SEGUNDA PARTE: CONCEITOS DE ANTENAS, ALGUNS TIPOS PRINCIPAIS DE ANTENAS E COMENTÁRIOS GERAIS HEINRICH RUDOLF HERTZ. Físico Alemão

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1 SEGUNDA PARTE: CONCEITOS DE ANTENAS, ALGUNS TIPOS PRINCIPAIS DE ANTENAS E COMENTÁRIOS GERAIS HEINRICH RUDOLF HERTZ Físico Alemão

2 UMA ANTENA PARABÓLICA

3 ANTES DE APRESENTARMOS NOSSAS CONSIDERAÇÕES SOBRE ANTENAS É IMPORTANTE QUE COLOQUEMOS UM IMPORTANTE FATO DA TEORIA ELETROMAGNÉTICA :

4 SEMPRE QUE CARGAS ELÉTRICAS OSCILAM OU SÃO ACELERADAS, OCORRE A GERAÇÃO DE UMA OEM

5 EM OUTRAS PALAVRAS : TODA OEM É RESULTANTE DA ACELERAÇÃO OU OSCILAÇÃO DE CARGAS ELÉTRICAS

6 ASSIM..., UMA ANTENA AO SER ALIMENTADA POR UM GERADOR DE RF OU POR UM OSCILADOR IRÁ APRESENTAR UMA ACELERAÇÃO OU OSCILAÇÃO DE CARGAS ELÉTRICAS O QUE PRODUZIRÁ UMA OEM A QUAL SE PROPAGA PELO ESPAÇO. A EXPLICAÇÃO BÁSICA DESTE FATO ESTÁ NO TERMO? D DESCOBERTO POR MAXWELL.? t

7 NUMA OEM OS CAMPOS E E H SÃO ORTOGONAIS

8 MELHORANDO O VISUAL DE E X H TEMOS :

9 AFINAL... O QUE É UMA ANTENA? Podemos definir uma antena como sendo uma estrutura metálica encarregada de transmitir ou receber ondas de rádio que se propagam em um determinado meio e com determinada faixa de freqüência. Podemos, ainda, definir uma antena como sendo uma interface entre uma estrutura guiada e o espaço livre, capaz de transformar uma onda eletromagnética guiada em onda eletromagnética (OEM) irradiada e vice-versa.

10 Quanticamente falando, uma antena converte fótons em elétrons e elétrons em fótons. OBS. A energia E de um f óton é dada por E = hf onde h = 6,626 x J.s é a constante de Planck e f é a freqüência da OEM, a qual, se propaga pelo espaço em pacotes de energia conforme foi sugerido por Einstein. Estes pacotes foram denominados fótons.

11 CAMPO PRÓXIMO ( near field ) E CAMPO DISTANTE ( far field) DE UMA ANTENA

12 * O CAMPO PRÓXIMO É TAMBÉM DENOMINADO CAMPO DE INDUÇÃO OU CAMPO LOCAL * O QUE OCORRE NESTE CAMPO É APENAS UMA TROCA DE ENERGIA REATIVA ENTRE A ANTENA E A REGIÃO PRÓXIMA À MESMA * A INTENSIDADE DO CAMPO PRÓXIMO DE REDUZ RAPIDAMENTE À MEDIDA QUE NOS AFASTAMOS DA ANTENA * O CAMPO PRÓXIMO NÃO CONTRIBUI EM NADA COM A PROPAGAÇÃO DA ONDA ELETROMAGNÉTICA ATRAVÉS DO ESPAÇO * NO CAMPO PRÓXIMO OS CAMPOS E E H ESTÃO DEFASADOS DE 90 GRAUS E SÃO PERPENDICULARES ENTRE SÍ

13 * O CAMPO DISTANTE É TAMBÉM DENOMINADO CAMPO DE RADIAÇÃO ( EM ALGUNS TEXTOS COSTUMA-SE DENOMINAR CAMPO DE IRRADIAÇÃO ) * A INTENSIDADE DO CAMPO DISTANTE DIMINUI À MEDIDA QUE NOS AFASTAMOS DA ANTENA * OBVIAMENTE QUE PARA SE FAZER UM LINK DE DUAS ANTENAS É NECESSÁRIO QUE CADA UMA ESTEJA DENTRO DO CAMPO DISTANTE DA OUTRA * O CAMPO DISTANTE É QUEM REALMENTE POSSIBILITA A PROPAGAÇÃO DE UMA ONDA ELETROMAGNÉTICA NO ESPAÇO NO CAMPO DISTANTE OS CAMPOS E E H ESTÃO EM FASE E SÃO PERPENDICULARES ENTRE SÍ ONDE COMEÇA O CAMPO DISTANTE?

14 Observemos que, de modo geral, não existem sistemas de telecomunicações sem a presença de antenas pois elas são o princípio e o fim de tais sistemas.

15 UMA ANTENA HIPOTÉTICA OU IDEAL : A ANTENA ISOTRÓPICA Imagine que esta imagem cinza é uma esfera vista de perfil Trata-se de antena ideal que não apresenta uma direção de propagação privilegiada (isotrópica), ou seja, ela propaga seu campo eletromagnético igualmente em todas as direções. A antena isotrópica é utilizada como elemento de comparação de ganho para as demais antenas.

16 A ANTENA BÁSICA : DIPOLO DE HERTZ A primeira antena de que se tem notícia foi construída por HERTZ, entre 1886 e 1889, quando desenvolvia experimentos para detectar as ondas eletromagnéticas previstas na teoria de MAXWELL. Infelizmente, MAXWELL não viveu para ver sua teoria comprovada pelo gênio prático de HERTZ. Devido a descoberta de HERTZ, as ondas eletromagnéticas foram por muitos anos denominadas ONDAS HERTZIANAS. OSCILAÇÃO DE CARGAS NUMA ANTENA DIPOLO E... A CONSEQUENTE PROPAGAÇÃO DE UMA OEM.

17 O DIPOLO DE HERTZ E SEUS DIAGRAMAS DE IRRADIAÇÃO V - H..também denominado : DOUBLET, DIPOLO CURTO DE HERTZ, OU SIMPLESMENTE, DIPOLO CURTO

18 Ângulo de elevação? LÓBULOS

19 O MESMO DIAGRAMA TRIDIMENSIONAL NUM VISUAL MAIS BONITO...

20 USO DO MATLAB PARA TRAÇAR O DIAGRAMA HORIZONTAL DA ANTENA DIPOLO CURTO Equação do diagrama polar : Z = sen 2? NOTA :? é o ângulo de elevação do diagrama de irradiação ( visto anteriormente ) MATLAB V6.2 MATHWORKS, INC PROGRAMA» teta = 0:0.01:2*pi;» z = (sin(teta)).^2;» polar(teta,z)

21 E TEMOS O SEGUINTE GRÁFICO POLAR : LARGURA DE FEIXE = ÂNGULO ENTRE OS PONTOS ONDE O GANHO É O,707 VEZES O GANHO MÁXIMO OU 3dB

22 DIRETIVIDADE : UM PARÂMETRO IMPORTANTE A DIRETIVIDADE É UM VALOR RELATIVO E ADIMENSIONAL QUE NOS DÁ UMA IDÉIA DA PERFORMANCE DE UMA ANTENA EM TERMOS DA SUA IRRADIAÇÃO NUM DETERMINADO ÂNGULO. QUANTO MENOR ESTE ÂNGULO, TANTO MAIOR SERÁ A DIRETIVIDADE DA ANTENA, OU SEJA, MAIS CONCENTRADO SERÁ SEU FEIXE DE IRRADIAÇÃO NA DIREÇÃO ANGULAR CONSIDERADA.

23 ESTA CARACTERÍSTICA DE MAIOR CONCENTRAÇÃO DE FEIXE É ESPECIALMENTE ÚTIL EM SATÉLITES DE COMUNICAÇÃO E DE RASTREAMENTO.

24 Antena com alta diretividade Antena com baixa diretividade

25 A DIRETIVIDADE DE UMA ANTENA ISOTRÓPICA É IGUAL A 1 ( DE FATO, ELA IRRADIA IGUALMENTE EM TODAS AS DIREÇÕES ). ESTE É O MENOR VALOR POSSÍVEL DE DIRETIVIDADE DE UMA ANTENA. A DIRETIVIDADE PODE VARIAR DE 1 A INFINITO.

26 A DIRETIVIDADE DA ANTENA DIPOLO CURTO É IGUAL A 1,5 ( conforme é demonstrado num curso de antenas ) ESTE VALOR INDICA QUE A POTÊNCIA IRRADIADA PELA ANTENA DIPLO CURTO É 50% MAIOR DO QUE A POTÊNCIA IRRADIADA POR UMA ANTENA ISOTRÓPICA NAS MESMAS CONDIÇÕES DA ANTENA DIPOLO CURTO CONSIDERADA

27 A FAMOSA ANTENA YAGI Esta antena foi desenvolvida pelo engenheiro e professor japonês SHINTARO UDA por volta de Entretanto, foi o professor HIDETSUGU YAGI, colega e colaborador de UDA, quem teve a iniciativa de divulgar esta antena no ocidente, quando fez uma viagem aos Estados Unidos em 1928, para apresentar algumas palestras sobre as pesquisas da dupla YAGI-UDA.

28 A antena YAGI é formada, basicamente, por um elemento denominado refletor, um elemento denominado dipolo ativo ou dipolo excitador e um ou mais elementos parasitas ou elementos diretores. Num CURSO DE ANTENAS são discutidas suas respectivas geometrias, bem como, as fórmulas para projeto das mesmas.

29 FOTO DE UMA ANTENA YAGI COMUM :

30 Antena YAGI para VHF Diagrama de irradiação (1 antena YAGI)

31 Antena YAGI para VHF Diagrama de irradiação (2 antenas YAGI separadas em 180º)

32 Antena YAGI para VHF Diagrama de irradiação (3 antenas YAGI separadas em 120º)

33 Antena YAGI para VHF Diagrama de irradiação ( 4 antenas YAGI separadas em 90º ) OBSERVE QUE O DIAGRAMA AO LADO TENDE A SE IGUALAR AO DIAGRAMA DE UMA ANTENA ISOTRÓPICA

34 Quatro antenas YAGI separadas em 90º (FOTO DA MONTAGEM MECÂNICA)

35 YAGI DE DISCOS UM TIPO ESPECIAL Este tipo de YAGI possui grande diretividade

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37 A ANTENA LOG PERIÓDICA ESTA IMPORTANTE CLASSE DE ANTENAS FOI DESENVOLVIDA POR DOIS PROFESSORES DA UNIVERSIDADE DE ILLINOIS (USA): DuHAMEL E ISBELL, OS QUAIS PUBLICARAM UM ARTIGO SOBRE SUAS PESQUISAS EM A ANTENA LOG PERIÓDICA É UMA ANTENA DE FAIXA LARGA E SEU PROJETO GEOMÉTRICO É PRATICAMENTE INDEPENDENTE DA FREQÜÊNCIA DO SINAL DE OPERAÇÃO.

38 UMA CARACTERÍSTICA ÚNICA DESTE TIPO DE ANTENA É QUE SUA IMPEDÂNCIA É UMA FUNÇÃO PERIÓDICA DO LOGARÍTMO DA FREQÜÊNCIA E, FOI POR ISSO, QUE ELA RECEBEU A DENOMINAÇÃO DE LOG PERIÓDICA.

39 A ANTENA LOG PERIÓDICA É MUITO UTILIZADA EM SISTEMAS MÓVEIS DE COMUNICAÇÃO NOS QUAIS EXISTEM DIVERSOS CANAIS QUE DEVEM SER SUPORTADOS POR UM ÚNICO SISTEMA DE ANTENAS COM BOAS CARACTERÍSTICAS DIRECIONAIS.

40 Antena Log Periódica para VHF

41 Antena LOG PERIÓDICA para VHF Diagrama de irradiação

42 OBSERVE QUE O DIAGRAMA AO LADO TENDE A SE IGUALAR AO DIAGRAMA DE UMA ANTENA ISOTRÓPICA Antena LOG PERIÓDICA para VHF ( 2 antenas separadas em 180º )

43 AS ANTENAS HELICOIDAIS As antenas helicoidais foram concebidas e projetadas em 1946 por John Daniel Kraus, professor da Ohio State University (USA) e são as mais utilizadas, até hoje, em comunicações espaciais. Prof. John Daniel Kraus (1910)

44 As principais características da antena helicoidal são : Alta diretividade Polarização circular (direita ou esquerda) Ampla largura de faixa Projeto estrutural não-crítico

45 ANTENAS HELICOIDAIS PARA 225 A 470 MHz Fabricadas no Brasil por BrasilSat Herald SA Num CURSO DE ANTENAS são desenvolvidas e discutidas as fórmulas para projeto dessas antenas

46 ANTENA DIRECIONAL COM OPÇÃO DE GRADE REFLETORA MODELO PTX-12 <

47 A Grade Refletora Pluton PTK-24 pode ser acoplada a uma antena Pluton PTX-12. Supondo que por algum motivo um cliente com antena PTX-12 tenha que aumentar o comprimento dos cabos ou alterar o local de instalação então basta adquirir a Grade Refletora PTK-24 e refazer a instalação. Dessa forma, o investimento inicial não é perdido e tem-se um bom aumento de ganho do sistema.

48 A ANTENA PARABÓLICA A antena parabólica foi desenvolvida e construída pelo engenheiro GROTE REBER em 1938 nos Estados Unidos. De lá para cá, muitas inovações foram sendo introduzidas e, nos dias de hoje, as antenas parabólicas ocupam um lugar de alto prestígio no mundo das antenas.

49 As antenas parabólicas são muito versáteis, altamente direcionais e de construção relativamente fácil. Num CURSO DE ANTENAS são discutidas as características e as fórmulas necessárias ao projeto das mesmas.

50 ANTENA PARABÓLICA SÓLIDA 60cm para f = 2.5 ou 3.5GHz

51 Diagrama de irradiação de uma ANTENA PARABÓLICA Sólida F = 60cm f = 2.5 ou 3.5GHz

52 ANTENA PARABÓLICA VAZADA F = 2m para f = 2.5 ou 3.5GHz OBSERVE QUE A PARABÓLICA DOS 2 SLIDES ANTERIORES TRABALHA NAS MESMAS FREQÜÊNCIAS DA PARABÓLICA AO LADO E, NO ENTANTO, A ANTERIOR TEM APENAS 60cm DE DIÂMETRO! COMO JUSTIFICAR ISTO?

53 UM ARRANJO GIGANTESCO DE ANTENAS PARABÓLICAS PARA PESQUISAS ESPACIAIS (USA)

54 UMA CLASSE ESPECIAL : ANTENAS DE MICROFITAS O desenvolvimento das antenas de microfitas de baixo perfil utilizadas freqüentemente em veículos de alta velocidade, tais como : aviões, mísseis, espaçonaves,celulares, entre outros. Teve grande aceitação, devido a seu baixo peso, custo e tamanho reduzidos, possuindo alto desempenho e facilidade na instalação.

55 A idéia de se projetar estes tipos de antenas não é nova mas o surgimento de novos tipos de materiais para fabricá-las é que vem impulsionando, cada vez mais, a utilização das mesmas.

56 Uma antena de microfita consiste basicamente em duas placas condutoras, paralelas, separadas por um substrato dielétrico, sendo uma das placas o elemento irradiante e a outra o plano de terra, conforme mostrado nos slides seguintes.

57 ANTENA DE MICROFITA RETANGULAR ANTENA DE MICROFITA CIRCULAR

58 E AQUI ESTÁ A FAMOSA YAGI-UDA NA VERSÃO MICROFITA... Plano de Dipolos x y z Substrato Dielétrico

59 ALGUNS ASPECTOS TÉCNICOS DAS ANTENAS DE MICROFITAS Os materiais condutores geralmente utilizados são o cobre e o ouro, enquanto que os materiais mais usados como substrato dielétrico são a alumina e as fibras texturizadas (teflon)

60 A placa irradiante pode assumir qualquer formato, mas normalmente são utilizadas formas convencionais, para simplificar a análise de suas características de irradiação

61 Pode-se alimentar uma antena de microfita através de um cabo coaxial conectado a um ponto escolhido da antena. Para se fazer o casamento do sistema, liga-se a malha condutora do cabo coaxial ao plano de terra da microfita e o condutor central do cabo coaxial no elemento irradiante da antena

62 AVANÇOS NAS PESQUISAS NO CAMPO DAS ANTENAS BASICAMENTE, ELAS SERÃO AS MESMAS QUE VIMOS NESTA PALESTRA, PORÉM COM NOVAS TECNOLOGIAS ASSOCIADAS, TAIS COMO : * UTILIZAÇÃO DE MATERIAIS MAIS LEVES E, AO MESMO TEMPO, MAIS RESISTENTES DE MODO A GARANTIR UMA MELHOR PERFORMANCE DAS ANTENAS EM RELAÇÃO AO MEIO AMBIENTE (VENTOS, CHUVAS, RAIOS, INTERFERÊNCIAS, etc)

63 * UTILIZAÇÃO CRESCENTE DE SISTEMAS ADAPTATIVOS UTILIZANDO DSPs ( SMART ANTENNAS ) ATAVÉS DOS QUAIS AS ANTENAS SE AUTO-AJUSTAM EM TERMOS DE GANHO, DIRETIVIDADE, LARGURA DE FEIXE E OUTROS PARÂMETROS... APRIMORAMENTO DA TECNOLOGIA DE ANTENAS DE MICROFITAS PARA PROJETO DE ARRANJOS MAIS EFICIENTES DE ANTENAS... Antenas em balões estratosféricos ( SKY- STATION )... ETC,...