ANT022808 2023 1 AULA06
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Atividade de Simulação Eletromagnética - Radiadores básicos
- OBJETIVOS
- Os objetivos de aprendizagem desta aula são:
:*Complementar o conhecimento sobre radiadores básicos a partir de simulação eletromagnética.
- METODOLOGIA
- A aula será baseada em uma atividade de simulação eletromagnética e preenchimento de relatório (modelo será disponibilizado).
- PARA ESTUDO
- O instalador do software de simulação assim como alguns tutoriais podem ser encontrados no site: https://www.qsl.net/4nec2/
- INTRODUÇÃO
- O intuito desta atividade é complementar e auxiliar na compreensão da teoria sobre o funcionamento dos radiadores básicos do tipo dipolo, monopolo e antena de quadro a partir de simulações eletromagnéticas.
Tabela 1. Resumo de radiadores básicos (STUTZMAN, 2016):
Parte 1 - Dipolo curto - Análise de diagrama de radiação
Nesta parte, você irá analisar os resultados simulados para um dipolo curto (eletricamente pequeno) tais como padrão de radiação e parâmetros principais, ganho, componentes de campo elétrico, e resistência de entrada, assim como compará-los com os esperados conforme a teoria.
- Configure a impedância de referência para 75 Ohms na janela de menu principal (Settings > Char. impedance). ATENÇÃO: Mantenha essa configuração igual para todas as simulações das demais antenas.
#No editor*, construa um dipolo (Edit > input (.nec) file) disposto no eixo z, centrado na origem, com comprimento total de 2 cm e raio de espessura de 0,1 mm. Configure 11 elementos (segmentos), com excitação no segmento central (magnitude 1 V, fase 0). A frequência de simulação será de 300 MHz, e o ambiente (environment) será o espaço livre. Salve o arquivo de edição .nec (File > save as). Observação: Você pode optar por construir a estrutura usando o editor gráfico (Settings > Geometry edit) ou o textual (Settings > NEC editor (new)).
#Na mesma frequência, simule o diagrama de radiação de campo distante com uma resolução de um grau (1 deg.) (Calculate > NEC output data > Far field pattern > Generate).
#No menu principal, anote (em um papel ou diretamente no relatório) a impedância de entrada (impedance) e razão de onda estacionária (SWR) mostradas. Observação: a configuração realizada até o momento prevê fios de condutividade infinita, e portanto, nenhuma resistência de perdas. Se você quiser configurar a condutividade do fio para contabilizar as perdas e analisar a eficiência da antena, faça isso através da aba Source/loads na janela do editor ativando a opção “show loads” e preenchendo a linha com o tipo “wire conductivity”, o tag correspondente e o material desejado.
#No menu da janela de geometria, visualize e analise a distribuição de corrente (Currents> Current Magnitude, e Currents> Magnitude as color). Pode clicar na figura e rotacionar para melhorar a visualização, e também ajustar o zoom (View > reset ou zoom in/out). Também, visualize e analise o diagrama 3D (Show > Near/Far Field). Opcional: outra maneira de visualizar a distribuição de corrente e do diagrama é na visualização 3D, no menu principal (Window > 3D Viewer). ATENÇÃO: caso alguma janela de resultados de simulação seja fechada acidentalmente, simule novamente. Para evitar que isso aconteça , tente afastar e não clicar na janela de edição desnecessariamente.
#No menu do diagrama de radiação (Pattern), conforme esperado na teoria, analise os diagramas de ganho total 2D em ambos planos vertical (elevação) e horizontal (azimutal). A visualização dos planos pode ser alterada usando: Farfield > Vertical Plane. Além disso, pode mudar os valores de phi/theta para os planos vertical/horizontal utilizando as teclas de direção (esquerda, direita, acima, abaixo); o valor do ângulo phi ou theta correspondente aparece no canto inferior esquerdo. Analise a variação desses ângulos, e veja se condiz com o esperado para o diagrama de radiação em questão.
#Volte para o diagrama de ganho total 2D no plano vertical e Phi = 0, e tome nota do ganho máximo que aparece em dBi em cor azul no canto inferior direito e observe o ângulo de elevação (theta) onde isso acontece. Pode também obter informação do ganho máximo nas abas do menu (Show > info). Anote também a largura de feixe de meia potência (HPBW) desse plano que aparece dessa informação.
#Ative a vista de ambos planos horizontal e vertical simultaneamente* (Far field > Show both), analise, e em seguida salve a figura (Show > Print > Save as) e/ou copie (Copy) diretamente no relatório. *Atenção: caso não consiga ativar ambos planos, salve figuras independentes para cada plano.
#Finalmente, ainda no menu do diagrama de radiação (Pattern), analise agora os diagramas de campo elétrico, nas duas componentes E(phi) e E(theta) (Show > Next/previous Pattern) em ambos planos para cada uma delas. O nome do tipo de diagrama aparece em negrita no canto superior esquerdo. Verifique se os diagramas dessas componentes estão conforme o esperado pela teoria.
#Com a vista de ambos planos horizontal e vertical simultaneamente ativa, salve as figuras correspondentes a ambas componentes de campo elétrico.
==Parte 2 - Dipolo de meia-onda - Ajuste de sintonia==
Nesta parte, você realizará uma simulação varrendo a frequência de análise, o que permitirá ajustar o comprimento do dipolo de meia-onda até atingir sua sintonia (condição de ressonância) .
- Calcule o comprimento da antena para um dipolo de meio comprimento de onda na frequência de 300 MHz. Em seguida, no editor, ajuste o tamanho do dipolo da Parte 1. Pode aumentar o número de elementos para 101 (ou na mesma proporção do aumento da dimensão do dipolo). Cuide para manter a excitação centralizada. Salve seu arquivo .nec com outro nome.
#Antes de simular o dipolo de meia-onda assim como na parte 1, você terá que sintonizar ele para a frequência central. Para tanto, é útil realizar uma simulação de tipo varredura em frequência e analisar o casamento de impedância. Nas configurações, selecione uma varredura com cálculo no plano vertical unicamente (Calculate > NEC output data > Frequency sweep > Vert). Configure também a frequência inicial e final de simulação que corresponda a uma faixa de frequência (FR) de 50 MHz em torno de 300 MHz, com passo de 1 MHz (atenção, as quantidades já se encontram em MHz). Simule.
#Na janela de resultados Gain/SWR/Impedance, através do gráfico de SWR ou de magnitude de coeficiente de reflexão, e com a ajuda de um marcador (fazendo click em alguma das curvas gráficos), observe o valor da frequência em que o melhor casamento acontece, que coincide com a ressonância do dipolo. A partir desse resultado e do esperado na teoria, ajuste o comprimento da antena para que a ressonância aconteça em 300 MHz (Itere a simulação até encontrar uma sintonia próxima desse valor. Caso julgue necessário, pode ajustar o passo da simulação caso creia conveniente para obter melhor resolução).
#Uma vez atingida a sintonia desejada, salve o gráfico de SWR/Mag. de coeficiente de reflexão (Show > Print > Save as) incluindo o marcador na ressonância.
#Para valores de -10dB e de -20 dB (aprox) de magnitude de coeficiente de reflexão em torno da frequência de ressonância, tome nota do valor das frequências e valores de VSWR correspondentes.
#Troque para o gráfico de impedância (Show > Imped. Phase) e salve o gráfico incluindo o marcador na ressonância, para registrar o valor da impedância (real e imaginário) na ressonância.
==Parte 3 - Dipolo de meia-onda sintonizado - análise de diagrama de radiação==
Nesta parte, você irá analisar os parâmetros de antena do dipolo de meia onda sintonizado anteriormente na Parte 2, de maneira similar como realizado na Parte 1.
- Para o dipolo de meia-onda sintonizado (dimensões encontradas na parte 2), simule a antena seguindo os mesmos passos descritos na Parte 1 na frequência de 300 MHz, e anote os resultados de maneira similar.
==Parte 4 - Antena monopolo de quarto de onda - análise de diagrama de radiação==
Nesta parte, você irá analisar o equivalente do dipolo de meia-onda na sua versão monopolar, com o uso de um plano condutor.
- Modifique a antena para um monopolo de quarto de onda, equivalente ao dipolo de meia onda sintonizado. Desta vez, configure um plano condutor perfeito (No editor textual, na aba Freq./Ground, environment > perfect gnd.). Atenção: o braço (fio) do monopolo deve ser construído somente para valores positivos de z, pois o plano condutor anula qualquer objeto abaixo de z=0. A excitação deve estar no primeiro segmento do fio, ou seja em z=0.
#Simule a antena seguindo os mesmos passos descritos na Parte 1 na frequência de 300 MHz, e anote os resultados de maneira similar.
#(opcional) Repita a simulação modificando o plano condutor com as características de um solo real (Freq./Ground, environment > real ground). Descreva os efeitos observados no padrão de radiação da antena.
Parte 5 - Antena de quadro eletricamente pequena - Análise de diagrama de radiação
Nesta parte (opcional), você poderá analisar e comparar o diagrama de radiação, as componentes de campo elétrico e a impedância de entrada da antena de quadro pequena em relação com o dipolo curto, assim como analisado de forma teórica.
- Desenhe uma antena de quadro de formato quadrado centrada na origem, disposta no plano XY, e com laterais de 1 cm paralelas aos eixos x e y. Escolha o centro de uma dessas laterais para colocar a excitação. Considere 5 elementos (segmentos) para cada lado.
#Simule a antena seguindo os mesmos passos descritos na Parte 1 na frequência de 300 MHz, e anote os resultados de maneira similar. Durante a análise das componentes do campo, preste atenção à escala de valores reportados.
