Antenas Filiformes

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Antenas e Propagação
Artur Andrade Moura
[email protected]
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• Equações de Maxwell e Relações Constitutivas
– Forma diferencial no domínio do tempo
Lei de Faraday
Equações
de Maxwell
Lei de Ampére
Lei de Gauss
Continuidade das linhas de força de B
Relações
Constitutivas
ε - permitividade
µ - permeabilidade
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– Notação fasorial para grandezas sinusoidais
(o mesmo para H)
Equações
de Maxwell
Condutividade
Relações
Constitutivas
Num meio linear, homogéneo e
isotrópico ε, µ e σ são constantes.
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• Determinação dos campos radiados
– Normalmente é mais simples determinar os campos devidos às
fontes recorrendo a vectores potenciais
• A – vector potencial magnético
• F – vector potencial eléctrico
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– Vector potencial magnético A devido a uma fonte de corrente J
• Dado que
• E usando a identidade vectorial (válida para qualquer vector)
• Podemos definir o vector potencial magnético pela relação
• Substituindo na equação de Maxwell para o rotacional de E vem
• Da identidade vectorial (onde φe é um potencial eléctrico escalar arbitrário)
• Podemos escrever para o campo eléctrico
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– Equação de onda
• Aplicando o operador rotacional à equação
e usando a identidade vectorial
temos
(1)
• Substituindo as relações seguintes em (1)
• Obtém-se
sendo
• Definindo a divergência de A pela condição de Lorentz
• Obtemos finalmente
Equação de onda
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– A equação de onda
é uma equação não homogénea que permite calcular o vector
potencial A a partir do conhecimento da densidade de corrente J
da fonte
– Uma vez obtido A podem-se calcular os campos pelas relações
seguintes
Obtém-se o campo magnético a partir de A
A partir do campo magnético obtém-se o
campo eléctrico, supondo a densidade de
corrente nula pois estamos interessados
nos pontos do espaço fora da fonte
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– A solução da equação de onda, para pontos do espaço fora da
fonte, pode ser feita por analogia com o caso estático (w = 0 e k
= 0) mas multiplicando pelo factor e-jKr
– Para o caso da fonte estar na origem das coordenadas o
integral a resolver é o seguinte
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– Para o caso da fonte estar fora da origem das coordenadas o
integral a resolver é o seguinte
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• Dualidade
• Se duas equações que descrevem o comportamento de duas grandezas
distintas têm a mesma forma matemática as suas soluções são idênticas;
as grandezas que ocupam as mesmas posições nas duas equações são
ditas grandezas duais assim como as equações
Grandezas Duais
Equações Duais
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• Dipolo infinitesimal ou elementar
(comprimento l << λ e raio a << λ)
– Esta antena constitui o elemento base para o estudo das
antenas filiformes de qualquer comprimento
– Considerando a antena na origem dos sistema de coordenadas
e orientada segundo o eixo dos zz temos
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– Partindo do potencial vector magnético
– Considerando que a densidade de corrente pode ser substituída
por uma corrente constante na direcção do eixo dos zz
– No passo seguinte obtém-se o campo magnético calculando o
rotacional do vector potencial, pela relação
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– A transformação de coordenadas rectangulares para esféricas é
0
0
– O rotacional em coordenadas esféricas terá apenas componente
segundo φ que podemos obter pela expressão seguinte
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– Do rotacional do potencial vector obtém-se o campo magnético
– Obtemos agora o campo eléctrico da equação de Maxwell
• considerando J = 0 pois estamos interessados no campo eléctrico em
pontos do espaço fora da fonte
Impedância
intrínseca
de meio
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As expressões obtidas para os campos permitem distinguir três
regiões espaciais em torno do dipolo elementar
• Região reactiva do campo próximo Kr << 1
– No campo eléctrico dominam os termos proporcionais a 1/r3
Em fase entre si mas em
quadratura com o campo
magnético (a potência média
associada é nula, daí o
nome de região reactiva)
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• Região de radiação do campo próximo Kr > 1
– No campo eléctrico o termo proporcional a 1/r3 é desprezável
Existe uma componente
relevante do campo
eléctrico (Er) segundo a
direcção da propagação
pelo que não temos
ainda uma onda TEM
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• Região do campo distante Kr >> 1
– No campo eléctrico domina o termo proporcional a 1/r
Esta é a região de interesse do ponto vista da
radiação. Os campos eléctrico e magnético
estão em fase, são perpendiculares entre si e
estão num plano perpendicular à direcção
radial da propagação, constituindo assim uma
onda TEM (Transverse ElectroMagnetic).
A impedância de onda é igual à impedância
intrínseca do meio.
No campo distante a onda electromagnética
radiada comporta-se como uma onda plana.
Impedância de onda
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• Densidade de potência
– É dada pelo vector de Poynting
– Com componentes segundo r e θ
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• Potência Média Total
– A potência média total na direcção radial é dada por
– Podemos também escrever
Prad + jQ
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• Potência radiada
– A parte real da potência média total é a potência média radiada
que normalmente designamos apenas por potência radiada Prad
Note-se que não depende de r, o que significa
que terá sempre o mesmo valor qualquer que
seja a esfera que se considera para integrar a
densidade de potência. Isto significa que a
densidade de potência W tem de diminuir
proporcionalmente ao aumento da área da
esfera de integração, isto é, W ~1/r2
• Potência reactiva Q
– A parte imaginária da potência média total é a potência reactiva
Decresce
rapidamente
com a distância r, sendo
desprezável no campo
distante
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• Resistência de radiação do dipolo elementar
– A partir da potência radiada pode-se definir a resistência de
radiação da seguinte forma
120π
– Uma antena filiforme real pode ser aproximada pelo dipolo
elementar se l << λ (usualmente considera-se l ≤ λ/50)
– Para l = λ/50 obtém-se uma resistência de radiação de 0,361 Ω
o que significa uma desadaptação elevada quando estas
antenas são alimentadas por linhas de 50 ou 75 Ω
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• Diagrama de radiação
– A intensidade de radiação é dada por
– Cujo máximo ocorre para θ = 90º
Omnidireccional
nos
planos perpendiculares
ao dipolo e tipo “figura
de oito” nos planos
que contêm o dipolo
Diagrama de radiação normalizado
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• Directividade
– Aplicando a definição obtém-se para a directividade máxima do
dipolo elementar
• Área efectiva máxima
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• Dipolo pequeno ou electricamente curto
(comprimento λ/50 < l ≤ λ/10 e raio a << λ)
z’ = z e R ≈ r
Distribuição de corrente linear com máximo
na origem e nula nos extremos da antena
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– Calculando o potencial vector com a distribuição de corrente
triangular vem
– Como z’ = z e R ≈ r obtemos o resultado seguinte
Metade do valor do potencial
vector do dipolo elementar
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– Como o potencial vector do dipolo curto é metade do obtido para
o dipolo elementar então os campos radiados serão também
metade
– Para o campo distante temos
– Como a intensidade de radiação é proporcional a Eθ2 então a
intensidade do dipolo curto será ¼ da do dipolo elementar
– O mesmo para a densidade de potência
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– Do mesmo modo se conclui que quer a potência radiada quer a
resistência de radiação do dipolo curto serão as do dipolo
elementar multiplicadas por ¼
– A directividade e a área efectiva têm o mesmo valor do dipolo
elementar
– O diagrama de radiação normalizado é igual para os dois
dipolos (curto e elementar)
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• Dipolo de comprimento finito (Regiões envolventes)
• Região do campo distante
Para o campo distante podemos considerar R e
r paralelos e tomar as seguintes aproximações
Nas amplitudes
R≈r
Nas fases
R ≈ r – z’cosθ
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• Região do campo distante
– As aproximações R ≈ r nas amplitudes e R ≈ r – z’cosθ nas
fases são válidas para r ≥ 2l2/λ
• Garantem um erro de fase menor que π/8 rad
– Esta aproximação é estendida para outros tipos de antenas
substituindo-se l pela maior dimensão da antena D
Região do campo distante (Fraunhofer)
• Define-se região reactiva do campo próximo se
Região de Fresnel
• Região de radiação do campo próximo se
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• Dipolo de comprimento finito
– Distribuição de corrente na antena
Toma-se como analogia o que se
passa numa linha de transmissão em
circuito aberto e considera-se para a
antena uma distribuição de corrente
sinusoidal, com um máximo I0 e com
nulos de corrente nos extremos.
Distribuição de corrente para vários valores de l
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• Determinação dos campos radiados distantes
• Considera-se o dipolo de comprimento finito constituído por dipolos
elementares de comprimento dz’.
• Cada dipolo elementar colocado na sua coordenada z’ tem uma distribuição
de corrente constante e igual ao valor da distribuição de corrente I(z’) para
essa coordenada.
• Recorrendo à sobreposição somam-se os campos distantes devidos a todos
os dipolos elementares que constituem o dipolo finito. Esta soma é um
integral onde se tomam as aproximações para o cálculo do campo distante,
isto é, nas amplitudes R ≈ r e nas fases R ≈ r – z’cosθ
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• Determinação dos campos radiados distantes
• A resolução do integral anterior pode fazer-se recorrendo a
sendo
• O resultado obtido é
• E para o campo magnético vem
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• Densidade média de potência radiada
• Intensidade de radiação
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• Diagrama de radiação
Para l ≤ λ não ocorrem
lóbulos secundários
Plano vertical
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• Diagrama de radiação
– Para l ≥ λ teremos lóbulos secundários (na figura l = 1.25 λ)
Diagrama 3D
Plano vertical
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• Potência radiada
– A resolução deste integral exige manipulações matemáticas
extensas obtendo-se
– Onde C = 0,5772 é a
constante de Euler e
os integrais Ci e Si ao
lado estão tabelados
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• Resistência de radiação, directividade e área
efectiva
• Resistência de entrada
Dependendo do valor de l normalmente o
valor da corrente de entrada será diferente
do máximo I0 da distribuição de corrente;
deve referir-se a resistência de entrada à
corrente de entrada Iin
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• Dipolo de meio comprimento de onda
• Utilizam-se as expressões para o dipolo de comprimento finito com l = λ/2
• Campos radiados distantes
• Densidade de radiação, intensidade de radiação
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• Diagrama de radiação (normalizado)
Omnidireccional nos planos
perpendiculares à antena
Direcção de máximo θ = π/2
Largura de feixe a meia
potência de 78º
Diagrama 3D
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• Potência radiada
• Directividade e área efectiva
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• Resistência de radiação
– Neste caso temos distribuição de corrente com Iin = I0
• Impedância de entrada
– Normalmente para eliminar a parte imaginária de Zin reduz-se o
comprimento físico l da antena para valores entre 0,47λ e 0,48λ,
isto é, procura-se o valor de l correspondente à primeira
ressonância onde Zin fica puramente real
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• Dipolo dobrado
• Em certos casos práticos usam-se linhas de transmissão com impedâncias
características mais elevadas que 50 Ω ou 75 Ω (por ex. 300 Ω). Para
promover a adaptação podem usar-se modificações do dipolo, sendo um
exemplo o dipolo dobrado.
s→0
λ/2 Id
Idd
Com s muito pequeno podemos dizer que o campo
distante radiado pelo dipolo dobrado é o dobro do
dipolo de meio comprimento de onda, logo para as
resistências de radiação teremos a relação
Rdd = 4Rd
Dipolo λ/2
Dipolo
Dobrado
Se em vez de dois elementos usarmos N elementos
próximos teremos
Rdd = N2Rd
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• Dipolo situado acima de um plano condutor
perfeito e infinito
– Recorre-se à teoria das imagens considerando uma antena
virtual, a antena imagem, abaixo do plano condutor
A localização da antena imagem
é tal que o campo produzido
pela antena real, em qualquer
ponto acima do plano condutor,
pode ser obtido somando o
campo directo proveniente da
antena real com o campo
proveniente da antena imagem
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• Dipolo elementar vertical a uma altura h do
plano condutor perfeito e infinito
Imagem
Aproximações para cálculo do campo distante
Nas amplitudes
r1 ≈ r2 ≈ r
Nas fases
r1 ≈ r – hcosθ
r2 ≈ r + hcosθ
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– Campo directo
– Campo reflectido (provem da antena imagem)
Coeficiente de reflexão vale 1
– Somando os dois campos e aplicando as aproximações nas
amplitudes e nas fases para o cálculo do campo distante temos
Factor do
elemento EF(θ)
Factor de
agrupamento
AF(θ)
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– Intensidade de radiação (máxima em θ = π/2)
– Diagrama de radiação
O número total de
lóbulos vem dado
pelo inteiro mais
próximo de 2h/λ + 1
Plano Vertical
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– Potência radiada, directividade e resistência de radiação
• Kh elevado então D0 e Rr ficam
iguais às do dipolo isolado
• Kh = 0 então D0 e Rr são o
dobro do dipolo isolado
• O máximo da directividade
ocorre para h = 0,458λ
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• O monopolo
– Antena vertical com l = λ/4, alimentada na sua base junto a um
plano condutor perfeito
Monopolo
• Acima do plano xy as antenas
produzem o mesmo campo, logo a
intensidade de radiação e densidade
de potência são iguais nesse semiespaço
• A potência radiada pelo monopolo e
a resistência de radiação são metade
do dipolo isolado
Dipolo
Equivalente
• A directividade do monopolo é o
dobro do dipolo isolado
• A impedãncia de entrada é metade
da do dipolo isolado
Imagem
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• Dipolo elementar horizontal a uma altura h do
plano condutor perfeito e infinito
Usam-se as mesmas aproximações
para cálculo do campo distante
Nas amplitudes
r1 ≈ r2 ≈ r
Nas fases
r1 ≈ r – hcosθ
r2 ≈ r + hcosθ
Imagem
Supondo antena na direcção do eixo dos yy
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– Campo directo
– Campo reflectido (provem da antena imagem)
Coeficiente de reflexão vale -1
– Somando os dois campos e aplicando as aproximações nas
amplitudes e nas fases para o cálculo do campo distante temos
EF(θ)
Nota:
AF(θ)
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– Intensidade de radiação
– Diagrama de radiação
O número total de
lóbulos vem dado pelo
inteiro mais próximo de
2h/λ com no mínimo 1
Plano vertical que contém a antena
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– Potência radiada, resistência de radiação e directividade
R(kh)
Notar que h = 0 não pode ser
considerado pois antena ficaria
sobre o plano condutor perfeito
não radiando
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• Efeito da terra (considerada como plana)
– Campo distante para o dipolo elementar vertical a uma altura h
da terra
• O coeficiente de reflexão Rv
depende das impedâncias
intrínsecas do ar e da terra e
dos ângulos de incidência e
de refracção
• O programa que iremos
usar permite considerar este
efeito de terra para vários
tipos de solos
Plano Vertical
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• Efeito da terra (considerada como plana)
– Campo distante para o dipolo elementar horizontal a uma altura
h da terra
• O coeficiente de reflexão Rh
depende das impedâncias
intrínsecas do ar e da terra e
dos ângulos de incidência e
de refracção
• Neste caso o diagrama não
é muito diferente da situação
de um plano condutor perfeito
Plano vertical que contém a antena
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