Tópicos em Engenharia Tópicos em Telecomunicações
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- Matheus Franca Festas
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1 Tópicos em Engenharia Tópicos em Telecomunicações Aulas 11 a 13 Fundamentos Básicos de Antenas 1
2 Introdução Princípios Antenas Dipolo Arranjo de Antenas Antena Yagi Antena Monopolo Antena Parabólica Antena Corneta Antena Loop Antena Helicoidal Antena Patch 2
3 O que é uma antena? É o material capaz de converter as ondas guiadas presentes em guias de ondas, cabos e linhas de transmissão, em ondas radiantes propagando-se no espaço livre, ou vice-versa 3
4 Condições necessárias para radiação 4
5 Regiões de campo próximo e de campo distante Medições devem ser feitas na região de campo distante Na região de campo próximo poderá haver acoplamento, mudando as características de impedância e radiação 5
6 Radiação de campo distante em fios Muitas antenas são compostas somente por fios, com corrente fluindo neles É conveniente trabalhar com coordenas esféricas ao invés de coordenadas Cartesianas 6
7 Diagrama de radiação O diagrama de radiação de uma antena é uma parcela da radiação de seu campo distante Mais especificamente, é uma parcela de potência radiada por unidade de ângulo sólido intensidade de radiação U [watts por unidade de ângulo sólido] U 2 r S (7.1) onde r é a distância ao ponto de interesse e S é a densidade de potência [W/m²] 7
8 Diagrama de radiação Antena isotrópica S P P (7.2) 2 area 4 r U r S (7.3) 4 2 P 8
9 Diagrama de radiação Dipolo infinitesimal 9
10 Diagrama de radiação Antena diretiva arbitrária Lóbulo principal Lóbulos secundários ou laterais Ângulo de meia potência (HPBW) Razão frente-costa 10
11 Diretividade radiação da antena na direção (, ) D(, ) (7.4a) radiação da antena isotrópíca D dbi 10log D (7.4b) D (7.5) o HP o HP Exemplo: diretividade de um dipolo Hertziano D = 3/2, ou aproximadamente 1,8 dbi 11
12 Resistência de radiação 12
13 Eficiência e Potência radiada Potência total na antena Rr R R r l (7.6) Quando uma antena é considerada de alta eficiência? R r >> R l Quando uma antena é dita ressonante? X a = 0 13
14 Casamento de impedância Se a impedância da fonte Z s R jx (7.7) s s e a impedância total da antena Z a R R jx (7.8) r l a forem complexos conjugados então a fonte está casada com a antena. * Zs Z (7.9) a Portanto, haverá a máxima transferência de potência da fonte à antena. 14
15 Descasamento de impedância Se o casamento não for ideal, então o grau de descasamento pode ser medido usando o coeficiente de reflexão V V r a s (7.10) i Z Z a Z Z É também comum medir o descasamento pela relação (taxa) de onda estacionária 1 1 s VSWR (7.11) 15
16 Ganho É a razão da intensidade de radiação da antena pela intensidade de radiação da antena isotrópica, com mesma potência da antena real G(, ) ed(, ) (7.12) É comum os fabricantes especificarem os diagramas de radiação em função dos ganhos, somente em dois planos ortogonais G(, ) G( ) G( ) (7.13) 16
17 Ganho 17
18 Largura de banda A largura de banda de uma antena expressa a sua capacidade de operar em uma determinada faixa de frequência Muitas vezes é definida como o intervalo em que o ganho de potência é mantido dentro do limiar de3 db, ou o intervalo durante o qual o VSWR não seja superior a 2:1, o que for menor O padrão de radiação de uma antena pode mudar drasticamente se a sua faixa de operação estiver fora da faixa projetada 18
19 Reciprocidade Se uma tensão é aplicada aos terminais de uma antena A e uma corrente é medida nos terminais de uma outra antena B, então uma corrente equivalente será obtida nos terminais de antena A, se a mesma tensão for aplicada aos terminais da antena B. 19
20 Abertura efetiva Se uma antena for usada para receber uma onda com uma densidade de potência S [W/m 2 ], ela irá produzir uma potência P r [W] em seus terminais. A constante de proporcionalidade entre P r e S é A e, a abertura efetiva da antena em metros quadrados Pr Ae S (7.14) O ganho é também relacionado com a abertura efetiva 4 A (7.15) e G 2 20
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22 Estrutura Se uma linha de transmissão de um par de fios é alimentada por uma fonte em uma extremidade e deixou um circuito aberto na outra, a onda é refletida na extremidade aberta da linha Esta energia retorna ao longo da linha, interferindo na nova onda gerada pela fonte A interferência resultante produz um padrão de onda estacionária na linha, com picos e vales em pontos fixos da linha A corrente é zero na terminação de circuito aberto e varia de forma sonoidal, com nulos espaçados a cada meio comprimento de onda 22
23 Estrutura Se uma pequena seção de comprimento L/2 na terminação da linha de transmissão for dobrada para fora, formará um dipolo perpendicular à linha original, e de comprimento L As correntes na seção dobrada estão agora na mesma direção, e a radiação ocorre 23
24 Estrutura Embora essa radiação não altere ligeiramente a distribuição de corrente, a sua forma geral continua a mesma e uma aproximação senoidal pode ser usada para analisar o diagrama de radiação resultante 24
25 Distribuição de corrente L I( z) I(0)sin k z (7.16) 2 25
26 Diagrama de radiação 26
27 Diagrama de radiação Note que a magnitude do campo é fortemente dependente do comprimento da antena O comprimento mais comum é o dipolo de meia onda (L = 0,5 ), que tem diretividade significativa, alta eficiência e dimensão relativamente compacta A directividade do dipolo de meia onda é 1,64 ou 2,15 dbi O dipolo de meia onda é uma antena facilmente controlada, e implementável, enquanto que a antena isotrópica não é dbd= dbi 2,15 27
28 Impedância de Entrada Seja um dipolo fino, sem perdas, com seu comprimeto exatamente igual à metade do comprimento de onda, tem uma impedância de entrada Z a 73 j42, 5 (7.17) É desejável torná-lo ressonante Normalmente a ressonância é realizada na prática reduzindo o comprimento do dipolo para cerca de 0,48, dependendo um pouco do raio do condutor e da dimensão do gap de alimentação Isso também reduz a resistência de radiação 28
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30 Introdução A diretividade máxima disponível a partir de um único dipolo é limitada a L um pouco maior do que um comprimento de onda Em algumas aplicações, isso pode não ser suficiente Uma possível solução é combinar arranjo de dipolos, ou de elementos de outras antenas, onde a amplitude e a fase em que cada elemento pode ser diferente Os campos produzidos pelos elementos, em seguida, combinam-se com fases diferentes do campo distante e o diagrama de radiação é alterado Isso também permite que o diagrama seja adaptado de acordo com a aplicação específica, ou alterado para permitir o varrimento do feixe sem qualquer movimento físico da antena Se a amplitude e a fase são controladas eletronicamente, em seguida, o feixe pode ser escaneado muito rapidamente para acompanhar as alterações no canal de comunicação 30
31 Arranjos Lineares e Planares Arranjos de antenas podem ser lineares ou planares Um arranjo linear permite que a diretividade seja obtida em um único plano, daí um diagrama omnidirecional pode ser sintetizado Um arranjo planar tem duas dimensões de controle, permitindo que um feixe estreito (narrow pencil beam) possa ser produzido 31
32 Arranjo linar uniforme O tipo mais simples de arranjo é o arranjo linear uniforme É um arranjo com espaçamento interelementos iguais e uma mudança de fase progressiva Neste caso, o padrão de campo do arranjo total é equivalente ao padrão dos elementos individuais multiplicados por um fator de arranjo, cujo valor normalizado é sin n 2 F a (7.18) n 2 onde 2 d cos n é o número de elementos d é a distância entre elementos é o deslocamento de fase entre elementos adjacentes 32
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34 Antena Yagi Outra abordagem baseada em arranjo para aumentar a diretividade de antenas dipolo é a utilização de elementos parasitas Elementos parasitas são montados próximos ao dipolo orientado e não estão ligados diretamente com a fonte Em vez disso, o campo de radiação do elemento impulsionado induz correntes no parasitas, fazendo com que eles radiam por sua vez Se o comprimento e a posição dos elementos parasitas são escolhidos adequadamente, então a radiação dos parasitas e o elemento impulsionado somam construtivamente em uma única direção, produzindo um aumento na diretividade 34
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36 Antenas refletoras Se uma antena que transporta uma corrente é colocada adjacentemente a um plano condutor perfeito (plano terra), então o sistema combinado terá os mesmos campos acima e abaixo do plano, como se uma imagem da antena estivesse presente abaixo do plano A imagem trará uma corrente de magnitude igual à antena real, mas no sentido oposto, e estará localizada a uma distância igual a partir do plano, mas do outro lado Esta afirmação é uma consequência da lei de Snell, tendo em conta os coeficientes de reflexão Fresnel para um condutor perfeito 36
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38 Antenas monopolo A antena monopolo resulta da aplicação da teoria da imagem para o dipolo Se um plano terra é colocado abaixo de um único elemento de comprimento L/2 transportando uma corrente, então o sistema combinado atua de forma idêntica a um dipolo de comprimento L, exceto a radiação que ocorre apenas no espaço acima do plano Assim, a diretividade é duplicada e a resistência de radiação é reduzido pela metade O monopolo de um quarto de onda (L/2 = /4), portanto, aproxima-se do dipolo de meia onda 38
39 Refletores de canto O princípio de um monopolo pode ser estendido pelo uso de dois refletores Isso resulta em várias imagens e um ganho proporcionalmente aumentado, conhecido como a antena refletora de canto Variações sobre este tipo de antena são frequentemente utilizadas em ERBs celulares 39
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42 Antenas Parabólicas A antena parabólica estende o conceito de antena refletora para refletores curvos Neste caso, o número de imagens é efetivamente infinito A localização destas imagens são de modo a produzir um feixe paralelo ao refletor, desde que o elemento ativo esteja posicionado no foco da parábola A antena então age como uma série infinita uniforme 42
43 Antenas Parabólicas O fator de arranjo pode ser diretamente obtido através da Equação (7.18), definindo = 0, d = D, onde D é o diâmetro do parábola, e n Consequentemente D cos D cos P sin (7.19) 43
44 Antenas Parabólicas Em geral, o ganho de uma antena parabólica é dado por 2 G D (7.20) 44
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46 Antena corneta É uma evolução natural da ideia de que qualquer antena representa uma região de transição entre as ondas guiadas e as propagantes É altamente adequada a altas frequências, em que o uso de guias de onda é o método padrão de alimentação A abertura é mantida como um retângulo, mas as versões circulares e elípticas também são possíveis As dimensões da abertura são escolhidos afim de selecionar um modo apropriado de ressonância, dando origem a uma distribuição de campo controlada ao longo da abertura 46
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48 Antena loop A antena loop é um simples loop de fio de raio a É pequena o suficiente em comparação a um comprimento de onda, em que a corrente I pode ser assumida constante em torno de sua circunferência A antena loop é relativamente ineficiente Na prática, são normalmente aplicadas em sistemas de recepção compactos O loop não precisa ser exatamente circular 48
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50 Antena helicoidal Pode ser considerada como um arranjo vertical de loops, pelo menos para o caso quando o diâmetro do espiral for pequeno em comparação com um comprimento de onda O resultado é a radiação com um ganho maior que um único loop, provendo uma com tamanho compacto e eficiência razoável, porém largura de banda estreita É comumente utilizada em dispositivos portáteis de mão, onde é mais conveniente reduzir o comprimento da antena a valores inferiores a um quarto de 50
51 Antena helicoidal No caso em que o diâmetro é de cerca de um comprimento de onda ou maior, a radiação muda completamente para o modo axial, em que a operação da antena é semelhante à de uma Yagi, mas com polarização circular Este modo é normalmente usado para comunicações via satélite, particularmente em baixas frequências 51
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53 Antena patch É baseada em tecnologia de circuito impresso para criar estruturas planas radiante em cima do dielétrico O apelo por tais estruturas vem de permitir que as antenas sejam compactas, de baixo custo de fabricação e com alta confiabilidade É, na prática, difícil de conseguir tudo isso, ao mesmo tempo ter uma largura de banda aceitável, com eficiência No entanto, as melhorias nas propriedades dos materiais dielétricos e em técnicas de design levaram a um enorme crescimento desta antena e agora há um grande número de aplicações comerciais 53
54 54
55 S. R. Saunders and A.Aragón-Zavala, Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems, Wiley, Qual o máximo ganho possível?
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