Antenas em corneta: diagramas polares e calculo da directividade 1

TRABALHO PRATICO No 2ANTENAS EM CORNETA: DIAGRAMAS POLARES E CALCULO DA

DIRECTIVIDADE

Material: Kit de antenas da Lab-Volt.

Tempo de realizacao: Uma aula pratica de 2 horas.

Objectivos:

1. Observacao das perdas de propagacao em espaco livre.

2. Estudar as caracterısticas de uma antena em corneta:

(a) diagrama de radiacao horizontal e vertical

(b) largura de feixe de meia potencia

3. Calculo da directividade e area efectiva maxima, utilizando o metodo absoluto.

Informacao geral:

A fonte de sinal de que dispoe emite nas bandas de 1 GHz e de 10 GHz, ou mais precisamentea 915 MHz e a 10.5 GHz. A potencia radiada e tipicamente 2 mW a 1 GHz e 10 mW a 10 GHz.A tıtulo comparativo um telefone celular pode emitir 300 mW a 850 MHz. Embora o nıvel deradiacao nao seja elevado, devera evitar posicionar-se na direccao do emissor e nunca deveraolhar directamente para o interior de uma fonte de microondas seja ela uma antena ou guia deondas, quando a alimentacao dos sistema esta ligada.

A fonte de sinal, quando ligada, emite um apito intermitente, que recorda o utilizador queuma fonte de radiacao esta activa.

O sistema de recepcao esta preparado para adquirir dados para sinais modulados em ampli-tude a frequencia de 1 KHz. Sempre que efectuar medidas nao se esqueca de colocar a fontenesse modo.

Ao proceder a aquisicao de um diagrama de radiacao, podera acontecer que o valor maximoesteja fora do diagrama de radiacao (ou seja um sinal demasiado forte), ou que esse valor maximose encontre dentro do diagrama de radiacao, mas bastante afastado do exterior deste (ou sejaum sinal demasiado fraco). Nestes casos podera utilizar o controle de atenuacao (software) paraoptimizar a recepcao do sinal, de forma a obter o valor maximo dos seus diagramas proximo (eno interior) da circunferencia dos 0 dB.

Outra forma de optimizar a recepcao do sinal e indicar o angulo em que deseja que sejainiciada a aquisicao do sinal (”Set Plotting Start”), normalmente numa zona de baixa intensidadede radiacao, de forma a evitar descontinuidades no tracado.

Ao salvar a informacao relativa a cada antena nao se esqueca de referir qual a antena utilizada(o software utilizado tem uma lista das antenas que constituem o kit).

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IMPORTANTE:

• As fichas SMA so deverao ser apertadas depois de bem alinhadas!

• Antes de alterar a posicao das antenas devera sempre desapertar as fichas de forma a queo cabo se possa mover com a antena.

• Os mastros e as antenas sao ajustados ao respectivo suporte rodando um parafuso deplastico ou metalico. Utilize a sua forca moderadamente!

• Sempre que manipular equipamento ligado ao sistema de recepcao da Lab-Volt devera tercolocada a pulseira anti-estatica que se encontra ligada a esse equipamento.

• Os adaptadores coaxial/guia de onda sao sensıveis ao choque mecanico: manipule-os como devido cuidado!

Figura 1: Configuracao da antena receptora.

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Procedimento:

1. Os elementos principais do sistema de medicao ja se encontram instalados, ou seja a fontede alimentacao, a fonte de sinal, o posicionador da antena, e o interface de aquisicao dedados.

2. Encontrara sobre a mesa, junto do suporte para a antena transmissora, um mastro, umaantena em corneta piramidal, um adaptador coaxial/guia de onda.

O adaptador coaxial/guia de onda deve ser ligado a saıda de 10 GHz utilizando o cabolongo com fichas SMA.

3. No outro mastro, colocado sobre a base ligada ao sistema de recepcao, encontrara a outraantena em corneta identica a transmissora que funcionara como antena receptora. Garantaque ambas a antenas estao preparadas para transmitir/receber no mesmo plano.

4. Utilizando o suporte deslizante, garanta que a sua antena receptora se encontra alinhadacom o centro de rotacao do posicionador da antena e orientada para rodar no plano H (verFigura 1).

Encontrara um atenuador de 10 dB ja aparafusado na entrada de RF do posicionador daantena. Ligue a antena a esse atenuador utilizando o cabo SMA de tamanho intermedio.

5. Coloque as antenas a 1 m de distancia. Ajuste-as de forma a que se encontrem a mesmaaltura e de frente uma para a outra.

6. Faca os seguintes ajustamentos no gerador de RF:

• Modo do oscilador de 10 GHz: 1 KHz.

• Potencia do oscilador de 1 GHz: desligado.

• Potencia do oscilador de 10 GHz: desligado.

• Ligue a fonte da alimentacao do Gerador de RF.

• Ligue a fonte de alimentacao do posicionador da antena.

• Ligue o computador e arranque com o software LDVAM-Antenas.

7. Sabendo que as antenas se encontram a distancia r1, podemos calcular a atenuacao dosinal se as colocarmos a distancia r2 = 2r1:

A = 20 logr2

r1(dB) (1)

8. Coloque o interruptor de potencia do gerador de 10 GHz na posicao de ligado. Inicie aaquisicao no plano H.

Utilize o controle de atenuacao para optimizar a recepcao do sinal. Tome nota do valorde atenuacao introduzido: At1.

Armazene o diagrama de radiacao na caixa de dados “anten1”, nao se esquecendo deseleccionar o plano correcto (H). Uma vez completada a aquisicao salve o seu diagramapara um ficheiro com o nome ”corneta1”na pasta C:\AnXX\T?g?. Desligue a fonte.

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Em que XX representa os dois ultimos dıgitos do ano em que nos encontramos e “T?g?”sera T1g2 para ao grupo 2 da turma 1.

9. Afaste as antenas para 2 m de distancia. Repita o procedimento do ponto anterior.

Coloque o interruptor de potencia do gerador de 10 GHz na posicao de ligado. Inicie aaquisicao.

Tome nota do valor de atenuacao introduzido: At2.

Armazene o diagrama de radiacao na caixa de dados “anten2”. Uma vez completada aaquisicao salve o seu diagrama para um ficheiro com o nome ”corneta2”na mesma pastaque antes. Desligue a fonte.

10. Com base nos valores obtido nas caixas “anten1” e “anten2” e dos valores de atenuacaoAt1 e At2, pode verificar experimentalmente a validade da formula (1).

Calcule A pela formula (1), e atraves dos valores medidos, quando r1 = 1 m e r2 = 2m.Compare os resultados.

11. Va para a caixa de dados “anten3”e abra o ficheiro “corneta2”. Salve-o no ficheiro “cor-neta3”.

Mantendo a distancia entre as antenas (2 m) oriente as antenas emissora e receptora deforma a fazer a aquisicao no plano E.

Utilize o controle de atenuacao para optimizar a recepcao do sinal. Tome nota do valorde atenuacao introduzido: At3 (igual a At2).

Inicie a aquisicao e guarde-a na caixa de dados “anten3”, no plano E e coloque o MSP(”Maximum Signal Position”) a 0 graus, para ambos os diagramas nessa caixa de dados.Desligue a fonte.

Salve o diagrama no ficheiro com nome “corneta3”.

12. Possui neste momento, na caixa de dados “anten3” os diagramas de radiacao no plano Ee H da antena de corneta. Imprima os diagrama que obteve.

Observe em 2D e 3D os diagramas de radiacao da antena em corneta.

13. Calcule a largura de feixe de meia potencia nos planos E e H e registe o seu valor.

Registe tambem a direccao em que ocorrem esses valores, em cada um desses planos.

14. Nas aulas teoricas foi-lhe apresentado o metodo absoluto de medicao da directividade,usando duas antenas identicas:

D =4πr

λ

√(Wr)max

Wt(2)

Neste momento precisa apenas de determinar o valor da potencia transmitida, Wt:

(a) Desmonte as antenas em corneta dos respectivos mastros, e desligue-as dos respectivosadaptadores coaxial/guia de onda.

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Figura 2: Ligacao directa dos adaptadores coaxial/guia de onda.

(b) Ligue os adaptadores face a face (sem qualquer espaco entre eles, conforme a figura2).Tenha cuidado ao fazer esta operacao: para nao deixar cair os adaptadores coax-ial/guia de onda – preste atencao aos cabos coaxiais que muitas vezes se movimentamdepois de pousados!

(c) Ligue o gerador de RF de 10 GHz. Optimize o sinal utilizando o controlo de atenuacao.

(d) Tome nota de:

At0 = (dB) Wrecebida = (dB) (3)

Tem-se que Wt = Wrecebida + At0

Com base nos diagramas armazenados na caixa de dados “antena3” (ou no ficheiro cor-neta3), pode agora utilizar o metodo absoluto para calcular a directividade da antena,pois conhece o maximo de intensidade de radiacao recebida pela antena de corneta (quefoi colocado na direccao 0 graus): Wr = MSL + At3 .

MSL – Maximum Signal Level.

15. Pode agora calcular a area efectiva maxima da antena em corneta:

Aemax =Dλ2

4π(4)

e a eficiencia da abertura, ηap = AemaxAp

, em que Ap e a area fısica da abertura.

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