PROPAGAÇÃO II. Conceitos de Antenas

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1 Instituto Supeio de Engenhaia de Lisboa Depatamento de Engenhaia de Electónica e Telecomunicações e de Computadoes Secção de Sistemas de Telecomunicações ROAGAÇÃO II Conceitos de Antenas ISEL, opagação II, edo Vieia Conceitos de Antenas 1

2 Conceito de Antena Uma Antena é o elemento de uma ligação via ádio esponsável pela adiação ou pela ecepção de ondas adioelécticas. Tansfee enegia de um cicuito paa o espaço e vice-vesa. olaização em Antenas A polaização de uma antena é definida em temos da oientação do vecto Campo Eléctico na diecção do máxima adiação. aa os casos de intepetação mais simples, o Campo Eléctico E tem a mesma diecção do conduto eléctico da antena, podendo se hoizontal, vetical ou cicula. Um Dipolo Vetical, acima do solo adiaá com uma olaização Vetical. Um Dipolo Hoizontal, acima do solo adiaá com uma olaização Hoizontal. A olaização Cicula pode se poduzida po dois campos polaizados lineamente e pependiculaes, com uma difeença de fase de 90º. ode se dieita ou esqueda, consoante o sentido de otação. ISEL, opagação II, edo Vieia Conceitos de Antenas

3 olaização em Antenas (cont.) olaização de uma Antena de Emissão - olaização da onda emitida pela antena antes de sofe qualque modificação devida a factoes extenos à antena (influência do ambiente de popagação). olaização de uma Antena de Recepção olaização da onda incidente que induz um sinal máximo na antena de ecepção (paa a mesma densidade de potência). Uma Onda Electomagnética, ao incidi numa antena segundo uma dada diecção, dá oigem a uma tensão máxima aos teminais da antena eceptoa quando houve adaptação de polaizações. Exemplos: Antena de λ/ Ondas com olaização Hoizontal - Antena colocada na hoizontal Ondas com olaização Vetical - Antena colocada na vetical Fio inclinado olaização vetical apenas segundo a diecção do fio olaização linea, com declive positivo ou negativo consoante a diecção Antena em V olaização elíptica ISEL, opagação II, edo Vieia Conceitos de Antenas 3

4 Radianos e ângulo sólido Sistema de coodenadas paa análise de antenas da = senθ dθ dϕ Áea infinitesimal da supefície de uma esfea de aio d Ω = da = senθ dθ dϕ Ângulo sólido dω de uma esfea ISEL, opagação II, edo Vieia Conceitos de Antenas 4

5 Diagama de Radiação Repesentação tidimensional da distibuição da Intensidade de Radiação. Envolvente do vecto U (intensidade de adiação) em tono da antena. U - Intensidade de Radiação - otência Radiada pela antena po unidade de ângulo sólido. Antena centada num Sistema de Coodenadas Esféicas (, θ, φ). É consideada a zona distante da antena. Diagama de Radiação = epesentação de U ( θ, ϕ) U M U M α 3 U B U M db U M ISEL, opagação II, edo Vieia Conceitos de Antenas 5

6 Densidade de otência Radiada Densidade de otência Radiada E S = = Z ZH S -valo médio do Vecto de oynting (densidade média de potência adiada) Z- Impedância Caacteística do meio em que a onda se popaga otência Radiada pela antena ( θ, ϕ) S( θ, ϕ) U = Ω = senθ θ ϕ = S A = U Ω = π ϕ= 0 π θ= 0 S senθ θ ϕ potência adiada po unidade de ângulo sólido ou intensidade de adiação ângulo sólido. Os diagamas de adiação podem, também, se constuídos a pati das intensidades dos campos na zona distante da antena. ( θ, ϕ) E( θ, ϕ) H( θ, ϕ) U U M = E M = ISEL, opagação II, edo Vieia Conceitos de Antenas 6 H M

7 Lagua de Feixe. Ângulo de Abetua (α) Feixe -Ângulo sólido do cone de iadiação ou de ecepção. A esfea tem adianos e a Diectividade D eduz a adiação a um feixe Ω tal que Ω =4 π/d. Lagua de Feixe - Distância angula ente as diecções segundo as quais a intensidade de adiação se eduz a metade do valo máximo. Também conhecida como lagua de feixe de meia potência ou lagua de feixe a -3dB. Nível de Lobo Secundáio (NLS) Relação ente o máximo da intensidade de adiação de um deteminado lobo secundáio (k) e o máximo da intensidade de adiação do lobo pincipal U NLS = db 10log10 U ISEL, opagação II, edo Vieia Conceitos de Antenas 7 k M

8 Relação Fente-Tás (RFT) Relação ente o máximo de intensidade de adiação do lobo pincipal e o máximo da intensidade de adiação do lobo oposto ao pincipal. Diectividade U RFT = db 10log10 U M B Compaação ente a intensidade de adiação máxima e intensidade de adiação média ou intensidade de adiação adiada po uma antena isotópica. D Umax U max = = U = medio U Ω = 4 π Umedio π 4 1 Quando o lobo pincipal ocupa uma posição dominante no diagama de adiação D = apoximada α 3 db H α α 3dBH e α 3dBV são as laguas dos feixes em planos otogonais pincipais (hoizontal e 3dBV vetical), expessos em adianos. Apoximação válida paa antenas muito diectivas (D > 1 dbi). ISEL, opagação II, edo Vieia Conceitos de Antenas 8

9 Ganho As caacteísticas dieccionais de uma antena são fequentemente expessas em temos da função de Ganho G (θ,φ). Ganho de uma antena é uma das caacteísticas básicas, fequentemente utilizada como facto de méito. Compaa uma antena com uma dada antena de efeência. Razão ente a máxima intensidade de adiação (numa dada diecção) e a máxima intensidade de Radiação (na mesma diecção) poduzida pela antena de efeência, com a mesma potência de entada. A antena de efeência nomalmente utilizada é o adiado isotópico. O dipolo de meia onda é, po vezes, consideado como a antena de efeência ( como no caso da adiodifusão e televisão ). Está intimamente associado à Diectividade, a qual, po sua vez, depende do Diagama de Radiação da antena. S a = [ W / m ] Intensidade de Radiação da Antena Isotópica sem pedas U G = U M i [ W / ang. sólido] UM U = = η a U = S = i a M adiada U = η U η = M medio adiada a = η D ISEL, opagação II, edo Vieia Conceitos de Antenas 9

10 Rendimento de uma antena aa o cicuito de alimentação, a antena é vista como sendo apenas uma impedância. A enegia iadiada pode se consideada como absovida po uma esistência de adiação (R ). Além desta, temos de considea também, a esistência de pedas, a qual, paa o caso de um bom endimento, deve se infeio a R. η = a η = R R + R p η - endimento da antena R - Resistência de Radiação p = a R p -Resistência de edas - otência adiada pela antena R = = p p I R I a - otência de alimentação p -otência de edas I Intensidade de coente de alimentação. ISEL, opagação II, edo Vieia Conceitos de Antenas 10

11 Áea Efectiva de uma antena (A e ) Coeficiente de Adaptação de olaização A = e ecebida C S otência Recebida Intensidade do vecto de oynting (C p = 1, no caso de adaptação de polaização ente onda incidente e antena eceptoa) No caso de pefeita adaptação (de polaização e de impedância) teemos a abetua (ou áea) efectiva máxima da antena. Fazendo uma expeiência conceptual ente duas antenas 1 e a funciona em emisso / ecepto, e tocando as suas funções, veifica-se, ecoendo ao pincípio da ecipocidade que existe uma elação constante ente o ganho e a áea efectiva máxima de uma antena. G A 1 e1 = G A O valo desta constante é independente da antena: A e e λ = G ISEL, opagação II, edo Vieia Conceitos de Antenas 11

12 Áea Efectiva de uma antena (A e ) cont. De um modo geal, A λ λ e G Ci = η D Ci = Facto de adaptação de impedâncias = C S A ecebida e λ = η D S C C ecebida i Altua Efectiva de uma antena O conceito de áea efectiva é atactivo em antenas de abetua. Em antenas lineaes é mais diecto o conceito de altua, ou compimento efectivo. A áea efectiva é utilizada paa se chega à potência ecebida a pati da intensidade do vecto de oynting da onda incidente. A altua efectiva, pemite obte a amplitude da tensão, V, aos teminais em vazio da antena com base no conhecimento da intensidade do campo eléctico da onda incidente, E. V V he = = E Z S h Após algumas manipulações, ISEL, opagação II, edo Vieia Conceitos de Antenas 1 e D R = λ π Z

13 Alguns esultados inteessantes ISEL, opagação II, edo Vieia Conceitos de Antenas 13

14 Exemplos de antenas ISEL, opagação II, edo Vieia Conceitos de Antenas 14

15 Exemplos de antenas ISEL, opagação II, edo Vieia Conceitos de Antenas 15

16 Um avião e suas antenas ISEL, opagação II, edo Vieia Conceitos de Antenas 16