SISTEMAS DE MICRO-ONDAS

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1 SISTEMAS DE MICRO-ONDAS PSI3481 SISTEMAS ÓPTICOS E DE MICRO-ONDAS Prof.ª Dr.ª Fatima Salete Correra

2 Sumário Sistemas de comunicação Introdução Classificação Modelo e componentes do sistema Equação de transmissão de Friis EIRP Antenas Sistema de rádio transmissor e receptor Arquitetura de receptores de rádio Ruído e distorção não-linear Sistemas RADAR Radar Pulsado Radar Doppler 2

3 SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO 3

4 4 Sistemas de Comunicação Introdução Conceito de comunicação sem fio Transferência de informação entre dois pontos Sem contato direto Meios de comunicação sem fio Som sinal acústico Infravermelho Frequências ópticas RF 30 KHz a 300 MHz Micro-ondas 300 MHz a 300 GHz Frequências de micro-ondas Espectro de frequência disponível para novas aplicações Comporta bandas largas de informação Penetra, até certo ponto, neblina, poeira, folhagem, veículos e prédios

5 Sistemas de Comunicação Classificação Quanto a posição do usuário Sistemas ponto-a-ponto Sistemas ponto-multiponto Sistemas multiponto-multiponto Quanto à direção da comunicação Sistemas simplex Sistemas half-duplex Sistemas full-duplex 5

6 Sistemas de Comunicação Modelo do sistema Componentes do sistema Transmissor Receptor Antenas de transmissão e de recepção Meio de propagação 6

7 Sistemas de Comunicação Parâmetros do sistema P t P r G t G r Potência do transmissor Potência recebida no receptor Ganho da antena do transmissor Ganho da antena do receptor R Distância entre o transmissor e o receptor f Frequência do sinal transmitido 7

8 Equação de Transmissão de Friis Modelo de propagação de ondas EM Em condições ideais de propagação Sem obstáculos entre antenas Sem reflexões, difração e espalhamento do sinal no ambiente Sem recepção multipercurso Recepção do sinal direto e de sinais refletidos 8 Sem efeitos de atenuação outdoor Outdoor atmosfera, chuva, neve Indoor Sem descasamento de impedância paredes, piso, teto, móveis de polarização entre antenas Podem ser adicionados facilmente à equação de Friis

9 Equação de Transmissão de Friis Sistemas em que se aplica a Equação de Friis Comunicação via satélite Enlaces terrestres ponto-a-ponto Antenas altamente diretivas Sinal direto recebido >> sinal refletido recebido 9 Figura 4.19(a), David. M. Pozar, Microwave and RF Design of Wireless Systems

10 Equação de Transmissão de Friis Seja o sistema Onde P t Potência do transmissor P r Potência recebida no receptor G t Ganho da antena do transmissor G r Ganho da antena do receptor R Distância entre o transmissor e o receptor f Frequência do sinal transmitido 10

11 Equação de Transmissão de Friis DIRETIVIDADE da antena Antena isotrópica Antena hipotética não existe! Irradia igualmente em todas as direções Diretividade: D = 1 ou D(dB) = 0 db Antenas reais Direções preferenciais de radiação Diretividade: D > 1 ou D(dB) > 0 db Exemplo: antena parabólica 11

12 Equação de Transmissão de Friis Diretividade DIRETIVIDADE da antena Quanto vezes a mais a antena direciona a potência em uma dada direção relativamente à antena isotrópica Depende da geometria da antena Exemplo Antena com D MAX (db) = 20 db ou D MAX = 100 Na direção de máxima radiação Irradia 100 vezes mais potência que uma antena isotrópica 12 alimentada com a mesma potência P t

13 Equação de Transmissão de Friis GANHO da antena Considera perdas na estrutura da antena É proporcional à diretividade G e rad.d sendo 0 e rad 1 G Ganho D Diretividade e rad Eficiência de radiação Eficiência de radiação Quanto maiores as perdas, menor e rad e menor G 13

14 Equação de Transmissão de Friis Consideremos Antena isotrópica, sem perdas D = 1, e rad = 1 G = 1 Potência transmitida P t R Qual é S av ( W / m 2 )? Densidade de potência S av Em qualquer ponto Que diste R da antena 14

15 Equação de Transmissão de Friis Densidade de potência Gerada por antena isotrópica P t R Transmitindo potência P t Em qualquer ponto Que diste R da antena Área da esferade raio R S av 4.. R Pt 4..R 2 2 (W / m 2 ) 15

16 Equação de Transmissão de Friis Antena de transmissão real Antena com ganho G t > 1 Potência transmitida P t Densidade de potência à distância R da antena R 2 S av (W / m ) S Antena isotrópica G t = 1 Antena real G t > 1 av Pt ( W / m R 2 ) S av G t.pt 4..R 2 (W / m 2 ) 16

17 Equação de Transmissão de Friis Antena de recepção real Antena com ganho G r > 1 Localizada à distância R da antena de transmissão R Potência recebida P r P A.S G t.pt A e. 4..R r e av 2 (W ) Sendo A e a área efetiva da antena 17

18 Equação de Transmissão de Friis Área efetiva da antena Área equivalente de captura da densidade de potência incidente Exemplo - Antena parabólica A e (área do refletor parabólico) (sombra do alimentador) 18

19 Equação de Transmissão de Friis Área efetiva da antena Considerando-se o ganho da antena de recepção G r A e f (G r ) A e G 2 r ( m ) Potência recebida P r P r A.S e av 2 G r. 4. G t.pt. 4..R 2 (W ) P r 2 Gt. Gr. 2 (4.. R). P t ( W ) 19

20 Equação de Transmissão de Friis P r 2 Gt. Gr. 2 (4.. R). P t ( W ) Potência recebida P r Em condições ideais de propagação Decai com o quadrado da distância P r α 1 R 2 Diretamente proporcional aos ganhos das antenas P r α G r e P r α G t Diretamente proporcional à potência transmitida P r α P t Decai com o quadrado da frequência do sinal P r α 2 P r α 1 f 2 20

21 Equação de Transmissão de Friis Equação de Transmissão de Friis P r 2 G t.g r. 2 ( 4..R ).P t (W ) Equação de Transmissão de Friis em decibéis P r ( dbm ) G ( db ) t G ( db ) r 4..R P( t dbm ) 10.log( ) 2 Perda de espaço livre ou Perda de percurso (path loss) Pr ( decibéis) 10.log( Pr / Pref ) 21 P ref 1W P ( dbw ) r P ref 1mW P ( dbm ) r

22 Equação de Transmissão de Friis Atenuação do sinal Outdoor atmosfera, chuva, neve Depende da distância percorrida pelo sinal no meio com atenuação Em geral: dada em db/km Indoor paredes, piso, teto, móveis Depende da composição, forma e espessura dos objetos Depende da frequência Em geral: dada em db, por meio de tabelas Potência recebida com atenuações no meio de propagação onde Pr ( dbm) PFRIIS ( dbm) PAten 1( db) PAten2( db)... PAtenN ( db) 22

23 Equação de Transmissão de Friis Descasamento dê impedância Antena transmissora impedância Z A Transmissor TX impedância Z G t Z Z A A Z Z * G G Antena receptora impedância Z A r Z Z A A Z Z * L L Receptor RX impedância Z L Potência recebida é menor que a prevista na fórmula de Friis P ( mw ) P ( mw ). e r FRIIS ond imp e e imp (1- Γ t 2 ).(1 - Γ r 2 ) 1 23

24 Equação de Transmissão de Friis Exercício Um satélite artificial em órbita geoestacionária, km acima da Terra transmite 2 W em 20 GHz através de uma antena de transmissão com 37 db de ganho Qual a potência recebida na Terra por uma antena com 46,6 db de ganho? Calcule a potência em mw e em dbm Sabendo-se que o limiar de recepção do receptor em Terra é de -100 dbm, o sinal do satélite é recebido adequadamente? Por que se usa uma antena em Terra com ganho maior que a antena do satélite? Ignore perdas por descasamento de impedância, por erro de apontamento das antenas e por efeitos de propagação 24

25 EIRP Effective Isotropic Radiated Power Potência Radiada Isotrópica Efetiva EIRP G.P t t (W ) Agrega toda informação do transmissor - P t e G t Conceito de EIRP EIRP é a potência que deve ser irradiada por uma antena isotrópica - para causar a uma distância R - a mesma densidade de potência - que uma antena com ganho G t transmitindo uma potência P t 25

26 EIRP Effective Isotropic Radiated Power Equação de Transmissão de Friis em função do EIRP P r 2 Gr. (4.. R) EIRP 2. G G. P ( W ) t t. P t t ( W ) P 2 G r. ( 4..R ) r 2.EIRP (W ) Em db 4.. R Pr ( dbw ) Gr ( db ) EIRP ( dbw ) 10log 2 26

27 EIRP Effective Isotropic Radiated Power Mapa de EIRP de satélites artificiais Curvas de nível de EIRP Sobre o mapa de uma localidade Produzidas pelo transmissor de um satélite Fornece o EIRP em cada ponto da área de cobertura do satélite Aplicação de EIRP A partir do mapa de EIRP do transmissor do satélite Cálculo do desempenho de um sistema Dimensionamento do receptor e antena receptora 27

28 Mapa de EIRP Satélite INTELSAT 9 ATLÂNTICO Banda C 3,7 a 4,2 GHz e Ku 11 GHz Feixe Americas Feixe Mexico 28 Feixe Brazil Feixe Conus & Europe

29 Mapa de EIRP Satélite INTELSAT 9 ATLÂNTICO Banda C 3,7 a 4,2 GHz e Ku 11 GHz Feixe BRAZIL 29

30 Mapa de EIRP Satélite INTELSAT 9 Posição do satélite Linha do Equador ATLÂNTICO a 58 W Feixe BRAZIL Curvas de nível EIRP em dbw 30

31 Mapa de EIRP Satélite BRASILSAT-B4 a 84 W Banda C / 3,6-4,2 GHz EIRP (dbw) Diâmetro da antena de recepção (cm) >

32 Sistema de rádio Exemplo - Transmissor TX 32

33 Exemplo Receptor RX Sistema de rádio 33

34 Terminologia Informação Sinal de BANDA BÁSICA a ser transmitido/recebido Sinal de áudio (som), de vídeo (imagem) ou digital (dados) Frequência de RF Frequência da portadora que é transmitida pelo sistema, levando a informação do Transmissor para o Receptor. Sigla RF Radio Frequência. Frequência de OL Frequência do oscilador local uado no transmissor e no receptor, denominado pela sigla OL Oscilador Local. Frequência de FI Frequência intermediária modulada pela informação, denominada pela sigla FI Frequência Intermediária. 34

35 Terminologia Amplificador de Baixo Ruído - LNA Amplificador de recepção Amplifica o sinal recebido pela antena de recepção Características Figura de Ruído reduzida Ganho elevado Denominado pela sigla LNA Low Noise Amplifier. Amplificador de Potência - PA Amplificador de transmissão Fornece sinal para a antena de transmissão Característica Potência de Saída elevada Linearidade especificada para o sistema Denominado pela sigla PA Power Amplifier. 35

36 Modulador Circuito que altera alguma propriedade do sinal de frequência intermediária (amplitude, frequência ou fase), de acordo com o sinal de informação. Demodulador Circuito que recupera o sinal de informação a partir do sinal de FI modulado em amplitude, frequência ou fase. Oscilador Local Oscilador que gera a portadora de frequência f OL que será transmitida. Oscilador de FI Terminologia Oscilador que gera o sinal de frequência intermediária FI a ser modulado pela informação. 36

37 Conversor de frequência upconverter Usado no transmissor Translada o sinal de FI modulado pela informação para a frequência de RF a ser transmitida: f RF = f OL + FI ou f RF = f OL FI Conversor de frequência downconverter Usado no receptor Translada o sinal de RF recebido f RF, para a frequência intermediária do sistema FI: Filtro de RF FI = f RF f OL ou FI = f OL f RF Filtro passa-faixa, que filtra a faixa de RF Filtro de FI Terminologia Filtro passa-faixa, que filtra a faixa de FI 37

38 Símbolos usados nos diagramas de blocos de RF e micro-ondas 38

39 Modelo do sistema Receptor - RX Receptor de sinais de rádio Deve recuperar com confiabilidade o sinal desejado Componente crítico do sistema, pois o sinal recebido contém um largo espectro de sinais transmitidos Interferências e ruídos 39

40 Alto ganho ( 100 db) Elevar o baixo nível de potência do sinal recebido Para valores próximos da potência do sinal de banda básica Ganho distribuído entre amplificadores de RF e FI Evitar oscilações indesejadas Seletividade Receptor - RX Requisitos do receptor de rádio Receber o sinal desejado Rejeitar canais adjacentes, frequência imagem e interferências Filtros passa-faixa em RF e FI 40

41 Receptor - RX Requisitos do receptor de rádio Converter a frequência para baixo converte a frequência de RF recebida para a frequência mais baixa de FI, a ser processada Conversor de frequência mixer ou downconverter Detetar do sinal recebido Recuperação do sinal de informação analógico ou digital Demoduladores Prover isolação do transmissor para evitar saturação do receptor isoladores e diplexer 41

42 Arquiteturas de receptor de rádio Receptor de rádio frequência sintonizado Arquitetura histórica Receptores de baixa frequência Sintonia capacitores e indutores mecanicamente ajustáveis Todo o ganho é na frequência de RF risco de oscilação Má escolha em frequências de micro-ondas Figura Microwave Engineering, Pozar, M. D., 4ª ed. 42

43 Arquiteturas de receptor de rádio Receptor de conversão direta ou homódino Mesma frequência de LO e RF frequência de FI é zero Modulação AM não requer deteção adicional Não usa: amplificador, filtro e oscilador de simples e de baixo custo Mas exige oscilador local de alta estabilidade, com f RF = f OL Figura Microwave Engineering, Pozar, M. D., 4ª ed. 43

44 Arquiteturas de receptor de rádio Receptor heteródino Frequência de LO e RF são diferentes Frequência de FI 0, sendo f RF > FI > f informação Maior seletividade e ganho que o receptor de conversão direta Filtro de FI mais seletivos Amplificação adicional na FI Receptor com uma única conversão de frequência 44 Figura Microwave Engineering, Pozar, M. D., 4ª ed.

45 Arquiteturas de receptor de rádio Receptor super-heteródino Receptor mais usado atualmente Resultado de 50 anos de desenvolvimento em receptores Em micro-ondas e ondas milimétricas Para evitar problemas devido a estabilidade do LO Duas conversões de frequência duas FIs FI 1 e FI 2 Dois osciladores locais, dois conversores de frequência, dois filtros de FI 45 Receptor com duas conversões de frequência

46 Faixa dinâmica Faixa Dinâmica e Ruído Faixa de potência de operação linear de Receptores e transmissores de sistemas Circuitos amplificadores, conversores de frequência, etc. Componentes diodos e transistores Exemplo Amplificador Amplificador IDEAL Ganho de 10 db ou 10x P in = 0 W P out = 0 W P in = 10 6 W P out = 10 7 W 46

47 Faixa dinâmica e Ruído Faixa dinâmica Amplificador REAL Piso de ruído Faixa dinâmica Ruído gerado no amplificador Em geral, de -100 dbm a -60 dbm na banda do sistema Faixa dinâmica P out cresce linearmente com P in Compressão P out não cresce mais linearmente com P in 47

48 Faixa dinâmica e Ruído Fontes de Ruído Ruídos externos Captados pelo circuito ou sistemas Ruídos internos Gerados pelos componentes do sistema Originados por vários mecanismos físicos distintos Tensão de ruído v(t) Valor médio = 0 Mas valor eficaz V n 0 48

49 Faixa dinâmica e Ruído Potência de ruído Considere que Um resistor R, à temperatura T(K) Produz um atenção aleatória de ruído v(t) Lei de radiação do corpo negro de Planck Valor eficaz da tensão de ruído v(t) V n 49 V n = 4hfBR e hf kt 1 h constante de Planck F frequência B banda do sistema em Hz K constante de Boltzmann 1,38x10-23 J/K T temperatura em graus Kelvin

50 Faixa dinâmica e Ruído Em frequências de micro-ondas Valor aproximado da tensão eficaz de ruído e hf kt 1 hf V n = 4kTBR kt Máxima potência de ruído entregue a Carga resistiva R Através de um filtro passa-faixa ideal com banda B P n = R. i 2 = R V n 2R 2 = V n 2 4R P n = ktb 50

51 Faixa dinâmica e Ruído Potência de ruído em micro-ondas Aproximação de Rayleigh-Jeans Válida em frequências de micro-ondas P n = ktb Ruído branco potência não depende da frequência Quando B 0 a potência de ruído P n 0 Quanto menor a banda do receptor menos potência de ruído ele coleta Quando a temperatura T 0 a potência de ruído P n 0 51 Dispositivos e componentes mais frios geram menos potência de ruído

52 Faixa dinâmica e Ruído Representação do ruído T e - Temperatura equivalente de ruído F = 1 + T e T 0 F - Figura de ruído T e - temperatura equivalente de ruído - T e Seja R a resistência da porta em que se mede o ruído gerado por um dispositivo, circuito ou sistema T e é a temperatura na qual um resistor R deveria estar para gerar a mesma potência de ruído que a gerada pelo dispositivo, circuito ou sistema F - Figura de ruído 52 Medida da degradação da relação sinal-ruído do sinal entre a entrada e saída do componete, devido ao ruído adicionado pelo mesmo É definida para a temperatura T = T 0 = 290 K

53 Faixa dinâmica e Ruído Temperatura equivalente de ruído T e Considere uma fonte de ruído branco Acesso com resistência interna R Alimentando uma carga com resistência R Entregando potência de ruído P n = N o Representação do ruído da fonte de ruído branco A temperatura Te, na qual uma carga R gera a potência de ruído N o N 0 = kt e B T e = N 0 kb 53

54 Faixa dinâmica e Ruído Temperatura equivalente de ruído T e amplificador Considere um amplificador com ruído Ganho G Alimentado na entrada por resistência casada R a T S = 0 K (sem ruído) Entrega na saída potência de ruído N o à carga casada R Logo N 0 é a potência de ruído gerada pelo amplificador 54

55 Faixa dinâmica e Ruído Temperatura equivalente de ruído T e amplificador A mesma potência de ruído N 0 é obtida Na saída desse amplificador, considerando Amplificador sem ruído Alimentado na entrada por resistência casada R que gere a potência de ruído de entrada N i = N 0 /G Tem-se Logo N i = N 0 G = kt eb A temperatura de ruído do amplificador é T e = N 0 GkB 55

56 Faixa dinâmica e Ruído Ruído de redes passivas com perdas Componentes passivos reais perdas Atenuadores Filtros Linhas de transmissão Ganho e perda Redes passivas com perdas G < 1 A perda é definida como L = 1 G Efeito da perda no desempenho do sistema Adiciona potência de ruído N add 56

57 Faixa dinâmica e Ruído Ruído de redes passivas com perdas Exemplo - linhas de transmissão com perdas Usualmente conectam a antena ao LNA Perda L Adiciona ruído ao receptor 57

58 Faixa dinâmica e Ruído Linha de transmissão com perdas Sistema em equilíbrio térmico com temperatura T Linha de transmissão perda L=1/G, e impedância característica Z 0 = R Alimentada por uma resistência R, que gera N i = ktb Impedância de saída da linha de transmissão R N 0 = ktb N 0 = ktb = GkTB + GN add N add = 1 G G ktb = L 1 ktb 58

59 Faixa dinâmica e Ruído Linha de transmissão com perdas Temperatura equivalente de ruído da linha de transmissão N add = kt e B N add = L 1 ktb T e = L 1 T L perda da linha de transmissão T temperatura da linha de transmissão Figura de ruído da linha de transmissão F = 1 + T e T 0 F = 1 + L 1 T T 0 Onde T 0 = 290 k 59

60 Redes com perdas Faixa dinâmica e Ruído T e = L 1 T L perda da linha de transmissão T temperatura da linha de transmissão F = 1 + L 1 T T 0 T 0 = 290 k Quando a temperatura da rede é T = T 0 = 290 k T = T 0 F = L Exemplos Na temperatura T 0 = 290 k Atenuador de 6 db F = 6 db 60 Filtro com perda de inserção de 0,5 db F = 0,5 db

61 Figura de Ruído Rede com ruído Faixa dinâmica e Ruído Ganho G, banda de frequências B e temperatura de ruído T e Alimentada na entrada por resistência casada R a T = T 0 = 290 K Terminada por carga casada R Figura de ruído N i F = S i 1 S 0 N 0 F(dB) = 10log(F) 61 S i S 0 N i - relação sinal ruído de entrada N 0 - relação sinal ruído de saída

62 Faixa dinâmica e Ruído Figura de Ruído F e Temperatura de Ruído T e A figura de ruído é definida para temperatura ambiente T 0 = 290 K N i = k. T 0. B N 0 = G. k. (T 0 +T e ). B S 0 = G. S i F = S i S 0 N i N 0 = S i S 0. N 0 N i = S i k. T 0. B. G. k. (T 0+T e ). B G. S i F = 1 + T e T 0 62

63 Faixa dinâmica e Ruído Figura de Ruído e Temperatura de Ruído de cascata F = F 1 + F 2 1 G 1 + F 3 1 G 1 G T e = T e1 + T e2 G 1 + T e3 G 1 G F n 1 G 1 G 2 G n 1 T en G 1 G 2 G n 1 63 O primeiro estágio do receptor impacto direto na figura de ruído Habitualmente Amplificador de Baixo Ruído LNA, ou Filtro com baixas perdas de inserção seguido do LNA

64 Faixa dinâmica e Ruído Figura de Ruído e Temperatura de Ruído de cascata Para cálculo da Figura de Ruído do Receptor Assumindo temperatura do sistema T 0 = 290 K F = F 1 + F 2 1 G 1 + F 3 1 G 1 G F n 1 G 1 G 2 G n 1 Para cálculo da relação sinal-ruído, S 0 /N 0 Considerando temperatura de ruído da antena T A 290 K T e = T e1 + T e2 G 1 + T e3 G 1 G T en G 1 G 2 G n 1 Potência de ruído na saída do receptor N 0 = GkT e B 64

65 Exemplo Faixa dinâmica e Ruído Calcule a Figura de Ruído do receptor Calcule a Temperatura de Ruído do receptor Calcule a potência de ruído Na entrada do receptor, N i Na saída do receptor, N 0 Qual deve ser a potência de sinal de entrada, S i, para que S 0 /N 0 = 20 db Dados: Antena: T A = 150 K Banda de FI: 10 MHz K: 1,38x10-23 J/K 65

66 Características de ruído do receptor completo Temperatura física do receptor: Tp Temperatura de ruído Antena Receptor Linha de transmissão Linha de transmissão + receptor 66

67 Características de ruído do receptor completo Temperatura física do receptor: Tp Ruído de entrada do receptor Ruído na saída do receptor 67

68 Características de ruído do receptor completo Sinal na saída do receptor Relação sinal-ruído na saída do receptor 68

69 Características de ruído do receptor completo Sistema Linha de transmissão Amplificador de RF Antena Conversor de frequência Amplificador de FI 69

70 Dispositivos reais São não-lineares Distorção não-linear Comportamento depende da amplitude dos sinais Faixa dinâmica Faixa de amplitude de sinais em que o dispositivo pode ser considerado linear Dispositivos Semicondutores Transistores e diodos são altamente não-lineares Comportamento não-linear Indesejável em amplificadores Desejável em retificadores, conversores de frequência, multiplicadores de frequência 70

71 Distorção não-linear Rede ou dispositivo LINEAR Tensão de entrada Tensão de saída v in = A i. (cosω 1. t) v out = B i. (cosω 1. t) i i Qualquer que seja a amplitude dos sinais de entrada A i f 1, f 2,...f n f 1, f 2,...f n Redes os dispositivos reais São não-lineares Podem ser considerados lineares (aproximação) em uma faixa de potências de entrada ou saída Faixa Dinâmica 71

72 Distorção não-linear Rede ou dispositivo NÃO-LINEAR f 1, 2 f 1, 3 f 1,... f 2, 2 f 2, 3 f 2,... f 1 + f 2, f 1 - f 2, f 2 f 1 f 1 e f 2 Tensão de entrada f 1 e f 2 2f 1 + f 2, 2f 1 - f 2, 3f 1 - f 2 3f 1 + f 2, 3f 1 f 2, 3f 2 f 1 Etc... Tensão de saída m. f 1 n. f 2, m, n = 0, 1, 2, 3. Espectro de frequências do sinal de saída sinais de entrada produtos de intermodulação 72

73 Distorção não-linear Rede ou dispositivo não-linear Supondo sinal de entrada com frequências f 1 e f 2 Espectro do sinal de saída m. f 1 n. f 2, m, n = 0, 1, 2, Ordem do produto de intermodulação m + n 2f 1 m = 2 e n = 0 ordem 2 2f 2 m = 0 e n = 2 ordem 2 f 1 + f 2 m = 1 e n = 1 ordem 2 f 1 f 2 m = 1 e n = 1 ordem 2 3f 1 m = 3 e n = 0 ordem 3 3f 2 m = 0 e n = 3 ordem 3 2f 1 + f 2 m = 2 e n = 1 ordem 3 2f 1 f 2 m = 2 e n = 1 ordem 3

74 Distorção não-linear Compressão de ganho efeito da não-linearidade P 1 db - ponto de compressão de 1 db do ganho P 1 db - Potência na qual o ganho cai 1 db em relação ao ganho da resposta linear IP 1 db definido em relação à potência de entrada (em conversores de freq.) OP 1 db definido em relação à potência de saída (em amplificadores) 74

75 Distorção não-linear Produto de intermodulação de 3ª. Ordem Caracteriza os produtos de intermodulação de 3ª ordem Frequências próximas às dos sinais de entrada, difíceis de filtrar Determinação experimental do IP 3 Alimenta-se o dispositivo com Dois tons próximos, f 1 e f 2 De mesma amplitude Varia-se a amplitude dos dois tons de entrada. Mede-se na saída as amplitudes de: f 1 e f 2 e 2.f 1 f 2 e 2.f 2 f 1 75

76 Distorção não-linear Produto de intermodulação de 3ª. Ordem IP 3 - ponto de intercepção de 3ª. ordem Prolonga-se a região linear das curvas P in x P out de f 1 e f 2 e P in x P out de 2.f 1 f 2 e 2.f 2 f 1 f 1 e f 2 2.f 1 f 2 2.f 2 f 1 Mede-se o ponto de intercepção das retas resultantes IIP 3 definido em relação à potência de entrada (em conversores de freq.) OIP 3 definido em relação à potência de saída (em amplificadores) 76

77 77 SISTEMAS RADAR

78 RAdio Detction And Ranging Opera em frequências de micro-ondas Operação básica Transmissor emite um sinal Alvo reflete parcialmente o sinal Receptor de alta sensibilidade detecta sinal refletido pelo alvo Aplicações RADAR Medida de distância até o alvo Determinação da posição do alvo Medida da velocidade do alvo RADAR pulsado RADAR Doppler 78

79 RADAR Exemplos de aplicações do Radar Aplicações civis Monitoramento de aeroportos Navegação marítima Radar meteorológico Altímetro Alarme de segurança Medida de velocidade Mapeamento geográfico Aplicações militares Navegação por ar e mar Detecção de aviões, mísseis.. Reconhecimento Mísseis teleguiados Medidas precisa de distância Aplicações científicas Imagens médicas Sensoriamento remoto ambiental Radioastronomia 79

80 RADAR Radar em radome no bico de um jato militar 80

81 RADAR Radares de aeroportos 118 a 136 MHz Antena móvel Torre de controle com antena em radome Aeroporto de Guarulhos 81

82 Princípio de operação RADAR Radar gera um sinal de UHF ou de micro-ondas O sinal é transmitido pela antena do radar Alvos no caminho do sinal transmitido refletem o sinal de volta para o radar A distância do alvo ou sua velocidade são obtidas comparando os sinais transmitido e recebido pelo radar 82

83 RADAR monoestático Sistemas RADAR Mesma antena para transmissão e recepção RADAR biestático Antenas diferentes para transmissão e recepção 83 PSI2431 Propagação Antenas e Microondas Profa. Fatima S.Correra, Modelos Propagação - v.2012

84 Equação do RADAR Qual a potência P r, recebida pelo radar? Radar monoestático 84 P t Potência do transmissor do radar G Ganho da antena do radar R Distância entre o radar e o alvo P s Potência espalhada pelo alvo Secção Transversal Radar do alvo P r Potência recebida pelo radar PSI2431 Propagação Antenas e Microondas Profa. Fatima S.Correra, Modelos Propagação - v.2012

85 Equação do RADAR Secção Transversal Radar - Relacionada com a área da seção transversal do alvo que espalha o sinal emitido pelo radar Função da frequência e polarização do sinal incidente no alvo Função do ângulo de incidência e reflexão do sinal no alvo Exemplo Alvo esfera de raio a proporcional a.a 2 (maior secção transversal da esfera) 85 PSI2431 Propagação Antenas e Microondas Profa. Fatima S.Correra, Modelos Propagação - v.2012

86 Equação do RADAR Valores típicos de secção transversal radar - ALVO (m 2 ) Pássaro 0,001 Míssil 0,5 Pessoa 1 Avião pequeno 1 a 2 Bicicleta 2 Barco pequeno 2 Bombardeiro 30 a 40 Avião de carreira PSI2431 Propagação Antenas e Microondas Profa. Fatima S.Correra, Modelos Propagação - v.2012

87 Equação do RADAR Densidade de potência que atinge o alvo - S t S t = P t. G 4πR 2 Secção Transversal Radar - 87 σ = P s S t (m 2 ) S t densidade de potência que atinge o alvo P s potência espalhada pelo alvo Densidade de potência espalhada pelo o alvo, recebida pelo radar - S r S r = P s 4πR 2 S r = S t. σ 4πR 2 = P t. G. σ 4πR 2 2 PSI2431 Propagação Antenas e Microondas Profa. Fatima S.Correra, Modelos Propagação - v.2012

88 Equação do RADAR Potência espelhada pelo alvo, recebida pelo radar, P r P r = S r. A ef A ef área efetiva da antena do radar Tem-se Logo S r = P t. G. σ 4πR 2 2 e A ef = 2 4π G P r = P t. G. σ 4πR π G P r = P t. G σ 4π 3 R 4 Equação do radar 88 Potência recebida pelo radar cai com R 4 Sistema necessita um receptor de baixo ruído sensível PSI2431 Propagação Antenas e Microondas Profa. Fatima S.Correra, Modelos Propagação - v.2012

89 Alcance máximo do radar Distância máxima entre radar e alvo R = R MAX Tal que P r = P min, sensibilidade do receptor do radar Logo. Equação do RADAR P min = P t. G σ 4π 3 R max 4 R max 2 2 P... t G 3 (4. ). Pmin 1 4 Alcance do radar 89 PSI2431 Propagação Antenas e Microondas Profa. Fatima S.Correra, Modelos Propagação - v.2012

90 Exercício Um radar pulsado operando em 10 GHz tem uma antena com 28 db de ganho e a potência de seu transmissor é 2 kw (potência do pulso). Deseja-se detectar um alvo com secção transversal de radar de 12 m 2. com um sinal detectável de no mínimo P min = -90 dbm. Qual é o máximo alcance desse radar? Alcance máximo do Radar Equação do RADAR R max Pt. G (4. ) Pmin PSI2431 Propagação Antenas e Microondas Profa. Fatima S.Correra, Modelos Propagação - v.2012

91 Equação do RADAR Exercício Dados f = 10 GHz = c/f = / = 0,03 m P t = 2 kw = W G db = 28 db G = 10 28/10 = 631 = 12 m 2 P min = -90 dbm P min = 10-90/10 = 10-9 mw = W Alcance máximo do Radar 91 t Rmax 2 2 P. G.. 3 (4. ). Pmin (2.10 ).(631).(0,03) 3 12 (4. ).(10 ) PSI2431 Propagação Antenas e Microondas Profa. Fatima S.Correra, Modelos Propagação - v m

92 Radar Pulsado Aplicação Detectar alvos Determinar a posição do alvo relativa ao radar Sinal transmitido Pulso periódico de micro-ondas Alta potência kwatts Duração do pulso 50 ns a 10 ms Taxa de repetição do pulso 100 Hz a 100 KHz Sinal recebido Eco do pulso de micro-ondas transmitido Baixa potência 92

93 Diagrama de blocos Radar Pulsado Chave transmite/recebe com alta isolação entre saídas Isolação de 80 a 100 db Para minimizar vazamento do transmissor para o receptor 93

94 Radar Pulsado Sinais transmitido e recebido pelo radar t 94

95 Radar Pulsado posição do alvo Distância radar-alvo proporcional ao tempo entre Emissão do sinal pelo transmissor e recepção do sinal refletido pelo alvo Tempo de ida e volta do sinal entre o radar e o alvo c: velocidade da luz t: intervalo de tempo entre emissão do Direção do alvo Radar Pulsado d = c. t 2 pulso de micro-ondas e recepção do eco Dada com precisão pelo apontamento da antena Se for usada uma antena de feixe estreito 95

96 Exemplos de aplicação Radar Doppler Radar de trânsito mede velocidade de veículos Radar meteorológico monitora as nuvens Princípio de funcionamento Utiliza o efeito Doppler para medir velocidade de alvos Radar Doppler emite um sinal contínuo, de frequência f 0 Um alvo com velocidade v, na direção da visada do radar Reflete o sinal de volta para o radar, com sua frequência alterada pela frequência Doppler, f d f d = 2. v. f 0 c 96

97 Radar Doppler Frequência do sinal recebido pelo radar f 0 + f d o alvo aproxima-se do Radar Doppler f 0 f d o alvo afasta-se do Radar Doppler Diagrama de blocos Opera em frequência contínua Mais simples que o radar pulsado 97

98 Radar Doppler Oscilador local Gera o sinal transmitido de frequência f 0 Fornece o sinal de OL do conversor de frequência Deve ter alta estabilidade de frequência Conversor de frequência 98 Recebe o sinal refletido f 0 = f d Fornece sinal de saída com frequência f d proporcional à v velocidade do alvo Filtro passa-faixa Limites da faixa de passagem Correspondentes às velocidades máxima e mínima do alvo Elimina respostas de reflexões em alvos parados Resposta ao vazamento do sinal transmitido Circulador alta isolação, par minimizar vazamento de sinal f d = 0 sinal de saída DC

99 Radar Doppler Exemplo de radar de trânsito, para medir velocidade dos carros Câmara fotográfica acoplada ao radar Alvo móvel Antena com radome 99