Mini curso de antenas - telecomunicações - wmerson

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CAPÍTULO 1
FUNDAMENTOS EM ANTENAS
1.1 Introdução
Antena é um dispositivo por meio do qual recebe ou transmite uma onda eletromagnética.
Qualquer pedaço de fio pode ser usado como uma antena, sendo que evidentemente pode não
possuir um bom rendimento. É comum pendurar um pedaço de fio na entrada da antena de uma
TV ou rádio para melhorar a recepção do sinal. A explicação porque uma antena transmite ou
recebe um campo elétrico, não é uma tarefa as vezes fácil. A análise e cálculo dos campos
irradiados e recebidos de uma antena é explicado pelas equações de Maxwell, que por meio das
quais calculamos os campos elétrico e magnético à uma distância qualquer da antena, como
veremos futuramente.
Uma outra função de uma antena é direcionar a intensidade de radiação em uma determinada
direção na qual se deseja transmitir o sinal, como é o caso de ligação ponto a ponto de um enlace
de microondas e comunicação via satélite.
Figura 1.1 Antena como um dispositivo de transmissão
Os principais tipos de antenas existentes na literatura são:
- Radiador Isotrópico
O radiador isotrópico é uma antena hipotética que irradia igualmente em todas as direções, como
se fosse uma fonte pontual. Normalmente as propriedades das outras antenas são definidas com
respeito ao radiador isotrópico.
- Dipolo meia onda e maior do que meia onda
O dipolo meia onda é uma antena tipo filamentar que possui tamanho l = /2 e é o mais usado na
prática, devido a sua facilidade de construção e de casamento de impedância. Outras antenas de
tamanho maior como de um comprimento de onda, um e meio comprimento de onda , etc. também
podem ser encontradas na literatura. A figura 1.2b mostra um dipolo meia onda com sua
distribuição de corrente ao longo do mesmo. As figuras 1.2c e 1.2d mostra um dipolo para outros
comprimentos diferentes do meio comprimento de onda, com com suas distribuições de correntes.
Figura 1.2 dipolo (a) curto, (b) meia onda, (c) e (d) outros valores de l
- Dipolo ideal e dipolo curto
O dipolo curto e dipolo ideal são antenas do tipo filamentar cujo comprimento (l) da mesma é
muito menor do que o comprimento de onda ( l << ) . Estas antena são usadas quando a frequência
é muito baixa, como é o caso de f < 1 Mhz. A figura 1.2a apresenta um dipolo curto alimentado
por uma corrente de intensidade linear I. O grande problema destas antenas surge devido ao
casamento de impedância pois a resistência de radiação das antena dipolo curto é muito baixa,
como veremos. Estas antenas apresentam também como um elemento capacitivo dificultando
também o casamento de impedância, sendo necessário adicionar uma bobina no circuito da antena.
A vantagem desta antena é possuir um tamanho reduzido, pois quando trabalhamos com baixas
frequências o comprimento de onda é grande, e o tamanho da antena dipolo meia onda fica muito
impraticável ( como por exemplo para uma frequência de 1 MHz, uma antena dipolo meia onda
terá comprimento de 150m ).
- Antena tipo loop
A antena tipo loop apresenta na forma de uma espira ou mais como mostra a Fig. 1.3b. Ela as vezes
pode ser feita como uma bobina, em que o núcleo pode ser de ar ou ferrite. Uma antena muito
utilizada na prática quando se usa polarização circular é a antena helicoidal, como mostra a Fig.
1.3c.
Figura 1.3 (a) dipolo, (b) loop circular, (c) helicoidal
- Antena Monopolo
A antena dipolo curto é uma antena filamentar de tamanho igual à um quarto de comprimento de
onda ( l = /2). Elas são usadas em transmissão de rádio AM, e são colocadas verticalmente
próximo `a superfície da terra, e como a frequência é baixa a terra torna boa condutora fazendo
com que a teoria das imagens seja aplicada, e tudo se passa em termos de radiação como se antena
fosse de meio comprimento de onda. Para aumentar a condutividade do solo coloca-se fios de
cobre radialmente distribuídos a partir do ponto central é colocada a antena. Em algumas situações
estas antenas são colocadas sobre regiões pantanosas pois nestas regiões a condutividade do solo
é alta.
- Antenas faixa Larga
As antenas faixa larga são usadas quando se deseja que a mesma opere em uma faixa de frequência
larga como é o caso a banda dos canais de TV. As duas antenas mais comuns usadas como faixa
larga são : helicoidal e log-periódica .
A antena helicoidal é construida como uma hélice e sua polarização é circular. A antena logperiódica é constituída de vários dipolos colocados em paralelo, como será visto no capítulo V. O
ganho desta antena pode variar de 10 até aproximadamente 100 vezes comparado ao radiador
isotrópico.
- Antena Yagi-Uda
A antena Yagi-Uda (Fig. 1.4a) é formada também de um conjunto de dipolos em paralelo onde
apenas um elemento é ativo e os outros elementos são elementos passivos que são usados como
refletores e diretores aumento o ganho para valores em média de 10 vezes comparadas à um
radiador isotropico.
Figura 1.4 (a) antena Yagi, (b) conjunto, (c) conjunto de guias de ond
- Conjunto de Antenas
Um conjunto de antenas é constituído por uma ou mais antenas de maneira disposta tal que o
ganho do conjunto é maior do que quando se usa apenas uma antena. A distância entre as antenas e
a fase da corrente que alimenta as mesmas é feita de modo a termos um efeito construtivo dos
campos no ponto que se deseja calcular o campo.
- Antena Tipo Abertura
As antenas em abertura mais comuns são as antenas cornetas ( Fig. 1.5) Estas antenas são
largamente usadas em comunicações via satélite por possuir um ganho elevado.
Figura 1.5 Antenas tipo abertura
- Antenas Refletora
O processo de reflexão é o fenômeno explicado com base na teoria da ótica geométrica, quando
um raio incidente em uma superfície da origem `a uma onda refratada e uma onda refletida. A onda
refletida pode estar em fase com a onda direta produzindo um fenômeno construtivo.
A superfície refletora pode ter várias configurações. A superfície refletora mais comum
encontrada na prática é do tipo parabólica. Estas antenas possuem um ganho de potência elevado
e pode atingir valores superiores à 100 mil vezes quando comparado ao ganho do radiador
isotrópico. Elas são mais usadas em frequência superior a 1 Ghz, como é o caso de enlaces de
comunicação via satélite e microondas. A Fig. 1.6 mostra alguns tipos de superfícies refletoras
com seus elementos alimentadores. A Fig. 1.6(a) mostra um refletor parabólico com alimentador
frontal, a Fig.1.6(b) mostra um refletor parabólico com um sub-refletor também parabólico no foco
da parábola. Esta configuração é chamada de Casseggrain. A Fig. 1.6(c) mostra um refletor tipo
refletor de canto. Todos produzem um focolização dos feixes para o ponto focal onde se situa o
alimentador ou o sub-refletor como no caso da antena tipo Cassegrain.
Figura 1.6 Antenas refletoras
1.2 Mecanismos de Irradiação
Uma das primeiras perguntas que surge sobre as antenas é “como se dá o processo de
radiação de uma antena ?“. Em outras palavras como um campo eletromagnético é gerado em uma
fonte, guiada por uma linha e escapa para o espaço livre?
Vamos considerar uma fonte de tensão conectada à uma linha de transmissão de dois condutores
que é conectada à uma antena, como mostrado na figura 1.7 . A tensão aplicada nos dois
condutores cria um campo elétrico entre os dois condutores da linha. O campo elétrico tem
associado à ele suas linhas de força as quais são tangentes ao campo elétrico em cada ponto e sua
intensidade é proporcional à intensidade do campo elétrico. As linhas de força do campo elétrico
tem uma tendência de atuar nos eletrons livres associados aos condutores e força os mesmos a se
deslocarem. O movimento das cargas cria uma corrente que por sua vez cria em torno dos um
campo magnético. Associados ao campo magnético estão as linhas força magnética as quais são
tangentes ao campo magnético.
As linhas de força magnética sempre formam loops fechadas enciclando os condutoes porque não
há carga magnética.
As linhas do campo elétrico desenhadas entre os dois condutores auxilia a distribuição das cargas.
Se assumimos que a fonte de tensão é sinoidal, esperamos que o campo elétrico entre os condutores
também é senoidal com período igual ao da fonte.
A intensidade do campo elétrico indicará a densidade das linhas de força com a seta mostrando a
direção relativa (positiva ou negativa). A criação do campo elétrico e magnético variável no tempo
entre os dois condutores forma uma onda eletromagnética que viaja ao longo da linha de
transmissão. A onda eletromagnética entra na antena e tem associado a ela cargas elétricas e as
correspondentes correntes. Se removemos parte da antena mostrado na figura , ondas no espaço
livre pode ser formadas por conexão do final aberto das linhas elétricas. As ondas no espaço livre
são periódicas mas um ponto de fase constante Po move para fora com velocidade da luz e desloca
para uma distância /2 (ponto P1) em um tempo de meio período.
A figura mostra a criação e deslocamento no espaço livre de ondas no espaço livre de uma antena
meio comprimento de onda em instante de tempo t = 0, T/2, T/4, 3T/8.
Figura 1.7 Fonte de radiação fonte e linha de transmissão
As linhas de força partem do campo elétrico partem das cargas positivas para as negativas. Elas
também podem partir das cargas positivas e terminar no infinito ou partir do infinito e terminar
nas cargas negativas ou formar um loop não partindo nem terminando em nehuma carga
1.3 Equações Eletromagnéticas Fundamentais
O sistema de coordenadas usados nos capítulos seguintes são dados na figura 1.8. Faremos
aqui uma análise resumida de como calcular o campo produzido por uma distribuição de corrente
em um volume qualquer. Inicialmente calculamos calcula-se o vetor potencial elétrico e o
potencial escalar para em seguida obter o campo elétrico e magnético. O campo calculado por uma
antena dipolo ideal será alvo de discussão no parágrafo seguinte, mas para isso precisamos
determinar o vetor potencial.
Figura 1.8 Coordenadas esféricas para um sistema de radiação
As equações fundamentais do eletromagnetismo são,
(1.1a)
(1.1b)
(1.1c)
(1.1)
(1.1e)
são o campo elétrico, a indução magnética e o vetor deslocamento, respectivamente e
são a corrente total e densidade de corrente. Todas as os campos possuem variação com
x,y,z e t.
Considerando os campos como tendo variação harmônica, ou seja a variação no tempo é
do tipo ejt,
(1.2 a)
(1.2 b)
etc.
Utilizando a notação simplificada,
etc.
e substituindo nas quatro equações de Maxwell teremos,
(1.3a)
(1.3b)
(1.3c)
(1.3d)
(1.3e)
a corrente total JT é dada por,
(1.4)
A corrente total é a soma da corrente de condução (Ē) e da corrente imposta J. A corrente de
condução aparece no elemento condutor devido à indução que é produzida pela
corrente imposta que normalmente passa em outro condutor.
As relações constitutivas são dadas por,
,e
(1.5)
substituindo (1.4) e (1.5) em (1.3b) temos,
(1.6)
O conjunto de equações(1.3) poderá ser escrito como,
(1.7a)
(1.7b)
...
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 apostila de transmissão de ondas eletromagneticas.pdf (1149 KB)
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