Antenas Parte8 Antenas Refletoras

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Antenas
Parte 8 – Antenas refletoras
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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 8 – Antenas refletoras
• Introdução
• Definições de polarização
• Refletores parabólicos
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• Refletor parabólico front-fed
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Antenas Refletoras: Introdução
• Antenas refletoras conseguem obter diretividades elevadas através da
colimação (concentração) da energia radiada por superfícies condutoras
(refletores). Basicamente são compostas pelo alimentador e refletor(es).
• Os refletores podem assumir diversas geometrias: plana, angular (“canto”)
e curva (parábola e hipérbole).
refletor
refletor
alimentador alimentador
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refletor
refletor
Refletor plano Refletor de canto
Refletor parabólico (front-fed) Refletor parabólico (Cassegrain-feed)
alimentador alimentador
Sub-refletor
Região bloqueada
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Antenas Refletoras: Introdução
• Os alimentadores mais utilizados são guias de onda (“aberturas”) e
antenas cornetas. Entretanto também existem alimentadores bastante
complexos.
• Veja que é comum utilizar estruturas de proteção na antena. Os radomes
(dielétricos) são dispostos na frente da antena, e são “transparentes” na
faixa de freqüência de operação.
• Também utiliza-se estruturas metálicas ao redor da antena (“colares” ou
“blindagem”) para proteção e diminuição de interferências.
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radome
“blindagem”
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Antenas Refletoras: Definições de polarização
• É comum definir a polarização principal (co-pol) e a polarização cruzada
(cx-pol) do campo radiado pela antena.
• Dentre outras questões, tais definições são importantes para
transmitir/receber dois sinais diferentes por uma única antena.
• Além disso, em muitas aplicações é interessante conseguir a maior
quantidade de energia radiada via polarização principal e baixa energia
(ou nula) na polarização cruzada.
• Chamamos de perda por polarização cruzada a razão entre a energia
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• Chamamos de perda por polarização cruzada a razão entre a energia
transmitida/recebia pela polarização principal e aquela da polarização
cruzada numa dada direção.
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Antenas Refletoras: Definições de polarização
• As polarizações principal e cruzada podem ter várias definições. Um
exemplo é baseado nas polarizações lineares vertical e horizontal, onde
os vetores unitários de polarização são dados por:
z
y
x
yeco ˆˆ = xecx ˆˆ =
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z
xEEcx ˆ•=
r
• e as respectivas componentes de na região de campo distante:E
r
yEEco ˆ•=
r
• Veja que também podemos definir a diretividade para cada polarização:
rad
co
co
P
Er
D
222
),(
η
π
φθ =
rad
cx
cx
P
Er
D
222
),(
η
π
φθ =
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Antenas Refletoras: Refletores parabólicos
• Os refletores parabólicos clássicos são construídos de modo que a
radiação de uma fonte puntual esférica (alimentador) é colimada em uma
frente de onda plana (raios paralelos).
• Na configuração front-fed (“alimentação frontal”), a fonte é colocada no
ponto focal do parabolóide.
Frente de 
onda plana
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Alimentador 
(foco do 
parabolóide)
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Antenas Refletoras: Refletores parabólicos
• Na configuração de duplo refletor Cassegrain-feed a fonte é colocada no
vértice do refletor parabólico principal.
Frente de 
onda plana
refletor
Sub-refletor 
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alimentador
(hipérbole) Região 
bloqueada
• Existem inúmeras configurações para refletores parabólicos com
vantagens e desvantagens de performance e construção prática. Para
mais detalhes veja Seção 15.4.2de [1] e a referência [2].
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Antenas Refletoras: Refletores parabólicos
• A abertura da antena é definida pela projeção do refletor principal sobre
uma superfície plana. Nessa superfície a frente de onda possui fase
constante.
Projeção da abertura
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• A máxima diretividade de uma abertura plana é alcançada quando o
campo na abertura possui amplitude, fase e polarização uniformes
(constantes).
• A fase constante é obtida pelo uso do parabolóide como refletor principal.
A polarização constante é alcançava pelo modelamento do alimentador. A
amplitude constante não é obtida em sistemas simples.
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Antenas Refletoras: Refletor parabólico front-fed
• Geometria do refletor parabólico front-fed:
fPQOP 2=+• Veja que e como:
( )θ ′′=
′=
cosrPQ
rOP
• a equação do parabolóide fica:
θ ′+
=′
cos1
2 f
r
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θ ′+ cos1
• em coordenadas retangulares:
( )zffyx ′−=′+′ 422
• O ângulo de borda é dado por:
d
f4
2
cot 0 =




θ
0θ
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Antenas Refletoras: Refletores parabólico front-fed
• Exemplo de diagrama de diretividade:
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Antenas Refletoras: Refletor parabólico front-fed
• A análise dos campos radiados por uma antena refletora parabólica não é
trivial. De maneira geral, pode-se estimar os campos Ea e Ha na abertura
por Óptica Geométrica (GO) ou Óptica Física (PO) e obter os campos
radiados por integrais de radiação.
• Também existem técnicas numéricas mais completas como o Método dos
Momentos (MoM) e Diferenças Finitas no Domínio do Tempo (FDTD).
• No caso da GO e PO, realiza-se algumas aproximações:
- A corrente da região não iluminada do refletor é nula;
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- A corrente da região não iluminada do refletor é nula;
- A descontinuidade da corrente na borda do refletor é desprezada;
- O bloqueio da abertura pelo alimentador é desprezado.
• Mesmo com tal aproximações, consegue-se resultados precisos para a
radiação do lóbulo principal.
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Antenas Refletoras: Refletor parabólico front-fed
• Nesse sentido, a diretividade máxima da antena é estimada por:
aplinear
d
D ∈




=
2
0 ),( λ
π
φθ
ap∈• e é a eficiência de abertura da antena refletora, dada por:
2
′θ θθ
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( )
2
0
02
0
2
tan
2
cot ∫ ′



 ′′




=∈
θ
θ
θ
θ
θ
dG fap
• A função é o padrão de radiação do alimentador.( )θ ′fG
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Antenas Refletoras: Refletor parabólico front-fed
• Um modelo bastante utilizado para a radiação do alimentador é o cosseno
elevado:
( ) ( ) ( )θθ ′+=′ nf nG cos12
• O expoente n ajusta o modelo. Quanto maior n mais diretivo é o
alimentador.
• Algumas expressões de eficiência :ap∈
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






















+




=→∈=























+




=→∈=
2
cot
2
cotln
2
404
2
cot
2
cotln
2
242
02
2
004
02
2
002
θθθ
θθθ
senn
senn
ap
ap
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Antenas Refletoras: Refletor parabólico front-fed
• Exemplos de eficiências :ap∈
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Antenas Refletoras: Refletor parabólico front-fed
• Exemplo: L-Com, HG5829D.
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Antenas Refletoras: Refletor parabólico front-fed
• Exemplo: Commscope, HP4-102/A.
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Exemplo 12
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• REFERÊNCIAS
[1] C. A. Balanis, “Antenna theory: analysis and design”, 2ed, John
Wiley & Sons, Cap. 15, 1997.
[2] A. W. Love, “Reflector Antennas”, IEEE Press, New York, 1978.
Referências
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