PROPAGAÇÃO II Conceitos de Antenas
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Instituto Superior de Engenharia de Lisboa Departamento de Engenharia de Electrónica e Telecomunicações e de Computadores Secção de Sistemas de Telecomunicações PROPAGAÇÃO II Conceitos de Antenas ISEL, Propagação II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas 1 Conceito de Antena Uma Antena é o elemento de uma ligação via rádio responsável pela radiação ou pela recepção de ondas radioeléctricas. Transfere energia de um circuito para o espaço e vice-versa. Polarização em Antenas A polarização de uma antena é definida em termos da orientação do vector Campo Eléctrico na direcção do máxima radiação. Para os casos de interpretação mais simples, o Campo Eléctrico E tem a mesma direcção do condutor eléctrico da antena, podendo ser horizontal, vertical ou circular. Um Dipolo Vertical, acima do solo radiará com uma Polarização Vertical. Um Dipolo Horizontal, acima do solo radiará com uma Polarização Horizontal. A Polarização Circular pode ser produzida por dois campos polarizados linearmente e perpendiculares, com uma diferença de fase de 90º. Pode ser direita ou esquerda, consoante o sentido de rotação. ISEL, Propagação II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas 2 Polarização em Antenas (cont.) Polarização de uma Antena de Emissão - Polarização da onda emitida pela antena antes de sofrer qualquer modificação devida a factores externos à antena (influência do ambiente de propagação). Polarização de uma Antena de Recepção – Polarização da onda incidente que induz um sinal máximo na antena de recepção (para a mesma densidade de potência). Uma Onda Electromagnética, ao incidir numa antena segundo uma dada direcção, dá origem a uma tensão máxima aos terminais da antena receptora quando houver adaptação de polarizações. Exemplos: Antena de λ/2 Ondas com Polarização Horizontal - Antena colocada na horizontal Ondas com Polarização Vertical - Antena colocada na vertical Fio inclinado Polarização vertical apenas segundo a direcção do fio Polarização linear, com declive positivo ou negativo consoante a direcção Antena em V Polarização elíptica ISEL, Propagação II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas 3 Radianos e ângulo sólido… dA = r 2 senθ dθ dϕ dΩ = dA = senθ dθ dϕ r2 ISEL, Propagação II, Pedro Vieira Sistema de coordenadas para análise de antenas… Área infinitesimal da superfície de uma esfera de raio r Ângulo sólido dΩ de uma esfera Conceitos de Antenas 4 Diagrama de Radiação Representação tridimensional da distribuição da Intensidade de Radiação. Envolvente do vector U (intensidade de radiação) em torno da antena. U - Intensidade de Radiação - Potência Radiada pela antena por unidade de ângulo sólido. Antena centrada num Sistema de Coordenadas Esféricas (r, θ, φ). É considerada a zona distante da antena. U (θ , ϕ ) Diagrama de Radiação = representação de UM UM 2 UB UM UM ISEL, Propagação II, Pedro Vieira α 3dB 2 Conceitos de Antenas 5 Densidade de Potência Radiada E 2 ZH 2 S= = 2Z 2 Densidade de Potência Radiada S -valor médio do Vector de Poynting (densidade média de potência radiada) Z- Impedância Característica do meio em que a onda se propaga Potência Radiada pela antena Pr = ∫ S∂ A = ∫ U∂ Ω = 4π U (θ , ϕ ) = r 2 S (θ , ϕ ) ∂Ω = senθ ∂θ ∂ϕ 2π π ∫ ∫S r 2 senθ ∂θ ∂ϕ ϕ =0 θ =0 potência radiada por unidade de ângulo sólido ou intensidade de radiação ângulo sólido. Os diagramas de radiação podem, também, ser construídos a partir das intensidades dos campos na zona distante da antena. U (θ , ϕ ) E(θ , ϕ ) H (θ , ϕ ) = = UM EM H M 2 ISEL, Propagação II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas 2 6 Largura de Feixe. Ângulo de Abertura (α) Feixe -Ângulo sólido do cone de irradiação ou de recepção. A esfera tem 4π radianos e a Directividade D reduz a radiação a um feixe Ω tal que Ω =4 π/D. Largura de Feixe - Distância angular entre as direcções segundo as quais a intensidade de radiação se reduz a metade do valor máximo. Também conhecida como largura de feixe de meia potência ou largura de feixe a -3dB. Nível de Lobo Secundário (NLS) Relação entre o máximo da intensidade de radiação de um determinado lobo secundário (k) e o máximo da intensidade de radiação do lobo principal U NLS dB = 10 log10 k UM ISEL, Propagação II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas 7 Relação Frente-Trás (RFT) Relação entre o máximo de intensidade de radiação do lobo principal e o máximo da intensidade de radiação do lobo oposto ao principal. Directividade U RFTdB = 10 log10 M UB Comparação entre a intensidade de radiação máxima e intensidade de radiação média ou intensidade de radiação radiada por uma antena isotrópica. 4π Umax U D = max = U medio Pr U medio = Quando o lobo principal ocupa uma posição dominante no diagrama de radiação Daproximada = Pr 1 U Ω = ∂ 4π 4∫π 4π 4π α 3dB H α 3dB V α3dBH e α3dBV são as larguras dos feixes em planos ortogonais principais (horizontal e vertical), expressos em radianos. Aproximação válida para antenas muito directivas (D > 12 dBi). ISEL, Propagação II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas 8 Ganho As características direccionais de uma antena são frequentemente expressas em termos da função de Ganho G (θ,φ). Ganho de uma antena é uma das características básicas, frequentemente utilizada como factor de mérito. Compara uma antena com uma dada antena de referência. Razão entre a máxima intensidade de radiação (numa dada direcção) e a máxima intensidade de Radiação (na mesma direcção) produzida pela antena de referência, com a mesma potência de entrada. A antena de referência normalmente utilizada é o radiador isotrópico. O dipolo de meia onda é, por vezes, considerado como a antena de referência ( como no caso da radiodifusão e televisão ). Está intimamente associado à Directividade, a qual, por sua vez, depende do Diagrama de Radiação da antena. S [W / m ] = 2 Pa 4π r 2 Intensidade de Radiação da Antena Isotrópica sem perdas ISEL, Propagação II, Pedro Vieira G= UM U UM U = M =η =η M =η D Pradiada U i Pa U medio 4π 4π U i [W / ang . sólido ] P =r S = a 4π Conceitos de Antenas 2 η= Pradiada Pa 9 Rendimento de uma antena… Para o circuito de alimentação, a antena é vista como sendo apenas uma impedância. A energia irradiada pode ser considerada como absorvida por uma resistência de radiação (Rr). Além desta, temos de considerar também, a resistência de perdas, a qual, para o caso de um bom rendimento, deve ser inferior a Rr. Pr η= Pa η= Rr Rr + R p η - rendimento da antena Rr - Resistência de Radiação Rp - Resistência de Perdas Pr- Potência radiada pela antena Pa - Potência de alimentação 2 Pp Pp- Potência de Perdas I2 I – Intensidade de corrente de Pp = Pa − Pr 2P Rr = 2r I Rp = alimentação. ISEL, Propagação II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas 10 Área Efectiva de uma antena (Ae) Potência Recebida Ae = Coeficiente de Adaptação de Polarização Precebida CP S Intensidade do vector de Poynting (Cp = 1, no caso de adaptação de polarização entre onda incidente e antena receptora) No caso de perfeita adaptação (de polarização e de impedância) teremos a abertura (ou área) efectiva máxima da antena. Fazendo uma experiência conceptual entre duas antenas 1 e 2 a funcionar em emissor / receptor, e trocando as suas funções, verifica-se, recorrendo ao princípio da reciprocidade que existe uma relação constante entre o ganho e a área efectiva máxima de uma antena. G1 G2 = Ae1 Ae2 O valor desta constante é independente da antena: λ2 Ae = G 4π ISEL, Propagação II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas 11 Área Efectiva de uma antena (Ae) – cont. De um modo geral, λ2 λ2 Ae = G Ci = η D Ci 4π 4π Factor de adaptação de impedâncias Precebida = CP S Ae λ2 Precebida = η D S Ci CP 4π Altura Efectiva de uma antena O conceito de área efectiva é atractivo em antenas de abertura. Em antenas lineares é mais directo o conceito de altura, ou comprimento efectivo. A área efectiva é utilizada para se chegar à potência recebida a partir da intensidade do vector de Poynting da onda incidente. A altura efectiva, permite obter a amplitude da tensão, V, aos terminais em vazio da antena com base no conhecimento da intensidade do campo eléctrico da onda incidente, E. he = V V = E 2 ZS Após algumas manipulações, ISEL, Propagação II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas D Rr he = λ π Z 12 Alguns resultados interessantes… ISEL, Propagação II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas 13 Exemplos de antenas… ISEL, Propagação II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas 14 Exemplos de antenas… ISEL, Propagação II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas 15 Um avião e suas antenas… ISEL, Propagação II, Pedro Vieira Conceitos de Antenas 16
