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Instituto Superior de Engenharia de LisboaDepartamento de Engenharia de Electrnica e Telecomunicaes e de Computadores Seco de Sistemas de Telecomunicaes

PROPAGAO II

Conceitos de Antenas

ISEL, Propagao II, Pedro Vieira

Conceitos de Antenas

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Conceito de AntenaUma Antena o elemento de uma ligao via rdio responsvel pela radiao ou pela recepo de ondas radioelctricas. Transfere energia de um circuito para o espao e vice-versa.

Polarizao em AntenasA polarizao de uma antena definida em termos da orientao do vector Campo Elctrico na direco do mxima radiao. Para os casos de interpretao mais simples, o Campo Elctrico E tem a mesma direco do condutor elctrico da antena, podendo ser horizontal, vertical ou circular.

Um Dipolo Vertical, acima do solo radiar com uma Polarizao Vertical. Um Dipolo Horizontal, acima do solo radiar com uma Polarizao Horizontal. A Polarizao Circular pode ser produzida por dois campos polarizados linearmente e perpendiculares, com uma diferena de fase de 90. Pode ser direita ou esquerda, consoante o sentido de rotao.ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas

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Polarizao em Antenas (cont.)Polarizao de uma Antena de Emisso - Polarizao da onda emitida pela antena antes de sofrer qualquer modificao devida a factores externos antena (influncia do ambiente de propagao). Polarizao de uma Antena de Recepo Polarizao da onda incidente que induz um sinal mximo na antena de recepo (para a mesma densidade de potncia). Uma Onda Electromagntica, ao incidir numa antena segundo uma dada direco, d origem a uma tenso mxima aos terminais da antena receptora quando houver adaptao de polarizaes. Exemplos: Antena de /2 Ondas com Polarizao Horizontal - Antena colocada na horizontal Ondas com Polarizao Vertical - Antena colocada na vertical Fio inclinado Polarizao vertical apenas segundo a direco do fio Polarizao linear, com declive positivo ou negativo consoante a direco Antena em V Polarizao elptica

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Radianos e ngulo slido

Sistema de coordenadas para anlise de antenas

dA = r 2 sen d d

rea infinitesimal da superfcie de uma esfera de raio r ngulo slido d de uma esferaConceitos de Antenas

d =

dA = sen d d r2

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Diagrama de RadiaoRepresentao tridimensional da distribuio da Intensidade de Radiao. Envolvente do vector U (intensidade de radiao) em torno da antena.

U - Intensidade de Radiao - Potncia Radiada pela antena por unidade de ngulo slido.Antena centrada num Sistema de Coordenadas Esfricas (r, , ). considerada a zona distante da antena.

U ( , ) Diagrama de Radiao = representao de UM

UM

2

UBUM 2

UM

3dB

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Densidade de Potncia RadiadaDensidade de Potncia Radiada

E 2 ZH 2 S= = 2Z 2

S -valor mdio do Vector de Poynting (densidade mdia de potncia radiada) Z- Impedncia Caracterstica do meio em que a onda se propaga

Potncia Radiada pela antenaPr = S A = U =4 2

=0 =0

S r

2

sen

U ( , ) = r 2 S ( , )

potncia radiada por unidade de ngulo slido ou intensidade de radiao ngulo slido.

= sen

Os diagramas de radiao podem, tambm, ser construdos a partir das intensidades dos campos na zona distante da antena.

U ( , ) E( , ) H ( , ) = E = H UM M M 2ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas

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Largura de Feixe. ngulo de Abertura ()Feixe -ngulo slido do cone de irradiao ou de recepo. A esfera tem 4 radianos e a Directividade D reduz a radiao a um feixe tal que =4 /D. Largura de Feixe - Distncia angular entre as direces segundo as quais a intensidade de radiao se reduz a metade do valor mximo. Tambm conhecida como largura de feixe de meia potncia ou largura de feixe a -3dB.

Nvel de Lobo Secundrio (NLS)Relao entre o mximo da intensidade de radiao de um determinado lobo secundrio (k) e o mximo da intensidade de radiao do lobo principal

U NLS dB = 10 log10 k U MISEL, Propagao II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas

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Relao Frente-Trs (RFT)Relao entre o mximo de intensidade de radiao do lobo principal e o mximo da intensidade de radiao do lobo oposto ao principal.

Directividade

U RFTdB = 10 log10 M U B

Comparao entre a intensidade de radiao mxima e intensidade de radiao mdia ou intensidade de radiao radiada por uma antena isotrpica.

4 Umax U D = max = U medio PrDaproximada =

U medio =

P 1 U = r 4 4 4

Quando o lobo principal ocupa uma posio dominante no diagrama de radiao

4 3dB H 3dB V

3dBH e 3dBV so as larguras dos feixes em planos ortogonais principais (horizontal evertical), expressos em radianos. Aproximao vlida para antenas muito directivas (D > 12 dBi).ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas

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GanhoAs caractersticas direccionais de uma antena so frequentemente expressas em termos da funo de Ganho G (,). Ganho de uma antena uma das caractersticas bsicas, frequentemente utilizada como factor de mrito. Compara uma antena com uma dada antena de referncia. Razo entre a mxima intensidade de radiao (numa dada direco) e a mxima intensidade de Radiao (na mesma direco) produzida pela antena de referncia, com a mesma potncia de entrada. A antena de referncia normalmente utilizada o radiador isotrpico. O dipolo de meia onda , por vezes, considerado como a antena de referncia ( como no caso da radiodifuso e televiso ). Est intimamente associado Directividade, a qual, por sua vez, depende do Diagrama de Radiao da antena.

S [W / m ] =2

Pa 4 r 2

G=

UM U UM U = M = = M = D Pradiada U i Pa U medio 4 4P =r S = a 42

Intensidade de Radiao da Antena Isotrpica sem perdasISEL, Propagao II, Pedro Vieira

U i [W / ang . slido ]

=

Pradiada Pa9

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Rendimento de uma antenaPara o circuito de alimentao, a antena vista como sendo apenas uma impedncia. A energia irradiada pode ser considerada como absorvida por uma resistncia de radiao (Rr). Alm desta, temos de considerar tambm, a resistncia de perdas, a qual, para o caso de um bom rendimento, deve ser inferior a Rr.

Pr = Pa

=

Rr Rr + R p

- rendimento da antena Rr - Resistncia de Radiao

Pp = Pa Pr2P Rr = 2r I

Rp - Resistncia de Perdas Pr- Potncia radiada pela antena Pa - Potncia de alimentao

Rp =

2 Pp I2

Pp- Potncia de Perdas I Intensidade de corrente dealimentao.

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rea Efectiva de uma antena (Ae)Potncia Recebida

Ae =Coeficiente de Adaptao de Polarizao

Precebida CP S

Intensidade do vector de Poynting

(Cp = 1, no caso de adaptao de polarizao entre onda incidente e antena receptora) No caso de perfeita adaptao (de polarizao e de impedncia) teremos a abertura (ou rea) efectiva mxima da antena. Fazendo uma experincia conceptual entre duas antenas 1 e 2 a funcionar em emissor / receptor, e trocando as suas funes, verifica-se, recorrendo ao princpio da reciprocidade que existe uma relao constante entre o ganho e a rea efectiva mxima de uma antena.

G1 G2 = Ae1 Ae2O valor desta constante independente da antena:

2 Ae = G 4ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas

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rea Efectiva de uma antena (Ae) cont.De um modo geral,

2 2 Ae = G Ci = D Ci 4 4

Factor de adaptao de impedncias

Precebida = CP S Ae

2 Precebida = D S Ci CP 4

Altura Efectiva de uma antenaO conceito de rea efectiva atractivo em antenas de abertura. Em antenas lineares mais directo o conceito de altura, ou comprimento efectivo. A rea efectiva utilizada para se chegar potncia recebida a partir da intensidade do vector de Poynting da onda incidente. A altura efectiva, permite obter a amplitude da tenso, V, aos terminais em vazio da antena com base no conhecimento da intensidade do campo elctrico da onda incidente, E.

he =

V V = E 2 ZS

Aps algumas manipulaes,ISEL, Propagao II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas

D Rr he = Z12

Alguns resultados interessantes

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Exemplos de antenas

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Exemplos de antenas

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Um avio e suas antenas

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