Antenas e Propagação - amoura/APROWEB/AAM_Param_Fundamentai · Parâmetros Fundamentais 2 • Parâmetros

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    Antenas e Propagao

    Artur Andrade Mouraamoura@fe.up.pt

  • 2Parmetros Fundamentais

    Parmetros fundamentais das antenas Permitem caracterizar o desempenho, sobre

    vrios aspectos, das antenas Apresentam-se definies e utilizao

    desses parmetros

    Diagrama de Radiao Funo ou representao grfica que

    descreve as propriedades espaciais de radiao de uma antena

    Normalmente utiliza-se um sistema de coordenadas esfrico com a antena posicionada na origem, pelo que o diagrama de radiao uma funo de r, e .

    Diagrama de Radiao

  • 3Parmetros Fundamentais

    Omnidireccional no plano xy ou = /2

    Radiador isotrpico definido como uma antena hipottica e sem perdas

    que radia igualmente em todas as direces No tem existncia fsica mas normalmente tomado como

    referncia para se exprimir a directividade de antenas reais

    Radiador direccional Tem a propriedade de captar ou radiar ondas

    electromagnticas preferencialmente para certas direces do espao

    Radiador omnidireccional Apresenta um diagrama de radiao

    no direccional num dado plano

  • 4Parmetros Fundamentais

    Planos principais Para antenas com polarizao linear (definida mais adiante)

    consideram-se dois planos principais Plano E definido pelo vector E e

    pela direco de mxima radiao Plano H definido por H e pela

    direco de mxima radiao

    Normalmente os eixos do sistema de

    coordenadas so escolhidos por formaa que pelo menos um destes planos

    (E ou H) coincida com um dos planos

    principais do sistema de coordenadas

  • 5Parmetros Fundamentais

    Elementos caractersticos dodiagrama de radiao

    Lbulos Principal Laterais Secundrios Posterior

    Largura de feixe a meiapotncia ou a 3 dB (HPBW)

    Largura de feixe ao 1 nulo(FNBW)

  • 6Parmetros Fundamentais

    Regies de campo O espao circundante da antena subdividido em trs regies

    Regio reactiva do campo prximo Predomina o campo reactivo

    Regio de radiao do campo prximo (Regio de Fresnel) Regio de transio onde predomina o campo radiado mas a sua orientao

    espacial depende da distncia antena; esta regio pode no existir se a maior dimenso da antena (D) no for muito maior que o comprimento de onda de trabalho

    Regio do campo distante (Regio de Fraunhofer)

    Ocorre para distncias maiores que 2D2/e nesta regio a orientao espacial do campo no depende da distncia antena. a regio de maior interesse do ponto de vista da radiao.

  • 7Parmetros Fundamentais

    ngulo plano (radiano) Um radiano definido como o ngulo plano com vrtice no

    centro de um crculo com raio r e que define nesse crculo um arco de comprimento r

    Como o comprimento total do crculo 2r ento no crculo todo existem 2r /r = 2 radianos

  • 8Parmetros Fundamentais

    ngulo slido (esterradiano) Um esterradiano definido como o ngulo slido com vrtice no

    centro de uma esfera de raio r que define na superfcie da mesma uma rea igual a r2

    Como a rea total de uma esfera 4r2 ento na esfera toda existem 4r2/r2 = 4 esterradianos

    O elemento de superfcie emcoordenadas esfricas :

    logo o ngulo slido elementar :

    No depende de r

  • 9Parmetros Fundamentais

    Densidade de potncia radiada Vector de Poynting instantneo Potncia instantnea que atravessa a superfcie fechada S

    Normalmente estamos interessados em conhecer densidades mdias de potncia radiada no caso dos campos terem variaes temporais sinusoidais, vindo ento:

    usual denominar esta densidade apenas por densidade de radiao Wrad pois, como se ver, corresponde densidade de potncia radiada na regio do campo distante

    Vector unitrio normal superfcie e para fora

    Devido a se tomarem nos campos valores mximos em vez de valores eficazes

  • 10Parmetros Fundamentais

    Potncia radiada A potncia mdia radiada que atravessa uma superfcie fechada

    S ento dada por

    Normalmente esta potncia designada apenas por potncia radiada

  • 11Parmetros Fundamentais

    Exemplo Calcular a potncia radiada por uma antena cuja densidade de

    radiao vale:

    Considerando uma superfcie esfrica de raio r no centro da qual est a antena, vem:

  • 12

    Potncia radiada por um radiador isotrpico Por definio de radiador isotrpico a sua densidade de

    potncia constante para todas as direces espaciais, logo

    Temos ento uma densidade de potncia constante que podemos exprimir em funo da potncia radiada por

    Parmetros Fundamentais

    Constante

  • 13Parmetros Fundamentais

    Intensidade de radiao um parmetro relativo ao campo distante e representa a

    potncia radiada por unidade de ngulo slido (unidade W/sr)

    Para o campo distante tem-se (confirmaremos mais frente)

    No depende da distncia r

    Operador de propagao, mdulo do campo varia com 1/r, e k = 2/ a constante de propagao

    No depende de r

    Impedncia intrnseca do meio

  • 14Parmetros Fundamentais

    Intensidade de radiao e potncia radiada A potncia radiada pode ser obtida da intensidade integrando-a

    nos 4 esterradianos da esfera

    Exemplo (caso visto atrs)

    Radiador Isotrpico

    ngulo slido elementar

    Constante

  • 15Parmetros Fundamentais

    Directividade de uma antena a razo entre a intensidade de radiao numa dada direco e

    a intensidade de radiao mdia em todas as direces.A intensidade mdia em todas a que a antena produziria se fosse um radiador isotrpico, isto , U0 = Prad/4.Vem ento,

    Quando a direco no especificada assume-se para obter Da direco do mximo da intensidade de radiao, vindo

    (adimensional)

  • 16Parmetros Fundamentais Nota

    Para antenas com componentes de polarizao ortogonais podem-se definir directividades parciais para cada polarizao, considerando a potncia total radiada

    Supondo o sistema de coordenadas esfricas a directividade mxima total dada pela soma das directividades mximas parciais em e

  • 17Parmetros Fundamentais

    Exemplo Obter a directividade de uma antena com intensidade de

    radiao A0sin()

    J se tinha obtido

    Ento

  • 18Parmetros Fundamentais

    Exemplo Como se ver um dipolo linear infinitesimal produz uma

    densidade de potncia dada por

    A directividade desta antena pode obter-se da seguinte forma

    1,8 dBi dB acima do radiador isotrpico

    Notar que sin3() = (3sin - sin3)

  • 19Parmetros Fundamentais

    B0 uma constante

    Embora a definio seja simples, o integral que aparece no denominador pode ser difcil de resolver tendo que se recorrer a mtodos numricos ou programas de simulao electromagntica

    No caso geral para obter a directividade vem

    Aplicando a definio obtm-se

  • 20Parmetros Fundamentais

    ngulo slido de feixe Tomando a directividade mxima podemos escrever

    Definindo-se o ngulo slido de feixe

    o ngulo slido no qual toda a potncia da antena seria transmitida se a sua intensidade de radiao fosse constante e igual intensidade mxima em todas as direces nesse ngulo

  • 21Parmetros Fundamentais

    Eficincia de radiao Nem toda a potncia entregue antena (Pin) radiada (Prad),

    parte gasta em perdas no condutor e no dielctrico Define-se a eficincia de radiao ecd pela relao entre as

    potncias

    Eficincia total Considerando as perdas por desadaptao define-se a

    eficincia total

    Coeficiente de reflexo entre a antena com impedncia de entrada Zin e a linha de alimentao com impedncia caracterstica Z0

  • 22Parmetros Fundamentais

    Ganho de uma antena Ganho absoluto de uma antena

    a relao entre a intensidade de radiao numa dada direco e a que teramos se a potncia entregue antena fosse radiada de forma isotrpica

    Ganho relativo a razo entre a intensidade de radiao da antena numa dada direco e

    a que teramos nessa direco devida a uma antena de referncia, quando ambas antenas so alimentadas com a mesma potncia de entrada

    Um exemplo muito comum para a antena de referncia o dipolo de meio comprimento de onda que estudaremos adiante

    Nota: se a direco no est definida toma-se a direco de mxima intensidade de radiao para o clculo do ganho

  • 23Parmetros Fundamentais

    Relao entre ganho e directividade

    Obtm-se

    E para os valores mximo

    e

  • 24Parmetros Fundamentais Nota:

    Tal como no caso da directividade, para antenas com componentes de polarizao ortogonais podemos agora definir ganhos parciais para cada componente, considerando a potncia total entregue antena

    Supondo o sistema de coordenadas esfricas o ganho mximo total dado pela soma dos ganhos mximos parciais em e

  • 25Parmetros Fundamentais

    Polarizao Corresponde figura descrita ao longo do tempo pela extremidade do

    vector campo elctrico num dado ponto do espao e o sentido em que essa figura traada, quando se observa segundo a direco de propagao da onda electromagntica

    Polarizao elptica No caso geral a polarizao elptica

    mas h dois casos particulares

    Polarizao linear Se esfasamento entre as componentes

    mltiplo de

    Polarizao circular Se as duas componentes tm

    mdulos Iguais e um esfasamento

    que mltiplo mpar de /2

    Elipse de polarizao

  • 26Parmetros Fundamentais

    Perdas de polarizao Em muitas situaes a polarizao de uma antena receptora no igual

    da onda incidente proveniente da antena emissora, havendo perdas de polarizao

    Campo elctrico da onda incidente Polarizao do campo elctrico da antena receptora Factor de perdas de polarizao

    Vectores de polarizao