Formatao do texto roteiro experimental

Laboratrio da Teoria EletromagnticaLABORATRIO n04- cabo coaxial -CDIGO DO GRUPO

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INTEGRANTES DO GRUPO

Paulo Filip Teixeira de Almeida 10/0118631

Yan Rodrigues de Sousa 10/0127797

Hugo Felippe da Silva Lui 10/0104797

Rafael Schiavon Fortes 10/0120482

1 introduo

1.1. Introduo As Antenas podem varias em diversos tipos e modelos e podem captar diversas frequncias ou emiti-las, ao ponto na qual cada uma tem condies de reproduzir o contedo emitido por meios de telecomunicaes e de defesa. AS frequncias mais comuns de serem achadas so as HF (high frequency), VHF (very high frequency) e UFH (ultra high frequency), sendo as duas ultimas responsveis por programas em canais de televiso e radio.

A capacidade estudada trata-se da (UHF) Ultra High Frequency esses sinais em UHF se propagam similarmente a feixes luminosos, com alcance Maximo at a linha do horizonte, j que so ondas eletromagnticas que variam na faixa entre 300MHZ a 3GHZ. Sabendo que o comprimento da onda dado por:

Sendo:

C a constante da velocidade da luz, igual a 299.792,458 km/s =~ 300.000 km/s. o comprimento da onda eletromagntica

f a frequncia da onda em questo.

Sabe-se, portanto estimar a frequncia da onda e sua capacidade de gerar dano cancergeno, pois se o comprimento for muito pequeno, este consegue modificar o comportamento celular, alem de ser possvel estipular sua funo perante o uso em decodificadores e antenas receptoras.

As Antenas funcionam transmitindo ondas de rdio, as quais so senoidais, variando entre pontos positivos e negativos da corrente eltrica gerada, quando fixadas ou ligadas a aparelhos transmissores, convertem esses sinais eltricos em ondas eletromagnticas. Por sua vez as antenas com funo de recepo, quando ligadas a aparelhos receptores, retransmitem as ondas eletromagnticas em sinais eltricos amplificados que so decodificados dentro do aparelho.

O sinal transmitido em forma de corrente alternada, criando ondas com diferentes tipos de comprimentos, esses comprimentos variam de Kilohertz a superiores a Gigahertz, lembrando que quanto maior a frequncia, menor o comprimento de onda. Sendo assim, a Agencia Brasileira de Telecomunicaes, a Anatel, distribui faixas correlatas de acordo com o uso:

Destacando apenas as Ondas de VHF e UHF pela prpria planilha do site da Anatel, com ultima atualizao em 2006, temos:

VHF: .

54,000MHZ a 72,000MHZ distribuies de canais de televiso da faixa entre os canais 2 a 4

72,000MHZ a 76,000MHZ ficam exclusivas para utilizao industrial, mdica e governamental.

76,000MHZ a 88,000MHZ, distribuio dos canais de televiso da faixa entre os canais 5 e 6

88,000MHZ a 108,000MHZ, distribuio da frequncia para o RADIO FM.

UFH:

470,000MHZ a 608,000MHZ, existe a distribuio de frequncia para televiso entre os canais 14 ao 36 ( grande maioria dos canais abertos no pais).

614,000MHZ a 806,000MHZ, h um distribuio compartilhada entre os canais 38 ao 69 e tambm uma frequncia aberta, com disponibilidade de uso.

Quando antenas e Cabos no esto em sintonia fenmenos acontecem, um deles a chamada Onda estacionaria, a qual, antenas e os cabos coaxiais possuem impedncias, aonde essas so iguais resistncia de irradiao e sua componente reativa (tenso), (com exceo dos cabos coaxias, os quais no possuem essa parte reativa), quanto maior o desencontro da combinao maior ser a Onda estacionaria.

A relao existente entre as ondas estacionarias ou ROE, podem ser medidas pela equao:

Sendo ZR a impedncia do cabo e ZA a impedncia da Antena, quanto maior o ROE, maior a onda estacionaria no sistema. Lembrando que a Impedncia uma oposio, um no casamento, entre os fluxos. Portanto deve-se selecionar um tipo de antena na qual sua acoplagem a um Cabo Coaxial deva ser exata e precisa.

As antenas podem variar entre diversos modelos, sendo os mais comuns de Dipolo (L/2 e Dobrado), helicoidais e a parablica.

As Antenas Dipolos podem ser divididas em 2 tipos, a primeira de 1/2L e a segunda a Dipolo Dobrado.

As Antenas Dipolos de 1/2L, so relativamente simples e para funcionarem de maneira Omnidirecional (em todos os sentidos, e no apenas Norte ou Sul, Leste ou Oeste, como de costume nesse tipo de antena), necessrio que o Dipolo esteja vertical e o Cabo coaxial que alimenta o fio esteja para cima. Para evitar impedncia nesse sistema sempre necessria uma relao de voltagem e corrente no ponto da antena. Com a abertura do sistema a antena passa a possuir 1/4L pra cada lado do sistema, o que causa muita confuso, pois 1/4 do comprimento de onda.

As Antenas Dipolos Dobradas so similares as de dipolo 1/2 L, porem possui uma Banda maior e maior capacidade, pois o dipolo dobrado.

Definida a Antena o ganho relativo da mesma pode ser expresso pela equao:

O decibel usado como unidade de medida para representar o ganho de uma antena de acordo com o Sistema Internacional (SI), Sendo P1 e P2 as potencia dadas pelo sistema, aonde P2 sempre maior que o valor de P1, Com isso possvel saber qual antena vai ter maior potencia.

A tenso relativa Antena dada pela equao:

Agindo de maneira similar ao ganho em Potencia, os valores da tenso da Antena, se do por V2 e V1 sendo V2 sempre maior que V1.

Por referencia a antena usada sempre a antena dipolo de meia onda (Dipolo L/2).

Quanto aos cabos coaxiais, so todos os cabos que possuam capacidade de conduzir e transmitir sinais, muitas vezes de radio frequncia, outras vezes permite que sinais de baixa potencia possam ser transmitidos por longas distancias. Funcionando similarmente a uma antena, exerce atravs do ncleo interno e da blindagem uma onda eletromagntica, o que lhe permite ter um sinal de qualidade, superando os cabos convencionais. Produzido atravs de um ncleo interno, muito frequentemente de cobre, envolto de um material dieltrico com capacidade isolante, geralmente por espuma isolante, plstico ou ar criado por espaamento, recoberto de cobre e encampado por material plstico.

O cabo quando acoplado a antena realiza a funo de captao e recomposio do sinal, aonde a corrente eltrica possui seu papel fundamental, para facilitar a conexo entre o cabo e a antena pode-se usar trimmers e bobinas, que alm da conexo realizam tambm um papel de filtro, dessa maneira reduz imperfeies como irradiao de harmonias e interferncias de outros aparelhos eletroeletrnicos.

1.2. Objetivos

Simulao de cabo coaxial de 50 ohms de TV, no Ansoft HFSS em 3D. Simular excitao na base do cabe coaxial para receber uma onda eletromagntica.

2 Procedimentos Experimentais

Definir as configuraes:

1- Selecionar no menu as opes Tools > Options > HFSS Options 2- Deixar de acordo com a imagens a baixo. 3- Selecionar no menu as opes Tools > Options > Modeler OptionsDeixar de acordo com as imagens abaixo.

4- Definir o tipo de soluo no item HFSS > Solution Type

Escolher Driven Terminal, de acordo com a imagem a baixo

5- Escolher a unidade de medida, no item Modeler > Units, em milmetros.

6- Criar o condutor interno:Desenhar um cilindro, com a ferramenta Coordenadas:X: 0.0

Y:0.0

Z:0.0

Medidas:

Definir o nome como ring_inner

Desenhar outro cilindro com as seguintes condies.

Coordenadas:

X: 0.0

Y:0.0

Z:0.0

Medidas:

Definir o nome como ring_17- Selecionar os objetos no item Edit > Select > By Name Utilizando a ferramenta Subtract , deixar de acordo com a imagem a baixo.

O resultado ser o condutor interno

Definir o material como cobre.8- Criar a malha. -Selecionar o objeto ring_1.-Selecionar no menu os itens Edit > Copy > Paste.-Mudar o raio do ring_2 para 12.7 mm.-Mudar o raio do ring_inner1 para 11.049 mm.9- Criar Arm_1

-Selecionar no menu o item Draw > Box

Coordenadas

X: -0.1

Y: -0.31Z: 5.0

Medidas

dx: 0.2

dy: -4.69dz= -0.065

10- Criar grupo de condutores-Selecionar no menu o item Edit > Select > By Name em seguida selecionar os objetos Arm_1, Ring_1 e Malha.

-Selecionar no menu Modeler > Boolean >Unite

11- Criar Arm_2-Selecionar no menu o item Draw > Box

Coordenadas

X: -0.1

Y: 0.0

Z: 5.1

Medidas

dx: 0.2

dy: 5.0

dz= -0.065

12- Criar o Center_pin.-Selecionar no menu o item Draw > Cilinder

Coordenadas

X: 0.0

Y: 0.0

Z: 0.0

Medidas

dx: 0.1

dy: 0.0

dz= 5.1

13- Criar pin.-Selecionar no menu o item Draw > Cilinder

Coordenadas

X: 0.0

Y: 1.0

Z: 0.0

Medidas

dx: 0.0625dy: 0.0

dz= 5.1

14- Criar grupo de condutores-Selecionar no menu o item Edit > Select > By Name em seguida selecionar os objetos Arm_2, Center_pin e pin.

-Selecionar no menu Modeler > Boolean >Unite

15- Cria dieltrico -Selecionar o objeto ring_1.

-Selecionar no menu os itens Edit > Copy > Paste.-Mudar o raio do ring_3 para 11.049 mm.

-Mudar o raio do ring_inner3 para 9.398 mm.

-Selecionar o material polyethylene.

16- Criar Capa-Selecionar o objeto ring_1.

-Selecionar no menu os itens Edit > Copy > Paste.-Mudar o raio do ring_4 para 16.51 mm.

-Mudar o raio do ring_inner4 para 12.7 mm.

-Selecionar o material teflon.

17- Criar Wave Port.-Selecionar no menu o item Draw > Circle.

Coordenadas

X: 0.0

Y: 0.0

Z: 0.0

Medidas

dx: 0.31dy: 0.0

dz= 5.1

-Definir nome como p1.

18- Criar a caixa-Selecionar no menu o item Draw > Box

Coordenadas

X: -5.0

Y: -10.0Z: 0.0

Medidas

dx: 10.0dy: 20.0dz= 12.0

-Definir nome como Air.

-Definir material como Vacuum.

19- Criar Radiation Boundary-Selecionar no menu o item Edit > Select > Faces.

-Enquanto pressionar a tecla CRTL, selecionar todas as faces da caixa, exceto a do plano XY.-Escolhida as faces, selecionar no menu HFSS > Boundaries > Assing > Radiation.

-Name: Rad1

20- Criar excitao na base do cabo coaxial.-Selecionar no menu o item Edit > Select > Faces > By Name > p1-Selecionar no menu o item HFSS > Excitations > Assing > Wave Port.

-Colocar Arm_2 em conducting Objects e ring_1 em Reference Condutor.

-Renomear WavePort1 para p1 e terminal para T1.

21- Criar plano de base da caixa infinito-Selecionar no menu o item Edit > Select > Faces.

-Selecionar face que o plano z=0. -Escolhida a face, selecionar no menu HFSS > Boundaries > Assing > Finite Conductivity.

-Na janela Finite Conductivity Boundary, deixar as seguintes configuraes:

22- Criar Radiation Setup.-Selecionar no menu o item HFSS > Radiation > Insert Far Field Setup > Infinite sphere.

-Na janela, deixar as seguintes configuraes:

23- Adicionar Leght Based Mesh Operation to the Radiation Boundary-Selecionar o objeto Air, depois de selecionado clicar com o boto direito do mouse em Mesh Operations > Assign > On Selection > Lenght Based.-Name: LenghtOnRadiations.

-Configurar de acordo com a imagem abaixo:

24- Criar Analysis Setup-Selecionar no menu o item HFSS > Analysis Setup > Add Solution Type.

-Configurar de acordo com as imagens abaixo:

25- Adicionar Frequency Sweep-Selecionar no menu o item HFSS > Analysis Setup > Add Frequency Sweep.-Selecionar Solution Setup: Setup1.

-Configurar de acordo com a imagem abaixo.

26- Validar o experimento-Selecionar no menu o item HFFS > Validation Check

27- Analisar o experimento-Selecionar no menu o item HFSS > Analylze All.

28- Plotar grfico Solution Data-Selecionar no menu o item HFFS > Results > Solution Data-Clicar em Convergence Tab

29- Criar Terminal S-Parameter Plot Magnitude-Selecionar no menu o item HFSS > Results > Create Terminal Solution Data Report > Rectangular Plot

30- Criar Far Field Overlay-Selecionar no menu o item HFSS > Results > Create Far Field Report > Radiation Pattern.

3 Resultados

(a) Grfico de perda de retorno x Frequncia

(b) Diagrama de Irradiao

(c) Grfico de Erros x Nmero de passos

4 Anlise dos Resultados

A escolha da frequncia foi baseada numa situao cotidiana, na qual uma antena UHF, capta o sinal de uma faixa de frequncia de TV aberta, que vai de 0,3GHz a 3GHz, o canal escolhido para ser captado foi o 28, de So Paulo, que trabalha na frequncia de 555.25 MHz, para diminuir o tempo de simulao o intervalo de frequncia utilizado no software foi entre 482 MHz e 806 MHz, o qual representa a faixa de frequncia dos canais, que vo do 14 ao 69 .

Considerando os resultados obtidos via simulao computacional e analisando-os, podemos dizer que a simulao representa uma boa aproximao para a situao real, pois atravs da experincia realizadas, escolhendo a frequncia do canal fizemos a simulao com a ferramenta General tab > Solution Frequency, temos a seguinte imagem:

Resultando no seguinte grfico:

Analisando o seguinte grfico, vemos que este sofre uma espcie de interferncia, pois justamente onde o sinal captado pela antena (aproximadamente 555 MHz), o que comprova que a simulao foi bem sucedida.

A perda de retorno, apresentada no grfico em Db, indica a energia que retorna fonte de sinal, como a perda de retorno representa a razo entre a tenso refletida e a tenso incidente, quanto maior o valor melhor, logo, o cabo/antena simulado tem um bom desempenho. E a perda calculada a partir da formula:

Pr = 20log10 , onde:

VSWR (Voltage Standing Wave Return) [V], Pr Perda de retorno [db].

O diagrama de radiao de uma antena nos fornece em que direo o campo ou a potncia irradiada pela antena mais intensa. Analisando o desenho formado no digrama nota-se que uma antena Dipolo no omnidirecional, irradiando s em 2 sentidos. Com um comprimento de onda 1/4, observado devido ao formato de lbulo circular do grfico.

Na direo principal de irradiao, a potencia irradiada cai pela metade, nos ngulos chamados de ngulos de meia potencia , ocorre quando sinal diminui 3dB, a paritr de 0, ou seja, quando o grfico encontro o arco que marca aproximadamente 4dB.

Tranando duas retas que saem do centro do grafico em direo a interseco entre o arco que marca 4 dB e o desenho formado, tem-se o ngulo de meia potencia que de aproximadamente 80.

O Ganho de uma antena dipolo de meia onda dado por:

Onde o vetor da potencia irradiada dada por:

Para =/2, por ser uma antena de meia onda:

A potencia total irradiada :

Substituindo na equao inicial para o ganho tem-se:

Sabendo que o valor da resistncia de radiao para antena dipolo de meia-onda 73,1

O grfico a seguir representa as iteraes e seus respectivos erros. Foi estipulado um erro mximo de 10-4 e quando fosse atingido esse erro ou fossem realizadas 10 iteraes deveria parar.

5 Concluso

A partir da simulao no Ansoft-HFSS, foi possvel analisar o comportamento de antenas em situaes cotidianas, como a captura do sinal de um canal em determinada frequncia, para isso foi necessrio escolher materiais que determinam as propriedades da antena, Capa (Teflon), Dieltrico (Polietileno), Condutor interno (Cobre), Malha (Cobre), tais materiais garantem o funcionamento da antena, foi possvel caracterizar o tipo de antena de dipolo. A simulao realizada teve resultados que vo de acordo com a teoria eletromagntica, apesar da dificuldade em calcular analiticamente as variveis representadas nos diagramas, desta forma a antena simulada, podem ser utilizadas em suas diversas aplicaes radios, internets e GPS.6 Referncias

Eletromagnetismo - Teoria, Exerccios Resolvidos e Experimento Prticos Eduard Montgomery Meira Costa, editora Cincia Moderna Edit, 2009.Sites:

http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/94, acessado dia 01/09/2012, as 12:23

http://www.anatel.gov.br/Portal/verificaDocumentos/documento.asp?numeroPublicacao=98580&assuntoPublicacao=Quadro%20de%20Atribui%E7%E3o%20&caminhoRel=null&filtro=1&documentoPath=radiofrequencia/qaff.pdf, acessado dia 01/09/2012, as 14:35

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAB48AG/antenas, acessado dia 02/09/2012, as 21:40

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfQkoAL/pll-antenas, acessado dia 02/09/2012, as 22:00