Mecanismo de irradiação

Transcrição

1 Mecanismo de irradiação

2 Comunicações Via Satélite Polarização Polarização linear (vertical e horizontal) Polarização circular (direita e esquerda)

3 Polarização A polarização de um sinal radioelétrico é a orientação do vetor campo elétrico. Um sinal eletromagnético é formado por dois campos que variam no tempo: um elétrico e um magnético. O produto vetorial dos dois campos definirá a direção de propagação. Embora existam dois campos, o campo elétrico é aquele tomado como referência. Existem dois tipos de polarização: linear (vertical ou horizontal) e circular (à direita ou à esquerda). A polarização do campo elétrico ao se propagar é definida pela antena, ou, mais precisamente, pelo elemento irradiador (ou alimentador) da antena.

4 Polarização Na polarização linear, o campo elétrico oscila definindo um único plano, de tal forma que se olharmos o sinal do lado do receptor, teremos a impressão de ver uma reta, que poderá estar em um ângulo qualquer em relação a uma superfície de referência. Para sistemas terrestres, a referência é a superfície da terra. Para o satélite, a referência é o seu plano orbital. Na polarização circular, o vetor campo elétrico executa uma rotação (no sentido horário ou anti-horário) à medida que o sinal se propaga, numa figura semelhante a uma hélice. Se olharmos o sinal do lado do receptor, teremos a impressão de vermos um círculo. Exercício: Tente fazer um desenho representando a propagação de um sinal com polarização linear.

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9 Antena com refletor parabólico x x Abertura Refletor Υ 0 Vértice (O) Foco y Foco (F) y Eixo Diâmetro (D) Concentração de um feixe paralelo para o foco de uma parábola z distância focal (f) distância focal (f) Características básicas de um espelho parabólico

10 Comunicações Via Satélite Antena parabólica - princípio de funcionamento Antena com foco normal (focal-point) Antena com sub-refletor Antena com foco deslocado (off-set focus)

11 Antena parabólica - princípio de funcionamento As antenas parabólicas funcionam por um princípio da óptica geométrica. Aquilo que costumamos chamar de antena parabólica, é, na verdade, o refletor da antena. Este refletor funciona como se fosse um espelho que reflete o sinal originado no foco e se reflete paralelamente ao eixo da parábola. O tipo mais comum de antena parabólica é a que utiliza o alimentador no foco em posição normal. É chamada por alguns de focal-point. Um outro tipo, que é o mais utilizado em antenas de grande porte, é a que utiliza um sub-refletor. O alimentador encontra-se no vértice. O sinal atinge um subrefletor instalado no foco da parábola e volta a se refletir na superfície do refletor, paralelamente ao eixo.

12 Antena parabólica - princípio de funcionamento A antena com alimentador no foco, em posição deslocada ( off-set ) vem sendo muito usada em antenas de pequeno porte e, em algumas de médio e grande porte. Apresenta a vantagem de não ter o próprio alimentador obstruindo parcialmente o sinal. Além disto, é uma excelente opção para uso em regiões em que a antena é apontada com grande inclinação, evitando acúmulo de água de chuva. Exercício: A partir de princípios da óptica geométrica, explique o funcionamento da antena off-set.

13 Diagrama de irradiação

14 Refletor parabólico - Diagrama de irradiação A importância de se conhecer o diagrama de irradiação de uma antena está relacionada aos problemas de interferência. Como os satélites estão relativamente próximos, em termos de graus da circunferência, há que se ter certeza de que a antena está irradiando na direção correta e com a potência adequada. O diagrama apresentado apresenta duas curvas de ganho. Assim sendo, qualquer emissão de sinal deve estar limitada pela curva definida pelas duas fórmulas. Exercício: O que significa o sinal negativo entre as duas curvas?

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16 Captação do sinal do satélite (a) > > (b) Refletor Parabólico Truncado > > < = Feixe incidente > > z z Eixo do parabolóide Fonte (foco principal) > Antena com foco normal Antena com foco em off-set > < foco y Eixo do fonte y < parabolóide Espelho secundário > (hiperbólico) Espelho principal < (parabólico) < (

17 Antena focal-point

18 Antena focal-point As antenas focal-point são de construção e instalação simples e são construídas com diâmetro geralmente até 4,5 m. Apresentam como desvantagem o fato do próprio alimentador (irradiador) da antena obstruir parcialmente o sinal, o que gera perda de rendimento. Exercício: A partir de princípios da óptica geométrica, explique o funcionamento da antena focal-point.

19 Antena off-set Antena off-set Antena focal-point

20 Antena off-set com sub-refletor

21 Antena off-set As antenas off-set foram concebidas inicialmente com diâmetro pequeno, devido ao peso que teria o braço de sustentação do alimentador em uma antena de grande porte. Graças aos avanços tecnológicos, hoje já são construídas grandes antenas off-set. Exercício: Que vantagens poderiam ser destacadas de uma antena off-set em relação a uma focal-point?

22 Antenas off-set com sub-refletor A antena off-set vem sendo usada com uma frequência cada vez maior, principalmente em antenas de pequeno porte. Já existem antenas off-set com vários alimentadores e também com sub-refletor. Exercício: Faça um diagrama representando o percurso do sinal na antena off-set com sub-refletor.

23 Antena Cassegrain

24 Antena Cassegrain As antenas off-set foram concebidas inicialmente com diâmetro pequeno, devido ao peso que teria o braço de sustentação do alimentador em uma antena de grande porte. Graças aos avanços tecnológicos, hoje já são construídas grandes antenas off-set. Exercício: Que vantagens poderiam ser destacadas de uma antena off-set em relação a uma focal-point?

25 Estrutura de uma antena Cassegrain Pára-raios e luz de obstrução Estrutura de suporte do sub-refletor Sub-refletor Vértice Variação de 0 o -90 o em elevação Plataforma de giro manual Motor de acionamento do parafuso de elevação Eixo de elevação Eixo de azimute Carenagem Refletor parabolóide Estrutura do pedestal Rastreamento do azimute Motor de acionamento do parafuso de azimute

26 Antena Gregoriana

27 Antena Gregoriana A antena Gregoriana é semelhante à Cassegrain, só que a Gregoriana utiliza um sub-refletor elíptico e côncavo em relação à superfície do refletor. Sua construção é mais complexa que a Cassegrain, porém apresenta rendimento superior. Exercício: Tente descrever o percurso do sinal na antena Gregoriana.

28 Suggested DBS mounting configurations Gable end mounting Chimney mount Corner-sidewall mount Roof peak mount Flat roof mount Ground mount

29 VSAT com base não-penetrante

30 Antena do Brasilsat ( off-set )

31 Antena do Brasilsat A1 e A2( off-set ) O Brasilsat (A e B) possuem dois conjuntos de antenas. Um deles é formado por 2 antenas omni-direcionais utilizadas na órbita de transferência durante o lançamento. Transmitem sinais de telemetria e recebem sinais de telecomando. O outro conjunto é formado por duas antenas parabólicas com cerca de 2 metros de diâmetro e são utilizadas para as comunicações normais. À primeira vista parece ser apenas uma antena. Na verdade são dois refletores justapostos, cada um gradeado segundo a polarização do sinal que deve refletir. A perda é mínima (da ordem de 0,1 db). Podem ser vistos na figura dois conjuntos de alimentadores que definirão a área de cobertura. Os alimentadores (ou cornetas) são feitas de fibra de alumínio e coladas com uma mistura adesiva de epóxi e prata. Os refletores são feitos de fibra de carbono e pesam cerca de 10 kg. São revestidos com isoladores térmicos sobre os quais é depositada uma camada semi-condutora de óxido de irídio. Exercício: Porque as antenas parabólicas não são utilizadas na órbita de transferência durante o lançamento?

32 Antena do satélite com dupla polarização Antenas bicônicas p/ T&C Posição em repouso Refletor em posição Ponto de apoio do refletor Antenas bicônicas p/ T&C Anel de 1,32cm (9,52 pol) Refletor frontal com grade de polarização horizontal Refletor traseiro com grade de polarização vertical Matriz de alimentadores D=183cm (72,0 pol.) Braço de sustentação Bandeja do Despun VISTA LATERAL DO REFLETOR VISTA FRONTAL DO REFLETOR

33 Alimentador de dupla polarização Alimentador Casador de impedância Junção OMT (Transdutor em modo ortogonal) Rx V Tx/Rx V Tx/Rx H FPF Rx Junção T FPF Tx Tx V Rx H Duplexador Tx H

34 Transição LNB-Alimentador LNB Exemplo de alimentador com anéis concêntricos Ponto de orientação Borracha vedante Lâmina à prova d água Borracha vedante Transição de circular para retangular Alimentador Adaptação do alimentador à entrada LNB

35 Painel de alimentadores do Brasilsat A1

36 Painel de alimentadores do Brasilsat A1 Os diagramas das áreas de cobertura são definidos pelas disposições dos alimentadores das antenas. Pode-se observar pelas figuras que os formatos dos painéis lembram o mapa do Brasil. Exercício: O que se pode deduzir pela forma dos painéis de alimentadores na figura, com respeito à área de cobertura?

37 Ângulo de meia potência (HPBW) (f em GHz; d em metros) Lóbulos laterais Lóbulo principal Lóbulos traseiros

38 Ângulo de meia potência (HPBW) Uma antena não gera um padrão de irradiação com forma cilíndrica. A forma está indicada na figura (representação plana). Uma representação espacial seria ligeiramente semelhante a um taco de beisebol. Um parâmetro importante dentro do diagrama de irradiação é o ângulo de meia potência (HPBW = Half Power Beam Width). HPBW é definido como sendo o ângulo formado entre o eixo do lóbulo principal da antena e a direção definida pela metade da potência (3 db) irradiada pelo lóbulo principal. Exercício: Descrever a forma de obter o ângulo de meia potência de uma antena.

39 Direcionamento de uma antena parabólica Lóbulo secundário -30 db -3 db > Lóbulo Primário <Gmax Υ -3 db Diagrama de direcionamento de uma antena parabólica. Abaixo: ganho teórico e direcionamento de uma antena parabólica a 12 GHz. -30 db Lóbulo secundário > -3 db Φ(m) 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Ganho (db) 34,0 35,9 37,5 38,9 40,0 41,1 41,9 Dir. 3 db ( o ) 4,5 3,6 3,0 2,6 2,2 2,0 1,8

40 Princípio da recepção de dois satélites pela mesma antena ASTRA 19,2 O EUTELSAT 13 O

41 Exemplo de fixação de dois LNB na mesma antena LNB 2 LNB 1 Braço de sustentação

42 MTBA - Comsat A nova MTBA (Multiple Beam Torus Array) pode operar com vários satélites simultaneamente

43 Arco geoestacionário visto do hemisfério sul Elevação máxima = 90 o -latitude Norte Oeste Leste

44 Arco geoestacionário visto do hemisfério sul Durante cerca de cinco dias nas duas épocas de eclipse, com vista da terra, o sol passa por trás do satélite em certo horário do dia, conforme a localização da estação. Apesar do satélite estar funcionando normalmente, a energia irradiada pelo sol atinge a antena juntamente com o sinal do satélite, provocando interferência por ruído. Tal ruído faz com que a relação C/N atinja valores muito baixos, inviabilizando as comunicações durante cerca de 10 minutos. A interferência ocorrerá antes do meio-dia se o satélite estiver a leste da longitude de referência, e após o meio-dia, se estiver a oeste. Exercício: Que soluções poderiam ser utilizadas para evitar o problema da interferência solar?

45 Ábaco para azimute e elevação de uma antena Azimutes relativos a 180 o Curvas de elevação Latitude: 38 o Dif. Longitude: 55 o Diferença de longitudes Azimute: 248 o Elevação: 20 o

46 Ábaco para azimute e elevação de uma antena O ábaco mostrado na figura representa uma forma de calcular os valores aproximados de azimute e elevação de uma antena, a partir da latitude da estação e da diferença entre a longitude da estação e a longitude do satélite. O azimute obtido no ábaco é tomado a partir do polo sul, ou seja, 180 graus. Assim, no exemplo mostrado, o azimute seria 68 graus (obtido no ábaco) graus, o que equivale a 248 graus. A elevação é tomada a partir da linha do horizonte. Exercício: Determinar o azimute e a elevação para uma estação em Salvador, apontada para um satélite localizado na longitude 84 o W. Considerar Salvador com latitude aproximada de 13 graus e longitude aproximada de 38 graus.