CET em Telecomunicações e Redes Telecomunicações. Lab 13 Antenas

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Washington Pacheco Abreu
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1 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 uma antena; análise das características particulares de vários tipos de antenas. Equipamento utilizado As Figuras 1.1 e 1. mostram os vários tipos de antenas usadas neste trabalho. (a) (b) Figura 1.1 Antena de dois elementos (a); Dipolo dobrado (b). (a) (b) Figura 1. Antena Yagi (a); Antena X-Quad (b). Discussão: A utilização de antenas na transmissão e/ou recepção de sinais implica a análise prévia de um conjunto de parâmetros associados ao tipo de ligação a estabelecer que conduza à escolha correcta do tipo de antenas a usar. O emprego de uma antena adequada constitui um factor determinante para a qualidade de recepção dos sinais transmitidos. Os parâmetros mais importantes a analisar são, por exemplo, a atenuação em espaço livre, entre emissor e receptor, a directividade ou ganho da antena, o tipo de polarização empregue, assim como o isolamento de polarização, o diagrama de radiação da antena, as possíveis fontes de interferência, etc. Alguns destes parâmetros são normalmente expressos em unidades logarítmicas (db). 1

2 CET em e Redes Co-polarização e polarização-cruzada As ondas electromagnéticas radiadas por uma antena do tipo dipolo são usualmente polarizadas verticalmente (campo eléctrico vertical) ou horizontalmente (campo eléctrico horizontal) em relação à superfície da terra, como nos mostra a Figura 1.3. Figura 1.3 Campos eléctrico (E) e magnético (H) radiados pela antena transmissora na direcção da antena receptora. As condições óptimas de transmissão e recepção dos sinais radiados ocorrem quando ambas as antenas têm a mesma polarização, isto é, quando se verifica adaptação de polarização. Neste caso, ambas as antenas encontram-se igualmente orientadas no espaço, ou seja, sobre o mesmo plano (vertical ou horizontal). Esta situação é designada por copolarização. Se rodarmos uma das antenas de 90º, verifica-se que a recepção do sinal diminui consideravelmente. Esta situação designa-se por polarização-cruzada (cross-polarization). Dependendo do tipo de antena, é possível a recepção do sinal transmitido mesmo em polarização-cruzada. A diferença em db entre a potência recebida em co-polarização ( ) e a potência recebida em polarização-cruzada ( 1 ) designa-se por atenuação ou isolamento de polarização (X) e é dada por X = 10log = [ db] 1[ db] [db] (1.1) 1 Este parâmetro assume especial importância em sistemas de transmissão que empregam simultaneamente ambas as polarizações, horizontal e vertical, na transmissão de sinais com informação distinta (por ex. canais telefónicos ou de TV) na mesma banda de frequências. Esta técnica designa-se por diversidade de polarização. O isolamento de polarização X permite, portanto, avaliar o nível de interferência entre os sinais recebidos com diferente polarização. Naturalmente, quanto maior for X maior é o isolamento entre polarizações, ou seja, menor a interferência entre os respectivos sinais.

3 CET em e Redes Atenuação em espaço livre A potência recebida R por uma antena diminui com a distância d entre a antena de transmissão e a antena de recepção, de acordo com a seguinte expressão: R λ = T 4 πd c = T 4πdf, (1.) em que T é a potência transmitida, d a distância entre o transmissor e o receptor, f a frequência, λ o comprimento de onda (λ=c / f) e c a velocidade da luz (c= [m/s]). O campo eléctrico recebido E R a uma distância d da antena transmissora pode ser aproximado por E R 30 = T [V/m] (1.3) d Observando as expressões (1.) e (1.3) verifica-se que a potência reduz-se com o quadrado da distância, enquanto que o campo eléctrico é inversamente proporcional à distância. A razão entre T / R designa a atenuação (em espaço livre) ao longo do percurso de transmissão e é dada por a 0 = T R 4πd = λ 4πdf = c (1.4) Normalmente a atenuação em espaço livre é dada em db, isto é, a 0 T 4π d 4π df = 10log 10log 10log = = R λ c (1.5) ou a 0 T 4π d 4π df = 10log 0log 0log = = R λ c (1.6) Combinando as constantes de (1.5), exprimindo a frequência f em MHz e a distância d em km, resulta a o = 3, log(f [MHz] ) + 0 log(d [km] ) db (1.7) Um método simples de determinar a atenuação em espaço livre é através do gráfico da Figura 1.4. Na prática, outros factores como a superfície da terra, a altura das antenas, a chuva, a existência de obstáculos no percurso de propagação do sinal, entre outros, contribuem para o aumento da atenuação total de propagação dos sinais entre as antenas. 3

4 CET em e Redes Definição de ganho O ganho de uma antena está intimamente relacionado com as propriedades direccionais desta. Quanto mais uma antena radia numa determinada direcção, ou seja, quanto mais directiva, maior é o ganho da antena. O ganho pode ser expresso em db pela expressão G = Log, (1.8) ant 10 0 sendo máx a potência radiada na direcção de máxima radiação e 0 a potência radiada por uma antena isotrópica (radia uniformemente em todas as direcções) ou por um dipolo de referência de λ/. Normalmente, usa-se como antena de referência um dipolo de λ/ que tem um ganho de.15 db, comparado com uma antena isotrópica. Noutros casos, onde não é possível termos uma antena de referência, utilizam-se os métodos absolutos de forma a calcular o ganho da antena: Método das duas antenas (método de Fraenz), aplicado a antenas iguais; Método das três antenas (método de Friis). 4

5 CET em e Redes Figura 1.4 Determinação da atenuação em espaço livre. 5

6 CET em e Redes Trabalho 1. Verifique que os interruptores de alimentação estão desligados.. Coloque o dipolo dobrado no transmissor e a antena de dois elementos no receptor, ambas na horizontal, separadas de 1 m. Ligue o transmissor e ajuste a sua potência de forma a obter no receptor um valor de 50% e ajuste o controlo de sensibilidade no máximo. Determine a potência recebida e registe a potência emitida. 3. Rode a antena receptora para a vertical e verifique a diminuição da potência recebida. Aumente a potência no emissor de forma a obter novamente o mesmo nível de potência recebida no ponto. Registe a potência emitida. 4. Calcule a atenuação produzida pelo efeito de polarização-cruzada. 5. Utilize o gráfico da Fig. 1.4 para calcular a atenuação em espaço livre de uma onda com uma frequência de 434 MHz, para as distâncias de: d= 3m ; 30m; 300m; 3Km; 30Km 6. Coloque a antena de dois elementos no transmissor e o dipolo dobrado no receptor, ambos na horizontal, separadas de m. Ajuste o controlo de sensibilidade no máximo. Ligue o transmissor e ajuste a sua potência para que no receptor se atinja um nível de recepção de 100%. 7. Registe o valor da potência emitida ( 1 ) com a antena de dipolo dobrado (G=.15 db). Substitua a antena receptora por um dipolo dobrado com reflectores, varie a potência no transmissor ( ) de forma a obter novamente a mesma potência recebida anteriormente. Calcule o ganho desta nova antena. (G=.15+10Log( 1 / ) db). 8. Substitua a antena receptora por uma antena Yagi e repita o procedimento do ponto 7. or fim por uma antena X-Quad. reencha o quadro da página seguinte. 6

7 CET em e Redes MEDIÇÕES : r = 3: e = 4: 5: Distância 3 m 30 m 300 m 3 Km 30 Km Atenuação (db) 7 e 8: Dipolo dobrado otência transmitida Ganho otência recebida Dipolo dobrado com reflectores Yagi X-Quad (polarização horizontal) 7

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