ANT022808 2023 1 AULA03
Propriedades gerais das antenas
- OBJETIVOS
- Os objetivos de aprendizagem desta aula são:
- Definir e interpretar os diagrama de radiação de campo normalizado e de potência, obtendo os parâmetros principais da antena tais como diretividade e ganho.
- Analisar alguns tipos de antenas a partir dos diagramas de radiação, comparando elas através dos parâmetros estudados.
- METODOLOGIA
- A aula será de tipo expositiva, com exemplos de cálculo, utilizando o quadro branco. Os seguintes assuntos serão abordados em aula:
- Função diretividade e diretividade máxima;
- Eficiência da antena; e
- Ganho da antena.
- PARA ESTUDO
- O material de estudo para esta aula é principalmente (BALANIS, 2008, vol 1), cap. 2, até sec. 2.9. Também, (RIBEIRO, 2012) capítulo 8, até sec. 8.3. Complementarmente, indica-se a leitura do (STUTZMAN, 2016), capítulo 2, sec. 2.4.5, 2.4.6, e 2.5. Destaca-se os exercícios 8.3 - 8.5, 8.8, 8.9, 8.12 - 8.20 (RIBEIRO, 2012), além de 2.5-1, 2.5-2, 2.5-3, 2.5-5, 2.5-7, 2.5-9 (STUTZMAN, 2016).
- NOTA
- A RADIAÇÃO é, na verdade, a propagação ou condução do calor a uma certa velocidade. Podemos dizer que a radiação é aquilo que irradia, ou seja, sai de raios, e estes raios saem de algum lugar. Em resumo, a radiação é considerada como sendo a propagação no espaço de partículas – constituídas de carga, massa e velocidade – e campos elétricos e magnéticos. Existem dois tipos de radiação, a não ionizante (que emite um baixo índice energético) e a radiação ionizante, cujo alto teor de energia é capaz de arrancar elétrons do átomo do qual pertencem. A única diferença entre a radiação e a luz é a frequência com que ocorre a radiação nos corpos. Toda a luz que vemos nada mais é que a propagação do calor.
- Já a IRRADIAÇÃO é a propagação da energia (calor) sem que haja a necessidade de um meio material para que isso aconteça. Na verdade, os significados das duas palavras são muito parecidos, porém com sentidos diferentes:
- Radiação = transmissão de energia através do espaço.
- Exemplo: O Sol emite radiação.
- Irradiação = exposição à radiação.
- Exemplo: Quando o objeto que emite radiação está fora do corpo do indivíduo. Nós estamos expostos à radiação solar.[3]
Parâmetros Principais das Antenas
- INTRODUÇÃO
- Uma antena é um elemento passivo de um circuito de transmissão ou de recepção de sinais (não amplifica o sinal).
- – Se uma linha de transmissão de fios paralelo for deixada aberta, os campos escapam pela extremidade, no entanto a radiação é ineficiente.
- – A radiação é melhorada, se fizer uma dobra nos condutores de modo que formem um ângulo reto com a linha de transmissão.
- – Os campos magnéticos não mais se cancelam e se ajudam mutuamente.
- – O campo elétrico se espalha de um condutor para o outro.
- – Resultando em uma antena.
Figura 14 - Relação entre transmissor e linha de transmissão.
- A radiação ideal acontece quando o segmento dobrado tiver um comprimento de um quarto de onda na frequência de operação (isso faz a antena ter um comprimento de metade do comprimento de onda).
- – A tensão cria um campo elétrico e a corrente cria um campo magnético.
- – Os campos magnético e elétrico variam de acordo com o sinal aplicado.
- – Um campo elétrico variável no tempo age como cargas em movimento ou fluxo de corrente, que por sua vez, cria um campo magnético.
- – Como o campo magnético varia no tempo, cria-se um campo elétrico.
- – Os campos elétrico e magnético interagem um com o outro e um mantêm o outro a medida que se propagam através do espaço.
Figura 15 - Relação entre linha de transmissão e antena.
- O comprimento do condutor depende da frequência.
- – Metade ou ¼ de comprimento de onda.
- – Se a antena for menor que ¼ do comprimento de onda ocorre uma radiação pequena.
- – Se o comprimento de onda for muito maior que o comprimento de fio, também ocorre radiação pequena.
- – A distribuição das ondas estacionárias de tensão e corrente na antena (quando dobrado e formado o ¼ de onda).
- – No centro a tensão é mínima e a corrente é máxima.
Figura 16 - Relação entre antena e comprimento de onda.
Resistência de Radiação da Antena
A antena que irradia energia eletromagnética aparece para o gerador como uma carga elétrica idealmente resistiva de modo que a potencia aplicada é consumida como energia radiada. Não dissipa calor, dissipa energia eletromagnética radiada.
Lembrando:
Figura 17 - A potência radiada pela antena é igual a potência "dissipada" em Rr.
Portanto, a resistência de radiação (Rr) é uma resistência fictícia que dissipa uma potência igual a potência radiada pela antena.
Logo:
onde:
Para o dipolo infinitesimal:
onde:
- ar: é o vetor unitário na direção radial.
Integrando através de uma esfera:
Figura 18 - Considerando uma superfície esférica.
Temos:
Como na região de campos distantes o vetor de point (ρ) e vetor dS são paralelos, basta multiplicar os módulos. Então, ar produto escalar com ar é um.
Logo:
Considerando que o resultado da integral (tabelada) é:
temos:
como:
- NOTA
- Não podemos aplicar essa fórmula para l=λ. Só vale para dipolo infinitesimal. Portanto l << λ.
- EXEMPLO
- Calcular a resistência de radiação de um dipolo de 1 cm operando na frequência de 300 MHz. Calcular também a corrente necessária para 1 W de potência radiada.
Portanto: (l=λ/100)
- NOTA 1
- Como Rr é muito pequena, a corrente tem ser muito alta. Antenas curtas radiam muito mal.
- NOTA 2
- Isso é bom ou ruim? Isso é muito bom porque a maior parte das antenas que existêm são antenas ditas não intencionais. Se qualquer pedaço pequeno de condutor, como trilhas na placa ou pernas de componentes como resistores e capacitores, perderia toda a energia por radiação, além de captar interferência de todos os lados.
Diagrama de Radiação
Na região de campos distantes, para qualquer antena, a densidade de potência decai com r2 e os campos decaem com r.
Portanto:
- O diagrama de radiação é uma representação gráfica de F(θ,φ) ou de G(θ,φ) que mostra as propriedades de radiação ou recepção de uma antena.
- Mostra a amplitude da potência radiada ou recebida ou do campo elétrico nas diferentes direções definidas pelos ângulos θ e φ na região de campos distantes.
- ANTENA ISOTRÓPICA
- É uma fonte pontual teórica de energia eletromagnética.
- – Os campos E e H radiam em todas as direções a partir de uma fonte pontual.
- – Em qualquer distancia da fonte, as frentes de onda tem a forma de uma esfera.
- – No campo distante, a esfera é tao grande que uma pequena área parece ser plana em vez de curva – assim como a Terra.
- – A maioria das análises de campo distante de antenas é feita considerando uma superfície plana de radiação com campos E e H perpendiculares.
- – Nenhuma antena radia isotropicamente.
Figura 19 - Diagrama de radiação antena isotrópica.
Lembrando:
- DIPOLO DE MEIA ONDA
- – A energia radiada tem forma de "rosquinha".
- – O dipolo está alinhado com o eixo x de 90° a 270°.
- – A quantidade máxima de energia é irradiada em ângulo reto (eixo x) com o dipolo 0° a 180°.
- – O dipolo é entendido como uma antena direcional.
- – Para uma melhor relação TX/RX as antenas devem estar paralelas umas as outras.
- – A extremidade do dipolo não radia energia.
Figura 20 - Diagrama de radiação dipolo de meia onda.
Lembrando:
O dipolo infinitesimal radia igualmente num plano → antena omnidirecional.
Figura 21 - Plano Vertical e Plano Horizontal.
- ANTENA DIRETIVA
- – Se refere a capacidade de uma antena para enviar ou receber sinais ao longo de uma estreita faixa horizontal.
- – A orientação física da antena proporciona uma curva de resposta direcional.
- – Age como um tipo de filtro – para oferecer uma seletividade baseada na direção do sinal.
- – Proporciona maior eficiência de transmissão de potencia.
- – Nas antenas omnidirecionais, a potencia transmitida irradia para todas as direções, somente uma pequena parcela da potencia é recebida no receptor.
Figura 22 - Plano Vertical e Plano Horizontal.
Lista de Exercícios
- Uma antena dipolo com tamanho de 40m radia uma frequência de 740kHz. Qual a distância da antena é considerado campo distante?
- Calcular a resistência de radiação de um dipolo de 0,5 cm operando na frequência de 460 MHz. Calcular também a corrente necessária para 1 W de potência radiada.
- Uma antena isotrópica irradia 75W de potência no ar, em uma região desobstruída. Calcular a densidade de potência, o campo elétrico e o campo magnético a 5km e a 10km de distância.
Formulário |
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Referências
[1] https://youtube.com/playlist?list=PLV2ClAMG4tOiSlM0BfQaypjBoGHn8kHtG
[2] Apostila: Antenas e Propagação. Professor Ramon Mayor Martins, MEng.
[3] https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/a-diferenca-entre-radiacao-irradiacao.htm