antena pode ser calculada pela equação da Figura 7.

Onde :

LµH é a indutância da loop em microhenry
A é o tamanho do lado da loop em centímetros
B é a profundidade da loop em centímetros
N é o numero de voltas
K1, K2, K3 e K4 são fatores descritos na Tabela da Figura 6
Ln é a função log natural ( Nepper )

Figura 6 - Tabela de valores de K em função da forma da antena
Quadrado - Square / Hexagonal / Octogonal / Triangle - Triangulo

Para a capacitância ressonante, onde :

CpF é a capacitância ressonante em picofarads (pF)
F é a freqüência ressonante em Hertz (Hz)
LµH é a indutância da loop em microhenry

Naturalmente, como iremos trabalhar com uma antena dentro de uma faixa de freqüências desejada, no caso de Ondas Médias de 500 kHz a 1700 kHz, iremos utilizar capacitor variável disponíveis comercialmente, que trabalham continuamente na faixa de 5 pF a 365 pF. Logo, faremos os cálculos de capacitância ressonante para a freqüência inferior de 500 kHz e para a freqüência superior de 1720 kHz.

Figura 7 - Cálculo do capacitor usado para ressonância

Desenvolvendo detalhadamente a formula para Loop DZ-60 na Figura 8, determinamos para os parâmetros físicos de construção da antena a indutância da loop, que é naturalmente um valor fixo, independente da freqüência de operação.

Figura 8 - Cálculo detalhado da indutância da bobina da antena loop de quadro

A partir da indutância calculada, iremos calcular a capacitância necessária para tornar a antena loop ressonante na freqüência inferior das Ondas Médias, o que determinamos através do cálculo mostrado na Figura 9 ser Ci = 369 pF, o que é um valor de capacitor variável disponível no mercado de eletrônica.

Figura 9 - Cálculo detalhado do limite de capacitância para a freqüência de 500 kHz

Desenvolvendo o cálculo da capacitância para a freqüência superior das Ondas Médias, 1720 kHz, determinamos o valor de 31 pF da capacitância necessária.

Figura 10 - Cálculo detalhado do limite de capacitância para a freqüência de 1720 kHz

Assim, no detalhe da Figura 11 abaixo, é utilizado um capacitor variável comercialmente disponível que apresenta capacitância que varia aproximadamente entre 30 a 365 pF, o que corresponde a largura de banda desejada para operação em Ondas Médias.

Figura 11 - Detalhe do capacitor variável fabricado no Japão pela Alps - 35 - 365 pF de capacitância

Considerações Finais

Um detalhe de projeto muito importante nas antenas loops são as relações entre o numero de voltas "N" da bobina da antena , o tamanho da aresta "A"do quadrado da antena e sua profundidade "B".

Se aumentamos o número de voltas do enrolamento da antena, aumentamos o valor da indutância, o que irá alterar o valor da capacitância ressonante proporcionalmente, considerando que a equação da freqüência ressonante é o inverso da raiz quadrada da multiplicação do capacitor e do indutor. Logo, para determinada freqüência, se aumentamos a indutância temos que diminuir a capacitância.

Sendo um dos objetivos principais da antena loop o ganho a ser obtido, especificamente, ampliar campo elétrico recebido da estação desejada, precisamos analisar a equação da tensão gerada na antena loop.

Segundo a equação da Figura 11 determinante no cálculo da tensão final obtida nos terminais da antena loop, no nosso caso, obtida nos terminais do capacitor variável, verificamos que o valor da tensão é função de :

Ef é o campo elétrico do sinal recebido
Q é o fator "Q" da antena de loop sintonizada
cos(∂) é o co-seno do angulo incidente ∂ do campo elétrico em relação ao máximo da loop
λ é o comprimento de onda do sinal desejado
A é a área do quadrado da antena loop
N é o numero de voltas da bobina da antena loop

Observamos que para aumentar a tensão gerada na antena loop, só podemos variar os paramentos de construção física "A" e "N". Porém já observamos que ao aumentar o numero de voltas "N", iremos alterar profundamente o valor do capacitor variável necessário, o que pode trazer problemas para aquisição deste componente.

Porém, se analisarmos com atenção esta equação, iremos observar que um pequeno aumento na ÁREA da antena loop, que é função direta do QUADRADO da aresta da antena loop, irá aumentar muito mais o valor do parâmetro "A" do que o aumento do número de voltas "N" da bobina.

Logo, podemos determinar com base nas equações analisadas, que a otimização do ganho varia mais em função da ÁREA da antena loop do que do número de voltas "N" da bobina da antena loop.

Figura 11 - Equação da tensão nos terminais da antena loop

Conclusão, a antena loop de quadro DZ-60 apresenta a faixa de operação de 500 kHz a 1720 kHz e é acoplada através da proximidade com a antena de ferrite do receptor portátil e pode ter seu desempenho melhorado se for utilizado fio Litz ou aumentado o valor da aresta do quadro, de forma a aumentar a área total da antena.

Nova Antena Loop de Quadro Confeccionada com Fio Litz

Podemos aumentar o fator de qualidade "Q" da antena, se utilizarmos fio Litz na construção da antena loop.

Este fio é composto por um grande número de fios de pequeno calibre AWG, o que caracteriza menor perda elétrica das altas freqüências devido ao efeito pelicular da corrente em freqüências altas.

No fio de cobre convencional normalmente utilizado nas antenas loop, a corrente de baixa freqüência, por exemplo, 60 Hz da rede elétrica pública, circula próximo ao centro do fio. Porém, conforme se eleva a freqüência até a faixa de HF, ocorre um fenômeno que é chamado efeito pelicular, onde a corrente passa a circular muito próximo à periferia do fio, deixando o seu centro sem nenhuma passagem de corrente.

O fio Litz por ser composto de até 50 fios de 38 AWG de diâmetro, otimiza a circulação da corrente, aumentando o campo elétrico e conseqüentemente aumentando a tensão de saída da antena loop. Para obter mais informações sobre o fio Litz, detalhes de construção e de aplicação, acesse a página Litz-wire ou o sítio do fabricante canadense MWS.

Foto de rolos de diversos tipos de fio Litz

Antena Loop de Quadro 80 cm utilizando fio Litz

Para conhecer mais detalhes de construção desta antena, acesse o artigo : Loop Experiments – Antennas for the MW band DXer

Fontes

Montagem antena DZ - Denis Zoqbi
The ARRL Antena Book
Joe's Carr Loop Antena Handbook

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