ANT022808 2022 2 AULA01
Introdução à teoria de antenas e seus tipos
- OBJETIVOS
Os objetivos de aprendizagem desta aula são:
- Compreender o conceito de antena, explicando os fundamentos básicos que a definem.
- Conhecer os principais parâmetros antenas, seus tipos e suas aplicações, relacionando com suas faixas de frequência de operação nessas aplicações.
- METODOLOGIA
Será uma aula expositiva e dialogada, utilizando apresentação de slides, onde serão abordados através de exemplos os seguintes assuntos:
- Por que estudar antenas?
- Conceitos básicos sobre antenas e aplicações;
- Principais tipos de antenas e categorias;
- A antena isotrópica;
- PARA ESTUDO
O material de estudo para esta aula é principalmente (BALANIS, 2008, vol 1), capítulo 1, e (RIBEIRO, 2012), capítulo 2. Complementarmente, indica-se a leitura do capítulo 1 do (STUTZMAN, 2016).
– Destacam-se os exercícios 6.1, 6.6, 6.8, 6.10 do (RIBEIRO, 2012) e o 1.4-1 do (STUTZMAN, 2016).
Para saber mais sobre o funcionamento dos diversos tipos de antenas, recomenda-se assistir ao longo da primeira parte do semestre letivo (subunidade I) as videoaulas 10 à 23 da playlist de antenas do prof. Walter (UFSC):
O que é uma antena?
Antena é um dispositivo que transforma energia eletromagnética guiada pela linha de transmissão em energia eletromagnética irradiada, ou o contrário, isto é, transforma energia eletromagnética irradiada em energia eletromagnética guiada para a linha de transmissão. Por isso, a função da antena é primordial em qualquer comunicação realizada por radiofrequência. A relação entre as potências de emissão e recepção é proporcional e obedece à Fórmula de Friis.
- Antena é definida pelo dicionário como
- "Um dispositivo metálico para irradiar ou receber ondas de rádio."
- A definição oficial do IEEE é mais simples ainda
- "Um meio para irradiar ou receber ondas de rádio."
Essas definições estão corretas para as obras em que figuram: as antenas são um meio para irradiar e receber ondas de rádio. Aplicam-se diversas técnicas de diretividade, onde fatores como a frequência e o ganho desejado são fundamentais para definir seu formato e dimensão.
De forma geral, existe uma proporção entre o comprimento da onda eletromagnética e o tamanho da antena.
Por sua natureza, deduz-se que a antena ocupa sempre o último lugar na cadeia de transmissão e o primeiro lugar na cadeia de recepção, daí a importância de seu estudo e entendimento para as telecomunicações.
No estudo e projeto de antenas, não importa em que frequência do espectro eletromagnético seja aplicada, sempre serão usados os mesmos princípios matemáticos, físicos e práticos da teoria eletromagnética, ela é constante, imutável e invariável.
Quanto maior a frequência utilizada nas antenas, maior deve ser a precisão dos dispositivos, equipamentos e medições.
Figura 1 - Ondas confinadas X Ondas não confinadas.
Antena isotrópica
Antena isotrópica é aquela que irradia igualmente em todas as direções. Os diagramas de irradiação vertical e horizontal são em forma esférica. Essa antena pode ser comparada a uma lâmpada que ilumina igualmente em todas as direções.
A antena isotrópica existe somente na teoria (não existe antena ideal), e sua finalidade é servir como padrão de referência na medição de outras antenas, embora alguns fabricantes considerem a antena dipolo um elemento bem melhor como padrão de referência, porque ele é uma antena real e não imaginária.
De qualquer forma, a escolha de uma ou outra referência não altera em nada as características da antena medida. É a mesma coisa que medir uma mesa em metros ou polegadas; apesar dos números se apresentarem diferentes, o tamanho da mesa será igual. É lógico que sempre é necessário indicar qual a unidade que foi usada (metros ou polegas). A mesma coisa acontece no caso da antena: devemos indicar qual o padrão de referência que usamos para expressar o seu ganho.
Figura 2 - Antena isotrópica.
- Potência total radiada (transmitida)
- PT [W]
- Densidade de potência
- [W/m2]
Para uma onda eletromagnética que se propaga pelo espaço livre, temos:
Onde:
- E: é valor de pico do capo elétrico.
- ou isto é a impedância intrínseca da ar.
- Campo elétrico
- [V/m]
- Campos de onda esférica radiada por uma antena isotrópica
- A0: constante.
- r: distância radial.
- Conclusões
- Numa onde esférica, os campos decaem com a distância à fonte.
- A densidade de potência decai com o quadrado da distância.
- As frentes de onda são superfícies esféricas.
- Para uma antena isotrópica, as amplitudes dos campos e a densidade de potência são constantes nas frentes de onda, ou seja, possuem distribuição uniforme.
Dipolo infinitesimal (dipolo ideal ou hertziano)
- Elemento de corrente de comprimento tal que .
- Corrente com variação harmônica no tempo e distribuição uniforme ao longo do comprimento: .
Figura 3 - Dipolo infinitesimal.
onde:
- [A]
Figura 4 - Distribuição de corrente.
Figura 5 - Campos irradiados pelo dipolo infinitesimal (animação).
- Sistema de coordenadas esféricas
Figura 6 - Sistema de coordenadas cartesianas ou esféricas.
onde:
- r: distância radial; varia de 0 à infinito.
- θ: ângulo de elevação; varia de 0 à 180°.
- Φ: ângulo de azimute; varia de 0 à 360°.
- Campos radiados
Figura 7 - Campos radiados.
- Campo Elétrico
para:
- Campo magnético
Figura 8 - Campos irradiados pelo dipolo infinitesimal.
Exercícios
- Tarefa
- Busca de uma antena.
- Localize um exemplar de cada um dos quatro tipos principais de antenas. De preferência, as antenas devem estar em sua comunidade e em uso. Tire uma fotografia ou faça um desenho da antena e suas vizinhanças. Se não conseguir encontrar um exemplo em sua comunidade, você pode utilizar catálogos, revistas ou internet.
- Prepare um breve relatório que mostre cada um dos quatro tipos de antena e inclua informações sobre a antena,como tipo, frequência de operação, propósito e uso, e outras informações que você puder encontrar.
- A tarefa deverá ser postada nas Atividades no SIGAA e terá nota.
Referências
[1] https://youtube.com/playlist?list=PLV2ClAMG4tOiSlM0BfQaypjBoGHn8kHtG