1 Introdução à Radiopropagação e Parâmetros de Antena Receptora

OBJETIVOS: Os objetivos de aprendizagem desta aula são:

Compreender o objetivo de estudo de radiopropagação, listando as entidades envolvidas e as bandas no espectro eletromagnético de interesse em aplicações de telecomunicações.
Conhecer os parâmetros básicos que descrevem as antenas receptoras, calculando principalmente sua área efetiva.
Compreender as fontes de ruído na recepção de um radioenlace, o conceito de temperatura de antena, estimando ambas no contexto de um problema prático.

METODOLOGIA

A aula será de tipo expositiva, tratando dos seguintes assuntos:

Radiopropagação, objetivos e aplicações
Regulamentação do uso do espectro de rádio
Parâmetros de antenas en modo recepção
Ruído em radioenlaces
Temperatura de antena.

PARA ESTUDO

O material de estudo para esta aula é principalmente o (BALANIS, 2008, vol1) sec. 2.15 e 2.18, e (RIBEIRO, 2012) capítulo 9. Também se sugere o (STUTZMAN, 2016), capítulo 4, até a sec. 4.3. Como complemento, pode revisar também as videoaulas:

7 ( parte de tempertura de antena), 15 e 16 do prof. Marcio Rodrígues (UFRN). Link para a playlist: https://youtube.com/playlist?list=PLDOBaPHXbWVx0YK6JxryG2HO0GMKw5nUW
7 do prof. Walter Carpes Júnior (UFSC). Link para a playlist: https://bit.ly/3k7tGJc

1.1 Cálculo de Radio Enlaces

...figura...

GRANDEZAS

P_T: potência fornecida à antena trasmissora;

P_R: potência recebida;

G_T: ganho da antena transmissora;

G_R: ganho da antena receptora;

A_R: abertura efetiva da antena receptora.

CONSIDERAÇÕES

não há perdas por reflexão (tem-se o casamento de impedânicas);
as polarizações das antenas estão casadas (PMF=1);
as antenas estão alinhadas para máxima recepção.

Densidade de potência radiada

ρ = \frac{G_{T} P_{T}}{4 π r^{2}} [W / m^{2}]

Potênica recebida

P_{R} = ρ A_{R} [W]

Como:

\frac{A_{e}}{G} = \frac{λ^{2}}{4 π} \Rightarrow A_{R} = G_{R} (\frac{λ^{2}}{4 π})

FÓRMULA DE FRIIS

P_{R} = G_{T} G_{R} {(\frac{λ}{4 π r})}^{2} P_{T}

G_{R} = (\frac{4 π}{λ^{2}}) A_{R}

EXERCÍCIO 1

Um sistema de comunicação opera em 500MHz e tem o receptor a 1,5km do transmissor. A antena transmissora é uma Yagi-Uda com ganho G_T=20 e antena receptora é um dipolo de meia onda (G_R=1,64). A potência transmitida é de 500mW e as antenas estão alinhadas para a máxima recepção. Calcular a potência recebida pelo dipolo.

λ = \frac{c}{f} = \frac{3 \times 1 0^{8}}{500 \times 1 0^{6}} = 0, 6 m

P_{R} = G_{T} G_{R} {(\frac{λ}{4 π r})}^{2} P_{T} \Rightarrow P_{R} = 20 \times 1, 64 \times {(\frac{0, 6}{4 π 1500})}^{2} \times 0, 5 = 16, 6 n W

Nota: P_Rmin=limiar de recepção ou sensibilidade do receptor, então, P_R tem de ser maior que P_Rmin. Senão, o sistema não vai funcionar.

Cálculo usando decibéis

P_{R} = G_{T} G_{R} {(\frac{λ}{4 π r})}^{2} P_{T}

Dividindo os dois lados da equação por 1 mW:

\frac{P_{R}}{1 m W} = G_{T} G_{R} {(\frac{λ}{4 π r})}^{2} \frac{P_{T}}{1 m W}

Agora aplicando 10log em cada lado, temos:

10 l o g \frac{P_{R}}{1 m W} = 10 l o g [G_{T} G_{R} {(\frac{λ}{4 π r})}^{2} \frac{P_{T}}{1 m W}]

Desenvolvendo aplicando a soma de logaritmos:

P_{R} (d B m) = G_{T} (d B i) + G_{R} (d B i) + 20 l o g (\frac{λ}{4 π r}) + P_{T} (d B m)

Atenuação da onda esférica no espaço livre (perda básica)

L_{0} (d B) = 20 l o g (\frac{4 π r}{λ})

Portanto

P_{R} (d B m) = P_{T} (d B m) + G_{T} (d B i) + G_{R} (d B i) - L_{0} (d B)

A fórmula apresentada é válida para a propagação no espaço livre.
Em cenários mais realistas, outras perdas também devem ser consideradas, por exemplo, obstáculos, efeitos atmosféricos, descasamentos entre outros.

Veja

P_{R} = P_{T} + G_{T} + G_{R} - L_{0} - L_{o b s t a c u l o s} - L_{c h u v a} - L_{d e s c a s a m e n t o s} - . . . > P_{R m i n}

Na prática, inclui-se uma margem (folga) para levar em conta perdas adicionais:

P_{R} = P_{T} + G_{T} + G_{R} - L_{0} - L_{o b s t a c u l o s} - L_{c h u v a} - L_{d e s c a s a m e n t o s} > P_{R m i n} + M a r g e m

EXERCÍCIO 2

Dois transceptores separados de 8km operam em 2GHz. As antenas transmissora e receptora são idênticas, a potência na saída dos transceptores é de 100mW e o limiar de recepção é de -105dBm. A atenuação nos conectores e cabos que conectam os transceptores com as antenas, já incluídos os lados Tx e Rx, é de 15dB e a margem mínima é de 30dB. Supondo que o enlace seja em espaço livre, calcular o ganho mínimo das antenas de forma que o sistema opere adequadamente.

λ = \frac{c}{f} = \frac{3 \times 1 0^{8}}{2 \times 1 0^{9}} = 0, 15 m

G_{T} = G_{R} = G

P_{T} = 10 l o g (\frac{100 m W}{1 m W}) = 20 d B m

L_{c a b c o m} = 15 d B

P_{R m i n} = - 105 d B m

M a r g e m_{m i n} = 30 d B

Perda básica:

L_{0} (d B) = 20 l o g (\frac{4 π r}{λ}) = 20 l o g (\frac{4 π \times 8000}{0, 15}) = 116, 5 d B

P_{R} = P_{T} + G_{T} + G_{R} - L_{0} - L_{c a b c o n} > P_{R m i n} + M a r g e m

20 + G + G - 116, 5 - 15 > - 105 + 30

Assim

G > 18, 25 d B i

Supondo:

Escolher antes transmissora e receptora com G=20dBi, tem-se uma folga adicional de 2x1,75=3,5 dB.
Neste caso, a margem real será de 30+3,5 = 33,5 dB.

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