Antenas e Propagação de Ondas

Prévia do material em texto

<p>Antenas</p><p>ELETROMAGNETISMO</p><p>Definição de Antena (IEEE)</p><p>“Um meio para irradiar ou receber ondas de rádio.”</p><p>Estrutura de uma antena</p><p>Antenas são estruturas de transição entre os guias de onda/linhas e o espaço</p><p>livre, ou seja transferem energia do transmissor para o meio e vice-versa. A</p><p>antena apresenta para o conjunto linha de transmissão/gerador uma impedância</p><p>de entrada 𝑍𝑖𝑛 = 𝑅𝑝 + 𝑅𝑟 + 𝑗𝑥𝑖𝑛, onde Rp é a resistência que representa as</p><p>perdas no condutor e no dielétrico da estrutura da antena, Rr é a resistência de</p><p>radiação, usada para representar o efeito de radiação e 𝑗𝑥𝑖𝑛 é a reatância</p><p>característica.</p><p>Antena</p><p>Uma antena deve otimizar ou realçar a radiação de energia em</p><p>algumas direções e suprimi-la em outras. Portanto, é um dispositivo</p><p>direcional. A geometria (forma e tamanho elétrico) é o fator</p><p>predominante no desempenho de uma antena. Podemos citar os</p><p>seguintes tipos de antenas</p><p>Efeitos na propagação de Micro-ondas</p><p>Atenuação</p><p>É a perda de potência do sinal transmitido.</p><p>Interferem na atenuação:</p><p>➢Distribuição do sinal no espaço;</p><p>➢Capacidade da antena de recepção em capturar o sinal transmitido.</p><p>Atenuação</p><p>➢O sinal transmitido espalha-se no espaço conforme o ângulo de abertura da</p><p>antena.</p><p>➢Considera-se como referência uma irradiação em forma de esfera (antena</p><p>isotrópica.</p><p>➢A área de propagação é definida por 4𝜋𝑟2.</p><p>➢A potência distribuída na área da esfera é dada por 𝑆 =</p><p>𝑃𝑡</p><p>4𝜋𝑑2</p><p>onde:</p><p>▪ 𝑃𝑡 = Potência de transmissão.</p><p>▪𝑑 = distância entre um ponto qualquer e a antena de transmissão.</p><p>* O resultado será dado em 𝑚𝑤/𝑚2</p><p>Atenuação</p><p>➢A abertura de recepção de sinal de uma antena isotrópica é definida por</p><p>𝐴 =</p><p>𝜆2</p><p>4𝜋</p><p>➢A potência de recepção do sinal será 𝑃𝑟 = 𝑆.</p><p>𝜆2</p><p>4𝜋</p><p>➢Com esses dados podemos calcular a atenuação da onda sendo</p><p>𝐹𝑆𝑃𝐿 = 10 log</p><p>𝑃𝑡</p><p>𝑃𝑟</p><p>𝐹𝑆𝑃𝐿 = 20 log</p><p>4𝜋𝑑</p><p>𝜆</p><p>•FSPL = Free Space Lost</p><p>Atenuação</p><p>Pergunta - Como a frequência do sinal influencia em sua</p><p>atenuação?</p><p>Efeitos na propagação de Micro-ondas</p><p>Reflexão</p><p>➢É utilizada na confecção de antenas.</p><p>➢Tem o objetivo de direcionar o sinal.</p><p>Efeitos na propagação de Micro-ondas</p><p>Refração</p><p>➢Ocorre quando a onda (sinal) troca de meio de propagação e como resultado</p><p>muda a sua direção e velocidade.</p><p>➢A alteração de direção depende dos índices de refração dos materiais</p><p>envolvidos na propagação.</p><p>Efeitos na propagação de Micro-ondas</p><p>Dispersão</p><p>➢Ocorre quando o sinal atinge um obstáculo com superfície irregular e sofre</p><p>reflexões em várias direções.</p><p>Efeitos na propagação de Micro-ondas</p><p>Difração</p><p>➢Fenômeno que ocorre quando a onda encontra um obstáculo.</p><p>➢O sinal de micro-ondas contorna qualquer objeto que possua tamanho maior</p><p>que o comprimento da onda. Esse fenômeno é regido pelo princípio de</p><p>Huygens.</p><p>➢Isso faz com que o sinal preencha toda a área de um ambiente.</p><p>Princípio de Huygens</p><p>Huygens propôs que cada ponto de uma frente de onda possui a funcionalidade</p><p>de uma nova fonte pontual. Ou seja, a cada instante de tempo, a própria frente</p><p>de onda gera infinitesimais novas ondas, a partir de cada um de seus pontos,</p><p>dando origem a uma nova frente de onda no instante seguinte.</p><p>Antena Dipolo</p><p>Antena Direcional (Yagi-Uda)</p><p>Antena de Abertura</p><p>Antena Microstrip</p><p>Antena Refletora</p><p>Parâmetros de desempenho</p><p>Diagrama de Radiação</p><p>O diagrama de radiação é definido como a</p><p>função matemática ou a representação</p><p>gráfica das propriedades de radiação da</p><p>antena em função das coordenadas</p><p>espaciais. Normalmente utiliza-se um</p><p>sistema de coordenadas esférico com a</p><p>antena posicionada na origem, pelo que o</p><p>diagrama de radiação é uma função de</p><p>𝑟, 𝜃e ∅.</p><p>Antena isotrópica (Radiador Isotrópico)</p><p>Antena ideal que irradia de maneira uniforme em todas as direções.</p><p>Antena Direcional</p><p>Antena que irradia ou capta ondas eletromagnéticas mais eficientemente em</p><p>algumas direções do que em outras.</p><p>Antena Omnidirecional</p><p>A antena que possui um diagrama de radiação não diretivo no plano de azimute</p><p>e um diagrama de radiação diretivo no plano de elevação.</p><p>Um dos problemas de uma antena Omnidirecional</p><p>é que se você tentar cobrir uma área de um ponto</p><p>alto, verá um grande "buraco" abaixo da antena,</p><p>sem cobertura.</p><p>Ângulo de meia Potência (HPBW)</p><p>Os ângulos de meia potência são definidos pelos pontos no diagrama</p><p>onde a potência irradiada equivale à metade da irradiada na direção</p><p>principal.</p><p>Estes ângulos definem</p><p>a abertura da antena</p><p>no plano horizontal e</p><p>no plano vertical.</p><p>Banda de uma Antena</p><p>É a faixa de frequências em torno de uma frequência central de operação na qual</p><p>o desempenho da antena está de acordo com um determinado padrão.</p><p>O desempenho da antena é medido por parâmetros tais como: impedância de</p><p>entrada, diagrama de radiação, HPBW, polarização, ganho, etc. Portanto, espera-</p><p>se que os valores dos parâmetros de desempenho na banda de operação não</p><p>sejam significativamente diferentes dos valores na frequência central.</p><p>Por exemplo, uma banda de 20:1 indica que a frequência superior é vinte vezes maior do que a</p><p>inferior.</p><p>Lóbulo de Radiação</p><p>É uma parte do diagrama de radiação delimitado por regiões de relativa baixa</p><p>intensidade de radiação. Os lóbulos podem ser classificados como maior ou</p><p>principal, laterais ou traseiros</p><p>O lóbulo principal</p><p>define os ângulos de</p><p>½ potência e o</p><p>máximo ganho.</p><p>Diretividade</p><p>É a relação entre o campo irradiado pela antena na direção de máxima irradiação e o</p><p>campo que seria gerado por uma antena isotrópica que recebesse a mesma potência.</p><p>𝐷 = 10 . 𝑙𝑜𝑔</p><p>𝑃𝑚𝑎𝑥</p><p>𝑃𝑖𝑠𝑜</p><p>𝑃𝑚𝑎𝑥= Potencia máxima irradiada pela antena</p><p>𝑃𝑖𝑠𝑜= Potencia irradiada por uma antena isotrópica</p><p>A diretividade é um adimensional e expressa como uma antena distribui</p><p>espacialmente a potência por ela efetivamente radiada.</p><p>Ganho</p><p>O ganho de uma antena é um parâmetro que leva em conta a eficiência de uma antena,</p><p>além de suas propriedades direcionais, é dado pela razão entre a intensidade de</p><p>radiação numa dada direção e a intensidade de radiação que poderia ser obtida caso a</p><p>potência aceita pela antena nos seus terminais de entrada fosse radiada</p><p>isotropicamente.</p><p>𝐺 = 𝜂.𝐷</p><p>G = Ganho D = Diretividade 𝜂= Eficiência</p><p>O ganho indica a capacidade de uma antena em concentrar, na direção de interesse, a</p><p>potência que seria irradiada em outras direções. Quanto mais diretiva</p><p>uma antena melhor é sua distribuição de potência, portanto maior é seu ganho.</p><p>Unidade do Ganho</p><p>é o Decibel (dB)</p><p>Eficiência</p><p>A eficiência de uma antena fornece uma medida das perdas nos terminais e na</p><p>estrutura da antena. Estas perdas podem ser devidas a: reflexões devido à</p><p>desadaptação entre a linha de transmissão e a antena; perdas nos condutores e</p><p>dielétrico.</p><p>Normalmente está na faixa de 90% a 95%.</p><p>Polarização</p><p>Por definição, a polarização de uma onda eletromagnética é o plano no qual se</p><p>encontra a componente elétrica desta onda .</p><p>A polarização pode ser classificado como:</p><p>Polarização Vertical</p><p>Polarização horizontal</p><p>Polarização Circular</p><p>Regiões da Antena</p><p>O espaço em torno de uma antena pode ser dividido em três regiões:</p><p>Campo próximo ou campos reativos</p><p>Fresnel ou campos radiantes próximos</p><p>Fraunhofer ou campo distante.</p><p>*D ou L = Maior dimensão da antena</p><p>Regiões da Antena</p><p>• Região de campo próximo reativo</p><p>Nesta região os campos elétrico e magnético da onda irradiada não são ortogonais e por isso não</p><p>é possível verificar as propriedades de radiação da antena.</p><p>• Região de campo próximo radiante (região de Fresnel)</p><p>Os campos magnético e elétrico da onda transmitida não são ortogonais, impossibilitando a</p><p>verificação das propriedades de radiação da antena.</p><p>• Região de campo distante (região de Fraunhofer)</p><p>A região de campo distante é onde se determina as propriedades de radiação da antena. Nesta</p><p>região, campo elétrico e magnético, são ortogonais.</p><p>Área de Captura</p><p>𝑨𝑪 = 𝑨𝑷. 𝐜𝐨𝐬(𝜽)</p><p>𝐴𝐶 = Área de captura</p><p>𝐴𝑝 = Área física</p><p>Exemplo</p><p>Uma antena, cuja área física pode ser representada por uma circunferência de raio 5 m, forma</p><p>ângulo de 100</p><p>com o sinal. Calcular a área de cobertura.</p><p>𝐴𝑝 = 𝜋. 𝑟2 = 78,54 𝑚2</p><p>𝐴𝑐 = 𝐴𝑝. cos 10° = 77,35 𝑚2</p>