Engenharia El

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Engenharia ElétricaANTENAS E PROPAGAÇÃOParte
1Nono Semestre - 2005
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE
CAMPINAS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS, AMBIENTAIS E
DE TECNOLOGIAS FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA
TELECOMUNICAÇÕES
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EMENTA

• Estudos de irradiadores simples. Características
  e propriedades elétricas das antenas. Impedância
  e antenas lineares finas. Teoria das redes
  lineares. Antenas de Abertura. Antenas com
  refletores. Antenas faixa-larga. Antenas
  receptoras. Projetos e medidas de antenas.
  Propagação em meios naturais ondas ionosféricas,
  troposféricas e terrestres.

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Capacitar o aluno a desenvolver projetos com
  dispositivos que permitem transmitir e receber a
  energia irradiada através do espaço na forma de
  onda eletromagnética.

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CONTEÚDO PROGRAMÁTICO

• Introdução a antenas definição, unidades e
  dimensões
• -          Antena como um elemento de transição
  análise do dipolo
• -         Conceitos de antenas padrão de
  radiação, parâmetros de antenas e campos
• -         Família de antenas loops, dipolos,
  slots, Yagi-Uda, Log periódica, helicoidal,
  parabólica.
• -          Fontes pontuais
• -          Arrays de pontos
• -          Introdução a propagação de sinais
• -          Propagação no espaço livre
• -          Modelo de dois raios
• -          Propagação em ambientes exteriores
• -          Propagação em ambientes interiores
• -          Link budget

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Desenvolvimento Conteúdo

• Aulas expositivas sobre os conceitos. Exercícios
  de aplicação. Projetos de dimensionamento de
  tipos usuais de antenas.
• Projeto e Medidas com antenas.
• Análise de propagação de sinais.
• Experimentos práticos

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Bibliografia

• - KRAUS, J. D. Antennas For all applications.
  Third Edition. Boston MacGrawHill. 2002.
• -  KRAUS, J.D. Antenas 2a - McGraw-Hill, 1988.
• - BALANIS, Constantine A. Antenna Theory
  Analysis and Design. Second Edition. New York
  John Wiley Sons. 1997.
• -  SKLAR, Bernard. Rayleigh Fading Channels in
  Mobile Digital Communication Systems. IEEE
  Communications Magazine. July 1997.
• - BARRADAS, Ouvídio. Sistemas de Radio
  Visibilidade.

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Avaliação

• Serão realizadas 2 avaliações teóricas. Grupos de
  no máximo 3 alunos desenvolverá um projeto
  considerando algum tópico da disciplina. As
  etapas do projeto serão proposta,
  desenvolvimento teórico e implementação prática.
  Embora a execução do projeto seja em grupo a
  avaliação será individual com questões formuladas
  individualmente. Os alunos terão até a quarta
  semana de aula para definir o projeto. Serão
  formulados exercícios a serem entregues na aula
  seguinte somente pelos alunos presentes na aula
  da proposta dos exercícios. Serão promovidos os
  alunos que alcançarem notas maiores ou iguais a 5
  considerando os seguintes pesos
• Prova 1 (25) Prova 2 (35) projeto (20)
  média exercícios (20)
• Atividades de recuperação serão previstas para
  aqueles que não alcançarem a nota 5, ou superior,
  sendo analisado caso a caso o conteúdo mais
  adequado para a recuperação. A recuperação será
  feita com a distribuição de exercícios
  específicos que serão avaliados individualmente.
  O aluno realizará uma avaliação individual
  devendo estar preparado o suficiente para
  apresentar ao professor de forma verbal a
  avaliação realizada, sendo sujeito aos
  questionamentos considerando o material entregue.
  Seja qual for a nota obtida na recuperação a nota
  final, caso seja aprovado, será cinco.

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Introdução

• Trata-se de um elemento sempre presente no dia a
  dia dos seres humanos
• É o olho eletrônico que faz a ligação com o
  espaço
• Em síntese faz a ligação entre dois pontos da
  forma mais eficiente possível

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Propagação
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Visão do Elemento Antena

• Uma forma muito simplista de entender uma antena
  é fazer uma comparação com uma lanterna
• A lanterna faz com que o foco de luz seja
  direcionado para uma certa direção
• Quanto maior o foco maior o ganho

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Visão de uma Antena
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Fonte Isotrópica

• Uma fonte que irradia igualmente em todas as
  direções num plano é chamada de omnidirecional
• Uma fonte isotrópica é aquela que irradia
  igualmente em todas as direções
• O melhor exemplo de uma fonte isotrópica seria o
  sol

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Uma Fonte Isotrópica
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Exercício 1

• Mostre que uma fonte isotrópica que irradia
  igualmente em todas as direções (definida
  considerando um espaço em três dimensões) pode
  ser representada graficamente por uma irradiação
  omnidirecional em qualquer plano que passe pelo
  centro da fonte isotrópica.
• Defina dBi.

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Definição

• Uma antena de rádio pode ser definida como uma
  estrutura associada com a região de transição
  entre uma onda guiada e uma onda no espaço livre,
  ou vice-versa

Onda Guiada
Transição
Onda no Espaço
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Linha de Transmissão

• A linha de transmissão é um dispositivo para
  transmitir ou guiar energia de radiofreqüência de
  um ponto a outro
• Mínimo de perda
• Energia confinada
• A onda transmitida ao longo da linha é
  unidimensional no sentido que ela não se espalha
  pelo espaço, mas segue ao longo da linha

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Linha de transmissão

• Três tipos básicos dois fios, coaxiais e guias
  de onda
• Um gerador produz uma onda progressiva uniforme
  ao longo da linha
• Se a linha for curto circuitada vai aparecer onda
  estacionária devida à interferência das ondas
  incidente e refletida

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Linha de Transmissão

• Este comportamento da energia é característico de
  um circuito ressonante ou ressoador
• Quando não houver condutor interno, como numa
  seção curto-circuitada de um guia de onda, o
  dispositivo é chamado de um ressoador de cavidade

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Geração RF
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Variação dos Campos Elétricos e Magnéticos
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Região de Transição
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Exercício

• Defina o que significa máxima transferência de
  potência entre um gerador com impedância Rg e uma
  carga Rc.
• Plotar para Rg de 50 ohms a potência dissipada na
  carga, variando o valor da carga acima e abaixo
  de 50 ohms.

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Considerações

• Admitindo que a linha esteja adaptada
  apropriadamente, ela leva uma onda progressiva
  para fora e se comporta como uma linha de
  transmissão pura
• Em A há uma seção de linha curto-circuitada em
  paralelo agindo como ressoador
• Além de B a linha se dilata gradualmente até que
  a separação entre os condutores seja de muitos
  comprimentos de onda
• Nesta região a onda guiada é irradiada numa onda
  no espaço-livre
• Esta região da linha age como uma antena

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Irradiação

• A antena é uma região de transição entre uma onda
  guiada numa linha de transmissão e uma onda no
  espaço-livre
• Um dipolo lança uma onda no espaço
• O dipolo exibe muitas características de um
  ressoador, uma vez que a energia refletida das
  extremidades do dipolo dá origem a uma onda
  estacionária na antena

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Dipolo

• O dipolo exibe simultaneamente propriedades
  características de uma antena, uma linha de
  transmissão e um ressoador.

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Dipolo de Meia Onda

• Observe a formação de um dipolo de meia onda

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(No Transcript)
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Dipolo
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Espectro Eletromagnético
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Regiões

• O espaço em torno da antena pode ser separado em
  duas regiões
• Região da antena - próxima da antena
• Região exterior
• O limite entre as duas regiões é uma esfera cujo
  centro está no meio da antena e cuja superfície
  passa através dos extremos da antena

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Regiões de Antena
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Campos

• A onda de tensão causada por um pulso de tensão
  muito breve aplicado aos terminais progride para
  fora com o campo elétrico, ou linhas E, formando
  círculos concêntricos
• O campo magnético, ou linhas H, é normal às
  linhas E e concêntrico com o eixo dos cones
• O campo não tem componente radial sendo
  estritamente transverso (TEM)

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Campos

• Depois de um tempo tL/c, onde L é o comprimento
  do cone e c a velocidade da luz, o pulso atinge o
  limite da esfera
• Na extremidade dos cones há uma descontinuidade
  abrupta enquanto que no equador não há nenhuma
• Há uma grande reflexão na extremidade dos cones e
  muita pouca energia é irradiada nesta direção

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Fluxo no Dipolo

• Para o dipolo de meia onda a situação é
  semelhante
• A maior parte da energia guiada dos terminais
  próximos à antena é refletida nas extremidades
  como se a esfera limite fosse opaca
• Contudo, a energia que progride para fora no
  plano equatorial continua para dentro da região
  externa como se a esfera-limite fosse
  transparente
• De forma qualitativa o diagrama do dipolo parece
  um 8 deitado

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Dipolo
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Dipolo Curto
Barradas Fig. 3.99
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Campo E
1.2 - A antena como uma linha de transmissão
terminada

• As linhas E dos campos devem terminar nas
  extremidades, não existindo no espaço livre
• As ondas que podem existir e se propagar no
  espaço livre são formadas de linhas E que formam
  caminhos fechados
• A onda do modo principal é chamada de uma onda de
  ordem zero, e ondas de ordem mais altas são de
  ordem 1 ou maior

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Configuração Campo Próximo
1.2 - A antena como uma linha de transmissão
terminada
Figura 1.6 - Kraus
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Onda
1.2 - A antena como uma linha de transmissão
terminada

• A onda teve início na antena como uma onda do
  modo principal, passou através da esfera-limite
• O campo tem uma componente radial que é maior
  perto do eixo polar
• No plano equatorial a componente radial é zero, e
  as linhas E neste plano progridem através da
  esfera-limite sem alteração
• O campo radial é desprezível em comparação com o
  campo transverso a grandes distâncias

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Campos Próximo e Distante
1.2 - A antena como uma linha de transmissão
terminada

• Define-se duas regiões com respeito aos campos
  próximo e distante
• O campo próximo é chamado de região de Fresnel
• O campo distante é chamado de região de
  Fraunhofer
• O limite entre os dois campos é uma esfera com
  raio

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Regiões de Antena
1.2 - A antena como uma linha de transmissão
terminada
Figura 1.7 - Kraus
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Algumas Considerações
1.2 - A antena como uma linha de transmissão
terminada

• Na região de Fraunhofer as componentes de campo
  mensuráveis são transversas, e a forma do
  diagrama do campo é independente do raio no qual
  ela é tomada
• Na região de Fresnel o campo radial pode ser
  apreciável e a forma da configuração do campo é,
  em geral, uma função do raio

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Exercício 3

• Determine a partir de que distância pode-se
  considerar uma onda plana para uma antena
  transmitindo numa freqüência de 2,4 GHz
  utilizando um dipolo de meia onda. Faça um esboço
  da antena e mostre as esferas que delimitam a
  região de Fresnel e região Fraunhofer.
• Repetir para uma freqüência de 1 MHz
• Qual a importância da definição destas duas
  regiões?

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Antenas Bicônicas
1.2 - A antena como uma linha de transmissão
terminada

• As antenas Bicônicas são úteis para analogia com
  linha pois tem uma impedância característica
  constante dada por
• onde ? é a metade do ângulo do cone

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Energia
1.2 - A antena como uma linha de transmissão
terminada

• A onda refletida na região da antena dá origem a
  ondas estacionárias e armazenagem de energia
  nesta região
• É como se a esfera-limite formasse um ressoador
  de casca esférica que refletisse efetivamente nas
  zonas polares mas absolutamente não na zona
  equatorial

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Energia no Dipolo
1.2 - A antena como uma linha de transmissão
terminada

• Num dipolo de meia onda a energia está armazenada
  num instante de tempo no campo elétrico,
  principalmente nas proximidades dos extremos da
  antena,
• Enquanto que 1/4 de ciclo mais tarde a energia
  está armazenada no campo magnético,
  principalmente nas proximidades do centro da
  antena, ou região de máxima de corrente

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Banda de Freqüência para Bicônica
1.2 - A antena como uma linha de transmissão
terminada

• Se a antena bicônica for feita muito fina, a
  reflexão nos extremos é aumentada e a energia
  armazenada na região da antena é relativamente
  maior
• Contudo, a reflexão nos extremos de uma antena
  bicônica de ângulo de cone amplo é menor, de modo
  que a energia armazenada é menor

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Banda de Freqüência para Bicônica
1.2 - A antena como uma linha de transmissão
terminada

• Assim, a Bicônica é menos sensível em freqüência
  que aquela fina e se adapta melhor a aplicações
  banda larga
• Assim, pode-se concluir que um dipolo cilíndrico
  grosso é menos sensível em freqüência que um
  dipolo fino

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Teoria de Schelkunoff
1.2 - A antena como uma linha de transmissão
terminada

• Na teoria de Schelknoff a esfera limite pode ser
  substituída por uma impedância de carga
  equivalente ZL conectada entre os extremos dos
  cones por fios de impedância nula
• O circuito de linha de transmissão equivalente é
  mostrado na próxima figura letra c

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Antena Bicônica
1.2 - A antena como uma linha de transmissão
terminada
Figura 1.8 - Kraus
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Teoria de Schelkunoff
1.2 - A antena como uma linha de transmissão
terminada

• Se ZL puder ser determinado, a impedância de
  entrada ZI pode ser obtida pelas relações
  ordinárias de linhas de transmissão para uma
  linha de impedância característica Zo e
  comprimento L terminada em uma impedância ZL
• Assim, a antena foi substituída por uma linha de
  transmissão equivalente
• A antena age como uma seção adaptadora, ou
  transformadora, entre os terminais e o espaço

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Teoria de Schelkunoff
1.2 - A antena como uma linha de transmissão
terminada

• Assim, uma antena é um transformador (ou seção
  adaptadora) entre uma entrada com dois terminais
  e o espaço ou, no caso receptor, é um
  transformador entre o espaço e os terminais

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Exercício 4

• Explique o que significa ângulo sólido.
• Mostre qual o ângulo sólido de uma esfera tanto
  em graus quadrados quanto esterradiano.