Aula 1 - Antenas e Propagação

5/13/2018 Aula 1 - Antenas e Propagação - slidepdf.com

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Antenas e Propagação Antenas e Propagação

Unidade I Unidade I

Professor: Valdez Aragão Professor: Valdez Aragão



UNIDADE IOndas eletromagnéticas



Em um sistema de radiocomunicação, a informação a ser transferida é inserida em uma portadora de radiofrequência (RF)no equipamento transmissor;

A energia associada à portadora de RF modulada é enviada, por meio de uma linha de transmissão especial, para a antenatransmissora, onde é, finalmente, radiada para o espaço na formade uma onda eletromagnética;

As antenas receptoras, quando colocadas no caminho da ondaeletromagnética, absorvem parte da sua energia e a enviam paraum equipamento receptor, que recupera a informação;

A figura a seguir ilustra esse cenário;

Introdução



Introdução



Alguns fatores importantes para a viabilização de comunicação por meio de ondas eletromagnéticas são: a potência da portadorade RF gerada no transmissor, a distância entre o transmissor e o

receptor e a sensibilidade do receptor; Além disso, a propagação da onda eletromagnética é influenciada pelas condições da atmosfera terrestre e pela natureza do soloentre os pontos de transmissão e de recepção;

Qualquer dispositivo conectado a uma fonte de energia que produza campos eletromagnéticos em uma região externa é umsistema radiante;

A antena é a parte desse sistema construída de modo a maximizar ou a acentuar a radiação de energia e, ao mesmo tempo,

minimizar ou suprimir a energia restante;

Introdução



Introdução A definição de antena pode variar conforme o fim a que se

destina;

Numa forma mais geral, é um dispositivo projetado de maneira a

transmitir ou receber energia; Quando no modo recepção, converte ondas eletromagnéticas emcorrentes elétricas;

Na transmissão ocorre o contrário;

A teoria de antenas, portanto, admite implicitamente que elaesteja acoplada a uma fonte de energia não-radiante por meio deuma linha de transmissão também não-radiante;

As antenas são utilizadas em várias aplicações, como sistema derádio, televisão, comunicações móveis, comunicação ponto a

ponto, radar, exploração do espaço, dentre outras;



Em resumo, tanto a investigação da propagação das ondaseletromagnéticas como o estudo de antenas são essenciais paraum completo entendimento dos sistemas de comunicação;

Introdução



As ondas de rádio que se propagam entre as antenastransmissoras e receptoras são denominadas ondaseletromagnéticas;

No espaço livre, as ondas se propagam praticamente navelocidade da luz, com perdas bastante baixas;

Contudo, quando o sinal se propaga em terrenos, materiais ouelementos que interagem entre si eletromagneticamente, as ondas

podem ser refletidas, refratadas, difratadas ou absorvidas e suavelocidade de propagação é alterada em função do meio;

O conceito de onda eletromagnética está diretamente ligado àsnoções de campo elétrico e campo magnético;

Características das ondas eletromagnéticas



Distante da antena transmissora, uma onda eletromagnética tem duascomponentes vetoriais mutuamente perpendiculares: um campoelétrico (E) e um campo magnético (H);

Os campos elétrico e magnético interagem um com o outro; Um campo magnético variante no tempo induz um campo elétrico evice-versa;

O tipo de onda eletromagnética é determinado pela orientação doscampos em relação à direção de propagação da onda;




Quando o campo E e o campo H são orientados transversalmente àdireção de propagação da onda, a onda é chamada de ondatransversal eletromagnética (TEM);

Quando o campo E é transversal à direção de propagação e o campoH tem componentes na transversal e na direção da onda, a ondaeletromagnética é chamada de onda transversal elétrica (TE);

Quando o campo H é transversal à direção da onda e o campo E temcomponentes na transversal e na direção da onda, a ondaeletromagnética é chamada de onda transversal magnética (TM);

A figura a seguir ilustra os três tipos de ondas citados acima;




Para o entendimento de sistemas radiantes e propagação de energia éimportante o conhecimento de conceitos associados a uma ondaeletromagnética e também às suas características na região distante

da fonte;




Frente de onda

A frente de onda é uma superfície imaginária formada por pontos emque os campos têm fase constante;

Se, além de fase constante, os campos têm a mesma magnitude em

qualquer ponto da frente de onda, ela é uniforme; Nesse caso, os valores máximos e mínimos dos vetores campo E e H

ocorrem no mesmo instante de tempo e são independentes do pontode observação na frente de onda;

Assim, uma onda plana possui os campos elétrico e magnético comvalores constantes em um plano transversal à direção de propagação;

A figura a seguir ilustra o conceito de frente de onda;



Frente de onda



Frente de onda Cada ponto de uma frente de onda, num dado instante, pode ser

considerado uma fonte de ondas secundárias, produzidas no sentidode propagação e com a mesma velocidade do meio;

Um exemplo básico é o som, onde até o instante em que as partículasde ar estão em repouso não se ouve nada, e só no momento que estas partículas são vibradas (uma frente de onda empurrando e gerandouma nova frente de onda) é que haverá a propagação do som;

A intensidade de campo é utilizada para medição de eficiência oulevantamento paramétrico de antenas emissoras, receptoras outransmissor-receptor;

A medição da intensidade de campo em uma frente de onda que se propaga em um meio é feita na direção onde se lê o valor máximo do

sinal;



Polarização A polarização de uma onda está relacionada com a orientação dos

campos no espaço;

Diz-se que uma onda é verticalmente polarizada quando o campo E é

perpendicular à superfície da Terra e horizontalmente polarizadaquando o campo E é paralelo à superfície da Terra;



Polarização A polarização das ondas de rádio depende da posição da antena

transmissora em relação à Terra;

Quando a antena é horizontal, ela irradia uma onda horizontalmente

polarizada; Quando a antena transmissora é vertical, a onda irradiada é

verticalmente polarizada;

A onda verticalmente polarizada sofre menos atenuações;

Em consequência, uma onda verticalmente polarizada leva um poucomais de energia à antena receptora do que uma onda horizontalmente polarizada;

Por outro lado, uma onda verticalmente polarizada é mais sujeita aruído;



Polarização Por causa desta e de outras considerações, a polarização horizontal

foi padronizada para transmissões de televisão;

A polarização tem grande importância na propagação, estando

envolvida em uma série de fenômenos; Um deles, de grande influência, diz respeito à recepção das ondas de

rádio pelas antenas comuns, constituídas por um simples condutor;

A energia da onda deve ser transformada em corrente no condutor, e

para que o campo E da onda possa produzir o fluxo de corrente, aantena deve ser paralela a esse campo;

Um outro tipo de polarização, que é bastante utilizado nastelecomunicações, é a polarização circular;



Polarização A polarização circular não exige alinhamento de antenas, facilitando

a recepção móvel;

A propagação se dá nos dois planos;

A vantagem deste tipo de polarização é a maior robustez narecepção, pelo fato de não exigir antenas posicionadas em planoshorizontal ou vertical, permitindo flexibilidade de recepçãoindependentemente da posição do dispositivo captador;



Frequência A frequência é o número de ciclos completos de onda por unidade de

tempo (segundos), definida como:

A unidade de frequência é Hz;

O período de uma onda é o intervalo de tempo necessário para que

os vetores de campo elétrico e magnético dessa onda voltem a serepetir;

A velocidade de propagação e o comprimento de onda podem mudar de acordo com o meio no qual se propaga, mas a frequência sempre

permanecerá constante;

1 f T !



Velocidade de propagação A velocidade de propagação da onda eletromagnética depende do

meio no qual ela se propaga, e é determinada por:

em que é a permeabilidade do meio e é a permissividade domeio;

A permeabilidade de um meio indica o quanto esse meio afeta e éafetado por um campo magnético;

A permissividade de um meio indica o quanto esse meio afeta e éafetado por um campo elétrico;

1v QI!



Velocidade de propagação A velocidade de propagação da onda eletromagnética no espaço livre

é:

em que 0 = 4x10-7 H/m e 0 = 8,854x10-12 F/m;

Um outro meio qualquer é especificado em termos da

permissividade relativa ( = r 0) e da permeabilidade relativa ( =r 0);

8

0 0

13 10 /v c x m s

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O espectro eletromagnético de RF Uma grande variedade de enlaces via rádio pode ser implementada

usando como portadora uma frequência do espectro eletromagnético;

Os organismos de regulação limitam a faixa de RF entre 30 kHz e

300 GHz, embora a propagação de ondas eletromagnéticas tambémseja possível para frequências de alguns kHz;

Conforme acordo internacional, a faixa de RF é dividida em bandas,sendo cada uma designada por um nome;

A tabela a seguir mostra as várias bandas de frequência; Serão detalhadas as bandas que são mais usuais para ascomunicações;



O espectro eletromagnético de RF



O espectro eletromagnético de RF- Frequências muito baixas (VLF): As ondas de rádio com estasfrequências são muito confiáveis para comunicações a longadistância. Necessita de elevada potência de irradiação para garantir oalcance previsto. São restritas às aplicações em navegação aérea oumarítima, comunicações com submarinos submersos, comunicaçõesmilitares, etc.;

- Frequências médias (MF): Apresenta características de propagaçãomais favoráveis durante o período noturno. São empregadas em

algumas comunicações militares de pequeno alcance, emradiodifusão sonora, etc.;

- Frequências altas (HF): Essa parte do espectro é mais conhecidacomo faixa de ondas curtas e seu alcance é determinado

principalmente pela onda ionosférica.




- Frequências muito altas (VHF): Esta região inclui as faixascomerciais de FM e televisão em VHF. As antenas transmissoras para estas frequências são montadas de preferência a grande alturaem relação ao solo, de modo que a propagação direta é o principalmeio de comunicação;

- Frequências ult r a altas (UHF): Tem sido largamente empregadaem sistemas de difusão de TV, em radar, em comunicação por satélite, etc. A absorção do sinal aumenta nestas frequências;

- Frequências e xt remament e altas (SHF): Existem inúmerasaplicações em sistemas de comunicações terrestres, sistema detelefonia por satélite, recepção doméstica de TV via satélite,aplicações em radares militares, em radares para fiscalização de

velocidade, etc.




Assim como o petróleo, o espectro de RF é um recurso naturalescasso e, portanto, deve ser utilizado de forma prudente eotimizada;

Vários serviços como rádio AM, rádio FM, TV, celular, satélite eenlaces fixos terrestres devem compartilhar desse espectro comum;

Além disso, cada um desses serviços deve crescer e se expandir semcausar interferência entre si;

A tarefa de alocar e controlar o espectro de RF é de responsabilidadede um comitê internacional de padronização, criado pelas NaçõesUnidas e denominado de União Internacional de Telecomunicações(ITU ± I nt ernational T el ecommunication s U nion);




Os órgãos do ITU de interesse para as comunicações via rádio são asagências designadas de ITU-T e ITU-R;

Dentro do ITU-R, a WARC (W or ld Administ r ative Radio

Con f erence) é responsável pela alocação de uma banda específica defrequência para os serviços atuais e futuros, e a RRB ( Radio Regulation s Boar d ) define as regras internacionais para a utilizaçãoda frequência dentro dessas bandas;

O ITU dividiu o mundo em três regiões:

- Região 1 (Europa, África e a Comunidade dos EstadosIndependentes)

- Região 2 (América do Norte e a América do Sul)

- Região 3 (Ásia, Austrália e o Pacífico)



Ondas guiadas e não guiadas A onda eletromagnética ao se propagar transporta consigo energia

associada aos campos elétricos e magnéticos;

Entretanto, ao se usar o conceito de energia transportada pela onda,

deve-se distinguir entre a onda guiada e não guiada; Ondas guiadas são aquelas que carregam a energia ao longo delinhas de transmissão ou estruturas semelhantes;

Ondas não guiadas são as que conduzem energia através do espaço;

O trajeto da onda guiada é fixado pela estrutura de transmissão e oda onda não guiada é determinado pelas características do meio de propagação;



Mecanismos de radiação

Considerando uma fonte de tensão conectada a uma antena por meiode uma linha de transmissão de dois condutores;

Aplicando-se uma voltagem na entrada da linha cria-se um campo E

entre os seus condutores; As linhas de fluxo forçam os elétrons livres dos condutores a sedeslocarem;

O movimento de cargas origina uma corrente que, por sua vez, criaum campo H com suas respectivas linhas de fluxo;

As linhas de campo E iniciam em cargas positivas e terminam emcargas negativas;

Os campos E e H variando no tempo entre os condutores formamondas eletromagnéticas que caminham ao longo da linha de

transmissão;




As ondas eletromagnéticas entram na antena e têm associadas a elascargas elétricas e a corrente correspondente;

Removendo-se parte da estrutura da antena, as ondas no espaço livre

podem ser formadas fechando-se as extremidades das linhas decampo elétrico;

Essas ondas são também periódicas, mas um ponto de fase constanteP0 move-se externamente com a velocidade da luz e caminha umadistância de /2 no intervalo de tempo de meio período;

Para se entender como as ondas guiadas são liberadas da antenadando origem às ondas no espaço livre, pode-se fazer uma analogiaentre as ondas no espaço livre e as ondas criadas ao se atirar uma pedra em um lago;




Quando a perturbação na água inicia, as ondas criadas se deslocamafastando-se do ponto onde a pedra caiu;

Se a perturbação persiste, novas ondas são criadas, mas atrasadas em

suas propagações com relação às iniciais; Processo semelhante acontece com as ondas eletromagnéticascriadas por uma perturbação elétrica;

Se a perturbação elétrica inicial produzida pela fonte é de curtaduração, as ondas eletromagnéticas criadas caminham dentro dalinha de transmissão, em seguida, pela antena e finalmente serãoradiadas como ondas no espaço livre, mesmo se a fonte elétrica nãomais existir;

Se a perturbação elétrica é de natureza contínua, as ondas

eletromagnéticas se deslocam continuamente uma após a outra;




As ondas eletromagnéticas no interior da linha de transmissão e daantena estão associadas com as cargas presentes nos condutores;

No entanto, quando as ondas são radiadas, elas formam caminhos

fechados sem cargas associadas; Com isso, se conclui que cargas elétricas são necessárias para

excitar, mas não para manter os campos, que podem existir na suaausência;



Unidades de medidas Em telecomunicações usam-se escalas logarítmicas para medir

relações entre potências de sinais elétricos, em virtude das grandesvariações existentes entre os sinais;

Por exemplo, uma variação de 1 para 10000 corresponde, emlogaritmos decimais, uma variação de 0 para 4;

Os medidores logarítmicos têm como vantagem leituras e calibraçãomais fácil e escalas mais espaças;

Um circuito elétrico pode apresentar uma atenuação ou um ganho nosinal;

Uma atenuação significa que a potência do sinal de entrada é maior que a potência do sinal de saída;

Um ganho significa que a potência do sinal de entrada é menor que a

potência do sinal de saída;



Decibel (dB) A relação logarítmica entre as potências de um sinal é definida como

Bell (B);

onde A é a amplificação ou ganho; Na prática, usa-se a subunidade decibel (dB);

log out BELL

in

P A

P !

10log out

in

P A

P

!



Quando A > 0, significa um ganho;

Quando A < 0, significa atenuação;

Ou ainda:

As potências de entrada e saída devem estar na mesma unidade;

A unidade dB exprime a comparação entre duas potências;

Decibel (dB)

10log

10log

out

in

in

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P G ANHO

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Apostila de Antenas. Curso Técnico em Telecomunicações.SENAI/RN. Natal, 2011.

Allan Lytel. ABC das Antenas. Editora Antenna. Rio deJaneiro, 1973.

José Antônio Justino Ribeiro. Propagação das OndasEletromagnéticas: Princípios e Aplicações. Editora Érica.

São Paulo, 2004.

Constantine A. Balanis. Teoria de Antenas: Análise eSíntese. Editora LTC. Rio de Janeiro, 2009.

Bibliografia

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