ANTENASANHANGUERA - FACNET

ANTENA ATIVA PARA A FAIXA DE 500khz A 30Mhz

Alunos: Alexandre Magno Vieira de Santanna Eliton Silva de Oliveira Marcos Daniel Wiechert Robson Mamdio de Arajo

RA:0954520075 RA: 0991026777 RA:0901358581 RA:0901344584

Prof. Dr. Flvio Ferreira Lima

Braslia

2011

IntroduoAs radiocomunicaes dependem profundamente de trs sistemas bem distintos: o aparelho eletrnico para receber e/ou transmitir as ondas eletromagnticas, a linha de transmisso e a antena. A antena a parte responsvel pela introduo da onda eletromagntica na atmosfera (no caso da transmisso) e tambm pela sua captao (no caso da recepo). Para que o aproveitamento das ondas eletromagnticas seja o melhor possvel, estes trs elementos devem estar em perfeita sintonia. Portanto, uma antena ter melhor rendimento se ela for especificamente construda para a frequncia de trabalho do transmissor/receptor. Para uma antena que funcione na faixa de 500Khz a 30Mhz temos um comprimento de onda muito variado, pois, para 500khz temos um comprimento de onda () por volta de 600 metros e para a frequncia de 30Mhz temos um comprimento de onda () de 10 metros o que fica invivel construir uma antena com essas medidas. Com uma antena ativa isso fica mais fcil, pois, ela tem um circuito amplificador de corrente, onde ele capta os sinais muito baixos das faixas requeridas e os amplificam para serem injetados em um receptor.

DesenvolvimentoA antena proposta aqui se trata de um monopolo com um circuito de ganho de aproximadamente 20dbi, seu circuito ativo e composto por duas etapas de transistorizada para a amplificao.

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O elemento irradiador do projeto formado por uma placa de circuito impresso com as dimenses de 30mm x 50mm ou uma rea efetiva de aproximadamente 150mm, figura 1 e 2.

Figura 1: A rea efetiva da antena receptora.

Figura 2: Elemento irradiante da antena receptora.

A potncia de sinal til, dissipada na carga da antena receptora, pode ser escrita como descrita na equao 1.

eq. 1 em que Sinc o mdulo do vetor de Poynting da onda incidente na antena, F2 0,0 o valor da curva caracterstica de radiao de potncia normalizada no sentido de chegada da onda, o fator de perda por dissipao de energia na antena e na rede de casamento, ||2 o coeciente de polarizao e o coeciente de reexo.

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De acordo com a expresso (1) existem quatro condies para se aproveitar o mximo de potncia recebida na carga. 1. A superposio exata da direo chegada da onda plana, isto , F2 0,0 ; 2. A reduo ao mnimo das perdas hmicas de potncia na antena e na rede de casamento, ou se trabalhar no limite ; 3. A adaptao exata da polarizao da antena com a polarizao da onda incidente, ou ||2; 4.A adaptao da antena com a linha de alimentao e o uso de uma carga casada . Cumprindo-se as quatro condies, a potncia mxima disponvel na carga da antena igual ao produto do vetor de Poynting da onda incidente Sinc pela rea efetiva da antena Aef . Em conseqncia, por rea efetiva da antena se considera a magnitude da frente de onda plana, da qual a antena recupera e transmite para a carga a potncia recebida na direo do mximo do diagrama de radiao e para as condies de casamento de polarizao e ausncia de perdas hmicas. A Antena Ativa desenvolvida tem por objetivo ter um tamanho fsico pequeno, portanto, o circuito eletrnico tem que conseguir corrigir as perdas devidas ao tamanho pequeno e o casamento de impedncias atravs do ganho de corrente e transcondutncia dos transistores empregados. O circuito projetado no oferece ganho de tenso ao sinal captado, apenas apresenta um ganho de corrente e operando como uma fonte de corrente com baixa impedncia de sada controlada pelo campo eltrico captado pelo elemento irradiante. A corrente de sada do circuito aplicado ao circuito de recepo de rdio.

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A primeira etapa composta por um transistor FET figura 3, configurado como dreno comum e a segunda por um transistor bipolar na configurao de coletor comum figura 4.

Figura 3: O Transistor FET polarizado na configurao dreno comum.

Figura 4: O Transistor Bipolar polarizado na configurao coletor comum.

O circuito completo se v na figura 5 com a fonte de alimentao amplificadora.L1470uH

e

um

filtro

para

evitar

rudos

na

etapa

R11M

C3470nF

C4470nF

B112V

L210uH

Q1BF245

R52k2

C1 R21M

R747R

Q22N3866

R4680R

470nF

R610k

C2470nF

SAIDA

R31M

R8

220R

Figura 5: O Circuito da Antena Ativa.

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Os transistores de Efeito de Campo, JFET tem como caractersticas bsicas e controle de uma corrente por um campo eltrico aplicado. A corrente flui entre os terminais chamados Fonte - S, e Dreno - D, e o campo devido a uma tenso aplicada entre um terminal de controle, a porta "Gate" - G, e o Fonte. Este compartimento anlogo a das vlvulas eletrnicas pentodo. A vantagem prtica dos FET's que os torna cada vez mais comuns, principalmente os MOSFET's, a sua alta impedncia de entrada, no necessria praticamente nenhuma corrente de entrada na porta para o controle da corrente de dreno. O primeiro FET desenvolvido foi o de juno, JFET (Junction Field Efect Transistor). H dois tipos: Canal N e Canal P. Sua estrutura consiste numa barra de material semicondutor N (ou P), envolvida no centro com material P (ou N), a regio N (ou P) esta parte, estreita, chamado canal, por influir a corrente controlada. Note que em torno de um canal forma-se uma regio de potencial na juno PN. Esta barreira restringe a rea de conduo de canal ao outro. A Figura 6 mostra a estrutura e o smbolo usado para representar o JFET.

Figura 6. Estrutura de um Transistor JFET de canal N e o smbolo do JFET de canal N e P.

Na operao como amplificadores, usamos o conceito da Transcondutncia, que define o ganho dos FET's. A Transcondutncia, gm a relao entre a variao na corrente Id

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e a variao em Vgs que a provoca. Nos FET, a Transcondutncia maior para tenso Vgs de polarizao menor e corrente ID maior. Assim, o ganho determinado pela polarizao como nos transistores bipolares e vlvulas, e o tipo de FET a figura 7 mostra a configurao de fonte comum e o modelo e as equaes para o clculo do ganho da etapa.

eq. 2 Figura 7. Transistor JFET de canal N na configurao de Dreno comum ou seguidor de fonte e o modelo para o clculo do ganho de tenso.

A configurao Dreno comum tem como caracterstica um ganho unitrio de tenso, ganho de corrente alto, impedncia de entrada muito elevada e impedncia de sada baixa. A segunda etapa do circuito formado por um transistor bipolar como amplificador coletor comum tambm conhecido como seguidor de emissor mostrado na figura 8. Possui o coletor conectado diretamente a alimentao e o sinal amplificado o sinal segue pelo resistor de carga de emissor (seguidor de emissor).

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Figura 8. Transistor bipolar na configurao coletor comum ou seguidor de emissor.

Ganho de tenso:

eq.3 Resistncia de entrada: eq.4 Ganho de corrente: eq.5 Resistncia de sada: eq.6 empregado para casamento de alta para baixa

impedncia. O circuito coletor comum possui ganho de tenso igual a 1 e ganho de corrente elevada. Quando um sinal positivo aplicado na base, a tenso que eleva na base faz com que o sinal na sada se eleve igualmente no mesmo valor. Quando o semiciclo negativo aplicado na base, ocorre o inverso, a tenso da base diminui e a tenso de sada tambm diminui. Desta forma pode-se afirmar que o sinal na sada no sofre a inverso

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de fase. O amplificador seguidor de emissor um amplificador de corrente.

Testes e MediesPara testar o funcionamento da antena na faixa prxima aos 30MHz, foi usado um rdio HT de Radio da Faixa do Cidado (PX) figura 9, como transmissor ou fonte de sinal de RF com as seguintes especificaes:Type: Citizen Band Transceiver Frequency Range: 26.965-27.255 MHz Channels: 40 Modes: AM Frequency Control: Power Output: 3 W Voltage: 12 VDCFigura 9: Transceptor de 11 metros 27Mhz.

O rdio estava transmitindo do ptio central da FACNET na freqncia de 27,405MHz e a antena ativa no laboratrio de Telecomunicaes. Para comparao, foi usado como antena um monopolo com 20cm de comprimento, e foi captado um sinal com a intensidade de -77.36dBm pelo analisador de espectro conforme mostrado na figura 10. Em seguida foi feita a medio do sinal usando a antena ativa e foi captado um sinal com intensidade de -60.03dBm pelo analisador de espectro conforme mostrado projetado. P1(dBm) eq.7 G(db) = P2(dBm) - P1(dBm) + G(dB) = P2(dbm) na figura 11. Usando a equao 7, podemos determinar o ganho na recepo do sinal usando o circuito

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G(db) = -60.03 (-77.36) G = 17,33dB na freqncia de 27,405MHz

Desta forma podemos concluir que o circuito proporcionou um ganho de 17,33dB em relao a medio anterior.

Figura 10. Frequncia de 27.405MHz -77.36dbm

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Figura 11: Frequncia de 27.405MHz -60.03dBm

Foi usado um gerador de sinal de RF figura 12, para gerarmos uma portadora de 7.703MHz. O gerador estava em cima de uma mesa a uma distncia de aproximadamente 2 metros e o analisador de espectro em outra mesa do laboratrio de Telecomunicaes. Para comparao, foi usado como antena um monopolo com 20cm de comprimento pelo gerador e pelo analisador de espectro. Foi captado um sinal com a intensidade de -76.97dBm pelo analisador de espectro conforme mostrado na figura 13, tendo em vista que o gerador de sinal de RF no possui potencia de sada, ficou muito difcil de ver a portadora no analisador de espectro. Em seguida foi feita a medio do sinal usando a antena ativa e foi captado um sinal com intensidade de -57.60dbm pelo analisador de espectro conforme mostrado na figura 14. Analisando estes dados com a

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equao 7 usada anteriormente, podemos determinar o ganho na recepo do sinal usando o circuito projetado. G(db) = -76.97 (-57.60) G = 19.37dB na freqncia de 7.703MHz

Figura 12: Gerador de RF usado para a Frequncia de 7.703MHz

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Figura 13: Frequncia de 7.730MHz -76.97dBm sem a visualizao da portadora.

Figura 14: Frequncia de 7.725MHz -57,50dBm com visualizao da portadora

Neste caso especifico, a frequncia ficou um pouco fora devido s caractersticas do gerador de RF no ter sido montado 13

para estes testes e o mesmo no tem uma caixa blindada para ter os seus sinais estabilizados, mas este tipo de problema no afeta a integridade das medidas dos sinais com a antena ativa proposta aqui. Na figura 15 temos a foto do gerador de sinal do laboratrio de telecomunicaes onde o mesmo gerou um sinal de 100KHz. Foi captado um sinal com a intensidade de -77.29dBm pelo analisador de espectro conforme mostrado na figura 16, tendo em vista que o gerador de sinal de RF no possui potencia de sada, ficou muito difcil de ver a portadora no analisador de espectro. Em seguida foi feita a medio do sinal usando a antena ativa e foi captado um sinal com intensidade de -59.10dbm pelo analisador de espectro conforme mostrado na figura 17. Analisando estes dados com a equao 7 usada anteriormente, podemos determinar o ganho na recepo do sinal usando o circuito projetado. G(db) = -77.29 (-59.10) G = 18.19dB na freqncia de 100kHz

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Figura 15: Gerador de sinais com a frequncia de 100Khz que no foi possvel ver no analisador.

Figura 16: Frequncia de 100.3Khz -77.29dBm sem visualizao da portadora

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Figura 17: Frequncia de 100.3Khz -59.10dBm com visualizao da portadora

Consideraes FinaisApesar da impossibilidade em se fazer os testes em toda banda projetada devido a falta de um transmissor que cobrisse todo o espectro, ficou claro que o prottipo conseguiu captar as ondas transmitidas com ganho prximo ao esperado. O estudo do comportamento da onda recebida, verificando se houve alguma distoro na informao transmitida devido ao uso das etapas de amplificao poder ser feita em trabalhos futuros.

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