Antenas Parte1 Introducao

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Antenas - Prof. Cláudio Garcia
Antenas
Parte 1 – Introdução
1
Prof. Cláudio Garcia Batista
Departamento das Engenharias de Telecomunicações e Mecatrônica (DETEM)
Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ) 
Campus Alto Paraopeba - Ouro Branco/MG
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Parte 1 – Introdução
• Definição
• Aplicações
• Principais tipos de antenas
• Características básicas
2
• Características básicas
• Revisão: cálculo vetorial
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Introdução: definição
• Definição
• A antena é um dispositivo que realiza a transição (ou adaptação) entre a
energia eletromagnética guiada para o espaço livre e vice-versa.
3
Fonte Guia Antena Espaço livre
de onda
Referência [1]
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Introdução: definição
• Definição
• Além de transmitir/receber sinal eletromagnético, a antena também é
utilizada para acentuar a radiação em determinadas direções e atenuar
em outras. O respectivo sistema de telecomunicação irá definir suas
características desejadas.
• Em sistemas de comunicações sem fio a antena é um dos principais
dispositivos, aumentando a performance e eficiência.
4
• Existem diversos tipos de antenas: filamentares, impressas, refletoras, etc,
e cada tipo é mais adequado para determinadas aplicações.
USER
Realce
USER
Realce
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Introdução: aplicações
• Definição
• As características elétricas de uma antena dependem da sua geometria,
material de construção e dimensões elétricas (dimensões relativas ao
comprimento de onda λ).
f
x
f
c 8103
≈=λ
= Comprimento de onda [m]λ
f = frequência [Hz]
5
ff
L
Monopolo
λ
L
=
Comprimento 
elétrico
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Introdução: aplicações
• Aplicações
• Assim, o projeto da antena depende do sistema de telecomunicação em
questão: faixa de freqüência, potências envolvidas, ambiente de
propagação, topologia do sistema, mobilidade, etc.
• Para sinais banda larga, a antena é projetada considerando um faixa de
operação.
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• Em telecomunicações, pode-se definir freqüências de rádio (RF) iniciando
em 3 kHz até 300 GHz.
• O espectro é dividido em faixas, com denominações determinadas pela
ITU (International Communication Union, www.itu.int )
• No Brasil, o gerenciamento do espectro eletromagnético é feito pela
ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações, www.anatel.gov.br).
USER
Realce
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Introdução: aplicações
Faixa Nomenclatura Exemplos de Sistemas
3 a 30 kHz VLF -Very Low Frequency Radionavegação. Comunicação marítima. 
Sonar.
30 a 300 kHz LF – Low Frequency Radionavegação. Comunicação marítima. 
Sonar.
300 a 3.000 
kHz 
MF – Medium Frequency Rádiodifusão AM. Radionavegação. 
Comunicação marítima. 
3 a 30 MHz HF – High Frequency Rádiodifusão ondas curtas e ondas 
tropicais. Radioamador.
7
tropicais. Radioamador.
30 a 300 MHz VHF – Very High 
Frequency
Rádio FM, Televisão terrestre. Links de 
baixa capacidade. Radio-comunicação 
(polícia, taxi, etc)
300 a 3.000 
MHz 
UHF – Ultra High 
Frequency
Televisão terrestre, enlaces de baixa e 
média capacidade. Radar. Telefonia 
móvel.
3 a 30 GHz SHF – Super High 
Frequency
Telefonia móvel. Enlaces de média e alta 
capacidade. Satélite. Radar. Redes Wifi e 
Wireless.
30 a 300 GHz EHF – Extremely High F. Satélite. Sistemas em fase experimental.
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Introdução: aplicações
8www.anatel.gov.br→ Atribuição, Destinação e Distribuição de Faixas 
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Introdução: tipos de antenas
• Antenas Lineares (filamentares)
• Simples e de baixo custo.
• Baixa diretividade (veremos a seguir).
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Monopolo Dipolo Log-periódica Yagi-Uda
Helicoidal
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Introdução: tipos de antenas
• Antenas de abertura
• Maior diretividade.
• Facilidade para montagem em aeronaves e veículos espaciais.
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Piramidal Cônica
(corneta piramidal) (corneta cônica) 
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Introdução: tipos de antenas
• Antenas microstrip (impressas)
• Consiste num elemento patch acoplado a um substrato (dielétrico) e um plano
terra.
• Facilidade de fabricação por tecnologia de circuito impresso. Baixa potência.
• Flexibilidade do padrão de diretividade, freqüência e impedância de entrada
(veremos na parte 2 do curso).
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Retangular Retangular com chanfro
Circular
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Introdução: tipos de antenas
• Antenas refletoras
• Maior custo.
• Alta diretividade (veremos a seguir).
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Parabólica Parabólica com radome Refletora corner
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Introdução: tipos de antenas
• Conjuntos
• Maior flexibilidade, maior diretividade.
• Possibilidade de reconfiguração.
• Alta diretividade (veremos a seguir).
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Conjunto de Helicoidais
Conjunto de parabólicas
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Introdução: tipos de antenas
• Conjuntos
14
Conjunto de Microstrip
Conjunto de dipolos dobrados
USER
Realce
USER
Realce
USER
Realce
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Introdução: características básicas
• Diagrama de radiação (diretividade)
• Representação gráfica da densidade de potência radiada em função da
direção em torno da antena.
• Ex.: Dipolo de 1,25λ.
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Diagrama tridimensional Diagrama polar bidimensional
Referência [1]
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Introdução: características básicas
• Eficiência
• Percentual de potência (média) efetivamente radiada/recebida pela
antena.
• Eficiência total = =Potência da fonte
Potência radiada
Pt
Prad
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~
Pt
Prad
• Observe que a eficiência total depende da impedância de entrada da
antena e das impedâncias da fonte, linha de transmissão, conectores, etc.
Prefletida
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Introdução: características básicas
• Polarização
• Orientação do campo elétrico radiado/recebido.
17Polarização linear vertical Polarização circular
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Introdução: Revisão cálculo vetorial
• Produto escalar
• O produto escalar entre dois vetores resulta num número real.
( )θcosBABA
BABABABA zzyyxx
rrrr
rr
=⋅
++=⋅
18
• observe que para A real:
• e são válidas as propriedades comutativa e distributiva:
222
zyx AAAAAA ++=⋅=
rrr
( ) CABACBA
ABBA
rrrrrrr
rrrr
⋅+⋅=+⋅
⋅=⋅
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AAA
zyx
BA zyx
ˆˆˆ
det=×
rr
C
• Produto vetorial
• O produto vetorial entre dois vetores resulta num vetor perpendicular ao
plano formado por tais vetores.
Introdução: Revisão cálculo vetorial
19
( ) ( ) ( )zBABAyBABAxBABABA
BBB
xyyxzxxzyzzy
zyx
ˆˆˆ −+−+−=×
rr
• observe que:
( )θsinBABA rrrr =×
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• Produto vetorial
• e são válidas as propriedades anti-comutativa e distributiva:
( ) CABACBA
ABBA
rrrrrrr
rrrr
×+×=+×
×−=×
Introdução: Revisão cálculo vetorial
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• Operador (nabla)
• Operador diferencial matemático:
∇
z
z
y
y
x
x
ˆˆˆ
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
=∇
• Sozinho ele não possui significado físico.
• O significado aparece quando aplicado a outras grandezas.
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• Gradiente
• Seja f(x,y,z) uma função escalar contínua com derivada de ordem 1
contínua, o gradiente é dado por:
• O resultado é um vetor que aponta na direção de máxima variação da
z
z
fy
y
f
x
x
ff ˆˆˆ
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
=∇
Introdução: Revisão cálculo vetorial21
• O resultado é um vetor que aponta na direção de máxima variação da
função.
• O gradiente é perpendicular à superfície onde f(x,y,x) = C (constante)
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• Divergente
• Seja A(x,y,z) uma função vetorial contínua com derivada de ordem 1
contínua, o divergente é dado por:
z
A
y
A
x
AA zyx
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
=⋅∇
r
∇
Introdução: Revisão cálculo vetorial
22
• É o produto escalar entre e A.
• O resultado é uma função escalar que indica o fluxo efetivo por unidade
de espaço (normalmente volume).
• A aplicação do Divergente será vista nas equações de Maxwell.
∇
USER
Realce
USER
Realce
USER
Realce
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• Rotacional
• Seja A(x,y,z) uma função vetorial contínua com derivada de ordem 1
contínua, o rotacional é dado por:
AAA
zyx
zyx
A
zyx
ˆˆˆ
det ∂
∂
∂
∂
∂
∂
=×∇
r
Introdução: Revisão cálculo vetorial
23
• É o produto vetorial entre e A.
• O resultado é uma função vetorial que indica a circulação do campo
vetorial A por unidade de área nas superfícies normais a cada componente
x, y e z.
• A aplicação do Rotacional será vista nas equações de Maxwell.
∇
z
y
A
x
A
y
x
A
z
A
x
z
A
y
AA xyzxyz
zyx
ˆˆˆ 





∂
∂
−
∂
∂
+





∂
∂
−
∂
∂
+





∂
∂
−
∂
∂
=×∇
r
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• Algumas propriedades
(1)
(2)
(3)
(4)
( )
( )
( )
( )
AffAAf
fggffg
f
A
rrr
rr
r
0
0
⋅∇+∇⋅=⋅∇
⋅∇+⋅∇=⋅∇
=∇×∇
=×∇⋅∇
Introdução: Revisão cálculo vetorial
24
(5)
(6)
(7)
( )
( )
( )
( ) AAA
BAABBA
AfAfAf
AffAAf
rrv
rrrrrr
rrr
2∇−⋅∇∇=×∇×∇
×∇⋅−×∇⋅=×⋅∇
×∇+×∇=×∇
⋅∇+∇⋅=⋅∇
USER
Realce
USER
Realce
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• Sistemas de coordenadas
• Cilíndricas
zz
z
aAaAaAV
zAAAV
ˆˆˆ
ˆ
ˆ
ˆ
++=
++=
φφρρ
φρ φρ
r
r
notação do Balanis [1]
),,( zφρ
Introdução: Revisão cálculo vetorial
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Cilíndricas => Retangulares Retangulares => Cilíndricas
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• Sistemas de coordenadas
• Esféricas
φφθθ
φθ φθ
aAaAaAV
AArAV
rr
r
ˆˆˆ
ˆˆ
ˆ
++=
++=
r
r
notação do Balanis [1]
),,( φθr
Introdução: Revisão cálculo vetorial
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Esféricas => Retangulares Retangulares => Esféricas
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• Decibel (dB): Razão entre duas grandezas. Grandeza relativa.
Introdução: Revisão dB, dBm, etc






=
1
2log10
P
PdB
 E
→ Potência Y=log(x)
27






=
1
2log20
E
EdB → Campo Elétrico x
dB < 0 → perda de energia
dB > 0 → ganho de energia
P1, E1
P2, E2
d
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• dBm: relativo à potência de 1 mW. Grandeza absoluta.
Introdução: Revisão dB, dBm, etc






=





=
−310
log10
1
log10 P
mW
PdBm
10 W 40 dBm
1 W 30 dBm
10 mW 10 dBm
1 mW 0 dBm
100 uW -10 dBm
1 uW -30 dBm
28
1 uW -30 dBm
• dBW: relativo à potência de 1 W. Grandeza absoluta.
( )P
W
PdBW log10
1
log10 =





=
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• dBµV/m: relativo à intensidade de campo elétrico de 1µV/m.
Grandeza absoluta.
Introdução: : dB, dBm, etc
m
E
m
V
E
mVdB /
10
log20/
1
log20 6 





=





=
−µ
µ
29
10 V/m 140 dBuV/m
1 V/m 120 dBuV/m
10 mV/m 80 dBuV/m
1 µV/m 0 dBuV/m
10 nV/m -40 dBuV/m
1 nV/m -60 dBuV/m
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Introdução
Exemplo 01
30
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• REFERÊNCIAS
[1] C. A. Balanis, “Antenna theory: analysis and design”, 2ed, John
Wiley & Sons, 2005, Capítulo 1.
[2] F. J. S. Moreira e C. G. Rego, Notas de aula do curso de antenas,
DELT, UFMG, 2012.
Introdução: referências
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