Trabalho 4. Antenas Log-Periódicas e Agrupamentos lineares uniformes

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1 Trabalho 4 Antenas Log-Periódicas e Agrupamentos lineares uniformes No primeiro trabalho viu-se que uma antena com meio comprimento de onda tem o desempenho esperado quando opera à frequência nominal. Mas se a frequência de operação varia significantemente, os parâmetros da antena sofrem uma degradação considerável. Tendo em conta este comportamento, foram inventadas antenas cujo desempenho é relativamente insensível à mudança de frequência, desde que esta se mantenha dentro da gama de desenho. As Antenas Log-Periódicas (ALP) constituem o exemplo mais corrente de tal comportamento. Neste trabalho será analisado um exemplo de uma ALP e serão também explorados alguns aspectos dos agrupamentos lineares uniformes que não puderam ser vistos nos trabalhos prévios. 1. Antena Log-Periódica Como primeiro exemplo vamos considerar uma ALP com 14 elementos, desenhada para operar na faixa MHz. Há muitas referências que cobrem o desenho deste tipo de antena, como, por exemplo, a secção do livro de Balanis. Uma referência também muito utilizada é a American Radio Relay League (ARRL), muito popular entre entusiastas da actividade radio-amador. Exemplos abundam na internet, e no endereço seguinte paginas.fe.up.pt/~amoura/aproweb/logperiodicantennadesign.pdf está o artigo da antena que vamos analisar neste trabalho Crie uma cópia do ficheiro trab4_inicial.nec com o nome de trab4.nec. Este ficheiro terá as linhas seguintes: CM CM MHz 14 el 6.35 mm elements 2.5m boom 20 mm square CM This was erected on 23/9/2001, SWR as predicted up to 60 MHz CM FR CM RP CE GW GW AAM/JJC Pg.1 de 7

2 GW GW GW GW GW GW GW GW GW GW GW GW GE EX FR PQ -1 TL TL TL TL TL TL TL TL TL TL TL TL TL RP EN Como se verá, esta antena tem um desempenho muito uniforme, desviando-se do desejado apenas quando operamos nas frequências mais altas (este desvio sugere trabalho adicional/modificação deste desenho, mas não é esse o propósito deste trabalho). A tabela Excel que se segue relaciona alguns dos parâmetros do ficheiro inicial, como se pode facilmente observar. O parâmetro tau é suposto ser uma constante, e relaciona o tamanho dos AAM/JJC Pg.2 de 7

3 elementos segundo a regra Li+1= tau * Li assim como a separação entre os elementos segundo a regra di, i+1= tau * di-1, i X Y tau delta_x freq delta_f incf_f delta_x ratio Vamos começar pelo cálculo do SWR da antena, de 40 a 100 MHz. Corra o programa, especificando a opção Use original file. P1 Usando o critério o SWR não excede o valor de 2, determine a banda de frequências que satisfazem este critério. Observe o gráfico do ganho, outra opção da janela F5. P2 Como pode constatar, o ganho da antena sofre uma perturbação à frequência 77 MHz. Tendo em conta os valores da tabela Excel dada acima, o que pensa ser a origem/causa desta anomalia? A seguir, será investigado o comportamento da antena às várias frequências. Mude a linha que controla as frequências para FR AAM/JJC Pg.3 de 7

4 Corra o programa, mas desta vez escolha a opção Far Field Pattern. Anote o diagrama de radiação e, na janela Geometry, escolha Show Current, para visionar aa Magnitudes da distribuição de corrente nos vários elementos. Nota: Para melhor mostrar a corrente, use a tecla Page Up uma ou mais vezes, com a janela seleccionada. P3 Quais são os elementos da antena que estão mais activos, nesta frequência? Como justifica tal? Faça um esboço do diagrama de radiação. Altere a frequência para 60 MHz. P4 Repita a pergunta anterior, para esta nova situação. Por fim, vamos mudar para a frequência 77 MHz, onde o ganho da antena sofre. Corra o programa e observe o diagrama de radiação. P5 Qual é a maior diferença entre este diagrama e a respectiva distribuição de correntes, e o que foi observado na situação anterior a 60 MHz? 2. Agrupamento linear uniforme de quatro elementos Vamos mudar o ficheiro de entrada para um com quatro elementos, semelhante aos que foram usados no trabalho anterior. Crie uma cópia do ficheiro trab4_4el_inicial.nec dando-lhe o nome de trab4_4el_dnovo.nec. Este ficheiro terá as linhas seguintes: CM Aprupamentos lineares uniformes CE SY len=0.5 'Comprimento do elemento SY d=0.5 'Espaçamento entre elementos GW len/2 -d/2-d 0 len/2 -d/2-d.0001 GW len/2 -d/2 0 len/2 -d/ GW len/2 d/2 0 len/2 d/ GW len/2 d/2+d 0 len/2 d/2+d.0001 GE 0 EX 'Fase da corrente 0 graus AAM/JJC Pg.4 de 7

5 EX 'Fase da corrente 0 graus EX 'Fase da corrente 0 graus EX 'Fase da corrente 0 graus FR EN Simule este agrupamento e observe o diagrama de radiação. Pretende-se fazer uma análise do mesmo, mas desta vez usando o mapeamento z = e jψ = e j(ß+kd cosδ). Para tal, vamos considerar a tabela seguinte: δ ψ = ß + kd cos δ = 0+(2π/λ)(λ/2) cos δ Sentido do percurso à volta do círculo 0 π cos δ=π (Ponto de partida) π/2 0 Com o relógio (=ψ diminuiu) π -π Com o relógio (=ψ diminuiu) 3π/2 0 Contra o relógio (=ψ aumentou) 2π π : valor repetido ; ponto de partida Contra o relógio (=ψ aumentou) Para se usar esta tabela, convém lembrar o diagrama do círculo unitário que mostra o local dos zeros do polinómio associado com qualquer cortina linear uniforme que tenha N elementos. Se N = 4, que é o caso presente, o círculo unitário contém N - 1 = 3 zeros, em π/2, π e 3π/2, que é o mesmo que π. Seguindo o percurso à volta da cortina, quando δ varia de 0 a 360, há um percurso à volta do círculo unitário que se inicia de acordo com o valor de ß e da separação d. Os cálculos dos nulos são agora triviais: basta determinar o ângulo ψ que coincide com um dos zeros. Nota: O ângulo δ indica a linha radial à volta da cortina, começando na linha que contém as várias antenas. Neste caso, dada a orientação das antenas, o ângulo δ coincide com o ângulo θ do diagrama de radiação. No caso presente, quandoθvaria de 0 a π/2, ψ varia no sentido dos ponteiros do relógio de π para 0, passando pelo nulo que corresponde a ψ = π/2. Portanto, com o varrimento do primeiro quadrante em θ(ou seja, em δ) vai-se no plano Z de um nulo em ψ= π até um máximo em ψ = 0, tendo passado por AAM/JJC Pg.5 de 7

6 um outro nulo, em ψ = π/2. Qual é o valor de θ (= δ) para o qual temos este nulo? É dado pela tabela: ψ = π/2 = π cosδ, o que implica cos δ = 1/2. Logo, δ só pode ser 60, pois estamos no primeiro quadrante. Não existem ambiguidades acerca do valor de δ, pois há um mapeamento 1 para 1 entre δ e ψ. Vamos mudar a separação entre as antenas para d = 1,25 e calcular o diagrama. Precisamos de obter a tabela correspondente, que se segue: δ ψ = ß + kd cos δ = (2π/λ)(5λ/4) cos δ Sentido do percurso à volta do círculo 0 (5/2)π (Ponto de partida) π/2 0 Com o relógio (=ψ diminuiu) π -(5/2)π Com o relógio (=ψ diminuiu) 3π/2 0 Contra o relógio (=ψ aumentou) 2π (5/2)π : valor repetido ; ponto de partida Contra o relógio (=ψ aumentou) P6 Porque é que neste caso temos um nulo para θ = 0? Imaginemos que se pretende saber a posição exacta dos máximos e dos nulos do diagrama. Por exemplo, o nulo que fica no intervalo 120 < θ < 130. Ao ângulo θ = 90 corresponde o valor ψ = 0, o que dá um máximo. Conforme θ aumenta para 180, ψ desce para (5/2)π, passando pelos valores π/2, π, 3 π/2, 2π. Vê-se que o diagrama vai de um máximo, passa por três nulos consecutivos, passa outra vez pelo máximo e acaba num outro nulo em -(5/2)π. O nulo procurado é o terceiro desta sequência, ou seja quando ψ = 3π/2. Para obter o ângulo δ: 3π/2 = (5/2)πcosδ <=> cosδ = 3/5 <=> δ = P7 Determine o ângulo para o qual ocorre o máximo no terceiro quadrante. Para se obter o valor do diagrama para qualquer ângulo δ, basta determinar o ângulo ψ que lhe corresponde no círculo unitário, obter as coordenadas desse ponto no círculo, calcular as distâncias aos três zeros no círculo e multiplicalas. Exemplo: qual é o valor do diagrama para δ = 130? A este valor de δ AAM/JJC Pg.6 de 7

7 corresponde o ângulo ψ = , com coordenadas (0,329; 0,944). Calculando as distâncias aos zeros do círculo que têm coordenadas (0;1),(-1;0) e (0;-1) e multiplicando essas mesmas temos o valor procurado, ou seja 11 db abaixo do máximo. Nota: O valor obtido tem de ser normalizado pelo valor máximo da cortina, que é 4, neste caso. Esta técnica calcula simplesmente o factor de agrupamento da cortina. P8 Usando a técnica acima descrita, calcule o valor do diagrama para δ = 45 e compare com o valor da simulação (3 db abaixo do máximo). AAM/JJC Pg.7 de 7

8 AAM/JJC Pg.8 de 7