PT1594186E - Antena de solo com anel radiando em ondas quilométricas e hectométricas - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO

"ANTENA DE SOLO COM ANEL RADIANDO EM ONDAS QUILOMÉTRICAS E HECTOMÉTRICAS " O presente invento diz respeito a uma antena, em especial própria para emitir numa banda de frequência longa ou média compreendida entre cerca de 10 kHz e cerca de 3 MHz, tanto em ondas quilométricas como em ondas hectomé-tricas, por exemplo para a difusão de programas radiofónicos digitais.

Actualmente são utilizadas torres radiantes isoladas, de altura muito elevada, da ordem de 20 a 350 metros, que na maior parte dos casos são instaladas longe dos meios urbanos e que são próprias para emitir sinais na banda das ondas hectométricas, com uma potência de emissão relativamente elevada. No caso de se desejar instalar uma torre radiante na proximidade de um aglomerado urbano ou numa cidade, deverá ser disponibilizado um importante perímetro de segurança para erguer a torre radiante e instalar a rede de fios de terra associada à torre e colocada sobre o solo ou a uma pequena profundidade no interior do solo.

No entanto, o futuro das grandes torres radiantes situadas na proximidade dos grandes meios urbanos, ou até mesmo dentro destes últimos, está comprometido por razões 2 ΡΕ1594186 de compatibilidade electromagnética. Os acoplamentos entre a parte exterior da torre e as diversas estruturas metálicas que possam estar situadas na proximidade da torre, tais como armaduras metálicas em edifícios, candeeiros de iluminação pública metálicos e torres de linhas de transporte de energia eléctrica, constituem fontes de correntes induzidas, dificilmente aceitáveis pelas administrações que autorizam a instalação de antenas.

Para além do aspecto inestético das grandes torres radiantes, o contexto de exposição do público ao campo electromagnético emitido pelas grandes torres radiantes faz com que seja necessário obter um terreno relativamente vasto para a colocação de cada torre. Todos estes inconvenientes são outros tantos obstáculos à instalação das torres radiantes em zonas urbanas.

Por conseguinte, dado que uma grande torre radiante é visível de muito longe, e portanto não se integra na paisagem urbana e gera essencialmente um campo de onda de espaço que é uma fonte de acoplamento com os edifícios e construções erigidas na sua proximidade, a maior parte das torres radiantes é instalada fora dos meios urbanos, e portanto em locais muito afastados dos receptores dos ouvintes, o que irá impedir que a torre radiante possa ser eficaz com pequenas potências de emissão. A patente US 2746040 diz respeito a uma antena omnidireccional em emissão ou em recepção de banda larga de 3 PE1594186 frequência, da ordem de 100 MHz, e portanto em ondas métricas, podendo a antena ser também utilizada em baixas frequências mediante dimensionamento apropriado. A antena pode ser montada num avião ou sobre o solo e compreende condutores radiais coplanares situados por cima de uma massa, indo algumas extremidades desses condutores ser ligadas a um anel concêntrico condutor exterior e indo outras das extremidades desses condutores ser ligadas a uns condutores verticais para geradores de radiofrequência. Uns condutores de massa, que podem ser enterrados no solo, são ligados aos geradores por meio de fios condutores de alimentação verticais. Os geradores asseguram uma distribuição uniforme de potência, a fim de que a antena vá irradiar uma onda de espaço cilíndrica entre a superfície do anel de condutores e os condutores de massa. Nenhuma onda de solo irá ser irradiada por esta antena. A patente US 6542126 B2 diz respeito a uma antena compreendendo uma placa de massa e um elemento radiante plano disposto paralelamente a uma distância constante da placa. O elemento radiante é em forma de "C", quer dizer, em forma de anel rectangular aberto, ligado à placa de massa por meio de um elemento de ligação. A outra extremidade do anel aberto é ligada à placa de massa por meio de um comutador que quando é fechado desempenha as funções de curto-circuito para aumentar a frequência de ressonância. A antena é destinada a um telemóvel de banda dupla, do tipo GSM 900/1800, e não é uma antena de solo radiando ondas de solo. 4 ΡΕ1594186 0 objectivo do presente invento consiste em proporcionar uma antena de solo que é destinada a radiar em ondas sensivelmente quilométricas ou hectométricas, que é menos cara e que não apresenta os inconvenientes aqui ante-riormente referidos, em particular que é quase invisível a partir da sua vizinhança imediata, que se integra bem na paisagem e que favorece a propagação de uma onda de solo.

Para alcançar esse objectivo, uma antena de solo compreendendo um plano de massa, um anel de excitação metálico aberto entre duas extremidades e estendendo-se de uma maneira sensivelmente paralela ao plano de massa, e um elemento de ligação metálico sensivelmente perpendicular ao anel e ligando uma das extremidades do anel de excitação ao plano de massa, é caracterizada por, para irradiar uma onda de solo quilométrica ou hectométrica, o plano de massa estar enterrado de uma maneira sensivelmente horizontal no solo, na proximidade e abaixo da superfície do solo, por o anel de excitação se estender de uma maneira sensivelmente horizontal acima da superfície do solo a uma altura superior a cerca de 2 m em relação ao plano de massa, e por o anel de excitação e o elemento de ligação serem cada um deles constituído por pelo menos um elemento cilíndrico delgado. A descontinuidade entre o ar e o solo, situada sobre o solo e no interior do solo na periferia da antena, entre o par solo e plano de massa metálico, por um lado, e o solo sem o plano de massa metálico, por outro lado, favo- 5 ΡΕ1594186 rece unicamente a propagação de uma onda de solo omnidirec-cional em polarização vertical. A abertura do anel de excitação é muito pequena em relação ao comprimento do anel, numa relação de cerca de 1/50 a cerca de 1/100 em relação ao comprimento do anel, para eliminar sensivelmente qualquer componente de campo eléctrico horizontal à superfície do solo. A onda de solo é devida à injecção de correntes elevadas no solo, consequência de uma fraca resistência óhmica da antena, sem nenhuma irradiação lateral de uma onda de espaço em comparação com uma antena de torre, indo a antena explorar um modo de irradiação magnético e não eléctrico para ondas sensivelmente quilométricas ou hecto-métricas. Ao contrário do que acontece no caso das emissões em modulação de frequência, a onda de solo, e não uma onda de espaço, transporta para os receptores um sinal útil digital ou analógico. A quase ausência de componente de onda de espaço sobre a superfície do solo resolve de uma maneira vantajosa os problemas de compatibilidade electro-magnética e de exposição das pessoas, e de acoplamentos da antena com estruturas situadas próximo da antena acima do solo.

No entanto, como se verá mais adiante, uma onda de espaço capaz de ser explorada particularmente para difusões ionosféricas nocturnas de maior alcance, a partir de cerca de três dezenas de quilómetros, é gerada pela antena do invento em direcção de um eixo zenital central à antena.

Graças ao facto do plano de massa estar enterrado 6 ΡΕ1594186 no solo a uma profundidade de algumas dezenas de centímetros e do anel de excitação se achar suspenso a uma altura de entre 1 a 3 m acima da superfície do solo, a antena de solo de acordo com o invento é muito discreta, e desse modo insensível a ventos violentos, sopros, trovoadas, sismos ou explosões. A antena quase não apresenta superfície de eco de radar (SER). A antena compreende igualmente uns meios de alimentação em potência tendo uns terminais que se acham ligados respectivamente ao anel de excitação e ao plano de massa a uma distância do elemento de ligação ao longo do anel de excitação tal que a impedância do anel de excitação reportada a partir do elemento de ligação seja sensivelmente igual à impedância característica dos meios de alimentação em potência, de maneira a adaptar a antena à impedância característica dos meios de alimentação em potência. A fraqueza da radiação em onda de espaço ao nível do solo permite aumentar a potência irradiada em onda de solo pela antena, ao mesmo tempo que se respeitam as regulamentações actuais em matéria de propagação de onda de espaço. A fim de confinar a radiação da antena de solo segundo pelo menos uma direcção e assim conferir uma direc-tividade à antena, uns meios, como por exemplo umas fossas abertas no solo e/ou umas protuberâncias colocadas sobre o solo que podem ser pelo menos parcialmente metálicas, são colocados sensivelmente na periferia do plano de massa e na proximidade do solo para confinar a radiação electromagné- 7 ΡΕ1594186 tica da antena respectivamente segundo uma predeterminada direcção ao longo do solo.

Outras características e vantagens do presente invento tornar-se-ão mais evidentes através da leitura da descrição de vários modos de realização preferidos do invento, dados apenas a titulo de exemplos não limitativos, descrição essa que irá ser feita a seguir com referência aos correspondentes desenhos anexos nos quais: a Figura 1 é uma vista esquemática e em alçado principal, de uma antena de acordo com um modo de realização preferido do invento; a Figura 2 é uma vista em planta do anel de excitação da antena representada na Figura 1; a Figura 3 é uma vista pormenorizada e em alçado lateral, de um poste isolante que suporta o anel de excitação; a Figura 4 é uma vista esquemática e em perspectiva, de uma gaiola de vários fios metálicos paralelos para o anel de excitação ou para um elemento de ligação metálico de acordo com uma variante da antena; a Figura 5 é uma vista em perspectiva, pelo lado de cima, do elemento de ligação do anel de excitação a um plano de massa da antena de acordo com o invento; a Figura 6 mostra de uma maneira esquemática componentes de campo eléctrico numa linha equivalente à antena de acordo com o invento; e a Figura 7 é um esquema análogo à Figura 1 para adap- ΡΕ1594186 tar a ligação de um emissor à antena em função da impedância característica do emissor.

Com referência às Figuras 1 e 2, vemos que uma antena de solo de acordo com o invento radiando com um comprimento de onda útil λ, de emissão ou de recepção, sensivelmente quilométrico ou sensivelmente hectométrico, compreende essencialmente um plano de massa metálico 1, sensivelmente horizontal, um anel de excitação metálico 2, aberto (ou fechado) sensivelmente horizontal, e um elemento de ligação metálico 3, sensivelmente vertical, que liga o anel de excitação ao plano de massa. 0 plano de massa 1 está enterrado na proximidade e abaixo da superfície do solo S a uma espessura de terra e de algumas dezenas de centímetros, tipicamente cerca de 40 cm abaixo da superfície do solo. Por exemplo, o plano de massa está coberto de terra, incluindo qualquer arranjo decorativo como por exemplo um relvado ou um jardim. O plano de massa ocupa uma superfície do solo com uma área de valor compreendido entre algumas centenas de metros quadrados e algumas dezenas de milhares de metros quadrados. O contorno do plano de massa é regular e pode ser sensivelmente circular ou poligonal regular, por exemplo quadrado com um lado superior a cerca de 5 m. O plano de massa 1 é metálico e deve assegurar uma excelente continuidade eléctrica entre os elementos de que é composto, a fim de contribuir para o carácter omnidi- 9 ΡΕ1594186 reccional da antena, ser de construção fácil, e portanto pouco onerosa, e ser insensível aos ataques químicos no meio natural que é a terra. De acordo com um primeiro modo de realização, o plano de massa é constituído por chapas metálicas soldadas. As chapas são fixadas directamente na terra e são soldadas ou ligadas umas às outras por meio de elementos de fixação metálicos, a fim de assegurar uma excelente continuidade eléctrica entre as chapas metálicas e a terra. De acordo com um segundo modo de realização, o plano de massa é constituído por uma rede metálica. A rede é composta por fios de ferro formando malhas, por exemplo quadradas, tendo um lado pequeno em relação ao comprimento de onda útil λ, por exemplo compreendido entre cerca de λ/20 e cerca de λ/10. A rede metálica pode também ser formada, pelo menos parcialmente, por armaduras envoltas em betão, por exemplo o betão armado de uma laje ou de qualquer outra estrutura subterrânea já existente ou a ser construída. 0 plano de massa 1 pode ser, por exemplo, em cobre ou em alumínio, ou numa liga tendo por componente principal o cobre ou o alumínio. 0 anel de excitação metálico 2, aberto (ou fechado) , estende-se de uma maneira sensivelmente horizontal acima da superfície do solo S a uma altura h e acima do plano de massa 1 a uma altura Η. A altura H é em geral superior a cerca de 2 m e a altura h é deduzida de H-e. No caso dos comprimentos de ondas quilométricas e hectométri-cas, o anel de excitação 2 tem um comprimento superior a cerca de 25 m. De preferência, a forma do anel 2 é seme- 10 ΡΕ1594186 lhante ao contorno regular do plano de massa 1 e desse modo pode ser circular, elíptico, rectangular, em forma de losango, ou poligonal regular, por exemplo quadrada com um lado C superior a cerca de 5 m, como ilustrado na Figura 2. No entanto, a forma do anel, como o contorno do plano de massa, não se acha limitada às formas aqui anteriormente referidas e é determinada em função do grau de pureza da polarização e da omnidireccionalidade que se deseja para a antena. O anel e o plano de massa estão sobrepostos de maneira a que eles vão ficar centrados sobre um eixo comum vertical VV. O anel de excitação 2 tem um comprimento L2 sensivelmente igual a um múltiplo de um quarto do comprimento de onda útil λ da antena.

De acordo com o modo de realização em modo quarto de onda ilustrado na Figura 2, o anel 2 é quadrado, com lados C de comprimento de cerca de λ/16. Um dos lados do anel 2 é mais curto, de maneira a determinar a formação de uma abertura 21-22, por exemplo na proximidade de um dos vértices do anel quando este é poligonal. A abertura 21-22 pode ser praticada não importa onde ao longo do contorno regular formado pelo próprio anel. O comprimento LO da abertura 21-22 é um compromisso entre uma abertura muito estreita que engendra diferenças de potencial muito importantes nas extremidades do anel, diferenças de potencial essas que precisam de ser evacuadas, e uma abertura muito larga que não reporta pouco da corrente que circula no anel de uma 21 das suas extremidades para a outra extremidade 22 em detrimento do carácter omnidireccional da antena. 11 ΡΕ1594186

De acordo com um exemplo em modo quarto de onda, às dimensões do qual irá ser feita referência a seguir, uma antena de solo de acordo com o invento própria para emitir ondas hectométricas à volta de cerca de λ = 309, 6 m, ou seja numa banda de frequência útil centrada numa frequência de cerca de F = 969 kHz e de largura limitada entre cerca de 5 kHz e cerca de 10 kHz, tem um comprimento L2 = λ/4 = 4C - LO = 4χ19,6 - 1 = 77,4 m e é quadrada com lados C com um comprimento de cerca de λ/16, ou seja tipicamente de 19,6 m. A abertura 21-22 tem neste caso um comprimento LO de um metro, e o lado do anel alinhado com a abertura tem um comprimento de 18,6 m.

Como se acha representado nas Figuras 1 e 3, o anel de excitação 2 é sustentado num plano horizontal acima do solo S, à altura h, por meio de uns postes isolantes 4 sensivelmente verticais que se acham distribuídos de uma maneira regular ao longo do anel, por exemplo de 4 em 4 m ou de 5 em 5 m. Cada poste 4 é por exemplo em madeira ou em material plástico. A extremidade superior do poste pode ser ranhurada, a fim de nela poder ser colocado e fixado por meio de uma braçadeira o anel de excitação. A extremidade inferior do poste atravessa um bloco em betão 41 que assenta sobre o solo S, e vai alojar-se num tubo 42 em material plástico tal como PVC que é chumbado num pé em betão 43 que é moldado no solo e que tem uma altura superior à espessura e, por exemplo uma altura de 1,2 m, indo desse modo atravessar o plano de massa 1. 12 ΡΕ1594186 0 anel de excitação 2 é realizado de preferência num tubo metálico galvanizado de diâmetro D. De modo semelhante, o elemento de ligação 3 é uma haste tubular metálica galvanizada tendo uma altura H superior a cerca de 2 m. Os diâmetros de secção transversal, quer dizer o diâmetro D do tubo do anel de excitação 2 e o diâmetro d do tubo do elemento de ligação 3, acham-se compreendidos entre cerca de 5 cm e cerca de 20 cm, e podem ser idênticos. De acordo com o exemplo anteriormente referido, o anel de excitação e o elemento de ligação são em tubo de aço de diâmetro D = d = 60 mm, aproximadamente. Os diâmetros D e d podem ser iguais e serão tanto maiores quanto maior for a largura da banda passante da antena. Os tubos são por exemplo em aço, ou de preferência num material que seja melhor condutor, por exemplo em cobre ou em alumínio, ou numa liga tendo por componente preponderante o cobre ou o alumínio.

Em variante, o anel de excitação 2 é constituído por vários tubos sobrepostos ou paralelos, distantes de algumas dezenas de centímetros, a fim de permitir uma potência mais elevada, uma banda passante melhorada e uma diminuição das perdas. Os comprimentos e os diâmetros dos tubos sobrepostos ou paralelos podem ser ligeiramente diferentes, a fim de assegurar um acordo decalado, que irá permitir um alargamento da banda passante em modo par ou em modo ímpar. Em particular no modo par (meia onda), as duas extremidades 21 e 22 do anel são fechadas sobre a massa com ligações a esta última ligeiramente diferentes. 13 ΡΕ1594186

Em variante, o anel de excitação 2 e o elemento de ligação 3 poderiam ser mais delgados e cada um deles realizado sob a forma de um fio metálico ou de uma faixa de fios metálicos, o que levaria a diminuir a banda passante da antena.

De acordo com uma outra variante representada na Figura 4, a fim de permitir uma potência de emissão relativamente elevada e de diminuir as perdas eléctricas, o anel de excitação 2 e o elemento de ligação 3 são cada um deles sob a forma de uma gaiola de diâmetro D, d composta por vários fios metálicos paralelos 23, distribuídos circularmente a intervalos iguais, tendo um diâmetro compreendido entre cerca de 0,6 mm e cerca de 1,2 mm. A gaiola de que é constituído o anel de excitação 2 comporta uns anéis metálicos 24 soldados aos fios e repartidos de uma maneira regular ao longo de todo o seu comprimento, por exemplo a intervalos de valor compreendido entre 5 m e 10 m, para fazer com que os fios 23 se vão manter paralelos e equidistantes dois a dois e assim se conservar a distribuição equipotencial em secção circular na gaiola. Para diâmetros respectivos idênticos D, d, as gaiolas são vantajosamente mais ligeiras do que os tubos e o conjunto dos fios das gaiolas é menos oneroso do que os tubos. Esta variante não diminui os rendimentos da antena e em particular permite atingir potências de emissão superiores a 5 kW, ao mesmo tempo que garante uma banda passante relativamente larga. O elemento de ligação 3 tem a extremidade supe- 14 ΡΕ1594186 rior 31 soldada a uma 21 das extremidades do anel de excitação 2. A extremidade inferior 32 do elemento de ligação é soldada ao plano de massa 1, por exemplo por intermédio de uma pequena placa 11, em latão, que é soldada a algumas malhas do plano de massa quando este é uma rede, como mostrado na Figura 5.

De acordo com o exemplo anteriormente referido, a altura do elemento de ligação é de H = 2,9 m, eo anel de excitação acha-se a uma altura h = H -e = 2,5 m acima do solo S. 0 enterramento do plano de massa 1 no solo S subjacente ao anel de excitação 2, que se acha situado ligeiramente acima do solo, irá fazer com que a antena de solo de acordo com o invento seja quase invisível e discreta, especialmente em meios urbanos, em comparação com uma antena de torre. A antena de solo assim descrita, em quarto de onda e modo ímpar, é sensivelmente equivalente a uma linha quarto de onda de grandes dimensões que radia de uma maneira omnidireccional uma onda de solo de polarização vertical num raio de valor compreendido entre alguns quilómetros e algumas dezenas de quilómetros em função da potência de valor compreendido entre alguns quilowatts e algumas dezenas de quilowatts de uns meios de alimentação em potência à antena. Estes últimos meios compreendem principalmente um emissor 5 instalado sobre o solo, na proximidade do plano de massa 1 e do anel de excitação 2, por exemplo próprio para emitir programas de radiodifusão através da antena, e 15 PE1594186 um cabo de alimentação. Como se acha esquematicamente representado na Figura 1, dois fios 51 e 52 do cabo de alimentação ligam os terminais negativo e positivo do emissor 5 respectivamente ao plano de massa 1 e ao anel de excitação 2 a uma pequena distância predeterminada ( do elemento de ligação 3 ao longo do anel de excitação tal que a parte real da impedância da antena reportada aos terminais do emissor seja sensivelmente igual à impedância característi-ca dos meios de alimentação em potência.

Por outro lado, a fraca impedância da antena de solo, cuja parte real é da ordem de 1 a 2 ohms, aproximada-mente, é compatível com um amplificador de estado sólido à saida do emissor 4 cuja impedância de saída é fraca.

Tipicamente, a antena de solo com as dimensões anteriormente referidas radia um campo eléctrico superior a 2 mV/m num raio de alcance de cerca de 5 km com uma potência de emissor de 10 W e num raio de alcance de valor compreendido entre cerca de 20 km e cerca de 50 km com uma potência de emissor de 5 kW. O modo de funcionamento da antena de solo de acordo com o invento baseia-se na excitação do solo por parte do anel de excitação metálico aberto 2, em quarto de onda, retido entre a superfície do solo S e o plano de massa 1, a fim de criar uma componente de campo eléctrico normal Ey, assegurando à antena uma polarização vertical. O anel de excitação 2 desempenha as funções de fonte de exci- 16 ΡΕ1594186 tação linear horizontal colocada acima do solo e percorrida por uma corrente paralela ao solo em regime de onda estacionária ou progressiva conforme a largura de banda de frequência desejada. A onda de solo gerada pela antena encontra-se guiada pela banda de terra em consequência de múltiplas reflexões sobre a superfície de separação entre o die-léctrico constituído pela terra e o meio exterior constituído pelo ar e sobre a superfície metálica enterrada constituída pelo plano de massa 1. 0 plano de massa 1 necessário para gerar a onda no solo apresenta de preferência uns lados C que são sensivelmente o dobro do comprimento dos lados do anel de excitação quando o anel e o plano de massa são quadrados; mais geralmente, o plano de massa 1 apresenta uma superfície que é sensivelmente o quádruplo da superfície circunscrita pelo anel de excitação 2, o que evita os efeitos de bordos de campo eléctrico entre o anel de excitação e o plano de massa e melhora o confinamento das linhas de campo eléctrico por debaixo do anel de excitação. Graças ao facto do plano de massa 1 estar enterrado no solo, as linhas de campo eléctrico são canalizadas ao nível do solo S, de maneira a injectar no solo uma corrente elevada, de alta frequência, e desse modo propagar no solo uma onda de solo hectométrica, ou quilométrica, portadora de sinal de emissão útil. A espessura e vai igualmente influenciar o funcionamento da antena, particularmente na reactância capacitiva da antena.

Com base na óptica geométrica é possível mostrar que a antena de solo é a sede de duas ondas: uma onda de 17 PE1594186 superfície no ar, chamada onda evanescente, e uma onda guiada, chamada onda cativa, na terra que é um dieléctrico com perda de acordo com a frequência útil. A resolução das equações de Maxwell para os dois meios constituídos pelo ar e pela terra mostra que em cada um desses dois meios: uma onda transversa eléctrica TE só se propaga se o comprimento de onda for inferior ao comprimento de onda de corte seguinte:

e uma onda transversa magnética TM pode existir qualquer que seja a espessura e da terra dieléctrica. A constante de atenuação na terra dieléctrica de índice de refracção N é dada por: α - 4 π e(N2 - 1)/(λ N2}. A onda evanescente acompanha a onda cativa, e tem um grande interesse para a difusão uma vez que é percebida à superfície do solo. Acima do solo ela decresce de uma maneira sensivelmente exponencial. A onda cativa é uma onda guiada na terra. Uma onda guiada pura não pode dar lugar a nenhuma radiação, 18 PE1594186 amenos que a onda encontre toda a espécie de descontinuida-des tais como alterações de índices de refracção, de meios, de dimensões ou de obstáculos. O cálculo da energia radiada pode ser feito num modelo simples constituído por dois meios com índices de refracção Ni e N2 e de atenuação oq e oq. Mostra-se que o coeficiente de transmissão T de onda de superfície através da descontinuidade, ou, por outras palavras, a relação T entre as amplitudes no meio Ni e no meio N2 pode escrever-se da seguinte maneira: 1/2 T - 2 [ίαχ «2) / <«1 + <*2>] A presença da descontinuidade provoca então uma perda de energia radiada que pode ser calculada por: D2 * 1 - x2 = {a\ - α2)2 / (αχ f- (¾)2. A antena de solo de acordo com o invento baseia-se neste princípio. Conforme é mostrado pelas equações anteriormente referidas, qualquer variação de um índice de refracção Ni ou N2, ou da espessura e, provoca uma atenuação diferente e portanto uma radiação diferente. A antena de acordo com o invento explora a descontinuidade entre 0 ar e o solo e radia assim graças à principal descontinuidade, indicada por D na Figura 1, criada na periferia da antena entre o par solo e o plano de massa metálico. O invento tira partido da boa condução eléctrica da terra, ou do solo em geral, às frequências baixas, para solicitar o 19 ΡΕ1594186 solo como vector de propagação da onda de superfície e da onda guiada.

Para os comprimentos de onda úteis da antena de acordo com o invento, só a onda transversa magnética TM é que é excitada pela corrente que circula no anel de excitação 2 paralelo ao solo a alguns metros de distância. A altura H-e em relação ao solo resulta de um compromisso entre um modo de acoplamento apertado e a banda passante desejada. A antena de acordo com o invento pode ser considerada em análise radioeléctrica um tanto equivalente a uma linha bifilar de comprimento L2 suposta próximo do quarto de onda (modo ímpar) para a frequência útil, como esquematizado na Figura 6. Um dos fios da linha bifilar é constituído pelo anel de excitação 2 e acha-se situado no seio do ar acima do solo S. 0 outro fio da linha bifilar é constituído pelo plano de massa 1 situado no solo. Por conseguinte, a linha bifilar apresenta um meio sem perda e um meio com perdas: uma vez que os dois meios são diferentes, irá surgir um desequilíbrio no modo linha fundamental da linha. Esse desequilíbrio só pode ser anulado pela presença de uma corrente diferencial com sede na superfície do solo imperfeito, mas muito bom condutor da onda de solo.

Chama-se a atenção para o facto de que o campo eléctrico E de uma onda que se propaga à superfície de um condutor perfeito é perpendicular a essa superfície, sem 20 ΡΕ1594186 componente de campo tangencial Ex. Uma vez que o solo não é perfeito, à superfície do solo vai aparecer uma componente tangencial suplementar Ex. O campo eléctrico apresenta assim uma componente vertical Ey preponderante à superfície do solo S e a componente tangencial suplementar Ex e torna-se elíptica num plano paralelo à direcção de propagação. A descontinuidade do meio ar/solo e a perda no solo dieléc-trico conduzem ao estabelecimento de uma corrente de solo. A polarização vertical é explorada na antena de acordo com o invento, indo a componente de campo eléctrico horizontal ser desprezável na propagação pela antena, tanto mais que o anel de excitação 2 é regular e fechado como um círculo ou um polígono regular. Os campos eléctricos elementares Ey são distribuídos de uma maneira quase uniforme em direcção a todos os azimutes em torno do eixo vertical W da antena para assegurar a omnidireccionalidade da antena.

Para satisfazer as condições de ressonância da antena de acordo com o invento, a impedância de radiação Zant da antena deve ter uma parte imaginária ou reactância nula, e o comprimento L2 do anel de excitação 2 deve ser da ordem do quarto de comprimento de onda λ/4 (modo ímpar) ou de meia onda λ/2 (modo par) . No modo de funcionamento considerado e com referência à Figura 7, a impedância de radiação da antena sendo relativamente fraca, da ordem de alguns ohms, a impedância de radiação Zant é a impedância reportada de uma impedância terminal Zt através das duas 21 PE1594186 partes da antena, do anel de excitação horizontal 2 e do elemento de ligação vertical 3, que têm impedâncias carac-terísticas próprias Z2 e Z3. A impedância terminal Zt é colocada em fim de linha na extremidade 22 do anel, entre esta extremidade e o plano de massa 1. A antena é antes do mais suposta funcionar sem carga terminal, isto é, Zt = A linha horizontal constituída pelo anel de excitação 2, de comprimento L2 e de diâmetro D, colocada à altura H acima do plano de massa metálico, tem uma impedância caracteristica de: 22 « 138 log<4H/D). A impedância Z21 reportada à extremidade 21 da linha horizontal por transformação da impedância terminal Zt é: 221 s 22 (Zt + j 22 tg<$I.2>)/{Z2 + 3 2t tg<{&2>>/ isto é, para Zt = °°, Z2i = -jZ2 cotg(PL2), com β = 2π/λ = 2nF/c, sendo c a velocidade da luz. A linha vertical constituída pelo elemento de ligação 3 de altura H e de diâmetro d tem uma impedância caracteristica sensivelmente igual a: Z3 * 60 (2,306 log(4H/d> - 1) 22 ΡΕ1594186 A impedância reportada ao pé da linha vertical por transformação da impedância terminal Z2i é: 2ant s 23 <Z21 + j 23 tg$H))/(Z3 + j 7.21 tg({SH>>, isto é

Zant “ 23 <-j 22 cotg<βΙ*2) + j ^3 tg$H> )/(83 t %i cotg(jjL2) tg$H)}, A parte imaginária da impedância de antena Zant é anulada pela relação seguinte para satisfazer a condição de ressonância da antena: 22 cotgípL2) » Z3 tg <βΗ).

Para o exemplo de antena aqui anteriormente definido com as dimensões de H = 2,9 m, D = d = 0,063 m e L2 = 77,4 m, as impedâncias caracteristicas das linhas são Z2 = 312 Ω e Z3 = 253 Ω, e βΐ.2 = 87,3° é deduzido da igualdade que satisfaz a condição de ressonância. A frequência teórica de ressonância da antena de solo tem o valor seguinte que foi verificado por medições a alguns quilohertz, aproximadamente: F = c <pL2)/<360° L2) F - 87,3 * 299795 / (360 * 77,4) - 939 kHz 23 ΡΕ1594186

Em variante, a impedância terminal Zt é reactiva ou resistiva ou nula e fecha a extremidade 22 do anel de excitação 2 e pode ser regulável para ajustar a frequência de funcionamento radiada pela antena. Quando é constituída por um condensador, a impedância Zt faz baixar a frequência de funcionamento da antena por alongamento eléctrico; quando é constituída por uma bobina (self), a impedância Zt faz aumentar a frequência de funcionamento. A aplicação de uma carga terminal faz aumentar a banda passante, passando de um regime de ondas estacionárias para um regime de ondas progressivas.

Por exemplo, a impedância Zt que fecha o anel de excitação metálico 2 é um curto-circuito constituído por um segundo elemento de ligação metálico sensivelmente vertical que liga a extremidade 22 do anel de excitação 2 ao plano de massa 1. As duas extremidades do anel de excitação em quarto de onda voltam a fechar-se sobre a massa e a antena funciona em modo par, como uma linha meia onda, com uma banda relativamente larga de pelo menos 10 kHz.

Para considerar a antena em ressonância, a resistência de radiação da antena é calculada pelas fórmulas seguintes:

Rr = 160 π2 (Η / λ)2 = 0,15 Ω, e a resistência de perda do tubo e do plano de massa é estimado em Rp = 1 Ω conforme o material utilizado, no caso 24 ΡΕ1594186 presente aço. 0 rendimento da antena é deduzido pela relação: η3ηί - Rr / <Rr + Rp> = 0,15 / 1,15 = 13 %. A escolha de um material, tal como o cobre, que é melhor condutor do que o aço, e de um diâmetro dos tubos maior para o anel de excitação 2 e para o elemento de ligação 3, por exemplo D = d = 160 mm, faz melhorar nitidamente o rendimento da antena ao fazer baixar o valor da resistência de perda Rp.

Quando a antena está em ressonância, a impedância ao nivel do elemento de ligação vertical 3 é pura e tem por valor:

Rant ~ - 1/15 Ω»

Para adaptar a antena à impedância característica Zc dos meios de alimentação em potência comportando o emissor 5, classicamente igual a 50 Ω, procura-se ao longo da linha horizontal constituída pelo anel de excitação 2, a partir do ventre de corrente situado na extremidade 21, a distância < entre um ponto P e a extremidade 21 para a qual uma admitância tendo como parte real a que é desejada (1/ZC) e como parte reactiva (—jX) é preenchida por um "stub" em paralelo +jX = jZ2tg(Pf)· O "stub" é composto pela linha horizontal de pequeno comprimento entre a extremidade 21 ligada ao elemento de ligação vertical 3, cuja 25 PE1594186 impedância é uma fraca resistência pura Rant = 1,15 Ω, e o ponto P. A impedância no ponto P vale cerca de Rant = -jx.

Desprezando a impedância terminal Zt, que é muito fraca reportada ao ponto P próximo da extremidade 21, a equação a resolver é então a seguinte:

Rant - JX = (Zc //

OU

Rant ~ jX ” ~ (Zc * j 22 tg{p4/{Zc + j 22 tg(p4).

Por iterações, o valor de Z2tg(PO é de 8 Ω, o que corresponde aproximadamente a um comprimento t de 1,3 m sobre a linha horizontal, quer dizer, desde a extremidade 21 do anel de excitação 2 até ao fio de cabo de alimentação 51 a posicionar e a ligar. A banda passante da antena de acordo com o invento depende essencialmente de um circuito que compreende os seguintes elementos que participam na radiação: o plano de massa metálico 1, os tubos 2 e 3, ou os fios ou as gaiolas 23 no caso de se tratar das outras variantes, o solo S e os meios de adaptação constituídos pelo "stub" de comprimento i . Como o coeficiente de sobretensão Q e a banda passante se acham ligados um ao outro, o estudo deverá reportar-se ao do coeficiente de sobretensão: 26 ΡΕ1594186 _ PotênciaR&activa _ Lw PotênciaActiva Ra A parte real equivalente ao circuito é fraca, da ordem de 1 a 2 Ω, o que favorece a injecção de uma corrente elevada no solo, e a parte reactiva do circuito é tanto mais elevada quanto mais delgado for o tubo, ou o fio ou a gaiola, de acordo com as outras variantes. A colocação em posição de um tubo de diâmetro mais importante tem por efeito fazer diminuir a bobina (self) linear parasita e reduzir a perda óhmica. Por um lado faz-se aumentar a banda passante e por outro lado faz-se melhorar o rendimento.

Chama-se a atenção para o facto de que um fio condutor de comprimento L2 acima do solo tendo uma extremidade ligada à massa tem, para dimensões expressas em cm, uma indutância expressa em μΗ de:

Lfii « 0,00212,3026 log(4(H)/d}- CT + μΓδ], em que CT é uma constante que depende da relação 2(H), μΓ = 1 a permeabilidade magnética relativa e δ depende do efeito de pele do metal.

De acordo com um exemplo, o cobre constitui essencialmente o material de que são constituídos os tubos do anel de excitação 2 e do elemento de ligação 3. O cobre tem uma resistência linear de 1 Ω/25 m quando é atravessado por uma frequência de 1 MHz para um perímetro de 1 cm. A 27 ΡΕ1594186 resistência linear do cobre é inversamente proporcional ao perímetro, o que incita a escolher diâmetros D e d dos tubos com valores relativamente grandes. Deste modo, para L2 = 77,4 m, H = 2,9 m, CT = 0,07 e δ = 0, um tubo em cobre de diâmetro d ou D = 63 mm tem uma indutância linear de 1,04 μΗ/m, uma indutância total de Lfi0 = 80,5 μΗ e uma reactância de Lfioro = (2π F Lfi0) = 475 Ω, com uma resistência de perda óhmica de 0,15 Ω, e um tubo em cobre de diâmetro d ou D = 160 mm tem uma indutância linear de 0,85 μΗ/m, uma indutância total de Lfi0 = 65,8 μΗ e uma reactância de Lfloco = (2π F Lfl0) = 388 Ω, com uma resistência de perda óhmica de 0,06 Ω.

Portanto, o coeficiente de sobretensão da antena com o anel de excitação 2 e o elemento de ligação 3 em tubo de cobre é muito elevado, e portanto apresenta uma banda passante larga de muitos quilohertz para uma frequência de portadora de cerca de um megahertz, em comparação com o dos aços de boa qualidade para os quais a condutividade não excede os 15% da do cobre.

Vantajosamente, a antena de acordo com o invento produz, ao contrário do que acontece no caso das antenas de torre, uma onda de espaço em modo de radiação magnética e não eléctrica segundo a direcção do eixo vertical central V-V. A onda de espaço resulta da desigualdade das correntes na linha constituída pelo anel de excitação 2 e no solo contendo o plano de massa. Esta desigualdade impede que na vertical da antena possam ser anuladas as componentes de 28 ΡΕ1594186 campo verdadeiras e as componentes de campo da imagem da linha em relação ao espelho constituído pelo plano de massa. A potência desta onda de espaço, mais fraca do que a da onda de solo, pode ser acrescida mediante o aumento da potência do emissor 5, a fim de a explorar para uma difusão ionosférica nocturna dos sinais. Esta possibilidade de tiro zenital, chamado "tiro à africana", é um importante trunfo da antena do invento e permite transmitir uma parte da energia radiada em direcção às camadas ionosféricas E e F propicias à propagação nocturna a curta distância num raio de alcance superior a cerca de 30 km, o que é impossível com as actuais torres radiantes em onda média que não radiam nenhuma energia na vertical.

Em função das necessidades, a directividade da antena pode ser acentuada e privilegiada segundo uma ou algumas direcções predeterminadas através da instalação de um ou de alguns meios de confinamento colocados sensivelmente na periferia do plano de massa e na proximidade do solo, quer dizer, sobre o solo ou no seio do solo, para confinar a radiação electromagnética da antena respectiva-mente segundo a referida uma direcção ou as referidas direcções predeterminadas. Estes meios de confinamento da radiação electromagnética apresentam uma permissividade dieléctrica relativa sr e/ou uma permeabilidade magnética relativa μΓ e diferentes das do solo (terra), a fim de criar descontinuidades do meio de propagação ao nível do solo S, em prolongamento da descontinuidade D na periferia da antena entre o par solo S e o plano de massa metálico. 29 ΡΕ1594186

Cada um dos meios de confinamento da radiação compreende um ou alguns obstáculos condutores que criam obstáculos à radiação electromagnética e que constituem zonas de difracção equivalentes a fontes de radiação pontuais segundo a respectiva direcção predeterminada. Como se acha representado na Figura 1, para uma direcção predeterminada para o lado direito, os obstáculos são, por exemplo, umas fossas 61 que se acham vazias ou que se acham cheias com uns elementos metálicos e que têm uma profundidade de valor compreendido entre 50 cm e alguns metros em função da penetração da onda radiada no solo. Na superfície do solo podem igualmente ser colocados obstáculos, tais como protuberâncias metálicas ou grades metálicas 62 de pequena altura . A distância entre os obstáculos ou descontinuida-des será optimizado se a directividade for muito necessária: nesse caso, cada obstáculo é considerado como uma fonte de radiação e é estabelecida uma regra de colocação em fase entre as fonte de radiação, por exemplo por meio da escolha de uma distância próxima de λ/4 entre elas.

Chama-se a atenção para o facto de que a antena de solo de acordo com o invento que aqui foi anteriormente descrita pode ser indiferentemente uma antena de emissão, própria para emitir, ou uma antena de recepção própria para receber uma onda quilométrica ou hectométrica de solo portadora de um sinal útil, ao mesmo tempo que é discreta e 30 PE1594186 insensível aos parasitas exteriores sobre o solo e da ionosfera.

Lisboa, 8 de Fevereiro de 2011

Claims (19)

1. ΡΕ1594186 1 REIVINDICAÇÕES 1. Antena de solo compreendendo um plano de massa (1), um anel de excitação metálico (2) aberto entre duas extremidades (21, 22) e estendendo-se de uma maneira sensivelmente paralela ao plano de massa, e um elemento de ligação metálico (3) sensivelmente perpendicular ao anel e ligando uma (21) das extremidades do anel de excitação ao plano de massa, caracterizada por, para irradiar uma onda de solo quilométrica ou hectométrica, o plano de massa estar enterrado de uma maneira sensivelmente horizontal no solo, na proximidade e abaixo da superfície do solo (S), por o anel de excitação se estender de uma maneira sensivelmente horizontal acima da superfície do solo a uma altura (H) superior a cerca de 2 m em relação ao plano de massa, e por o anel de excitação e o elemento de ligação serem cada um deles constituído por pelo menos um elemento cilíndrico delgado.
2. 2. Antena de acordo com a reivindicação 1, em que o plano de massa (1) é em chapa metálica.
3. 3. Antena de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que o plano de massa (1) é uma rede metálica.
4. 4. Antena de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, compreendendo uns postes isolantes sensivelmente verticais (4) próprios para sustentar o anel de 2 ΡΕ1594186 excitação (2) acima do solo (S).
5. 5. Antena de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, em que o anel de excitação (2) tem um comprimento (L2) sensivelmente igual a um quarto ou a um múltiplo de um quarto de onda de um comprimento de onda útil da antena.
6. 6. Antena de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, em que o anel de excitação (2) tem um comprimento superior a cerca de 25 m.
7. 7. Antena de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, em que a abertura do anel de excitação (2) é muito pequena em relação ao comprimento do anel, numa relação de cerca de 1/50 a cerca de 1/100 em relação ao comprimento do anel.
8. 8. Antena de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, em que o plano de massa (1) e o anel de excitação metálico (2) têm uma forma de poligonal regular ou circular.
9. 9. Antena de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, em que a superfície do plano de massa (1) é sensivelmente o quádruplo da superfície circunscrita pelo anel de excitação (2).
10. 10. Antena de acordo com qualquer uma das rei- 3 ΡΕ1594186 vindicações 1 a 9, em que o anel de excitação (2) e elemento de ligação (3) são essencialmente em cobre.
11. 11. Antena de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, em que o anel de excitação (2) e elemento de ligação (3) são tubulares.
12. 12. Antena de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, em que o anel de excitação (2) e elemento de ligação (3) são gaiolas ou faixas de fios metálicos paralelos (23).
13. 13. Antena de acordo com a reivindicação 11 ou 12, em que o anel de excitação (2) e elemento de ligação (3) têm diâmetros de secção transversal (D, d) compreendidos entre cerca de 5 cm e cerca de 20 cm.
14. 14. Antena de acordo com uma das reivindicações 1 a 10, em que o anel de excitação (2) é constituído por tubos paralelos de comprimentos e diâmetros muito ligeiramente diferentes.
15. 15. Antena de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, compreendendo uma impedância terminal (Zt) ligada entre a outra (22) das extremidades do anel de excitação metálico e o plano de massa (1).
16. 16. Antena de acordo com a reivindicação 15, em que a impedância terminal (Zt) pode ser regulada para ajus- 4 ΡΕ1594186 tar uma frequência de funcionamento da antena.
17. 17. Antena de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16, compreendendo uns meios de alimentação em potência tendo uns terminais (51, 52) que se acham ligados respectivamente ao anel de excitação (2) e ao plano de massa (1) a uma distância (() do elemento de ligação (3) ao longo do anel de excitação tal que a impedância do anel de excitação reportada a partir do elemento de ligação (3) seja sensivelmente igual à impedância caracteristica dos meios de alimentação em potência.
18. 18. Antena de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 17, compreendendo uns meios (61, 62) que se acham colocados sensivelmente na periferia do plano de massa (1) e na proximidade do solo (S) e que são próprios para confinar a radiação electromagnética da antena respectivamente segundo uma predeterminada direcção ao longo do solo.
19. 19. Antena de acordo com a reivindicação 18, em que os meios próprios para confinar a radiação electromagnética da antena compreendem umas fossas (61) abertas no solo e/ou umas protuberâncias (62) colocadas sobre o solo. Lisboa, 8 de Fevereiro de 2011 ΡΕ1594186 1/3 -

    FIG. 2

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    ΡΕ1594186 -3/3- FIG.6

    1 ΡΕ1594186 REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO Esta lista de referências citadas pelo requerente é apenas para conveniência do leitor. A mesma não faz parte do documento da patente Europeia. Ainda que tenha sido tomado o devido cuidado ao compilar as referências, podem não estar excluídos erros ou omissões e o IEP declina quaisquer responsabilidades a esse respeito. Documentos de patentes citadas na descrição . US 2746040 A . US 6542126 B2 ΡΕ1594186 1 TRADUÇÃO DE EQUAÇÃO Equação da página 26 do texto traduzido Puissance Réactive: Potência Reactiva Puissance Active: Potência Activa