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ANTENAS E PROPAGAÇÃO
A tecnologia wireless, gsm, wcdma, hsdpa, hsupa são tecnologias que utilizam ANTENAS como unidade basica de transmissão e recepção de sinais e é alvo de pesquisas ao redor do mundo e sua utilização vem crescendo em um ritmo exponencial nos últimos anos. Portanto, faz-se necessário um claro entendimento acerca dos conceitos básicos de sistemas irradiantes e propagação.
1. ANTENAS
Antes de se expor a definição de antenas, é importante observar o conceito de irradiação. O campo eletromagnético é gerado pelo movimento de cargas elétricas. Se a fonte de cargas é variante no tempo, as ondas eletromagnéticas se difundem no espaço afastando-se da fonte. A esse fenômeno dá-se o nome de irradiação. Para que haja uma irradiação eficiente, é imprescindível que se dimensione adequadamente a antena transmissora. Pode-se definir uma antena como “o elemento pertencente a um sistema de transmissão ou recepção de sinais que tem como função radiar/captar ondas eletromagnéticas adaptando a energia entre um meio confinado (uma linha de transmissão) e um meio não-confinado (espaço livre ou dielétrico), ou seja, é um transdutor de ondas eletromagnéticas entre meios com propriedades distintas de propagação de energia” (CONTI, 2001). Esta adaptação de energia determina as propriedades fundamentais, tais como: a forma de distribuição no espaço define o diagrama de irradiação; faixa de freqüência de operação define o conceito de largura de faixa; eficiência em uma determinada direção define o conceito de ganho; a perda de energia de onde surge o
conceito de SWR e a direção de propagação que determina a definição de polarização.
1.1 – Largura de Banda
A largura de banda, ou largura de faixa, pode ser definida como um intervalo de freqüência onde a antena opera com especificações satisfatórias e mantém as características elétricas dentro do especificado. Uma antena pode ser classificada como faixa larga ou faixa estreita. Esta classificação depende da compatibilidade entre largura de faixa de impedância (relacionada com a taxa de onda estacionária1 e eficiência de radiação) e largura de faixa de diagrama (relacionada com o diagrama de irradiação e o ganho), onde ambas devem corresponder à mesma faixa de freqüência. A largura de faixa de freqüência de uma antena, dada em percentagem, é calculada através da seguinte fórmula:
BW %
fs fi 100
fr
(1)
onde: BW% é a largura de banda em porcentagem; fs = freqüência superior; fi = freqüência inferior; fr = freqüência de ressonância.
A largura de banda é medida em -10 dB ou onde SWR (Static Wave Rate) é igual a 2. Neste ponto a potência irradiada chega a 90% de potência total e a potência refletida é igual a 10%, sendo este um parâmetro desejável para a antena.
1
É resultante da superposição de uma onda incidente e de uma onda refletida. È o fator que determina o quanto de potência será entregue à antena e o quanto será refletida pela mesma.
1.2 – Largura de Feixe de Meia Potência (HPBW) e Largura de Feixe dos Primeiros Nulos (FNBW)
A largura de feixe de meia potência (HPBW - Half Power Beamwidth) pode ser definida como o ângulo formado pelas duas direções onde a intensidade de radiação, que será definida posteriormente, é metade do valor máximo do feixe. Admitindo que a potência máxima seja 1, a largura do feixe de meia potência será medida no valor de 0.5, ou em -3 dB, se a intensidade de radiação for dada em dB. Para diagramas de irradiação diretivos, quanto menor esse ângulo, mais direcional é a antena. Esse parâmetro é desejável para comunicações via satélite e enlace de microondas que necessitam de antenas altamente diretivas por trabalharem com grandes distâncias. A largura de feixe dos primeiros nulos (FNBW – First Nulls Beamwidth) é o ângulo formado pelas direções onde a intensidade de radiação é igual a zero. Esse parâmetro existe somente em diagramas de irradiação de antenas direcionais. A figura abaixo representa um diagrama de irradiação típico de uma antena diretiva, enfatizando os parâmetros de HPBW e FNBW.
Figura 01 – Diagrama de radiação em coordenadas polares. Na figura HPBW é a largura de feixe de meia potência, FNBW é a largura de feixe dos primeiros nulos.
1.3 – Densidade de Potência de Irradiação
A densidade de potência de irradiação é obtida através do vetor de Poynting. Este pode ser definido como o produto vetorial do vetor campo elétrico pelo vetor campo magnético:
W E H
( 2)
onde: W é o vetor de Poynting;
E é o vetor campo elétrico; H é o vetor campo magnético.
Dessa forma, a potência total instantânea, dada em watt, através de uma superfície fechada é definida pela integral de superfície do vetor de Poynting pelo elemento diferencial de área:
onde: W é o vetor de Poynting; ds é o elemento diferencial de área, dado por r2 sendd;
ˆ P W nds
s
(3 )
ˆ n é o versor que caracteriza a direção (saindo da esfera);
Assumindo campos variantes no tempo, calcula-se a potência média. Dessa forma, o vetor de Poynting médio, dado em W/m2, é definido como:
Wav
1 Re E H * 2
( 4)
onde: Re[ E x H* ] é a parte real do produto vetorial do campo elétrico pelo conjugado do campo magnético.
1.4 – Intensidade de Radiação
A intensidade de radiação é definida como a potência irradiada por unidade de ângulo sólido2. A intensidade de radiação, como parâmetro de campo distante, pode ser calculada por:
U r 2Wrad
W sr
(5 )
Dessa forma, a potência total radiada é obtida através da integração de U pelo diferencial de ângulo sólido:
Prad Ud
s
(6)
onde: U é a intensidade de radiação; d é o diferencial de ângulo sólido, dado por sendd.
Adotando-se uma fonte isotrópica, onde a potência é constante para todos os pontos, U é calculado da seguinte forma:
U0
Prad 4
(7 )
onde: U0 é a intensidade de radiação constante; Prad é a potência total radiada;
A intensidade de irradiação é independente da distância de campo distante de um irradiador.
2
Ângulo sólido é o ângulo onde a energia seria completamente irradiada se a intensidade de radiação fosse máxima e constante. Sua medida é o estereoradiano – sr – que representa rad2.
1.5 – Ganho, Diretividade e Relação Frente-Costa (Front-Back)
Quando se trata de sistemas de telecomunicações que trabalham em visada direta, é desejável focar a potência irradiada na direção do receptor, aumentando a eficiência do sistema. Este é o caso das comunicações via satélite. Em outras situações é desejável que a potência seja radiada em todas as direções, como por exemplo, a telefonia celular. O ganho de uma antena é a capacidade de uma antena em concentrar energia em uma determinada direção em relação a uma antena de referência, submetida à mesma excitação, por exemplo, um irradiador isotrópico, um dipolo ou uma corneta. Dessa forma, se verifica que o ganho é uma relação entre densidades de potência. Quando o ganho diretivo é máximo dá-se o nome de diretividade. Portanto a diretividade pode ser definida como a concentração de potência irradiada na direção de máxima irradiação. A diretividade pode ser expressa matematicamente através da seguinte forma:
D
onde: U é intensidade de radiação;
U 4U U 0 Prad
(8 )
U0 é a intensidade de radiação em relação a uma fonte isotrópica; Prad é a potência total radiada que está relacionada com a potência.
Antenas de alta diretividade apresentam o lóbulo principal do diagrama de irradiação estreito e os lóbulos secundários bem reduzidos, como é o caso da antena helicoidal, da antena corneta e de arrays de quaisquer tipos de antenas. Nestes casos, a diretividade é obtida através do produto dos ângulos de feixe de meia potência HPBWΦ e HPBWθ (ângulos obtidos pela divisão do lóbulo principal em dois planos ortogonais), sendo que a intersecção é a direção de máxima irradiação.
O ganho de potência é obtido pela razão entre a intensidade de radiação e a potência de entrada total. Dessa forma temos:
Ganho
intensidade de radiação Potência de entrada total
(9 )
Portanto, se verifica que o parâmetro de ganho é uma relação de potência. Em sua análise, não se inclui as perdas por descasamento de impedância e descasamento de polarização. O ganho pode ser expresso relacionando-se com a eficiência e a diretividade. Logo:
G D
onde: G é o ganho da antena adimensional; D é a diretividade; η é a eficiência de radiação.
(10)
A eficiência de radiação é dada por:
onde: Pr é a potência radiada;
Pr P0
(11)
P0 é a potência aplicada nos terminais da entrada antena; η é a eficiência de radiação. Por razões de perdas na antena, a eficiência sempre será menor que 1 (η < 1).
O ganho de uma antena é menor que a sua diretividade, pois a eficiência é sempre menor que a unidade. Dessa forma, supondo uma antena ideal, isto é, sem perdas, o ganho é igual a diretividade.
Como já foi observado, o ganho por ser uma relação de potências é adimensional. No entanto, para efeitos de projeto de rádio-enlace, o ganho deve ser expresso em dBi (ganho em relação a uma antena isotrópica). Para tal, aplica-se a seguinte fórmula:
G(dBi ) 10 logG
(12)
O ganho também pode ser expresso em relação ao dipolo de meia onda. Nesse caso, para projetos, o ganho deve ser convertido para dBi utilizando a seguinte fórmula:
0 (dBd ) 2.15 (dBi )
(13)
Esta relação permite converter valores de dBd para dBi. Então se o ganho for igual a 15 dBd, o mesmo ganho pode ser apresentado no valor de 17.15 dBi. Outro parâmetro importante para que uma antena tenha bom funcionamento é a relação frente-costa. Esta relação é definida como a razão entre a intensidade de radiação máxima medida no lóbulo principal do diagrama de irradiação e a densidade de potência de radiação do lóbulo traseiro. A relação frente-costa determina a capacidade de isolação de uma antena no modo de recepção ou sua diretividade no modo de transmissão. Para que a antena opere em condições satisfatórias, esta relação deve ser superior a 25 dB.
1.6 – Impedância de Entrada
Quando a antena é submetida à excitação da fonte de sinal, apresentará como circuito elétrico, uma corrente e tensão nos seus terminais de entrada. A amplitude e a fase da corrente darão origem à impedância de entrada da antena. Este parâmetro caracteriza o circuito da antena quanto às suas características resistivas e reativas – capacitiva e indutiva. A impedância de entrada pode ser definida matematicamente por:
Z R jX
onde: R representa a parte real e resistiva. ±jX representa a parte imaginária e reativa.
(14)
A impedância de entrada da antena determina a eficiência na transferência de potência entre linha de transmissão e antena. Quando a impedância da antena não apresenta a componente reativa (parte complexa do conjugado) e sua componente resistiva é igual a componente resistiva da linha de transmissão diz-se que houve a máxima transferência de potência. No entanto, na prática esta situação não ocorre, sendo que, para a impedância de entrada, sempre existirá a componente reativa. Esse descasamento de impedância entre a antena e a linha de transmissão origina a taxa de onda estacionária - SWR. A taxa de SWR deve ser minimizada através de técnicas de casamento de impedância entre a linha de transmissão e a antena. Para mais detalhes sobre técnicas de casamento, consulte SHADIKU (2004). A impedância de entrada é determinada por vários fatores, tais como freqüência do sinal de operação da antena, dos materiais do qual a antena é composta, pela sua proximidade com condutores ou com o solo e pela forma da antena. Portanto, a impedância da antena em relação aos fatores acima citados é dada por:
Zd Zs Zm
onde: Zd é a impedância da antena nas condições de instalação; Zs é a impedância da antena no espaço livre; Zm é a impedância entre a antena e outros condutores ou outra antena próxima;
(15)
Devem-se adequar os parâmetros acima para que a impedância nas condições de operação seja a mais próxima possível da impedância da linha de transmissão, sendo ajustado normalmente o valor de Zm.
1.7 – Polarização
A polarização de uma antena determina a direção que o vetor campo elétrico
E em relação a um plano de referência.
Em enlaces de telecomunicações, é imprescindível que as polarizações das antenas transmissora e receptora sejam compatíveis, caso contrário, a receptora não será capaz de captar o sinal transmitido. Esta característica é frequentemente utilizada para evitar interferências em enlaces próximos que utilizem a mesma freqüência. Quando o transmissor e receptor não possuem a mesma orientação de polarização, diz-se que há um descasamento de polarização, que pode ser provocado por fenômenos de propagação ou por difração de ondas eletromagnéticas. O descasamento de polarização provoca o que se denomina de desvanecimento, que será explicado mais adiante. Geralmente, as características de polarização de uma antena podem ser representadas por seu padrão de polarização, cuja definição é a distribuição espacial das polarizações do vetor campo elétrico radiado por uma antena localizada em uma esfera de radiação. Quando se descreve a polarização sobre uma esfera de radiação, as linhas de referência serão especificadas sobre a esfera, a fim de se medir os ângulos de inclinação da polarização elíptica e o sentido de polarização para a polarização linear. Na polarização elíptica, pode-se visualizar graficamente o vetor campo elétrico através da elipse de polarização. Um importante parâmetro extraído da elipse de polarização é a Relação Axial ou Axial Ratio (AR), sendo definida como o quociente
entre o eixo maior e o eixo menor da elipse de polarização, como pode ser observado na figura abaixo.
Figura 02 – Elipse de polarização, onde M é o eixo maior e m é o eixo menor. A Relação Axial é obtida através da razão destes dois eixos.
A polarização de uma antena também pode ser representada através da esfera de Poincaré. O pólo norte da esfera representa a polarização circular esquerda, a pólo sul a polarização circular direita, os pontos na linha do equador representam a polarização linear para diferentes ângulos de inclinação. Os pontos restantes representam a polarização elíptica. Um exemplo da esfera de Poincaré pode ser vista na figura abaixo.
Figura 03 – Esfera de Poincaré.
De acordo com a orientação do campo elétrico, têm-se três de tipos de polarização: polarização elíptica, polarização circular e polarização linear.
1.7.1 – Polarização Elíptica A forma mais geral de polarização é a elíptica, onde do campo elétrico E está situado em plano perpendicular à direção de propagação da onda.
A onda
eletromagnética se propaga na direção z e o vetor campo elétrico descreve uma hélice de seção transversal elíptica, como é mostrado na figura abaixo.
Figura 04 – Polarização elíptica. Note que a onda se propaga ao longo do eixo z.
A polarização elíptica pode ser caracterizada pelo seu sentido de rotação em polarização direita ou esquerda, conforme a rotação do campo elétrico. Neste caso, se pode aplicar a regra da mão direita. A relação axial (AR – axial ratio), para a polarização elíptica, está entre
1 AR .
1.7.2 – Polarização Circular A polarização circular, assim como a polarização linear, é um caso particular da polarização elíptica. Dessa forma, se a seção transversal da hélice descrita pelo
vetor campo elétrico E é um círculo, a polarização é denominada circular. Para se ter polarização circular, é necessário que a relação axial seja igual a 1 (AR = 1). A polarização circular pode ser orientada para a direita ou para a esquerda, de acordo com o sentido da resultante do campo elétrico (horário ou anti-horário) em relação ao sentido de propagação da onda. A antena helicoidal, no modo axial, é polarizada circularmente. A polarização circular, assim como a polarização elíptica, também é utilizada em centros urbanos com a finalidade de se evitar o descasamento de polarização por efeitos de multipercursos, melhorando a recepção indoor.
1.7.3 – Polarização Linear Se o vetor que descreve o campo elétrico em um ponto no espaço como função de tempo varia ao longo de uma linha, o campo é dito como linearmente polarizado. A polarização linear é um caso particular da polarização elíptica, que pode ser obtido quando a elipse se torna uma linha reta. Para que a polarização seja linear, a relação axial deve se aproximar de zero ou infinito. O descasamento de polarização pode ser calculado através da seguinte fórmula:
PLF | cos( ) |2
onde: é ângulo de abertura entre a onda transversal eletromagnética e a antena.
(16)
Dessa forma, se tem dois tipos de polarização linear: a polarização linear horizontal e a polarização linear vertical.
Polarização Linear Vertical: para a polarização vertical, a onda se encontra no plano yz, conforme mostra a figura abaixo.
Figura 05 – Polarização linear vertical. Note que a onda se encontra no plano yz.
Polarização Linear Horizontal: para a polarização horizontal, a onda se encontra no plano xy, conforme mostra a figura abaixo.
Figura 06 – Polarização linear horizontal. Note que a onda se encontra no plano xy.
Para antenas dipolo (incluindo a antena biquad por se tratar de um dipolo dobrado), antenas Yagi, entre outras, a polarização da mesma obedece ao sentido mecânico. Dessa forma, se a antena estiver posicionada horizontalmente, a mesma estará com polarização horizontal. Da mesma forma, se procede para a polarização vertical.
1.8 – Diagrama de Irradiação
O diagrama de irradiação é a principal propriedade de uma antena por traduzir a distribuição de energia aplicada em uma antena. Dessa forma, o diagrama de irradiação é definido como a função matemática ou representação gráfica da distribuição no espaço das propriedades de radiação de uma antena em relação a uma superfície hipotética (denominada de esfera de radiação) onde a antena se encontra em seu centro. As variáveis que comumente podem ser representadas no diagrama de radiação são densidade de potência, intensidade de campo, fase e polarização. No entanto, para efeitos de estudo e projeto, costuma-se analisar um diagrama de radiação contendo apenas as duas primeiras propriedades. O diagrama de irradiação é representado, geralmente, em coordenadas polares ou retangulares e com escala linear ou em dB. A figura abaixo representa o diagrama de radiação em coordenadas polares e retangulares:
Fig. 07a
Fig. 07b
Figura 21 – Exemplos de diagramas de irradiação. A figura 07a mostra o diagrama de radiação em coordenadas polares, onde as linhas radiais, tomadas do centro da circunferência até o círculo externo, representam o ângulo a ser analisado e o raio representa a intensidade de campo normalizada. A figura 07b mostra o diagrama de irradiação em coordenadas cartesianas, onde a intensidade de campo normalizada é indicada na abscissa e na ordenada é indicado o setor angular.
As observações são feitas em dois planos:
Plano azimutal: é feito um corte horizontal (plano H), com fixo e variável; Plano de elevação: é feito um corte vertical (plano E), com fixo e variável, como mostra a figura abaixo:
Figura 08 – Ângulos de abertura
e
representados no eixo cartesiano 3D.
De acordo com as características do diagrama de irradiação, as antenas podem ser classificadas em isotrópicas, ominidirecionais e direcionais.
1.9 – Irradiador Isotrópico
O conceito de irradiador isotrópico, segundo Balanis, é “uma antena sem perdas hipotética, tendo igual irradiação em todas as direções”. Uma antena isotrópica é apenas ideal, não existindo na prática. Dessa forma, um irradiador isotrópico é usado somente para referência das propriedades de irradiação das antenas.
1.10 – Irradiador Omnidirecional
Um irradiador omnidirecional é aquele que apresenta um diagrama direcional em um dos planos e um diagrama não direcional no plano ortogonal. O diagrama de uma antena omnidirecional é caracterizado por possuir uma variação de intensidade de campo menor que 3 dB. Isso significa que a intensidade de campo ao redor da antena não é constante.
A figura abaixo mostra o diagrama de radiação de uma antena omnidirecional:
Figura 09 – Diagrama de irradiação de uma antena omnidirecional. É importante ressaltar que a antena se encontra no centro do diagrama. A antena apresenta diagrama não direcional no corte de elevação e direcional no plano de azimute.
Existem vários tipos de antenas ominidirecionais, sendo as mais comuns a monopolo e a dipolo. As antenas ominidirecionais podem ser utilizadas em comunicações wireless (WiFi) e telefonia celular, pois aumentam a cobertura do ponto de acesso, permitindo captar o sinal de um ponto mais distante. A vantagem desse tipo de antena é o seu baixo custo de construção e implementação e projeto simplificado.
1.11 – Irradiador Direcional
Uma antena direcional é aquela que apresenta suas propriedades de radiação mais eficientes em uma dada direção. Existem vários tipos de antenas com diagrama direcional, como a antena helicoidal operando no modo axial, a antena corneta, a antena Yagi e arrays de antenas. As antenas direcionais são aplicadas em sistemas de comunicações via satélite e microondas, pois estes operam em visada direta, devido à necessidade de se capturar o melhor nível de potência do sinal.
A figura 10 exemplifica o diagrama de radiação de uma antena direcional:
Figura 10 – Diagrama de irradiação de uma antena direcional genérica. A figura apresenta o diagrama em dois cortes: o vertical e o horizontal.
1.12 – Partes do diagrama de irradiação
O diagrama de irradiação de qualquer antena pode ser dividido em lóbulos, com características específicas. Os lóbulos são subdivididos em: Lóbulo Principal: É o lóbulo que fornece a direção de máxima irradiação; Lóbulos Laterais: São todos os lóbulos que irradiam em uma direção diferente da direção do lóbulo principal. É útil para a determinação da região do diagrama onde se terá intensidade de radiação reduzida; Lóbulo Traseiro: É o lóbulo localizado em uma direção defasado de 180° do lóbulo principal. O lóbulo traseiro é formado por difrações do sinal ocorridas nas bordas das antenas ou no plano-terra. Para se minimizar o máximo possível esse efeito, é razoável construir antenas com bordas curvadas (variando exponencialmente) ou planos-terra com um comprimento maior que a antena. O lóbulo traseiro é importante para se determinar a relação frente-costa de uma antena.
1.13 – Regiões de Campo de uma Antena
As regiões de campo são definidas como o espaço em que a antena é envolvida, onde se analisa a conformação das ondas eletromagnéticas, determinandose e caracterizando-se as propriedades de radiação da antena. As regiões de campo são subdivididas em três: região de campo próximo reativo, região de campo próximo radiante (ou região de Fresnel) e região de campo distante (ou região de Fraunhofer).
1.13.1 – Região de campo próximo reativo É a região que envolve a antena com predominância de campos reativos. Nesta região os campos elétrico e magnético da onda irradiada não são ortogonais e por isso não é possível verificar as propriedades de radiação da antena. Deve-se evitar a presença de estruturas metálicas que possam interferir (por efeitos de difração ou reflexão) na operação da mesma. O contorno da região de campo próximo não deve ultrapassar o raio dado pela equação abaixo:
R1 0.62
D3
(17)
onde: R1 é raio do contorno da região de campo próximo; D é o comprimento da antena
1.13.2 – Região de campo próximo radiante (região de Fresnel) Pode ser definida como a região intermediária entre a região de campo próximo reativo e a região de campo distante, onde há predominância de campos radiantes. Assim como na região de campo próximo reativo, os campos magnético e elétrico da onda transmitida não são ortogonais, impossibilitando a verificação das propriedades de radiação da antena.
O raio do contorno da região deve ser maior que o raio para a região de campo próximo reativo e menor que o contorno para a região de campo distante. Dessa forma, o raio R é dado por:
R1 R R2
O raio R2 representa o limite da região de Fresnel e é dado por:
(18)
R2
2D 2
(19)
onde: R2 é o raio que representa o limite da região de Fresnel; D é o comprimento da antena.
1.13.3 – Região de campo distante (região de Fraunhofer) É a região onde a distribuição de campo angular independe da distância da antena. A região de campo distante é onde se determina as propriedades de radiação da antena. Nesta região, as ondas eletromagnéticas têm conformidade TEM (onda transversal eletromagnética) e conduz a energia do sinal no espaço através dos vetores do campo elétrico e magnético, que neste caso são ortogonais. O raio do contorno da região de Fraunhofer deve ser maior que o contorno da região de Fresnel. Dessa forma, o raio R do contorno é dado por:
R > R2
A figura abaixo exemplifica as regiões de campo de uma antena dipolo.
(20)
Figura 11 – Regiões de campo de uma antena dipolo de comprimento D.
1.14 – Tipos de antenas
De acordo com a sua disposição, as antenas são classificadas em: antenas filamentares, antenas de abertura, antenas refletoras, antenas de microfita, antenas de lente e array de antenas.
1.14.1 – Antenas Filamentares É o tipo de antena mais comum e encontrada em diversos lugares, como em comunicações de aeronaves, sons automotivos, dentre outros. Suas aplicações variam desde a telefonia celular a enlaces de microondas e comunicações wireless, como por exemplo, WiFi. As antenas de fio mais comuns são a monopolo, a dipolo, a helicoidal, a antena loop e a antena biquad. O dipolo e o monopolo (e suas variações como a biquad) são os mais largamente utilizados em sistemas de comunicações wireless. Um array de elementos dipolo é usado na estação rádio-base enquanto o aparelho celular utiliza uma monopolo. Isso se deve ao fato de que ambas as antenas são de faixa
larga e de fácil construção. A eficiência de radiação e o ganho dos mesmos são influenciados pelo comprimento elétrico que por sua vez está relacionado com a freqüência de operação. Uma outra alternativa para as comunicações wireless, que possui uma forte tendência atualmente, é a antena biquad, devido à facilidade de projeto e construção, ao seu tamanho e leveza. A antena helicoidal, por sua vez, é utilizada em sistemas que necessitem de visada direta, devido especialmente ao seu diagrama diretivo. A helicoidal, assim como a biquad, é uma antena de fácil construção.
1.14.2 – Antenas de Abertura As antenas de abertura estão se tornando cada vez mais populares devido a crescente demanda por antenas sofisticadas e que trabalhem em altas freqüências. As antenas de abertura mais comuns são as antenas corneta e suas configurações (antena corneta retangular piramidal, piramidal com variação gradual exponencial, em setor no plano E, em setor no plano H e corneta circular) e o guia de onda retangular e circular. Este tipo de antena é muito utilizado na faixa de microondas, no ponto focal de refletores parabólicos e em aeronaves, pois podem ser montadas no nível da estrutura externa das mesmas. Além disso, suportam uma cobertura externa com um dielétrico para proteger de condições adversas do ambiente. A figura abaixo mostra uma antena corneta retangular piramidal:
Figura 12 – Antena corneta retangular piramidal. Note que ela é energizada por um guia de onda retangular.
1.14.3 – Antenas Refletoras As antenas refletoras constituem-se de um irradiador acoplado a um plano refletor que gera um irradiador imagem com correntes análogas a do irradiador principal, distanciados da superfície refletora. Este tipo de antena é utilizada principalmente para a faixa de microondas e para comunicação em distâncias muito grandes, geralmente da ordem de milhares de quilômetros. Uma antena refletora muito comum é o refletor parabólico, popularmente conhecida como antena parabólica. Para aplicação de longas distâncias, o diâmetro do refletor chega à ordem de 305 metros. Este tamanho é necessário para que o ganho seja elevado, imprescindível para uma transmissão e recepção de qualidade em comunicações de grandes distâncias. A figura abaixo exemplifica uma antena parabólica:
Figura 13 – Antena de refletor parabólico
1.14.4 – Antenas de Microfita As antenas de microfita foram desenvolvidas a partir da década de 70. Estas consistem em um patch metálico (este patch é um circuito impresso) e um substrato aterrado. O patch pode ter várias configurações, como elíptica, quadrado, triangular. Os mais comuns são os patches retangular e circular, devido à facilidade de análise e fabricação e de suas características de irradiação. São muito versáteis em termos de
freqüência de ressonância, polarização, diagrama de radiação e impedância de entrada, sendo de fácil casamento. A antena de microfita é uma antena semi-diretiva, podendo ser utilizada em superfícies de aviões, satélites, mísseis e aparelhos celulares, sendo compatíveis com superfícies planares e não-planares. A figura abaixo apresenta dois tipos de antenas de microfita muito comuns:
Figura 14 – Antenas de microfita com patch retangular e circular.
1.14.5 – Antenas de Lente As antenas de lente são usadas para prevenir o espalhamento do sinal em todas as direções e em refletores parabólicos principalmente de altas freqüências. Estas são classificadas de acordo com os materiais que são construídas ou de acordo com a sua geometria, podendo ser: Para índice de refração maior que 1 (n > 1): convexa-plana, convexaconvexa, convexa-côncava; Para índice de refração menor que 1 (n < 1): côncava-côncava, côncavaplana, côncava-convexa;
1.14.6 – Array de Antenas Um array de antenas é um arranjo ou conjunto de elementos irradiantes utilizados para se conseguir determinadas características de irradiação.
Arrays de antenas são muito utilizados quando se deseja uma maior diretividade do diagrama de radiação ou quando é necessário um ganho maior para a antena. Um exemplo disso são os arrays de antenas de microfita e antenas biquad, que como elemento simples apresentam diagramas semi-diretivos, e aumentando o número de elementos se comportam como antenas diretivas. Um outro exemplo é a antena Yagi-Uda, que é obtida através de através de um array do tipo endfire de dipolos, onde apenas um é excitado.
2. Conceitos Básicos e Mecanismos de Propagação
O fenômeno da propagação de ondas eletromagnéticas é um meio de transportar energia ou informações. Pode-se definir onda como uma função do tempo e do espaço, onde o movimento das mesmas ocorre quando uma perturbação em determinado ponto e instante está relacionado com que acontece em outro ponto.
2.1 – Mecanismos de Propagação
Existem quatro tipos de mecanismos de propagação: a reflexão, a difração, refração e o desvanecimento.
2.1.1 – Reflexão Quando o comprimento de onda do sinal é muito menor que as dimensões dos obstáculos, ocorre o fenômeno da reflexão. Este fenômeno, geralmente, prejudica a qualidade do sinal na recepção. Os efeitos destrutivos da reflexão podem ser minimizados através de equalizadores adaptativos. Quando a reflexão ocorrer em regiões planas, o nível do sinal refletido é praticamente igual ao nível do sinal direto. Se houver uma diferença de fase entre ambos, a atenuação na recepção será muito grande.
No estudo da reflexão, devem ser analisados dois parâmetros: a variação do nível do sinal na recepção com a variação de altura e o tempo de atraso do sinal refletido. Se o tempo de atraso for muito grande, o sinal refletido funcionará como interferência. Para a análise da reflexão, é importante determinar o perfil do terreno, a altura do ponto de reflexão principal, as características do solo e a rugosidade da Terra no ponto de reflexão (quanto mais rugoso for o terreno, maior é a atenuação do sinal refletido).
2.1.2 – Difração A difração ocorre quando existe um obstáculo opaco entre o transmissor e o receptor, permitindo a passagem de somente uma parte das frentes de onda, onde a antena receptora deve estar na área de sombra do obstáculo. Cada ponto da frente de onda se comporta como uma fonte isolada, havendo a formação de ondas atrás do obstáculo, mesmo não ocorrendo visada entre os dois pontos, o que explica o fato de a receptora mesmo não vendo o ponto de transmissão consegue receber o sinal transmitido.
2.1.3 – Refração É a mudança de direção de uma onda quando esta penetra em outro meio, onde o ângulo de incidência deve ser diferente de 90°. A lei de Snell relaciona o ângulo de incidência com o ângulo de refração através do índice de refração n, dado pela seguinte fórmula:
sen n2 sen n1
(21)
onde: n é o índice de refração dado por n é a velocidade da luz no meio).
c (c é a velocidade da luz no vácuo e v v
2.1.4 – Desvanecimento Desvanecimento são alterações de amplitude e percurso do sinal, percebidas através de atenuações, distorções e reforços no seu espectro. O descasamento de polarização e a absorção das ondas eletromagnéticas na ionosfera são umas das causas do desvanecimento. Essa absorção ocorre na parte inferior da ionosfera, onde a densidade de ionização é mais elevada. O desvanecimento pode ser classificado como lento ou rápido. O desvanecimento lento descreve variações lentas do sinal em relação à distância percorrida decorrente de irregularidades no relevo. O desvanecimento rápido descreve variações rápidas de amplitude, fase ou atrasos de multipercurso (são as várias direções que o sinal toma, proveniente da difração e da reflexão, com amplitude, fase e tempos distintos) de um sinal através de um curto período de tempo ou uma pequena distância.
2.2 – Elipsóide de Fresnel
É um conjunto de elipsóides formados em um rádio-enlace entre dois pontos, sendo o enlace considerado em visada direta, desprezando-se quaisquer efeitos de difrações. O primeiro elipsóide, ou zona, é o que concentra maior energia. O raio do elipsóide de Fresnel é calculado a partir da seguinte fórmula:
n d1 d 2 R 550 (d1 d 2 )
onde: n é a ordem do elipsóide; f é a freqüência em MHz;
f
1/ 2
(22)
d1 e d2 são as distâncias entre o transmissor e o receptor;
Para efeitos de projeto, um obstáculo pode penetrar até 40% do raio no elipsóide de Fresnel, considerando-se todos os obstáculos como gume de faca (tipo de obstáculo com pico pontiagudo, onde o raio do cume é desprezado). Essa é a porcentagem mínima para que o enlace seja considerado em visada. A visibilidade é um parâmetro importante para se determinar em transmissões que utilizem altas freqüências (comprimento de onda muito pequeno). Neste caso, quaisquer desvios de direção das antenas podem ser prejudiciais ou até interromper a comunicação. Pode-se, então, rotacionar a antena no ângulo de azimute até o ponto de maior potência do feixe. A altura das torres irá influenciar no enlace. No entanto, se o desnível entre os terrenos que se localizam o transmissor e o receptor for demasiadamente grande e o custo para se construir torres altas for muito elevado, é necessário inclinar as antenas até que as mesmas produzam visada.
2.3 - Atenuação
Genericamente, a atenuação pode ser definida como uma redução na intensidade de energia do sinal durante a propagação por um meio de transmissão. Qualquer onda propagada sofre perda de energia até chegar à recepção. A maior parte destas perdas é causada por absorção e efeitos da atmosfera, como chuvas, nevoeiros, granizos, entre outros. A atenuação no espaço livre resulta da dispersão de energia a partir da fonte. Geralmente, a maior parte da energia é perdida devido a um espalhamento de frente de onda. Isso significa que a quantidade de energia concentrada em uma área de frente de onda diminui à medida que a distância aumenta. Na recepção, a antena consegue capturar apenas uma pequena fração da frente de onda, e
consequentemente o sinal é recebido com uma intensidade muito menor do que foi transmitido. A atenuação no espaço livre pode ser calculada da seguinte forma:
A0 92.4 20 logf (GHz) 20 logd (km)
onde: f é a freqüência em GHz; d é a distância ou comprimento do enlace, dado em Km.
(23)
Para se calcular a atenuação em um sistema de rádio-enlace, deve-se levar em consideração a atenuação do espaço livre, a atenuação dos conectores, a atenuação da linha de transmissão (cabo coaxial ou guia de onda) e o ganho das antenas transmissora e receptora. O ganho da antena pode ser calculado através da seguinte forma:
G (dBi ) 20 log(
l ) 10 log
(24)
onde: l é o comprimento da antena ou diâmetro do refletor parabólico (caso a antena seja parabólica);
é o comprimento de onda;
é a eficiência da antena (podendo variar de 0 a 1).
De posse dos valores dos ganhos das antenas, calcula-se a atenuação total do sistema, através da seguinte fórmula:
AS A0 ALT Aconectores (GT GR )
onde: Ao é a atenuação no espaço livre; ALT é a atenuação da linha de transmissão; Aconectores é a atenuação devido aos conectores; GT e GR são os ganhos das antenas transmissoras e receptoras.
(25)
Quando se projeta um sistema de rádio-enlace, deve-se deixar uma margem na potência transmitida de forma que a potência recebida somada à transmitida sejam maiores que a atenuação do sistema. Essa margem é necessária devido às atenuações pelas intempéries do clima, o qual varia de 25 a 40 dB.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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