Cap5 2012

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Cap5 2012

  1. 1. AAnntteennaass--CCoonncceeiittooss EElleemmeennttaarreess Propagação e Antenas 2011/2012 Professor Victor Santos Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 1
  2. 2. BBrreevvee HHisisttóórriaia − Equações de Maxwell 1864 − Hertz 1886: Dipólo − Hertz 1888: Cilindro metal parabólico − Marconi 1901: Transmissão Transatlântica − Yagi 1928: Antena Yagi − 2ª Guerra Mundial: Agregados, antenas de abertura, reflectores − Harrington, 1968: Método do Momento (MoM) − Kouyoumjian, 1974-81: Teoria da difracção geométrica uniforme (UTD) Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 2
  3. 3. AApplilcicaaççõõeess ddaass AAnntteennaass •• Sistemas Terrestres: – Terminais móveis e estações base; – Redes sem fios; – Difusão de televisão e rádio; – Navegação; – Feixes hertzianos (ligações de microondas); – RFID. Antenas microstrip Monópolo Antenas: Yagi e Parabólica Antenas de microondas Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 3
  4. 4. AApplilcicaaççõõeess ddaass AAnntteennaass •• Sistemas via Satélite ––Tradicional: – Satélites meteorológicos; – Satélites de difusão rádio e TV; – Satélites militares; – Satélites para navegação e localização. •• Sistemas via Satélite –– Telecomunicações: – Comunicações móveis globais; – Comunicações de dados VSAT; – Backbone para redes globais. Antenas satélite ICO Reflector parabólico Antena telefone por satélite Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 4
  5. 5. DDeeffininiçiçããoo ddee AAnntteennaa Uma Antena é o elemento de uma ligação via rádio, geralmente metálico, responsável pela radiação ou pela recepção de ondas electromagnéticas. Tem o objectivo de fazer a transição entre a propagação guiada (num guia de onda, cabo coaxial, linha de transmissão) e a propagação em espaço livre. Antena de emissão Antena de recepção Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 5
  6. 6. MMeeccaannisismmoo ddee RRaaddiaiaççããoo Se uma carga eléctrica se desloca com velocidade uniforme, existirá radiação quando o condutor é curvado, dobrado, descontinuado, terminado ou truncado. Se a carga oscilar em função do tempo, então observa-se radiação mesmo no caso de um condutor rectilíneo. Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 6
  7. 7. CCoonncceeititooss FFuunnddaammeennttaaisis Vector de Poynting determina a densidade de potência (W/m2) e a direcção de propagação. Também designado por Densidade de Fluxo Potência. E –– V / m; H –– A / m; S ––W / m. Intensidade de Radiação Este parâmetro, ao contrário de d vector de Poynting é independente da distância. Potência radiada pela antena por unidade de ângulo sólido. Potência radiada/recebida Total de potência radiada pela antena para o espaço. ângulo sólido Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 7
  8. 8. PPaarrââmmeettrrooss FFuunnddaammeennttaaisis • Diagrama de Radiação; • Directividade; • Ganho; • Eficiência da Antena; • Largura de Banda; • Polarização; • Impedância de Entrada; • Área Efectiva da Antena; • Temperatura da Antena. Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 8
  9. 9. DDiaiaggrraammaa ddee RRaaddiaiaççããoo O diagrama de radiação de uma antena é definido por uma função matemática ou representação gráfica das propriedades de radiação de uma antena em função das coordenadas espaciais. A potência recebida ou radiada por uma antena é função da distância e da posição angular relativamente à antena. O diagrama de radiação não se altera com a distância no campo distante. A informação nele contida corresponde aos valores de ganho, níveis de lobos laterais e larguras de feixe a -3dB. Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 9
  10. 10. DDiaiaggrraammaa ddee RRaaddiaiaççããoo Lóbulos: − Lóbulo Principal; − Lóbulos Secundários; − Lóbulos Laterais. Largura de feixe: − Largura de Feixe a Meia Potência; − Largura de Feixe entre os Primeiros Nulos. Representação cartesiana Representação polar Razão Frente-Trás: razão entre Relação entre o máximo de intensidade de radiação do lobo principal e o máximo da intensidade de radiação do lobo oposto ao principal. Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 10
  11. 11. DDiaiaggrraammaa ddee RRaaddiaiaççããoo Diagrama de Radiação Básicos; • Diagrama Direccional • Diagrama Isotrópico (Antena ideal) • Diagrama Omnidireccional Diagrama Direccional A antena direccional é uma antena que radia (ou recebe) muito mais potência numa dada direcção do que nas outras. Nota: Usualmente, aplica-se este termo a antenas cuja directividade é superior ao dipólo de meio comprimento de onda. Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 11
  12. 12. AAnntteennaa IIssoottrróóppicicaa ee OOmmnnii A antena isotrópica ou radiador isotrópico é um conceito hipotético (que não pode ser realizado na prática), usado como referência útil para descrever antenas reais A antena isotrópica radia igualmente em todas as direcções. O seu diagrama de radiação é representado por uma esfera cujo centro coincide com a localização do radiador isotrópico. A antena omnidireccional é uma antena que radia potência de uma forma uniforme segundo um plano, sendo o diagrama de radiação direccional no plano perpendicular. Diagrama Isotrópico Diagrama Omnidireccional Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 12
  13. 13. DDirireeccttivivididaaddee A directividade de uma antena é definida pela razão entre a intensidade de radiação numa dada direcção U(,) e a intensidade de radiação média U0 ou intensidade de radiação radiada por uma antena isotrópica. D(,) depende da direcção de observação. Quando esta não é mencionada, assume-se a máxima directividade (D0). intensidade de radiação antena Isotrópica Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 13
  14. 14. GGaannhhoo ddaa AAnntteennaa O ganho de uma antena é definida pela razão entre a densidade de potência radiada por uma antena numa dada direcção pela densidade de potência irradiada por uma antena isotrópica. É idêntico à directividade, excepto no facto de entrar em conta com o rendimento de radiação da antena. Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 14
  15. 15. EEfficiciêiênncciaia ddaa AAnntteennaa Devido a diversos fenómenos nem toda a potência disponível no transmissor (PT) é radiada (Prad). Define-se a eficiência total do sistema transmissor Perdas na antena: • Reflexões devidas a desadaptação; • Perdas nos condutores; • Perdas no dieléctrico. = − 1: reflexão máxima positiva, quando a linha é um curto circuito = 0: não há reflexão, quando existe adaptação perfeita = + 1: reflexão máxima positiva, quando a linha é um circuito aberto Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 15
  16. 16. IImmppeeddâânncciaia ddee EEnnttrraaddaa A impedância de entrada (Zin) permite a análise de potência através de um circuito equivalente Rr : Resistência de radiação RL : Resistência de perdas Xin : Reactância de entrada Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 16
  17. 17. VVSSWWRR ee imimppeeddâânncciaia ddee eennttrraaddaa A adaptação de entrada de uma antena é representada e quantificada pela sua impedância e VSWR (Voltage Standing Wave Ratio). O VSWR pode ser medido utilizando um analisador de redes e medir o S11. é o coeficiente de reflexão RL são as perdas por retorno Se || for 0, então toda a potência é transmitida e nenhuma é perdida por retorno, tipicamente um valor de VSWR2 é aceitável para a maioria das aplicações. A impedância de entrada é assim: Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 17
  18. 18. LLaarrgguurraa ddee BBaannddaa A Largura de Banda de uma antena é definida como sendo a banda de frequência na qual uma determinada característica da antena permanece dentro de uma gama desejada. A impedância de entrada, que varia com a frequência, é o parâmetro que é normalmente usado da definir a largura de banda. A Largura de Banda pode ser definida em relação: • Impedância de Entrada; • Diagrama de Radiação; • Largura de Feixe; • Polarização; • Direcção do Feixe; • Ganho; • Eficiência de Radiação. LB definida para VSWR 2 Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 18
  19. 19. PPoolalarrizizaaççããoo Por definição, a polarização é uma propriedade que descreve a evolução da direcção e da amplitude do vector campo eléctrico ao longo do espaço-tempo. Existem três tipos de polarização: - Linear; - Circular (esquerda ou direita); - Elíptica (esquerda ou direita). Linear Circular Elíptica Um desalinhamento entre antenas de Tx e Rx provoca perdas adicionais, pelo facto das antenas deixarem de trabalhar na mesma polarização. Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 19
  20. 20. ÁÁrreeaa EEffeeccttivivaa A cada antena esta associada uma área eléctrica, diferente da sua área física, que define a capacidade da antena em captar energia electromagnética. A área efectiva de uma antena está relacionada com o ganho por. 2 l 4 A G eff = × p onde G é o ganho da antena (em unidades lineares) e é o comprimento de onda. Esta fórmula pode ser obtida como consequência da reciprocidade electromagnética, que relaciona as propriedades de transmissão de uma antena com as propriedades de recepção. Como o ganho de uma antena, a área efectiva de uma antena varia com a direcção. Se não for especificada nenhuma direcção assume-se o valor máximo. Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 20
  21. 21. CClalassssifificicaaççããoo ddaass AAnntteennaass As Antenas podem ser classificadas em função da: Geometria e Formas: − Antenas Lineares: Dipólo, Monopólo, helicoidais, etc − Antenas de Abertura: Corneta ou Slot. − Antenas Planares: Patch Ganho: − Elevado Ganho: Parábola reflectora − Ganho Médio: Cornetas − Baixo Ganho: Dipólos e Patches Diagrama de Radiação: − Omnidireccionais − Directivas Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 21
  22. 22. DDipipóólolo CCuurrttoo Diagrama de Radiação em 3D = 1.5 = 1.76 dBi Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 22
  23. 23. DDipipóólolo //22 Distribuição sinusoidal da corrente Dipólo l/2 = W 73.13 ; 2.15 dB 2 = 2 R l G l Diagrama de Radiação do Dipólo l/2 Diagrama de Radiação em 3D Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 23
  24. 24. DDipipóóloloss ddee ccoommpprrimimeennttoo LL Diagrama de Radiação do Dipólo l Diagrama de Radiação do Dipólo 1.5 l Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 24
  25. 25. DDipipóóloloss ddee ccoommpprrimimeennttoo LL Ganho das antenas dipólos L em l Ganho Ganho (dB) 1 1.50 1.76 dB 0.5 1.64 2.15 dB 1.0 1.80 2.55 dB 1.5 2.00 3.01 dB 2.0 2.30 3.62 dB 3.0 2.80 4.47 dB 4.0 3.50 5.44 dB 8.0 7.10 8.51 dB Parte Real e Imaginária da Impedância Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 25
  26. 26. DDipipóólolo DDoobbrraaddoo l/2 Um dipólo dobrado é um dipólo com um fio adicional de comprimento (/2) ligando as duas extremidades do dipólo de meio comprimento de onda. O dipólo dobrado funciona da mesma forma de um dipólo normal, sendo que a resistência de radiação é igual a 300 em vez dos 75 esperados para o dipólo normal. Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 26
  27. 27. TTeeoorriaia ddaass IImmaaggeennss l/4 Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 27
  28. 28. MMoonnooppóólolo Uma antena monopólo consiste num elemento vertical com 1/4 do comprimento de onda colocado sobre um plano sólido metálico ou um plano de massa radial com um diâmetro de pelo menos 1/4 do comprimento de onda Está antena é omnidireccional, isto é possui o mesmo ganho em todas as direcções. Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 28
  29. 29. AAnntteennaass RReeffleleccttoorraass O processo de reflexão é o fenómeno explicado com base na teoria da óptica geométrica, quando um raio incidente em uma superfície da origem a uma onda refractada e uma onda reflectida. A onda reflectida pode estar em fase com a onda directa produzindo um fenómeno construtivo. Reflector Parabólico Reflectores mais comuns: − Plano; − De canto; − Parabólico. Reflector de canto Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 29
  30. 30. RReeffleleccttoorr PPaarraabbóólilcicoo A superfície reflectora mais comum na prática é a parábola. Estas antenas possuem um ganho de potência elevado podendo atingir valores superiores à 100 mil vezes quando comparado ao ganho da antena isotrópica. A figura 1 mostra um reflector parabólico com alimentador no foco, a figura 2 mostra um reflector parabólico com alimentador em offset, a figura 3 mostra um reflector parabólico com um sub-reflector também parabólico no foco da parábola. Esta configuração é chamada de Casseggrain. Fig. 1 Parabólico Foco Fig. 2 Parabólico - Offset Fig. 3 Cassegrain Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 30
  31. 31. RReeffleleccttoorr PPaarraabbóólilcicoo A superfície do reflector é inteiramente passiva. O elemento de alimentação está usualmente no centro do reflector no ponto focal da parábola. O ponto focal é o ponto onde todas as ondas reflectidas se concentram. O comprimento focal f (distância do ponto focal a partir do centro do reflector) é calculada pela seguinte equação: 2 d D f × = 16 f é a distância focal do reflector D é o diâmetro do reflector d é a profundidade do reflector Pf é a potência entregue pela fonte primária ao reflector parabólico Plano da boca da parábola A partir deste plano todos os raios de onda saem em fase Guia de ondas do TX Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 31
  32. 32. RReeffleleccttoorr PPaarraabbóólilcicoo é a abertura do lobo principal = K × 3dB q Tipicamente K = 70º D Perdas por desalinhamento: Queda do ganho da antena (emissão e recepção) por desvio a do eixo da antena, em relação à direcção de ganho máximo: 2 a 2 a a G G L T 12 [dB] ( ) 12 [dB] q 3dB = max dB q 3dB = - × Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 32
  33. 33. RReeffleleccttoorr PPaarraabbóólilcicoo Rendimento de abertura - Relação entre a Aeff e a área da boca da parábola h = A A R2 eff a física a =h × =h ×p × eficiência de radiação perdas por spillover perdas por espalhamento perdas por difracção perdas por obstrução etc. 2 = × × h p D 10 log [dB] 1 2 3 h =h ×h ×h a h p A eff física a A 0.5 0.8 a h Recomendação ITU-R p R 2 2 G 2 a l h p 4 4 4 G A A eff a física a = × = × × = × l l 2 2 l Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 33
  34. 34. ÓÓrrbbititaa GGeeoossttaaccioionnáárriaia --GGEEOO Raio da Terra RT= 6378.13 km Raio da órbita GEO = 42164.13 km = 0.151269 R = T R h + a T Slant Range – distância do satélite S ao local P d = 35786× 1+ 0.41999× (1- cos(b )) [km] cos(b ) = cos(a )×cos(j ) Altitude da órbita h = 35786 km; Inclinação 0º Período 23h 56m 4s a com - diferença entre a longitude do satélite (S) e do local (P) j - latitude do local (P) h Terra Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 34
  35. 35. AAppoonnttaarr RReeffleleccttoorr ppaarraa SSaattééliltitee GGEEOO Ângulo de Elevaçãopara o satélite ( ) ( ) Ângulo de Azimute relativamente ao Norte = cos - 0.151269 ( ) (b ) q b sin tan f a ( ) = - j tan sin 180 arctan ( ) ( ) f a = j tan sin Se Latitude de P 0 arctan ( ) ( ) 360º Se Azimute 0 f tan a arctan + sin = j Inclinação da Polarização ( ) ( ) g a = j sin tan arctan Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 35
  36. 36. AAppoonnttaarr AAnntteennaa ppaarraa SSaattééliltitee aa 1199,,22ººEE Coimbra Latitude = 40.20 N, Longitude = -8.41 W Lat = 40 º, 12.0 min Norte Long = 8 º, 24.6 min Oeste Satélite ASTRA a 19,2ºE Elevação do prato = 35.5º, Azimute = 146.2º (magnético) Polarização = -28.7º Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 36
  37. 37. AAnntteennaass ddee AAbbeerrttuurraa Antena Abertura Rectangular Antena Abertura Rectangular Antena Abertura Cónica Antena Abertura Cónica Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 37
  38. 38. AAnntteennaass IImmpprreessssaass Vantagens Leves, Pequenas, Baratas Fáceis de construir e de instalar Adaptáveis a várias superfícies Fácil integração de elementos activos Desvantagens Baixa Eficiência Largura de banda reduzida Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 38
  39. 39. Antena Yagi Antena Yagi AAnntteennaass YYaaggii Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 39
  40. 40. AAnntteennaass ddee BBiqiquuaadd Antena Biquad Antena Biquad com plano reflector Diagrama de Radiação da Antena Biquad Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 40
  41. 41. AAnntteennaass --GGaannhhooss TTííppicicooss • Dipólo Curto • Dipólo /2 • Corneta rectangular • Corneta circular • Reflector parabólico G = 1.5; G = 1.76 dB G = 1.64; G = 2.15 dB = + × × A B 8.1 10 log dB 2 l G = × × p D dB 2.82 - log 20 l G 2 = × × × h p D 10 log dB l G Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 41
  42. 42. CCoommppaarraaççããoo AAnntteennaass Ganho de Directividade Polarização Potência Diagrama de Radiação Antena Dipólo Broadside Baixo Baixo Linear Dipólo Múltiplos Broadside Baixo /Médio Baixo Linear Elementos Flat Panel Antena Broadside Médio Médio /Alto Linear/Circular Antena Parabólica Broadside Médio Alto Linear/Circular Antena Yagi Endfire Médio /Alto Médio /Alto Linear Antena Slotted Broadside Baixo / Médio Baixo / Médio Linear Antena Microstrip Endfire Médio Médio Linear Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 42

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