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ISEL, Propagação II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas 1

PROPAGAÇÃO II

Conceitos de Antenas

Instituto Superior de Engenharia de Lisboa Departamento de Engenharia de Electrónica e Telecomunicações e de Computadores

Secção de Sistemas de Telecomunicações


Uma Antena é o elemento de uma ligação via rádio responsável pela radiação ou pela recepção de ondas radioeléctricas. Transfere energia de um circuito para o espaço e vice-versa.

Polarização em Antenas A polarização de uma antena é definida em termos da orientação do vector Campo

Eléctrico na direcção do máxima radiação.

Para os casos de interpretação mais simples, o Campo Eléctrico E tem a mesma direcção do condutor eléctrico da antena, podendo ser horizontal, vertical ou circular.

Um Dipolo Vertical, acima do solo radiará com uma Polarização Vertical. Um Dipolo Horizontal, acima do solo radiará com uma Polarização Horizontal.

A Polarização Circular pode ser produzida por dois campos polarizados linearmente e perpendiculares, com uma diferença de fase de 90º. Pode ser direita ou esquerda, consoante o sentido de rotação.

Conceito de Antena


Polarização em Antenas (cont.) Polarização de uma Antena de Emissão - Polarização da onda emitida pela antena

antes de sofrer qualquer modificação devida a factores externos à antena (influência do ambiente de propagação).

Polarização de uma Antena de Recepção – Polarização da onda incidente que induz um sinal máximo na antena de recepção (para a mesma densidade de potência).

Uma Onda Electromagnética, ao incidir numa antena segundo uma dada direcção, dáorigem a uma tensão máxima aos terminais da antena receptora quando houver adaptação de polarizações.

Exemplos: Antena de λ/2

Ondas com Polarização Horizontal - Antena colocada na horizontal Ondas com Polarização Vertical - Antena colocada na vertical

Fio inclinado Polarização vertical apenas segundo a direcção do fio Polarização linear, com declive positivo ou negativo consoante a direcção

Antena em V

Polarização elíptica


Radianos e ângulo sólido…

Sistema de coordenadas para análise de antenas…

ϕθθ ddsenrdA 2=

ϕθθ ddsenrdAd

2==Ω

Área infinitesimal da superfície de uma esfera de raio r

Ângulo sólido dΩ de uma esfera


Representação tridimensional da distribuição da Intensidade de Radiação. Envolvente do vector U (intensidade de radiação) em torno da antena.

U - Intensidade de Radiação - Potência Radiada pela antena por unidade de ângulo sólido.

Antena centrada num Sistema de Coordenadas Esféricas (r, θ, φ).

É considerada a zona distante da antena.

Diagrama de Radiação

Diagrama de Radiação = representação de ( )

MUU ϕθ ,

UM2

UM2

UB UM

dB3α


Densidade de Potência Radiada

S -valor médio do Vector de Poynting (densidade média de potência radiada)

Z- Impedância Característica do meio em que a onda se propaga

22

22 ZHZ

ES ==Densidade de Potência Radiada

potência radiada por unidade de ângulo sólido ou

intensidade de radiação

ângulo sólido.

Potência Radiada pela antena

∫∫∫ ∫==

=Ω==π

θ

π

ϕπ

∂ϕ∂θθ∂∂0

22

04

sen rSUASPr

( ) ( ) , , 2 ϕθϕθ SrU =

θ senθΩ ∂ϕ∂ =∂

Os diagramas de radiação podem, também, ser construídos a partir das intensidades dos campos na zona distante da antena.

( ) ( ) ( ) 2

M

2

MM

, , ,

=

=

HH

EE

UU ϕθϕθϕθ


Largura de Feixe. Ângulo de Abertura (αααα)

Feixe -Ângulo sólido do cone de irradiação ou de recepção. A esfera tem 4π

radianos e a Directividade D reduz a radiação a um feixe Ω tal que Ω =4 π/D.

Largura de Feixe - Distância angular entre as direcções segundo as quais a

intensidade de radiação se reduz a metade do valor máximo. Também conhecida como

largura de feixe de meia potência ou largura de feixe a -3dB.

Nível de Lobo Secundário (NLS)

Relação entre o máximo da intensidade de radiação de um determinado lobo

secundário (k) e o máximo da intensidade de radiação do lobo principal

=

M

kdB U

UNLS 10log10


Relação Frente-Trás (RFT)

=

B

MdB U

URFT 10log10

Relação entre o máximo de intensidade de radiação do lobo principal e o máximo da

intensidade de radiação do lobo oposto ao principal.

Directividade Comparação entre a intensidade de radiação máxima e intensidade de radiação média

ou intensidade de radiação radiada por uma antena isotrópica.

Quando o lobo principal ocupa uma posição dominante no diagrama de radiação

α3dBH e α3dBV são as larguras dos feixes em planos ortogonais principais (horizontal e

vertical), expressos em radianos. Aproximação válida para antenas muito directivas (D

> 12 dBi).

rmedio Pπ U

UUD maxmax 4

== π∂

π π 4

41

4

rmedio

PUU =Ω= ∫

V 3dBH 3 4

ααπ

dBaproximadaD =


Intensidade de Radiação da Antena Isotrópica sem perdas

Ganho As características direccionais de uma antena são frequentemente expressas em

termos da função de Ganho G (θ,φ).

Ganho de uma antena é uma das características básicas, frequentemente utilizada

como factor de mérito. Compara uma antena com uma dada antena de referência.

Razão entre a máxima intensidade de radiação (numa dada direcção) e a máxima

intensidade de Radiação (na mesma direcção) produzida pela antena de referência, com

a mesma potência de entrada.

A antena de referência normalmente utilizada é o radiador isotrópico.

O dipolo de meia onda é, por vezes, considerado como a antena de referência ( como no

caso da radiodifusão e televisão ).

Está intimamente associado à Directividade, a qual, por sua vez, depende do Diagrama

de Radiação da antena.

D

4

4

ηηπ

ηπ

=====medio

M

radiada

M

a

M

i

M

UU

PU

PU

UUG

[ ] 2/ 42

rPS a

mW π=

[ ] π42

./a

sólidoangWi

PSrU ==a

radiada

PP=η


Rendimento de uma antena… Para o circuito de alimentação, a antena é vista como sendo apenas uma impedância.

A energia irradiada pode ser considerada como absorvida por uma resistência de

radiação (Rr).

Além desta, temos de considerar também, a resistência de perdas, a qual, para o caso

de um bom rendimento, deve ser inferior a Rr.

η - rendimento da antena

Rr - Resistência de Radiação

Rp - Resistência de Perdas

Pr- Potência radiada pela antena

Pa - Potência de alimentação

Pp- Potência de Perdas

I – Intensidade de corrente de

alimentação.

a

r

PP=η

pr

r

RRR+

=η

rap PPP −=

2

2IPR r

r =2

2IP

R pp =


Área Efectiva de uma antena (Ae)Potência Recebida

S P

recebidae C

PA =

Intensidade do vector de Poynting

Coeficiente de Adaptação de Polarização

(Cp = 1, no caso de adaptação de polarização entre onda incidente e antena receptora) No caso de perfeita adaptação (de polarização e de impedância) teremos a abertura (ou área) efectiva máxima da antena.

Fazendo uma experiência conceptual entre duas antenas 1 e 2 a funcionar em emissor / receptor, e trocando as suas funções, verifica-se, recorrendo ao princípio da reciprocidade que existe uma relação constante entre o ganho e a área efectiva máxima de uma antena.

GA

GAe e

1

1

2

2=

O valor desta constante é independente da antena:

G 4

2

πλ=eA


Área Efectiva de uma antena (Ae) – cont.

i

i

e D Cπλη G C

πλA

44

22

== Factor de adaptação de impedâncias

ePrecebida S ACP =

Pi

recebida C D S Cπλη P4

2

=

De um modo geral,

O conceito de área efectiva é atractivo em antenas de abertura. Em antenas lineares émais directo o conceito de altura, ou comprimento efectivo.

A área efectiva é utilizada para se chegar à potência recebida a partir da intensidade do vector de Poynting da onda incidente.

A altura efectiva, permite obter a amplitude da tensão, V, aos terminais em vazio da antena com base no conhecimento da intensidade do campo eléctrico da onda incidente, E.

hVE

Ve = =

2 Z Sh

RZe

r= λπ

D

Após algumas manipulações,

Altura Efectiva de uma antena


Alguns resultados interessantes…


Exemplos de antenas…


Um avião e suas antenas…

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