Cap5 2012

PropagaPropagaçção e Antenas 2011/12ão e Antenas 2011/12 Antenas - 1

Antenas - Conceitos ElementaresAntenas - Conceitos Elementares

PropagaPropagaçção e Antenas 2011/2012ão e Antenas 2011/2012

Professor Victor SantosProfessor Victor Santos


Breve HistóriaBreve História

− 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)


Aplicações das AntenasAplicações das Antenas

•• Sistemas Terrestres: Sistemas Terrestres: – Terminais móveis e estações base;– Redes sem fios;– Difusão de televisão e rádio;– Navegação;– Feixes hertzianos (ligações de microondas);– RFID.

Antenas de microondasAntenas de microondasAntenas: Antenas: YagiYagi e Parabe ParabóólicalicaAntenas Antenas microstripmicrostrip MonMonóópolopolo


Aplicações das AntenasAplicações das Antenas

•• Sistemas via SatSistemas via Satéélite lite ––Tradicional:Tradicional:– Satélites meteorológicos;– Satélites de difusão rádio e TV;– Satélites militares;– Satélites para navegação e localização.

•• Sistemas via SatSistemas via Satéélite lite –– TelecomunicaTelecomunicaçções:ões:– Comunicações móveis globais;– Comunicações de dados VSAT;– Backbone para redes globais.

Antenas satAntenas satéélite ICOlite ICO

Reflector parabReflector parabóólicolico

Antena telefone por satAntena telefone por satéélitelite


Definição de AntenaDefinição de Antena

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 emissãoAntena de emissão Antena de recepAntena de recepççãoão


Mecanismo de RadiaçãoMecanismo de Radiação

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.


Conceitos FundamentaisConceitos Fundamentais

Vector de Poynting determina a densidade de potência (W/m2) e a direcção de propagação. Também designado por Densidade de Fluxo Potência.

Intensidade de Radiação Este parâmetro, ao contrário de d vector de Poynting éindependente 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

E E –– V / m;V / m;H H –– A / m;A / m;S S –– W / m.W / m.


Parâmetros FundamentaisParâmetros Fundamentais

• Diagrama de Radiação;

• Directividade;

• Ganho;

• Eficiência da Antena;

• Largura de Banda;

• Polarização;

• Impedância de Entrada;

• Área Efectiva da Antena;

• Temperatura da Antena.


Diagrama de RadiaçãoDiagrama de Radiação

O diagrama de radiação de uma antena édefinido 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.



LLóóbulos:bulos:− Lóbulo Principal;

− Lóbulos Secundários;

− Lóbulos Laterais.

Largura de feixe:Largura de feixe:− Largura de Feixe a Meia Potência;

− Largura de Feixe entre os Primeiros Nulos.

RepresentaRepresentaçção polarão polarRepresentaRepresentaçção cartesianaão cartesiana

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.



Diagrama de RadiaDiagrama de Radiaçção Bão Báásicos;sicos;• Diagrama Direccional

• Diagrama Isotrópico (Antena ideal)

• Diagrama Omnidireccional

Diagrama DireccionalDiagrama 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.


Antena Isotrópica e OmniAntena Isotrópica e Omni

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 IsotrDiagrama Isotróópicopico Diagrama OmnidireccionalDiagrama Omnidireccional


DirectividadeDirectividade

A directividade de uma antena é definida pela razão entre a intensidade de radiação numa dada direcção U(,) e a intensidade de radiação média U0ou intensidade de radiação radiada por uma antena isotrópica.

D(,) depende da direcção de observação. Quando esta não émencionada, assume-se a máxima directividade (D0).

intensidade de radiaintensidade de radiaçção antena Isotrão antena Isotróópicapica


Ganho da AntenaGanho da Antena

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.


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.

Eficiência da AntenaEficiência da Antena

= − 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


Impedância de EntradaImpedância de Entrada

A impedância de entrada (Zin) permite a análise de potência através de um circuito equivalente

Rr : Resistência de radiaçãoRL : Resistência de perdasXin : Reactância de entrada


A adaptação de entrada de uma antena é representada e quantificada pela sua impedância e VSWR (Voltage Standing Wave RatioVoltage Standing Wave Ratio).

O VSWR pode ser medido utilizando um analisador de redes e medir o S11.

VSWR e impedância de entradaVSWR e impedância de entrada

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:

éé o coeficiente de reflexãoo coeficiente de reflexão

RL são as perdas por retornoRL são as perdas por retorno


Largura de BandaLargura de Banda

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 énormalmente 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 <2LB definida para VSWR <2


PolarizaçãoPolarização

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 Linear Circular Circular ElElíípticaptica

Um desalinhamento entre antenas de Tx e Rx provoca perdas adicionais, pelo facto das antenas deixarem de trabalhar na mesma polarização.


A cada antena esta associada uma área eléctrica, diferente da sua área física, que define a capacidade da antena em captar energia electromagnética. A áreaefectiva de uma antena está relacionada com o ganho por.

Área EfectivaÁrea Efectiva

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 antenacom 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.

GAeff ⋅=π

λ4

2


Classificação das AntenasClassificação das Antenas

As AntenasAntenas podem ser classificadas em função da:

Geometria e Formas:Geometria e Formas:− Antenas Lineares: Dipólo, Monopólo, helicoidais, etc

− Antenas de Abertura: Corneta ou Slot.

− Antenas Planares: Patch

Ganho:Ganho:− Elevado Ganho: Parábola reflectora

− Ganho Médio: Cornetas

− Baixo Ganho: Dipólos e Patches

Diagrama de RadiaDiagrama de Radiaçção:ão:− Omnidireccionais

− Directivas


Dipólo Curto Dipólo Curto

= 1.5 = 1.76 dBi

Diagrama de RadiaDiagrama de Radiaçção em 3Dão em 3D


Dipólo /2Dipólo /2

Diagrama de RadiaDiagrama de Radiaçção do Dipão do Dipóólo lo λλ/2/2 Diagrama de RadiaDiagrama de Radiaçção em 3Dão em 3D

DistribuiDistribuiçção sinusoidal da correnteão sinusoidal da corrente

DipDipóólo lo λλ/2/2

dB 15.2

;13.73

2

2

=

Ω=

λ

λ

G

R


Dipólos de comprimento L Dipólos de comprimento L

Diagrama de RadiaDiagrama de Radiaçção do Dipão do Dipóólo lo λλDiagrama de RadiaDiagrama de Radiaçção do Dipão do Dipóólo lo 1.5 1.5 λλ


Dipólos de comprimento L Dipólos de comprimento L

8.51 dB7.108.0

5.44 dB3.504.0

4.47 dB2.803.0

3.62 dB2.302.0

3.01 dB2.001.5

2.55 dB1.801.0

2.15 dB1.640.5

1.76 dB1.50<<1

Ganho (dB)GanhoL em λ

Ganho das antenas dipólos

Parte Real e ImaginParte Real e Imagináária da Impedânciaria da Impedância


Dipólo Dobrado Dipólo Dobrado

λ/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.


Teoria das ImagensTeoria das Imagens

λ/4


MonopóloMonopólo

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 éomnidireccional, isto é possui o mesmo ganho em todas as direcções.


Antenas ReflectorasAntenas Reflectoras

Reflector ParabReflector Parabóólicolico

Reflectores mais comuns:Reflectores mais comuns:− Plano;

− De canto;

− Parabólico.

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 de cantoReflector de canto


Reflector ParabólicoReflector Parabólico

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.Fig. 1 Parab1 Parabóólico Focolico Foco Fig.Fig. 2 Parab2 Parabóólicolico - OffsetOffset Fig.Fig. 3 3 CassegrainCassegrain



A superfície do reflector é inteiramente passiva. O elemento de alimentação estáusualmente 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:

Pf é a potência entregue pela fonte primária ao reflector parabólico

Plano da boca da parPlano da boca da paráábolabola

A partir deste plano todos os A partir deste plano todos os raios de onda saem em faseraios de onda saem em fase

Guia de ondas do TXGuia de ondas do TX

f é a distância focal do reflectorD é o diâmetro do reflectord é a profundidade do reflector

dD

f⋅

=16

2



Perdas por desalinhamento:Perdas por desalinhamento:

Queda do ganho da antena (emissão e recepção) por desvio α do eixo da antena, em relação à direcção de ganho máximo:

éé a abertura do lobo principala abertura do lobo principal

[ ]dB 122

dB3

=

θα

TL ( ) [ ]dB 122

dB3maxdB

⋅−=

θαα GG

D

K ⋅=dB3θ Tipicamente Tipicamente KK = 70= 70ºº



Rendimento de abertura - Relação entre a Aeff e a área da boca da parábola

eficiência de radiaçãoperdas por spilloverperdas por espalhamentoperdas por difracçãoperdas por obstruçãoetc.

[ ]dB log102

⋅⋅=λ

πη DG a2

22

22

444λ

πηλπη

λπ R

AAG afísicaaeff ⋅=⋅⋅=⋅=

321 ηηηη ⋅⋅=a

física

effa A

A=η 2RAA afísicaaeff ⋅⋅=⋅= πηη

8.05.0 << aη

RecomendaRecomendaçção ITUão ITU--RR


( ) ( ) ( )ϕαβ coscoscos ⋅=

151269.0=+

=hR

Ra

T

T

(P) local do latitude - (P) local do e (S) satélite do longitude a entre diferença -

ϕα

Órbita Geostacionária - GEOÓrbita Geostacionária - GEO

Terra

Altitude da órbita h = 35786 km;Inclinação 0ºPeríodo 23h 56m 4s

hSlant Range – distância do satélite S ao local P

Raio da Terra RT= 6378.13 kmRaio da órbita GEO = 42164.13 km

comcom

( )( ) [km] cos141999.0135786 β−⋅+⋅=d


( ) ( )( )β

βθsin

151269.0costan

−= ( )( )

−=

ϕαφ

sintan

arctan180

Apontar Reflector para Satélite GEOApontar Reflector para Satélite GEO

Ângulo de ElevaÂngulo de Elevaççãoão para o satpara o satéélitelite

( )( )

=

ϕαφ

sintan

arctanSe Latitude de P <0Se Latitude de P <0

( )( ) º360

sintan

arctan +

=

ϕαφSe Azimute <0Se Azimute <0

Ângulo de Azimute Ângulo de Azimute relativamente ao Norte relativamente ao Norte

InclinaInclinaçção da Polarizaão da Polarizaççãoão

( )( )

=

ϕαγ

tansin

arctan


CoimbraCoimbra

Latitude = 40.20 N, Longitude = -8.41 WLat = 40 º, 12.0 min NorteLong = 8 º, 24.6 min Oeste

Apontar Antena para Satélite a 19,2ºEApontar Antena para Satélite a 19,2ºE

ElevaElevaçção do prato ão do prato == 35.535.5ºº, , Azimute = 146.2Azimute = 146.2ºº (magn(magnéético)tico)PolarizaPolarizaçção = ão = --28.728.7ºº

SatSatéélite ASTRA a 19,2lite ASTRA a 19,2ººEE


Antenas de AberturaAntenas de Abertura

Antena Abertura RectangularAntena Abertura Rectangular

Antena Abertura CAntena Abertura Cóónicanica

Antena Abertura CAntena Abertura Cóónicanica

Antena Abertura RectangularAntena Abertura Rectangular


Antenas ImpressasAntenas Impressas

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


Antena Antena YagiYagi

Antena Antena YagiYagi

Antenas YagiAntenas Yagi


Antenas de BiquadAntenas de Biquad

Antena Antena BiquadBiquad Antena Antena BiquadBiquad com plano reflectorcom plano reflector

Diagrama de RadiaDiagrama de Radiaçção da Antena ão da Antena BiquadBiquad


Antenas - Ganhos Típicos Antenas - Ganhos Típicos

• Dipólo Curto

• Dipólo /2

• Corneta rectangular

• Corneta circular

• Reflector parabólico

dB 76.1 ;5.1 == GG

dB 15.2 ;64.1 == GG

dB log101.8 2

⋅⋅+=λ

BAG

dB 2.82- log20

⋅⋅=λ

π DG

dB log102

⋅⋅⋅=λ

πη DG


Comparação AntenasComparação Antenas

LinearMédioMédioEndfireAntena Microstrip

LinearBaixo / MédioBaixo / MédioBroadsideAntena Slotted

LinearMédio /AltoMédio /AltoEndfireAntena Yagi

Linear/CircularAltoMédioBroadsideAntena Parabólica

Linear/CircularMédio /AltoMédioBroadsideFlat Panel Antena

LinearBaixoBaixo /MédioBroadsideDipólo Múltiplos Elementos

LinearBaixoBaixoBroadsideDipólo

Polarização DirectividadeGanho de Potência

Diagrama de Radiação

Antena

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