[1] O documento apresenta os conceitos fundamentais de antenas, incluindo a sua história, aplicações, definição, mecanismos de radiação, parâmetros e tipos de antenas como dipolos, monopólos e antenas de abertura. [2] Aborda tópicos como diagramas de radiação, directividade, ganho, impedância de entrada e polarização. [3] Fornece exemplos de antenas lineares e descreve a teoria das imagens para monopólos.

1. AAnntteennaass--CCoonncceeiittooss EElleemmeennttaarreess
Propagação e Antenas 2011/2012
Professor Victor Santos
Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 1

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)
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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
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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
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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:
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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
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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.
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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.
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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
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22. DDipipóólolo CCuurrttoo
Diagrama de Radiação em 3D
= 1.5 = 1.76 dBi
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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. DDipipóóloloss ddee ccoommpprrimimeennttoo LL
Diagrama de Radiação do Dipólo l
Diagrama de Radiação do Dipólo 1.5 l
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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
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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.
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27. TTeeoorriaia ddaass IImmaaggeennss
l/4
Propagação e Antenas 2011/12 Antenas - 27

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.
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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
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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
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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
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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
= - ×
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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
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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
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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
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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
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37. AAnntteennaass ddee AAbbeerrttuurraa
Antena Abertura Rectangular
Antena Abertura Rectangular
Antena Abertura Cónica
Antena Abertura Cónica
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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
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39. Antena Yagi
Antena Yagi
AAnntteennaass YYaaggii
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40. AAnntteennaass ddee BBiqiquuaadd
Antena Biquad Antena Biquad com plano reflector
Diagrama de Radiação da Antena Biquad
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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. 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