aula 1 - antenas e propagação
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Antenas e Propagação Antenas e Propagação
Unidade I Unidade I
Professor: Valdez Aragão Professor: Valdez Aragão
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UNIDADE IOndas eletromagnéticas
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Em um sistema de radiocomunicação, a informação a ser transferida é inserida em uma portadora de radiofrequência (RF)no equipamento transmissor;
A energia associada à portadora de RF modulada é enviada, por meio de uma linha de transmissão especial, para a antenatransmissora, onde é, finalmente, radiada para o espaço na formade uma onda eletromagnética;
As antenas receptoras, quando colocadas no caminho da ondaeletromagnética, absorvem parte da sua energia e a enviam paraum equipamento receptor, que recupera a informação;
A figura a seguir ilustra esse cenário;
Introdução
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Introdução
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Alguns fatores importantes para a viabilização de comunicação por meio de ondas eletromagnéticas são: a potência da portadorade RF gerada no transmissor, a distância entre o transmissor e o
receptor e a sensibilidade do receptor; Além disso, a propagação da onda eletromagnética é influenciada pelas condições da atmosfera terrestre e pela natureza do soloentre os pontos de transmissão e de recepção;
Qualquer dispositivo conectado a uma fonte de energia que produza campos eletromagnéticos em uma região externa é umsistema radiante;
A antena é a parte desse sistema construída de modo a maximizar ou a acentuar a radiação de energia e, ao mesmo tempo,
minimizar ou suprimir a energia restante;
Introdução
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Introdução A definição de antena pode variar conforme o fim a que se
destina;
Numa forma mais geral, é um dispositivo projetado de maneira a
transmitir ou receber energia; Quando no modo recepção, converte ondas eletromagnéticas emcorrentes elétricas;
Na transmissão ocorre o contrário;
A teoria de antenas, portanto, admite implicitamente que elaesteja acoplada a uma fonte de energia não-radiante por meio deuma linha de transmissão também não-radiante;
As antenas são utilizadas em várias aplicações, como sistema derádio, televisão, comunicações móveis, comunicação ponto a
ponto, radar, exploração do espaço, dentre outras;
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Em resumo, tanto a investigação da propagação das ondaseletromagnéticas como o estudo de antenas são essenciais paraum completo entendimento dos sistemas de comunicação;
Introdução
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As ondas de rádio que se propagam entre as antenastransmissoras e receptoras são denominadas ondaseletromagnéticas;
No espaço livre, as ondas se propagam praticamente navelocidade da luz, com perdas bastante baixas;
Contudo, quando o sinal se propaga em terrenos, materiais ouelementos que interagem entre si eletromagneticamente, as ondas
podem ser refletidas, refratadas, difratadas ou absorvidas e suavelocidade de propagação é alterada em função do meio;
O conceito de onda eletromagnética está diretamente ligado àsnoções de campo elétrico e campo magnético;
Características das ondas eletromagnéticas
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Distante da antena transmissora, uma onda eletromagnética tem duascomponentes vetoriais mutuamente perpendiculares: um campoelétrico (E) e um campo magnético (H);
Os campos elétrico e magnético interagem um com o outro; Um campo magnético variante no tempo induz um campo elétrico evice-versa;
O tipo de onda eletromagnética é determinado pela orientação doscampos em relação à direção de propagação da onda;
Características das ondas eletromagnéticas
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Quando o campo E e o campo H são orientados transversalmente àdireção de propagação da onda, a onda é chamada de ondatransversal eletromagnética (TEM);
Quando o campo E é transversal à direção de propagação e o campoH tem componentes na transversal e na direção da onda, a ondaeletromagnética é chamada de onda transversal elétrica (TE);
Quando o campo H é transversal à direção da onda e o campo E temcomponentes na transversal e na direção da onda, a ondaeletromagnética é chamada de onda transversal magnética (TM);
A figura a seguir ilustra os três tipos de ondas citados acima;
Características das ondas eletromagnéticas
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Características das ondas eletromagnéticas
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Para o entendimento de sistemas radiantes e propagação de energia éimportante o conhecimento de conceitos associados a uma ondaeletromagnética e também às suas características na região distante
da fonte;
Características das ondas eletromagnéticas
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Frente de onda
A frente de onda é uma superfície imaginária formada por pontos emque os campos têm fase constante;
Se, além de fase constante, os campos têm a mesma magnitude em
qualquer ponto da frente de onda, ela é uniforme; Nesse caso, os valores máximos e mínimos dos vetores campo E e H
ocorrem no mesmo instante de tempo e são independentes do pontode observação na frente de onda;
Assim, uma onda plana possui os campos elétrico e magnético comvalores constantes em um plano transversal à direção de propagação;
A figura a seguir ilustra o conceito de frente de onda;
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Frente de onda
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Frente de onda Cada ponto de uma frente de onda, num dado instante, pode ser
considerado uma fonte de ondas secundárias, produzidas no sentidode propagação e com a mesma velocidade do meio;
Um exemplo básico é o som, onde até o instante em que as partículasde ar estão em repouso não se ouve nada, e só no momento que estas partículas são vibradas (uma frente de onda empurrando e gerandouma nova frente de onda) é que haverá a propagação do som;
A intensidade de campo é utilizada para medição de eficiência oulevantamento paramétrico de antenas emissoras, receptoras outransmissor-receptor;
A medição da intensidade de campo em uma frente de onda que se propaga em um meio é feita na direção onde se lê o valor máximo do
sinal;
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Polarização A polarização de uma onda está relacionada com a orientação dos
campos no espaço;
Diz-se que uma onda é verticalmente polarizada quando o campo E é
perpendicular à superfície da Terra e horizontalmente polarizadaquando o campo E é paralelo à superfície da Terra;
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Polarização A polarização das ondas de rádio depende da posição da antena
transmissora em relação à Terra;
Quando a antena é horizontal, ela irradia uma onda horizontalmente
polarizada; Quando a antena transmissora é vertical, a onda irradiada é
verticalmente polarizada;
A onda verticalmente polarizada sofre menos atenuações;
Em consequência, uma onda verticalmente polarizada leva um poucomais de energia à antena receptora do que uma onda horizontalmente polarizada;
Por outro lado, uma onda verticalmente polarizada é mais sujeita aruído;
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Polarização Por causa desta e de outras considerações, a polarização horizontal
foi padronizada para transmissões de televisão;
A polarização tem grande importância na propagação, estando
envolvida em uma série de fenômenos; Um deles, de grande influência, diz respeito à recepção das ondas de
rádio pelas antenas comuns, constituídas por um simples condutor;
A energia da onda deve ser transformada em corrente no condutor, e
para que o campo E da onda possa produzir o fluxo de corrente, aantena deve ser paralela a esse campo;
Um outro tipo de polarização, que é bastante utilizado nastelecomunicações, é a polarização circular;
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Polarização A polarização circular não exige alinhamento de antenas, facilitando
a recepção móvel;
A propagação se dá nos dois planos;
A vantagem deste tipo de polarização é a maior robustez narecepção, pelo fato de não exigir antenas posicionadas em planoshorizontal ou vertical, permitindo flexibilidade de recepçãoindependentemente da posição do dispositivo captador;
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Frequência A frequência é o número de ciclos completos de onda por unidade de
tempo (segundos), definida como:
A unidade de frequência é Hz;
O período de uma onda é o intervalo de tempo necessário para que
os vetores de campo elétrico e magnético dessa onda voltem a serepetir;
A velocidade de propagação e o comprimento de onda podem mudar de acordo com o meio no qual se propaga, mas a frequência sempre
permanecerá constante;
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Velocidade de propagação A velocidade de propagação da onda eletromagnética depende do
meio no qual ela se propaga, e é determinada por:
em que é a permeabilidade do meio e é a permissividade domeio;
A permeabilidade de um meio indica o quanto esse meio afeta e éafetado por um campo magnético;
A permissividade de um meio indica o quanto esse meio afeta e éafetado por um campo elétrico;
1v QI!
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Velocidade de propagação A velocidade de propagação da onda eletromagnética no espaço livre
é:
em que 0 = 4x10-7 H/m e 0 = 8,854x10-12 F/m;
Um outro meio qualquer é especificado em termos da
permissividade relativa ( = r 0) e da permeabilidade relativa ( =r 0);
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O espectro eletromagnético de RF Uma grande variedade de enlaces via rádio pode ser implementada
usando como portadora uma frequência do espectro eletromagnético;
Os organismos de regulação limitam a faixa de RF entre 30 kHz e
300 GHz, embora a propagação de ondas eletromagnéticas tambémseja possível para frequências de alguns kHz;
Conforme acordo internacional, a faixa de RF é dividida em bandas,sendo cada uma designada por um nome;
A tabela a seguir mostra as várias bandas de frequência; Serão detalhadas as bandas que são mais usuais para ascomunicações;
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O espectro eletromagnético de RF
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O espectro eletromagnético de RF- Frequências muito baixas (VLF): As ondas de rádio com estasfrequências são muito confiáveis para comunicações a longadistância. Necessita de elevada potência de irradiação para garantir oalcance previsto. São restritas às aplicações em navegação aérea oumarítima, comunicações com submarinos submersos, comunicaçõesmilitares, etc.;
- Frequências médias (MF): Apresenta características de propagaçãomais favoráveis durante o período noturno. São empregadas em
algumas comunicações militares de pequeno alcance, emradiodifusão sonora, etc.;
- Frequências altas (HF): Essa parte do espectro é mais conhecidacomo faixa de ondas curtas e seu alcance é determinado
principalmente pela onda ionosférica.
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O espectro eletromagnético de RF
- Frequências muito altas (VHF): Esta região inclui as faixascomerciais de FM e televisão em VHF. As antenas transmissoras para estas frequências são montadas de preferência a grande alturaem relação ao solo, de modo que a propagação direta é o principalmeio de comunicação;
- Frequências ult r a altas (UHF): Tem sido largamente empregadaem sistemas de difusão de TV, em radar, em comunicação por satélite, etc. A absorção do sinal aumenta nestas frequências;
- Frequências e xt remament e altas (SHF): Existem inúmerasaplicações em sistemas de comunicações terrestres, sistema detelefonia por satélite, recepção doméstica de TV via satélite,aplicações em radares militares, em radares para fiscalização de
velocidade, etc.
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O espectro eletromagnético de RF
Assim como o petróleo, o espectro de RF é um recurso naturalescasso e, portanto, deve ser utilizado de forma prudente eotimizada;
Vários serviços como rádio AM, rádio FM, TV, celular, satélite eenlaces fixos terrestres devem compartilhar desse espectro comum;
Além disso, cada um desses serviços deve crescer e se expandir semcausar interferência entre si;
A tarefa de alocar e controlar o espectro de RF é de responsabilidadede um comitê internacional de padronização, criado pelas NaçõesUnidas e denominado de União Internacional de Telecomunicações(ITU ± I nt ernational T el ecommunication s U nion);
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O espectro eletromagnético de RF
Os órgãos do ITU de interesse para as comunicações via rádio são asagências designadas de ITU-T e ITU-R;
Dentro do ITU-R, a WARC (W or ld Administ r ative Radio
Con f erence) é responsável pela alocação de uma banda específica defrequência para os serviços atuais e futuros, e a RRB ( Radio Regulation s Boar d ) define as regras internacionais para a utilizaçãoda frequência dentro dessas bandas;
O ITU dividiu o mundo em três regiões:
- Região 1 (Europa, África e a Comunidade dos EstadosIndependentes)
- Região 2 (América do Norte e a América do Sul)
- Região 3 (Ásia, Austrália e o Pacífico)
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Ondas guiadas e não guiadas A onda eletromagnética ao se propagar transporta consigo energia
associada aos campos elétricos e magnéticos;
Entretanto, ao se usar o conceito de energia transportada pela onda,
deve-se distinguir entre a onda guiada e não guiada; Ondas guiadas são aquelas que carregam a energia ao longo delinhas de transmissão ou estruturas semelhantes;
Ondas não guiadas são as que conduzem energia através do espaço;
O trajeto da onda guiada é fixado pela estrutura de transmissão e oda onda não guiada é determinado pelas características do meio de propagação;
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Mecanismos de radiação
Considerando uma fonte de tensão conectada a uma antena por meiode uma linha de transmissão de dois condutores;
Aplicando-se uma voltagem na entrada da linha cria-se um campo E
entre os seus condutores; As linhas de fluxo forçam os elétrons livres dos condutores a sedeslocarem;
O movimento de cargas origina uma corrente que, por sua vez, criaum campo H com suas respectivas linhas de fluxo;
As linhas de campo E iniciam em cargas positivas e terminam emcargas negativas;
Os campos E e H variando no tempo entre os condutores formamondas eletromagnéticas que caminham ao longo da linha de
transmissão;
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Mecanismos de radiação
As ondas eletromagnéticas entram na antena e têm associadas a elascargas elétricas e a corrente correspondente;
Removendo-se parte da estrutura da antena, as ondas no espaço livre
podem ser formadas fechando-se as extremidades das linhas decampo elétrico;
Essas ondas são também periódicas, mas um ponto de fase constanteP0 move-se externamente com a velocidade da luz e caminha umadistância de /2 no intervalo de tempo de meio período;
Para se entender como as ondas guiadas são liberadas da antenadando origem às ondas no espaço livre, pode-se fazer uma analogiaentre as ondas no espaço livre e as ondas criadas ao se atirar uma pedra em um lago;
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Mecanismos de radiação
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Mecanismos de radiação
Quando a perturbação na água inicia, as ondas criadas se deslocamafastando-se do ponto onde a pedra caiu;
Se a perturbação persiste, novas ondas são criadas, mas atrasadas em
suas propagações com relação às iniciais; Processo semelhante acontece com as ondas eletromagnéticascriadas por uma perturbação elétrica;
Se a perturbação elétrica inicial produzida pela fonte é de curtaduração, as ondas eletromagnéticas criadas caminham dentro dalinha de transmissão, em seguida, pela antena e finalmente serãoradiadas como ondas no espaço livre, mesmo se a fonte elétrica nãomais existir;
Se a perturbação elétrica é de natureza contínua, as ondas
eletromagnéticas se deslocam continuamente uma após a outra;
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Mecanismos de radiação
As ondas eletromagnéticas no interior da linha de transmissão e daantena estão associadas com as cargas presentes nos condutores;
No entanto, quando as ondas são radiadas, elas formam caminhos
fechados sem cargas associadas; Com isso, se conclui que cargas elétricas são necessárias para
excitar, mas não para manter os campos, que podem existir na suaausência;
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Unidades de medidas Em telecomunicações usam-se escalas logarítmicas para medir
relações entre potências de sinais elétricos, em virtude das grandesvariações existentes entre os sinais;
Por exemplo, uma variação de 1 para 10000 corresponde, emlogaritmos decimais, uma variação de 0 para 4;
Os medidores logarítmicos têm como vantagem leituras e calibraçãomais fácil e escalas mais espaças;
Um circuito elétrico pode apresentar uma atenuação ou um ganho nosinal;
Uma atenuação significa que a potência do sinal de entrada é maior que a potência do sinal de saída;
Um ganho significa que a potência do sinal de entrada é menor que a
potência do sinal de saída;
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Decibel (dB) A relação logarítmica entre as potências de um sinal é definida como
Bell (B);
onde A é a amplificação ou ganho; Na prática, usa-se a subunidade decibel (dB);
log out BELL
in
P A
P !
10log out
in
P A
P
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Quando A > 0, significa um ganho;
Quando A < 0, significa atenuação;
Ou ainda:
As potências de entrada e saída devem estar na mesma unidade;
A unidade dB exprime a comparação entre duas potências;
Decibel (dB)
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Apostila de Antenas. Curso Técnico em Telecomunicações.SENAI/RN. Natal, 2011.
Allan Lytel. ABC das Antenas. Editora Antenna. Rio deJaneiro, 1973.
José Antônio Justino Ribeiro. Propagação das OndasEletromagnéticas: Princípios e Aplicações. Editora Érica.
São Paulo, 2004.
Constantine A. Balanis. Teoria de Antenas: Análise eSíntese. Editora LTC. Rio de Janeiro, 2009.
Bibliografia