1 engenharia elétrica antenas e propagaÇÃo parte 1 nono semestre - 2005 pontifÍcia universidade...

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Engenharia Elétrica

ANTENAS E PROPAGAÇÃOParte 1

Nono Semestre - 2005

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE CAMPINASCENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS, AMBIENTAIS E DE TECNOLOGIASFACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA – TELECOMUNICAÇÕES

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EMENTA

• Estudos de irradiadores simples. Características e propriedades elétricas das antenas. Impedância e antenas lineares finas. Teoria das redes lineares. Antenas de Abertura. Antenas com refletores. Antenas faixa-larga. Antenas receptoras. Projetos e medidas de antenas. Propagação em meios naturais: ondas ionosféricas, troposféricas e terrestres.

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Capacitar o aluno a desenvolver projetos com dispositivos que permitem transmitir e receber a energia irradiada através do espaço na forma de onda eletromagnética.

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CONTEÚDO PROGRAMÁTICO

• Introdução a antenas: definição, unidades e dimensões

- Antena como um elemento de transição: análise do dipolo

- Conceitos de antenas: padrão de radiação, parâmetros de antenas e campos

- Família de antenas: loops, dipolos, slots, Yagi-Uda, Log periódica, helicoidal, parabólica.

- Fontes pontuais

- Arrays de pontos

- Introdução a propagação de sinais

- Propagação no espaço livre

- Modelo de dois raios

- Propagação em ambientes exteriores

- Propagação em ambientes interiores

- Link budget

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Desenvolvimento Conteúdo

• Aulas expositivas sobre os conceitos. Exercícios de aplicação. Projetos de dimensionamento de tipos usuais de antenas.

• Projeto e Medidas com antenas.• Análise de propagação de sinais.• Experimentos práticos

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Bibliografia

• - KRAUS, J. D. Antennas – For all applications. Third Edition. Boston: MacGrawHill. 2002.

• - KRAUS, J.D. Antenas 2a - McGraw-Hill, 1988.• - BALANIS, Constantine A. Antenna Theory – Analysis and

Design. Second Edition. New York: John Wiley & Sons. 1997.• - SKLAR, Bernard. Rayleigh Fading Channels in Mobile Digital

Communication Systems. IEEE Communications Magazine. July 1997.

• - BARRADAS, Ouvídio. Sistemas de Radio Visibilidade.

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Avaliação• Serão realizadas 2 avaliações teóricas. Grupos de no máximo 3 alunos

desenvolverá um projeto considerando algum tópico da disciplina. As etapas do projeto serão: proposta, desenvolvimento teórico e implementação prática. Embora a execução do projeto seja em grupo a avaliação será individual com questões formuladas individualmente. Os alunos terão até a quarta semana de aula para definir o projeto. Serão formulados exercícios a serem entregues na aula seguinte somente pelos alunos presentes na aula da proposta dos exercícios. Serão promovidos os alunos que alcançarem notas maiores ou iguais a 5 considerando os seguintes pesos:

• Prova 1 (25%) + Prova 2 (35%) + projeto (20%) + média exercícios (20%)

• Atividades de recuperação serão previstas para aqueles que não alcançarem a nota 5, ou superior, sendo analisado caso a caso o conteúdo mais adequado para a recuperação. A recuperação será feita com a distribuição de exercícios específicos que serão avaliados individualmente. O aluno realizará uma avaliação individual devendo estar preparado o suficiente para apresentar ao professor de forma verbal a avaliação realizada, sendo sujeito aos questionamentos considerando o material entregue. Seja qual for a nota obtida na recuperação a nota final, caso seja aprovado, será cinco.

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Introdução

• Trata-se de um elemento sempre presente no dia a dia dos seres humanos

• É o olho eletrônico que faz a ligação com o espaço• Em síntese faz a ligação entre dois pontos da

forma mais eficiente possível

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Propagação

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Visão do Elemento Antena

• Uma forma muito simplista de entender uma antena é fazer uma comparação com uma lanterna

• A lanterna faz com que o foco de luz seja direcionado para uma certa direção

• Quanto maior o foco maior o ganho

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Visão de uma Antena

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Fonte Isotrópica

• Uma fonte que irradia igualmente em todas as direções num plano é chamada de omnidirecional

• Uma fonte isotrópica é aquela que irradia igualmente em todas as direções

• O melhor exemplo de uma fonte isotrópica seria o sol

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Uma Fonte Isotrópica

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Exercício 1

• Mostre que uma fonte isotrópica que irradia igualmente em todas as direções (definida considerando um espaço em três dimensões) pode ser representada graficamente por uma irradiação omnidirecional em qualquer plano que passe pelo centro da fonte isotrópica.

• Defina dBi.

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Definição

• Uma antena de rádio pode ser definida como uma estrutura associada com a região de transição entre uma onda guiada e uma onda no espaço livre, ou vice-versa

Onda Guiada Transição Onda no Espaço

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Linha de Transmissão

• A linha de transmissão é um dispositivo para transmitir ou guiar energia de radiofreqüência de um ponto a outro

• Mínimo de perda

• Energia confinada

• A onda transmitida ao longo da linha é unidimensional no sentido que ela não se espalha pelo espaço, mas segue ao longo da linha

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Linha de transmissão

• Três tipos básicos: dois fios, coaxiais e guias de onda

• Um gerador produz uma onda progressiva uniforme ao longo da linha

• Se a linha for curto circuitada vai aparecer onda estacionária devida à interferência das ondas incidente e refletida

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Linha de Transmissão

• Este comportamento da energia é característico de um circuito ressonante ou ressoador

• Quando não houver condutor interno, como numa seção curto-circuitada de um guia de onda, o dispositivo é chamado de um ressoador de cavidade

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Geração RF

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Variação dos Campos Elétricos e Magnéticos

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Região de Transição

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Exercício

• Defina o que significa máxima transferência de potência entre um gerador com impedância Rg e uma carga Rc.

• Plotar para Rg de 50 ohms a potência dissipada na carga, variando o valor da carga acima e abaixo de 50 ohms.

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Considerações

• Admitindo que a linha esteja adaptada apropriadamente, ela leva uma onda progressiva para fora e se comporta como uma linha de transmissão pura

• Em A há uma seção de linha curto-circuitada em paralelo agindo como ressoador

• Além de B a linha se dilata gradualmente até que a separação entre os condutores seja de muitos comprimentos de onda

• Nesta região a onda guiada é irradiada numa onda no espaço-livre

• Esta região da linha age como uma antena

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Irradiação

• A antena é uma região de transição entre uma onda guiada numa linha de transmissão e uma onda no espaço-livre

• Um dipolo lança uma onda no espaço• O dipolo exibe muitas características de um

ressoador, uma vez que a energia refletida das extremidades do dipolo dá origem a uma onda estacionária na antena

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Dipolo

• O dipolo exibe simultaneamente propriedades características de uma antena, uma linha de transmissão e um ressoador.

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Dipolo de Meia Onda

• Observe a formação de um dipolo de meia onda

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Dipolo

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Espectro Eletromagnético

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Regiões

• O espaço em torno da antena pode ser separado em duas regiões:– Região da antena - próxima da antena

– Região exterior

• O limite entre as duas regiões é uma esfera cujo centro está no meio da antena e cuja superfície passa através dos extremos da antena

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Regiões de Antena

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Campos

• A onda de tensão causada por um pulso de tensão muito breve aplicado aos terminais progride para fora com o campo elétrico, ou linhas E, formando círculos concêntricos

• O campo magnético, ou linhas H, é normal às linhas E e concêntrico com o eixo dos cones

• O campo não tem componente radial sendo estritamente transverso (TEM)

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Campos

• Depois de um tempo t=L/c, onde L é o comprimento do cone e c a velocidade da luz, o pulso atinge o limite da esfera

• Na extremidade dos cones há uma descontinuidade abrupta enquanto que no equador não há nenhuma

• Há uma grande reflexão na extremidade dos cones e muita pouca energia é irradiada nesta direção

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Fluxo no Dipolo

• Para o dipolo de meia onda a situação é semelhante

• A maior parte da energia guiada dos terminais próximos à antena é refletida nas extremidades como se a esfera limite fosse opaca

• Contudo, a energia que progride para fora no plano equatorial continua para dentro da região externa como se a esfera-limite fosse transparente

• De forma qualitativa o diagrama do dipolo parece um 8 deitado

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Dipolo

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Dipolo CurtoBarradas Fig. 3.99

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Campo E

• As linhas E dos campos devem terminar nas extremidades, não existindo no espaço livre

• As ondas que podem existir e se propagar no espaço livre são formadas de linhas E que formam caminhos fechados

• A onda do modo principal é chamada de uma onda de ordem zero, e ondas de ordem mais altas são de ordem 1 ou maior

1.2 - A antena como uma linha de transmissão terminada

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Configuração Campo Próximo

Figura 1.6 - Kraus


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Onda

• A onda teve início na antena como uma onda do modo principal, passou através da esfera-limite

• O campo tem uma componente radial que é maior perto do eixo polar

• No plano equatorial a componente radial é zero, e as linhas E neste plano progridem através da esfera-limite sem alteração

• O campo radial é desprezível em comparação com o campo transverso a grandes distâncias


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Campos Próximo e Distante

• Define-se duas regiões com respeito aos campos: próximo e distante

• O campo próximo é chamado de região de Fresnel

• O campo distante é chamado de região de Fraunhofer

• O limite entre os dois campos é uma esfera com raio:

22LR


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Regiões de Antena


Figura 1.7 - Kraus

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Algumas Considerações

• Na região de Fraunhofer as componentes de campo mensuráveis são transversas, e a forma do diagrama do campo é independente do raio no qual ela é tomada

• Na região de Fresnel o campo radial pode ser apreciável e a forma da configuração do campo é, em geral, uma função do raio


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Exercício 3

• Determine a partir de que distância pode-se considerar uma onda plana para uma antena transmitindo numa freqüência de 2,4 GHz utilizando um dipolo de meia onda. Faça um esboço da antena e mostre as esferas que delimitam a região de Fresnel e região Fraunhofer.

• Repetir para uma freqüência de 1 MHz• Qual a importância da definição destas duas

regiões?

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Antenas Bicônicas• As antenas Bicônicas são úteis para analogia com linha pois tem uma

impedância característica constante dada por:

• onde é a metade do ângulo do cone

2cotln120

oZ


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Energia

• A onda refletida na região da antena dá origem a ondas estacionárias e armazenagem de energia nesta região

• É como se a esfera-limite formasse um ressoador de casca esférica que refletisse efetivamente nas zonas polares mas absolutamente não na zona equatorial


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Energia no Dipolo

• Num dipolo de meia onda a energia está armazenada num instante de tempo no campo elétrico, principalmente nas proximidades dos extremos da antena,

• Enquanto que 1/4 de ciclo mais tarde a energia está armazenada no campo magnético, principalmente nas proximidades do centro da antena, ou região de máxima de corrente


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Banda de Freqüência para Bicônica

• Se a antena bicônica for feita muito fina, a reflexão nos extremos é aumentada e a energia armazenada na região da antena é relativamente maior

• Contudo, a reflexão nos extremos de uma antena bicônica de ângulo de cone amplo é menor, de modo que a energia armazenada é menor


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Banda de Freqüência para Bicônica

• Assim, a Bicônica é menos sensível em freqüência que aquela fina e se adapta melhor a aplicações banda larga

• Assim, pode-se concluir que um dipolo cilíndrico grosso é menos sensível em freqüência que um dipolo fino


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Teoria de Schelkunoff

• Na teoria de Schelknoff a esfera limite pode ser substituída por uma impedância de carga equivalente ZL conectada entre os extremos dos cones por fios de impedância nula

• O circuito de linha de transmissão equivalente é mostrado na próxima figura letra c


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Antena Bicônica


Figura 1.8 - Kraus

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• Se ZL puder ser determinado, a impedância de entrada ZI pode ser obtida pelas relações ordinárias de linhas de transmissão para uma linha de impedância característica Zo e comprimento L terminada em uma impedância ZL

• Assim, a antena foi substituída por uma linha de transmissão equivalente

• A antena age como uma seção adaptadora, ou transformadora, entre os terminais e o espaço


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• Assim, uma antena é um transformador (ou seção adaptadora) entre uma entrada com dois terminais e o espaço ou, no caso receptor, é um transformador entre o espaço e os terminais


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Exercício 4

• Explique o que significa ângulo sólido.• Mostre qual o ângulo sólido de uma esfera tanto

em graus quadrados quanto esterradiano.

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