PROGRAMA “WinRad” PARA ANÁLISE DE ANTENAS

Mauro Tapajós Santos

Prof. Antonio José Martins Soares

Universidade de Brasília

FT - Departamento de Engenharia Elétrica

Campus Universitário - Asa Norte

70.910 - Brasília - DF

Resumo: O cálculo das grandezas associadas a uma antena é normalmente complexo e requer um

grande esforço computacional. O aplicativo desenvolvido neste trabalho, denominado “WinRad”,

realiza estes cálculos para antenas filamentares e antenas de abertura retangular e apresenta os

resultados no ambiente gráfico Windows.

Abstract: Calculating antenna radiation parameters is generally complex and requires great

computational effort. The application developed here, called “WinRad”, perform the analysis for wire

antennas and rectangular apertures antennas and plot the results in the Windows graphical environment.

1. IntroduçãoVários problemas nas linguagens de programação acompanham o desenvolvimento de software

científico. Entre os principais estão a criação da interface e a utilização de memória.

Neste trabalho, uma parte do planejamento foi direcionado para a melhor escolha do ambiente

de desenvolvimento e da plataforma alvo da aplicação, visando deslocar o esforço gasto em aspectos

puramente computacionais, para objetivos de cálculo e apresentação dos resultados.

Procedimentos de análise para antenas filamentares e antenas de abertura retangular são

implementados neste trabalho. O software, porém, é desenvolvido de forma a permitir e facilitar a

posterior inclusão de novas antenas, mantendo todas as facilidades já desenvolvidas, inclusive um

algoritmo já implementado de traçado tridimensional dos diagramas de radiação.

O aplicativo é modelado para otimizar o trabalho do usuário final, proporcionando uma

interface agradável e intuitiva, que mascara o complexo de operações desenvolvidas.

Antenas filamentares são consideradas aqui como antenas montadas pelo usuário e formadas

por um dipolo centrado na origem de um plano XY, alimentado no centro; e por filamentos parasitas

paralelos, dispostos de qualquer maneira desejada neste plano. A incógnita no cálculo das variáveis de

radiação é a distribuição de corrente na estrutura. Esta corrente é calculada ponto a ponto pelo método

dos momentos. A partir da corrente se calcula os planos transversais E e H, a impedância de entrada, o

VSWR, o ganho máximo por frequência e o diagrama de radiação tridimensional numa frequência

determinada.

Antenas de aberturas retangulares são antenas onde o elemento radiador principal é uma

abertura retangular na estrutura. A incógnita de interesse aqui é a distribuição de campo elétrico na

abertura. Esta, uma vez determinada, possibilita se chegar às variáveis de radiação da antena: planos E

e H, largura de faixa de meia-potência, diretividade e o diagrama de radiação tridimensional.

2. Programação para WindowsA estrutura que se propôs desenvolver aqui é composta de um programa central e módulos que

representam os vários tipos de antenas e seus métodos numéricos; implementados ou a serem

implementados. Assim, este trabalho terá característica aberta, possibilitando a posterior inclusão de

módulos de novas antenas ou métodos mais sofisticados para as já existentes.

Levando em conta requisitos exigentes como: pouco tempo para o desenvolvimento, tentativa

de se evitar problemas essencialmente de programação, grande poder de cálculos e uma boa previsão de

estabilidade no atual contexto tecnológico; chegou-se a uma escolha híbrida para o ambiente de

desenvolvimento. O aplicativo computacional desenvolvido neste trabalho foi gerado em dois ambientes

de programação.

O compilador Visual Basic 3.0 para Windows da Microsoft foi o responsável pela geração da

interface e do processamento mais simples executado pelo programa. Os cálculos complexos realizados

foram gerados no já citado compilador Borland C++ 3.1. Este compilador pode gerar bibliotecas

especialmente feitas para programas Windows (DLL’s - Dynamic Link Lybraries). A parte gerada em

C++ foi toda transformada em DLL’s para que o Visual Basic as pudesse utilizar.

Desta forma, o programa foi idealizado num ambiente que unia a simplicidade do Visual Basic

com o poder da programação orientada a objetos do C++. Assim, o problema central de engenharia não

deixou de ser a motivação dos esforços deste trabalho.

3. Traçado tridimensionalOs diagrama de radiação de uma antena são formas tridimensionais normalmalmente

representadas por planos seccionadores perpendiculares: Plano E (campo elétrico) e Plano H (campo

magnético). Estes são traçados em gráficos polares calibrados pelas radiações em cada direção,

normalmente em dB. Quando o diagrama tem forma complexa, fica difícil se visualizar uma superfície

tridimensional baseado apenas em dois cortes (planos). Daí a idéia de se traçar uma superfície

tridimensional via software.

A maioria das antenas possui um diagrama de radiação que é melhor descrito em função de

coordenadas esféricas espaciais. Logo, um algoritmo de traçado esférico é o mais utilizado. Em alguns

casos, o sistema de coordenadas cilíndrico é indicado para o traçado de certos diagramas.

A figura tridimensional é criada amostrando-se uma função de radiação já definida. Ela é

armazenada na memória na forma de uma matriz onde cada elemento é um ponto espacial. Toda

superfície tridimensional que vier a ser criada será formada pela ligação de retas ligando pontos

determinados. Estas retas serão ligadas de forma a criar quadriláteros preenchidos. Estes quadriláteros

juntos lado a lado formarão a superfície a ser traçada. A idéia que causa a ilusão de 3 dimensões é de

que tudo que não está no raio de visão é sobreposto pelo que está. Se uma superfície esférica é

mostrada, então a parte de trás dela (em relação ao observador) fica sobreposta pela parte que é

realmente vista. O traçado dos quadriláteros começa, a partir do ponto diametralmente oposto, de trás

para a frente, de maneira que, a parte de trás da figura seja traçada primeiro e a parte da frente seja

traçada por último.

Uma vez traçada, a figura pode ser rotacionada em torno do eixo X ou do eixo Z. Isto é feito

matematicamente aplicando equações de rotação sobre cada ponto.

Modelagem e traçado tridimensionais são grandes consumidores de recursos do computador, e,

para se chegar a resultados aceitáveis, deve-se achar um ponto de equilíbrio entre velocidade de

apresentação e precisão das formas. Em outras palavras, quanto mais detalhada se deseja a figura (mais

pontos), mais tempo e recursos da máquina ela exigirá.

4. Aplicativo WinRadNo aplicativo, foram implementados dois módulos: um para as antenas de fios e outro para as

antenas de abertura retangular.

O módulo de antenas de fios pede como dados de entrada: a faixa de frequências para a análise

(em MHz), a frequência para o traçado tridimensional (em MHz), a impedância característica (Ohms),

a ordem da expansão de corrente (de 2 a 6) e o lay-out da antena (comprimentos e posições dos

elementos). Como resultados serão apresentados diagramas dos planos E e H, diagramas de impedância

de entrada, ganho máximo e VSWR pela frequência e o diagrama de radiação tridimensional.

0

90

180

270

5 10 15 20 25

Fig. A - Plano E

0

90

180

270

5 10 15 20 25

Fig. B - Plano H

Parte Real

Parte Imaginária

Frequência (MHz)

Zin (ohms)0

10

20

30

40

-10

-20

-30

-40

900 910 920 930 940 950 960 970 980 990

Fig. C - Impedância de Entrada

Frequência (MHz)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

900 910 920 930 940 950 960 970 980 990

Fig. D - VSWR

Frequência (MHz)

dB

0

2

4

6

8

10

900 910 920 930 940 950 960 970 980 990

Fig. E - Ganho Máximo

Fig. F - Traçado Tridimensional da Radiação

No módulo de antenas de abertura retangular deve-se inserir os seguintes dados: o tipo de

distribuição de campo elétrico suposta na abertura, a faixa de frequências para a análise (em MHz), a

frequência para o traçado tridimensional (em MHz), as dimensões da abertura (comprimentos E e H em

cm), o deslocamento de fase (em graus) e o números de passos na integração de cálculo da diretividade.

Como resultados serão apresentados diagramas dos planos E e H, diagramas de diretividade e largura

de feixe de meia-potência pela frequência e dois tipos de diagramas de radiação tridimensional: um

diagrama de radiação tridimensional esférico e um diagrama de contorno tridimensional retangular.

0

90

180

270

10 20 30

Fig. G - Plano E

0

90

180

270

10 20 30

Fig. H - Plano H

0

10

20

30

40

Fig. I - Plano E (Diagrama Linear)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Fig. J - Plano H (Diagrama Linear)

HP - E

HP - H

Frequência (MHz)

HP (graus)

0

5

10

15

20

25

2000.00 2204.08 2408.16 2612.24 2816.33

Fig. K - Largura de feixe de meiapotência

Frequência (MHz)

dB

0

5

10

15

20

2000.00 2204.08 2408.16 2612.24 2816.33

Fig. L - Diretividade

Fig. M - Traçado Tridimensional EsféricoFig. N - Diagrama de Contorno Tridimensioinal

Todas as figuras tridimensionais podem ser rotacionadas para melhorar a visualização.

5. ConclusãoA área de eletromagnetismo e ondas é um campo que pede muitos cálculos complicados.

Qualquer trabalho nesta área significa muitas operações e, inevitavelmente, uso do computador. Este

trabalho visou desenvolver um aplicativo computacional que realizasse estes cálculos com

características definidas: o programa deveria ser compilado para ambiente Windows, deveria oferecer

facilidade na inclusão de novos métodos e antenas além de proporcionar um desenvolvimento rápido e

eficiente. A grande característica do aplicativo desenvolvido é a modularidade. Cada tipo de antena é

um módulo dentro da aplicação. Novos módulos podem ser inseridos com extrema facilidade,

garantindo a atualização permanente e créditos aos seus desenvolvedores.

6. Referências[1] ROSS, Nelson. Visual Basic for Windows. São Paulo: Makron Books do Brasil Editora Ltda. e Editora

McGraw- Hill Ltda., 1994.

[2] PETZOLD, Charles. Programando para Windows 3.1. São Paulo: Makron Books do Brasil Editora Ltda.

e Editora McGraw-Hill Ltda, 1993.

[3] SCHILDT, Herbert. Turbo C++ - Guia do Usuário. São Paulo: Makron Books do Brasil Editora Ltda. e

Editora McGraw- Hill Ltda., 1992.

[4] PETERS, Timothy J. “A Fast Algorithm for Plotting and Contour Filling Radiation Patterns in Three

Dimensions”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Vol. 40, NO. 4, Abril 1992.

[5] POPOVIC, B. D., DRAGOVIC, M. B., DJORDJEVIC, A. R. Analysis and Synthesis of Wire Antennas.

Research Studies Press, 1982.

[6] STUTZMAN, Warren L., THIELE, Gary A. Antenna Theory and Design . New York: John Wiley &

Sons, 1981.

[7] BALANIS, Constantine. Antenna Theory - Analysis and design. New York: John Wiley & Sons, 1982.

[8] PARIS, Demetrius T., HURD, F. Kenneth. Teoria Eletromagnética Básica. Rio de Janeiro: Guanabara

Dois, 1984.

[9] ESCUDERO, Alessandro Chahini, PICANÇO, Renato Proença. Programa para Análise e Síntese de

Antenas. Brasília: Projeto Final de Graduação, UnB, 1994.