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Antenas e Propagação – 2016/2017
Trabalho 1
Dipolo de meio comprimento de onda
Neste trabalho vamos simular a antena de meio comprimento de onda no
espaço livre, comparando os resultados obtidos pela simulação com os
valores teóricos para esta antena. Vamos também observar as alterações
dos parâmetros característicos da antena quando variamos quer o material
quer a espessura do fio condutor que a constitui. Iremos ainda optimizar o
comprimento do fio condutor, de forma a atingir a ressonância à
frequência de trabalho desejada, e medir a largura de banda da antena.
1. Dipolo de comprimento λ/2
Usando o Explorer crie uma cópia do ficheiro trab1_inicial.nec dando-lhe o
nome de trab1.nec. Este ficheiro terá as linhas seguintes:
CM Trab1
CM Simple dipole antenna in Free Space
CM Operating frequency 300 MHz
CE
SY len=1 'length of antenna
GW 1 9 0 0 -len/4 0 0 len/4 .0001
GS 0 0 1
GE 0
EX 0 1 5 0 1 0
FR 0 1 0 0 300 1
EN
Neste trabalho teremos de editar este ficheiro para modificar diversos
parâmetros da simulação. Isso pode ser feito usando o editor do programa
4nec2.exe, acessível na opção Input (.nec) file do menu Edit da janela
Main, ou então através de outros editores, como por exemplo o programa
WordPad.
Corra o executável 4nec2.exe e seleccione o ficheiro trab1.nec. Para
simular esta antena, no menu Calculate da janela Main seleccione a
primeira opção. Na janela que é aberta escolha a opção Far Field pattern,
em seguida defina uma resolução de 2º e termine com a opção Generate.
Nesta fase a antena é simulada pelo programa NEC sendo gerado o
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ficheiro de saída trab1.out. Os resultados da simulação são
disponibilizados em três janelas (Main, Pattern e Geometry).
P1 Tome nota dos valores da impedância de entrada e da eficiência da
antena disponíveis na janela Main. O que pode concluir relativamente ao
material constitutivo da antena?
No menu Show da janela Geometry seleccione a opção Near/Far Field e no
menu Show da janela Pattern seleccione as opções Indicator e Info. Esta
janela deve ser relativa ao plano vertical. Se não for o caso pode alterar o
plano no menu Far Field. Observe que com as teclas ↑ e ↓ pode deslocar
a posição do indicador e com as teclas ← e → pode variar os valores do
azimute.
P2 Qual o valor da simulação para o ganho máximo desta antena? Qual
será então o valor para a directividade máxima? Justifique, e compare
este valor com o valor teórico obtido para o dipolo de comprimento λ/2.
Para esta antena a intensidade de radiação normalizada pelo seu máximo é
π


 cos( 2 cos θ ) 
dada pela expressão 

senθ




3
aproximação sen θ .
2
podendo no entanto tomar-se como
P3 Usando a aproximação indicada calcule a largura de feixe a meia
potência (a 3 dB) para esta antena e compare com o valor obtido na
simulação.
Observe agora o diagrama de radiação num plano horizontal, por exemplo o
plano xy.
P4 Como pode caracterizar o comportamento deste radiador nesse plano?
2. Alteração do material constitutivo do dipolo
Vamos agora modificar o material constitutivo da antena para cobre. Para
tal, edite o ficheiro trab1.nec inserindo depois da linha GE (Geometry End)
uma linha LD (Impedance Loading) do tipo 5 (Wire Conductivity),
escolhendo para todos os segmentos da antena a condutividade de 5.8e7
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mho/m, que corresponde ao cobre. A condutividade para diversos tipos de
materiais pode ser obtida através do Help do programa, numa tabela
disponível em Wire Loading (LD 5). A linha inserida deve então ser a
seguinte:
LD 5 1 1 9 5.8e7
Simule agora esta antena de cobre e compare os novos valores da
impedância de entrada, da eficiência de radiação e do ganho máximo com
os que tinha obtido anteriormente.
P5 Qual é o valor resistência de radiação e da resistência de perdas desta
antena? Justifique.
P6 Explique o valor obtido para o ganho máximo tendo em conta a
directividade máxima que tinha obtido para a simulação inicial.
Se quiser pode repetir esta experiência alterando o tipo de material que
constitui a antena.
3. Alteração do diâmetro do fio condutor do dipolo
Vamos agora considerar que a antena é constituída por um condutor de
cobre do tipo AWG8. O diâmetro da secção deste condutor vale 3.2639
mm e pode ser obtido a partir do Help do programa, numa tabela acessível
em Wire Table. Edite o ficheiro trab1.nec e modifique a linha GW
(Generate Wire) considerando o novo valor para o raio do condutor, isto é:
GW 1 9 0 0 -len/4 0 0 len/4 0.0032639/2
Simule esta antena.
P7 Comente os resultados obtidos comparativamente com os valores
teóricos para o dipolo de comprimento λ/2.
4. Optimização do comprimento do dipolo para a situação de
ressonância a 300 MHz
Vamos optimizar o comprimento do dipolo da experiência anterior para que
este opere na ressonância à frequência de 300 MHz. Para tal, no menu
Calculate da janela Main seleccione a segunda opção que vai permitir fazer
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a optimização. Na nova janela, Optimizer and Evaluator, seleccione a
variável len, atribua um peso 100 apenas à componente X-a e corra a
optimização. Tome nota do valor da variável len para o qual corresponde o
menor valor para a componente X-a. Edite o ficheiro trab1.nec
substituindo o valor de len pelo novo valor optimizado e simule a antena
nesta situação.
P8 Explique o que se passou com a impedância de entrada da antena.
P9 Observe que a largura de feixe a meia potência aumentou um pouco.
Explique porque variou neste sentido.
5. Largura de banda do dipolo ressonante
Para concluir este trabalho vamos estimar a largura de banda do dipolo
ressonante (ou sintonizado) da experiência anterior. Para tal, vamos
observar como varia a sua impedância de entrada quando fazemos nas
frequências um varrimento de 60 MHz em torno da frequência de
ressonância de 300 MHz. Edite então o ficheiro trab1.nec e modifique a
linha FR (Frequency) da seguinte forma:
FR 0 61 0 0 270 1
Na opção Char Impedance do menu Settings da janela Main insira um valor
de 75. Desta forma os valores para o coeficiente de reflexão e para o
SWR da antena serão calculados supondo que a mesma está ligada a uma
linha com impedância característica de 75 Ω. Simule esta antena usando a
opção Use original file em vez da opção Far Field pattern. Na nova janela
de resultados pode visualizar a variação do SWR ou do coeficiente de
reflexão para o varrimento de frequências considerado. No menu Show
desta janela tem acesso a outras informações, nomeadamente a variação
da impedância de entrada da antena ao longo do varrimento.
Pode estimar a largura de banda da antena como a gama de frequências
para as quais o valor de SWR não excede 2.
P10 Qual o valor que obteve para a largura de banda?
Termine visualizando o diagrama de Smith acessível no menu Window da
janela Main.
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