1. Introdução. ANTENAS IST A. Moreira 1

Tamanho: px

Começar a partir da página:

Download "1. Introdução. ANTENAS IST A. Moreira 1"

Maria das Graças Pinheiro Carneiro
7 Há anos
Visualizações:

1 1. Introdução Conceito de antena Aplicações Tipos e classes de antenas Breve história das antenas e métodos de análise Antenas em sistema de comunicações ANTENAS IST A. Moreira 1

2 Antena - definição Dispositivo, normalmente metálico, que radia ou recebe ondas de rádio de acordo com a definição IEEE Std ! acrescentamos que optimiza, ou acentua, a radiação emitida em certas direcções em detrimento de outras (emissão); que optimiza, ou acentua, a potência entregue num receptor para ondas incidentes segundo determinadas direcções em detrimento de outras (recepção) ANTENAS IST A. Moreira 2

3 Antenas - conceito Radiador Dispositivo para transmissão ou recepção de ondas electromagnéticas Transdutor entre espaço livre e linha de transmissão/ guia de ondas Filtro espacial direccional ANTENAS IST A. Moreira 3

4 Antenas - modos de funcionamento Modo de emissão: estrutura de transição entre sinal gerado no transmissor e onda EM em espaço livre Modo de recepção: estrutura de transição entre onda EM incidente e sinal no receptor As antenas podem ser usadas quer em recepção quer em emissão com as mesmas propriedades direccionais ANTENAS IST A. Moreira 4

5 Aplicações das Antenas Sistemas de telecomunicações em terra: Radiodifusão directa Ligações ponto-a-ponto Terminais móveis e estações de base Aplicações de trânsito Navegação Sistemas de comunicações por satélite: Ligação entre estações terrenas TV por satélite Teminais terrestres/ terminais móveis ANTENAS IST A. Moreira 5

6 Aplicações das Antenas (cont.) Aplicações civis e militares de radar: Radar meteorológico Controlo de tráfego aéreo Radares de busca Radar de abertura sintética (SAR e ISAR) (controlo de poluição, tráfego, zonas pesqueiras, etc.) Monitorização da ionosfera e pesquisa planetária Radiómetros: Sistemas militares de primeiro aviso Radioastronomia Meteorologia e prospecção de recursos terrestres ANTENAS IST A. Moreira 6

7 Tipos de antenas Antenas filiformes (wires) Antenas de fenda Antenas impressas (microstrip) Cornetas electromagnéticas Antenas de reflector Antenas dieléctricas Antenas Leaky Wave ANTENAS IST A. Moreira 7

8 Tipos de Antenas - filiformes ( wires ) Elementos curtos Dimensões << l Ressonantes ~ l/2 longos não-ressonantes ~ nl loop rômbica Dipolo dobrado dipolo hélice ANTENAS IST A. Moreira 8

9 Tipos de Antenas - antenas de superfície ressonantes aberturas reflectores Antena impressa microstrip Corneta electromagnética piramidal Reflector parabólico ANTENAS IST A. Moreira 9

10 Características gerais de diferentes tipos de antenas Antenas (electricamente) curtas ouco directivas; Baixa resistência de radiação; Reactância elevada; Baixa eficiência Antenas ressonantes Ganho baixo ou moderado; Impedância real (resistiva); Banda estreita Antenas de abertura e reflectores Ganho elevado, crescente com a frequência; Banda moderada ANTENAS IST A. Moreira 10

11 Agregados de Antenas Agregados lineares e planares: Agregados direccionados por controlo de fase (phase-steered array) Antenas activas Formatação digital de feixe (beam forming) Antenas adaptativas ANTENAS IST A. Moreira 11

12 Exemplos de Agregados de Antenas ANTENAS IST A. Moreira

13 Resumo histórico Equações de Maxwell 1864 Hertz 1888: cilindro parabólico reflector Marconi 1901: transmissão transatlântica WW II: aberturas, reflectores, agregados s: antenas de banda larga 70 s: antenas impressas Anos recentes: Antenas inteligentes e aplicações MIMO ANTENAS IST A. Moreira 13

14 Electromagnetismo Computacional Computational Electromagnetics Métodos Numéricos Harrington, 1968: Método dos Momentos (MoM) Métodos de Elementos Finitos (FEM) Método de Diferenças Finitas no Domínio do Tempo (FDTD) Métodos Analíticos de alta frequência Teoria geométrica da difracção Óptica geométrica ANTENAS IST A. Moreira

15 Antenas em Sistemas de Comunicações - modo de transmissão Antena Fonte de informação Transmissor adaptador Fonte de informação Representação da informação por sinal eléctrico (transdutor) Geradores de forma de onda Moduladores Osciladores Conversores de frequência Amplificadores Guia/ linha ANTENAS IST A. Moreira 15

16 Antenas em Sistemas de Comunicações - modo de recepção Antena adaptador Receptor Saída/ equipamento terminal Guia/ linha Osciladores Conversores de frequência Amplificadores Desmodulador Recuperação da informação ANTENAS IST A. Moreira 16

17 Ligação em espaço livre usando antenas Densidade de fluxo de potência Antena em Emissão Densidade do fluxo de potência (intensidade do vector de oynting) à distância R se a antena fosse isotrópica S ( R) T 4R 2 Densidade do fluxo de potência tendo em conta as propriedades direccionais da antena S ( R,, ) T GT (, ) 2 4R ANTENAS IST A. Moreira 17

18 Ligação em espaço livre usando antenas Área efectiva e otência na recepção S rec Rx Receptor rec =S x A e ANTENAS IST A. Moreira 18

19 Ligação em espaço livre usando antenas otência na recepção, Área efectiva e Ganho otência na recepção, rec : É proporcional à intensidade do vector de oynting incidente Constante de proporcionalidade: área efectiva rec A (, ) S, (, ) e inc Área efectiva e Ganho As relações de reciprocidade implicam, para qualquer antena em meio recíproco, a seguinte relação universal de proporcionalidade entre área efectiva e ganho Ae (, ) G(, ) 2 l 4 ANTENAS IST A. Moreira 19

20 ANTENAS IST A. Moreira 20 Ligação em espaço livre usando antenas Fórmula de transmissão de Friis R T 2 T rec T 2 T rec R 2 e e rec rec G G R 4 G R 4 S G 4 A A S l l,, R G Ganho da antena de recepção T G Ganho da antena de emissão Fórmula de Friis

21 Ligação em espaço livre usando antenas erdas de propagação Meio contínuo Variação da densidade do fluxo de potência num percurso onde a constante de propagação k=b+ja pode ser considerada localmente homogénea ercurso homogéneo de extensão R 2 1/ L p e 1/ L p e perc 2aR a ds erdas de propagação Devem ser compensadas com um reforço da potência do transmissor ercurso homogéneo L L 10log 10( L p, db p p, db adb/ km R km ) ANTENAS IST A. Moreira 21

22 Ligação em espaço livre usando antenas otência na recepção Fórmula de Friis incluindo perdas de propagação rec T l 4R 2 G T G R / L p Fórmula de Friis usando unidades logarítmicas rec T G T G R Lfs Lp dbw dbw db db onde se introduz o conceito de perdas de espaço livre, L fs L fs 4R 20log10 l log ( f 10 GHz ) 20log 10 ( R km ) ANTENAS IST A. Moreira 22

23 Ligação em espaço livre usando antenas otência na recepção, incluindo desadaptação oderá existir desadaptação de impedância e de polarização na recepção. É habitual contabilizar estes efeitos pela introdução dos factores: Factor de adaptação de impedâncias ( perdas por desadaptação) e i / 1 2 carga adapt.,, 0 e i 1 factor de reflexão Factor de adaptação de polarização ( perdas de polarização) e p / polar. 0 ep 1 adapt. otência na recepção incluindo desadaptações rec l T 4R 2 G G T R CiC L p p ANTENAS IST A. Moreira 23

24 otência disponível de ruído aos terminais de uma antena (recepção) Antena N A KT f A Receptor largura de banda f Uma antena capta ruído com origem em fontes externas, ao qual se adiciona ruído interno originado na resistência de perdas. Estas fontes contribuem para o ruído disponível aos seus terminais Do ponto de vista do ruído uma antena pode ser descrita por uma fonte de ruído térmico a uma temperatura equivalente T A, sendo a potência disponível de ruído dada por N A KT f A ANTENAS IST A. Moreira 24

25 otência mínima do transmissor para assegurar uma ligação ara assegurar a qualidade de uma ligação, e dependendo do tipo de serviço, é necessário garantir um determinado valor mínimo para a relação Sinal/ Ruído na entrada de um receptor. KT rec min ( S / N ) i,rec Af Usando a equação de Friis, obtem-se para a potência mínima no transmissor T 2 4R l KT A f ( S / N) G G T R min i, rec L p Nota: esta expressão deve ser reescrita caso existam factores de desadaptação a incluir ANTENAS IST A. Moreira 25

26 Notas sobre ligações rádio As perdas no meio podem ter grande variabilidade em resultado das condições meteorológicas (ex: chuva) Numa ligação radio o sinal na antena de recepção tem características aleatórias, ao contrário do que sucede numa ligação guiada (ex: cabo coaxial, linha de transmissão, guia de ondas) em que o sinal recebido tem características determinadas. As várias causas de perturbação têm duração diferente e produzem flutuações de intensidade no nível do sinal, fenómeno conhecido por desvanecimento ou fading. Uma causa possível de fading é o efeito da sobreposição de sinais devido a multipercurso não está contemplado nas expressões anteriores Consequências do fading: o nível do sinal é especificado em percentagem do tempo em que é garantido um nível mínimo, que depende da qualidade de serviço a prestar. Num projecto de ligação radio é habitual especificar as margens de fading, que correspondem ao aumento do nível de potência necessário para garantir a qualidade da ligação ANTENAS IST A. Moreira 26

Documentos relacionados

CET em Telecomunicações e Redes Telecomunicações. Lab 13 Antenas

CET em Telecomunicações e Redes Telecomunicações. Lab 13 Antenas CET em e Redes Objectivos Familiarização com o conceito de atenuação em espaço livre entre o transmissor e o receptor; variação do campo radiado com a distância; razão entre a directividade e ganho de