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Parâmetros Fundamentais de Antenas Prof Daniel D. Silveira Introdução � Objetivos � Apresentar os parâmetros que descrevem o desempenho de uma antena � Baseado na norma IEEE Definições Padronizadas de Termos para Antenas (IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas – IEEE Std 145-1983), uma revisão da norma IEEE-145-1973 Introdução � Tópicos � Diagrama de Radiação � Densidade de Potência Radiada � Intensidade de Radiação � Largura de Feixe � Diretividade � Eficiência � Ganho Introdução � Tópicos � Largura de Faixa � Impedância de Entrada � Eficiência de Radiação � Áreas Equivalentes de Antenas Diagrama de Radiação � Função matemática ou representação gráfica das propriedades de radiação da antena em função das coordenadas espaciais � Determinado na região de campo distante (na maioria das vezes) � Representa a densidade de fluxo de potência, intensidade de radiação, intensidade de campo, diretividade, fase ou polarização Diagrama de Radiação Sistema de coordenadas Diagrama de Radiação � Diagrama de amplitude de campo – representação do campo elétrico (magnético) recebido a um raio constante � Similarmente há o diagrama da variação espacial da densidade de potência � São normalizados em relação ao seu valor máximo, e normalmente são mostrados em dB � Pontos notáveis: onde o diagrama atinge a metade do seu valor máximo Diagrama de Radiação Campo (linear) Potência (linear) Potência (dB) Diagrama de Radiação � A separação angular entre os pontos de meia potência é referida como Half Power BeamWidth (HPBW) – Largura de feixe de meia potência � Na prática, o diagrama tridimensional é medido e gravado com uma série de diagramas bidimensionais � Porém, alguns poucos gráficos do diagrama em função de θ, para certos valores de φ ou vice-versa fornecem a maior parte das informações Diagrama de Radiação � As diversas partes de um diagrama de radiação são referidas como lóbulos (ou lobos) � Principal, secundário, lateral, superior Diagrama de Radiação � Principal: máxima radiação (em antenas bifurcadas, pode haver mais de um) � Secundário: outros lóbulos � Lateral: lóbulo em qualquer direção que não seja a principal � Posterior: lóbulo de radiação cujo eixo faz um ângulo de 180º com o feixe da antena � Lobos secundários representam radiação em direções indesejadas e devem ser minimizados Diagrama de Radiação � Classificação de diagramas – é dado pelo tipo de antena � Antena Isotrópica: mesma radiação em todas as direções � Antena Direcional: tem a propriedade de radiar ou receber ondas mais eficientemente em algumas direções � Omnidirecional: diagrama essencialmente não direcional em um dado plano e direcional em um plano ortogonal Diagrama de Radiação � Regiões de campo: são os espaços que envolvem a antena � Região de campo reativo: � Região de campo próximo radiante (região de Fresnel) � Região de campo distante (região de Fraunhofer) � impedância de onda real � Campos E e H em fase � Potência predominantemente real, propagando energia Diagrama de Radiação � Região de campo distante (Fraunhofer, far-field) – região onde a distribuição angular dos campos independe da distância à antena (adotada como 2D2/λ) Diagrama de Radiação � Diagrama de radiação de uma antena parabolóide calculado em diferentes distâncias da antena Diagrama de Radiação � Radianos e Esterradianos � Esterradiano é a medida de um ângulo sólido * Há 4π sr em uma esfera fechada Diagrama de Radiação � Densidade de Potência Radiada � Seja a densidade média de potência para valores de pico de E e H � Para valores RMS, retirar o ½! � A potência média radiada por uma antena é definida por Densidade de Potência Radiada � Densidade de Potência Radiada � Radiador isotrópico – fonte ideal que radia igualmente em todas as direções � Não existe na prática, fornece uma referência de comparação para outras antenas � A potência total radiada � E a densidade de potência � Intensidade de Radiação Intensidade de Radiação � Fonte isotrópica: U independente dos ângulos θ e φ, da mesma forma que Wrad Largura de Feixe � Separação angular entre dois pontos idênticos e em lados opostos do máximo do diagrama � Largura de Feixe de Meia Potência (LFMP) � Largura de Feixe Entre Nulos (LFEN) Largura de Feixe � Exemplo 2.4 – A intensidade de radiação normalizada de uma antena é representada por Determine: a) Largura de feixe de meia potência LFMP em rad e em graus b) Largura de feixe entre nulos LFEN em rad e em graus Diretividade � Razão entre a intensidade de radiação de uma fonte em uma dada direção e a intensidade de radiação de uma fonte isotrópica � Caso a direção não seja especificada, fica implícita a direção de máxima intensidade de radiação Diretividade � Diretividade Diagramas dos exercícios anteriores Diretividade Diagrama de diretividade de um dipolo de λ/2 (meia-onda) e de uma antena isotrópica Diretividade Dipolo de λ/2 (meia-onda) e uma antena isotrópica (2D) Diretividade Dipolo de λ/2 (meia-onda) e uma antena isotrópica (3D) Diretividade � Expressões gerais para a diretividade Diretividade � No caso de antenas com lóbulo principal estreito e lóbulos secundários desprezíveis, pode-se usar a aproximação de Krauss Diretividade � Exemplo 2.7 – A intensidade de radiação do lóbulo principal de diversas antenas pode ser adequadamente representada por U=B0cosθ, onde B0 é o valor máximo que existe somente no hemisfério superior. Determine: a) o ângulo sólido de feixe; exato e aproximado. b) máxima diretividade; exata, e aproximada. Eficiência de Antenas � Leva em consideração as perdas nos terminais de entrada e no interior da estrutura da antena e0 – eficiência total er – eficiência de reflexão ecd – eficiência de radiação Ganho � Relação entre a intensidade máxima de irradiação da antena analisada e de outra antena tomada como referência � Leva em consideração tanto a eficiência quanto as propriedades direcionais de uma antena � Pode também ser definido como ganho relativo (antena de referência – fonte isotrópica (dBi), dipolo ½ onda (dBd) etc) Ganho � A relação entre potência radiada e potência total: � O Ganho se relaciona à diretividade por: Ganho Absoluto � Leva em consideração as perdas por reflexão (descasamento) e0 – eficiência total er – eficiência de reflexão ecd – eficiência de radiação Ganho � Exemplo 2.10 – Uma antena dipolo de meio comprimento de onda, sem perdas e ressonante, com impedância de entrada de 73 ohms, é conectada a uma linha de transmissão cuja impedância característica é de 50 ohms. Admitindo que o diagrama da antena seja dado, aproximadamente, por Determine o ganho absoluto máximo desta antena. Largura de Faixa � Faixa de frequências que a antena pode operar sem modificar significativamente suas características � Especificam-se os limites de frequências dentro dos quais o valor de SWR é menor que o máximo tolerável � Pode ser apresentado por: <= > ?@AB C ?@DE <=FGHAIDJK > 2 ?@AB C ?@DE ?@AB L ?@DE (B100%) Impedância de Entrada � Impedância apresentada pela antena em seus terminais Impedância de Entrada � Impedância apresentada pela antena em seus terminais Rr = resistência de radiação RL= resistência de perda Zg = impedância do gerador Impedância de Entrada � A potência entregue à antena para radiação é � A potência dissipada pela antena � A potência dissipada pelo gerador é Impedância de Entrada � A máxima potência será entregue à antena quando houver casamento conjugado da carga com o gerador � Desta forma, E metade da potência Ps é dissipada na forma de calor por Rg Impedância de Entrada � A outra metade de Ps é entregue para antena, para dissipação e radiação � Segue-se o cálculo desta potência: Impedância de Entrada � No modo de recepção e sob casamento conjugado, as potências entregues são análogas � Metade da potênciatotal capturada ou extraída é entregue à carga , enquanto a outra metade é espalhada ou reirradiada através de Rr e dissipada como calor através de RL � No caso em que RL>0 (não há perdas), metade da potência capturada será entregue à carga e metade será espalhada Eficiência de Radiação � A eficiência, que leva em conta as perdas com reflexão, condução e dielétricas foi discutida anteriormente � As perdas de condução e dielétricas são difíceis de separar, e são normalmente agrupadas para formar a eficiência ecd � No caso de um cilindro metálico de comprimento l e seção reta uniforme de área A, a resistência DC é dada por Eficiência de Radiação � Considerando a profundidade pelicular do metal P – perímetro da seção reta do cilindro (P=C=2.pi.b, fio de raio b) Rs – Resistência superficial do condutor ω – é a frequência angular σ – é a condutividade do metal µ0 – é a permeabilidade no espaço livre Eficiência de Radiação � Exemplo 2.13 – Um dipolo de meio comprimento de onda ressonante é feito de um fio de cobre. Determine a eficiência condutiva-dielétrica (de radiação) da antena dipolo em f>100 MHz se o raio b do fio for de 3 x 10-4λ e a resistência de radiação do dipolo de λ/2 for de 73 ohms. Áreas Equivalentes de Antenas � Áreas equivalentes são usadas para descrever as características de recepção da antena quando uma onda incide sobre ela � Área (abertura) efetiva: razão entre a potência disponível nos terminais de uma antena receptora e a densidade de fluxo de potência na direção de máxima intensidade de radiação Áreas Equivalentes de Antenas � A área (abertura) efetiva é a área que multiplicada pela densidade de potência incidente fornece a potência entregue à carga � Sob condições de máxima transf. de potência (casamento conjugado), temos a máxima abertura efetiva Áreas Equivalentes de Antenas � Exemplo 2.15 Uma onda plana uniforme incide sobre um dipolo muito curto (l<<λ) e sem perdas. Determine a máxima área efetiva, admitindo que a resistência de radiação do dipolo é Rr>80(pi.l/ λ)2 e que o campo incidente é linearmente polarizado ao longo do eixo do dipolo. Diretividade e Máx. Área Efetiva � Pode-se determinar que a máxima área efetiva de qualquer antena está relacionada à sua diretividade máxima por � AAAAemememem multiplicada pela densidade de potência da onda incidente multiplicada pela densidade de potência da onda incidente multiplicada pela densidade de potência da onda incidente multiplicada pela densidade de potência da onda incidente fornece a máxima potência que pode ser entregue à carga fornece a máxima potência que pode ser entregue à carga fornece a máxima potência que pode ser entregue à carga fornece a máxima potência que pode ser entregue à carga (supõe que não há perdas de condução ou dielétricas, que a antena é casada à carga, e que (supõe que não há perdas de condução ou dielétricas, que a antena é casada à carga, e que (supõe que não há perdas de condução ou dielétricas, que a antena é casada à carga, e que (supõe que não há perdas de condução ou dielétricas, que a antena é casada à carga, e que a polarização da onda é a mesma da antena)a polarização da onda é a mesma da antena)a polarização da onda é a mesma da antena)a polarização da onda é a mesma da antena) Lista de Exercícios � 2.2, 2.3, 2.5, 2.8, 2.13, 2.27, 2.47, 2.50, 2.67, 2.68, 2.80, 2.81, 2.82
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