curso de antenas - completo

Antenas, Cabos e RAntenas, Cabos e Rdiodio--EnlaceEnlace

Componentes essenciais para uma comunicao Wireless

Rdio Transmissor (Tx) Linha de Transmisso (LT) Antena Transmissora Meio de Propagao Antena Receptora Linha de Transmisso (LT) Rdio Receptor (Rx)

distncia

Transmissor

TX

Linha de Transmisso

Antena

RX

Receptor

Atmosfera

Antena

CONCEITOS BSICOS A ESCALA LOGARTMICA

O que o dB?

O dB uma escala usada para representar a relao entre duas potncias.

referncia

medida

PPdB log10=

A unidade de referncia pode ser W, mW, V, ou at o ganho de uma antena...

Da as derivaes, como o dBW, dBm, dBi...

mWmWPdBm medida

1)(log10= )(10 10

)(mWP

dBmP

=

ONDAS ELETROMAGNTICAS - OEM -

Conceito: Perturbao fsica composta por um campo eltrico (E) e um campo magntico (H) variveis no tempo, perpendiculares entre si, capaz de se propagar no espao.

)(300)(/ MHzfmarvcuo =

Freqncia: nmero de oscilaes por unidade de tempo (Hz).

Velocidade de propagao:depende do meio onde a onda se propaga. A velocidade mxima de uma OEM a velocidade da luz, 300.000 km/s, no vcuo.

Comprimento de onda: distncia percorrida pela onda durante um ciclo. definido pela velocidade de propagao dividida pela freqncia.

LINHAS DE TRANSMISSO uma linha com dois ou mais condutores isolados por um dieltrico que tem por

finalidade fazer com que uma OEM se propague de modo guiado. Esta propagao deve ocorrer com a menor perda possvel.

As linhas de transmisso podem ser construdas de diversas maneiras, cabos pararelos, pares tranados, microstrip, cabos coaxiais, guias de onda, etc.

d

S

Impedncia caracterstica de uma L.T. (Cabo Coaxial)

A impedncia caracterstica de uma L.T. : relao entre a tenso e a corrente entre seus terminais. Depende, em geral, somente das dimenses dos condutores e da constante dieltrica do isolante.

b

a

a

bZo log.2,138

0=

Zo - Impedncia caracterstica

a - Dimetro externo do condutor interno

b - Dimetro interno da malha externa

0 constante dieltrica do isolante

Vp- Velocidade de propagao

o

CVp

=

Perdas nos cabos coaxiais.

A princpio uma linha de transmisso tem a funo de transportar a energia eletromagntica com o mnimo de perdas. Porm, devido s caractersticas inerentes de cada linha (no caso cabos coaxiais por exemplo) o sinal atenua ao longo do caminho que percorre dentro da L.T.

Freqncia (GHz)

Ate

nua

o (dB

/m)

12

43

5

1 2 43 6 750

A atenuao proporcional ao comprimento

do cabo, a suas caractersticas

construtivas e freqncia.

Perdas em 2.5 GHz de alguns Cabos Coaxiais.

13,3Times MicrowaveLMR-600

20,4Times MicrowaveLMR-400

57Times Microwave LMR-195

6,9KmPCellflex 7/8

11,8KmPCellflex 1/2

78,7@3GHzKmPRG-58

45kmPRGC-213

ATENUAO APROX (dB/100 m)

FABRICANTEMODELO

Coeficiente de reflexo () Coeficiente de reflexo: indica a proporo da potncia incidente que refletida

devido a descasamentos de impedncia. Pode ser definida como:

Potncia Incidente

Potncia Refletida

Potncia til

Linha de Transmisso

Antena

Conector da AntenaGerador de RF = Coeficiente de reflexo

Er = Tenso refletida

Ei= Tenso incidente

Ir = Corrente refletida

Ii= Corrente incidente

Pr = Potncia refletida

Pi= Potncia incidente

i

r

i

r

II

EE

==i

r

PP

= onde: ( )01

Coeficiente de Onda Estacionria

Coeficiente de onda estacionria: relao entre a amplitude mxima e mnima da tenso ou corrente em uma linha de transmisso, resultante da interao das ondas incidente e refletida.

Tambm conhecido por VSWR, SWR, COE.

mn

mx

mn

mx

II

EEVSWR ==

i

r

i

r

PPPP

VSWR

+

=

+=

1

1

11

= Coeficiente de reflexoEr = Tenso refletida

Ei= Tenso incidente

Ir = Corrente refletida

Ii= Corrente incidente

Pr = Potncia refletida

Pi= Potncia incidente

Perda de Retorno Return Loss

Indica tambm a proporo entre a potncia incidente e a refletida,

porm na escala logartmica. Pode ser definida como:

log.20)( =dBRL

Potncia Incidente

Potncia Refletida

Potncia til

Linha de Transmisso

Antena

Conector da AntenaGerador de RF

5 - Antenas

A abertura fsica de uma LT paralela que transporta uma OEM, proporciona uma variao senoidal de potencial (Volts) e de corrente (Amperes) nos condutores, provocando o aparecimento de linhas de campo magntico e eltrico variveis em torno do dipolo formado, dando origem a uma onda eletromagntica que se propaga.

Polarizao de uma antena

E, em fsica, o smbolo da intensidade de campo eltrico H, em fsica, e o smbolo da intensidade de campo magntico

Planos de um diagrama de irradiao

O diagrama de irradiao de uma antena, para ser melhor visualizado, normalmente representado pela distribuio de energia nos planos eltrico e magntico, ditos Plano E e Plano H.

Planos de um Diagrama de Irradiao em Relao a Superfcie Terrestre

As antenas que no so passveis de ajuste de polaridade na instalao painis setoriais, omnidirecionais... os diagramas de irradiao so representados pelo plano de azimute, e pelo plano de elevao.

Plano Horizontalou Azimuth

Plano Vertical,Elevaoou Zenith

Superfcie Terrestre

Diagrama de Irradiao

Diagrama de irradiao representao grfica da forma como energia eletromagntica se distribui no espao.

O diagrama pode ser obtido tanto pelo deslocamento de uma antena de prova em torno da antena que se estmedindo, como pela rotao desta em torno do seu eixo, enviando os sinais recebidos a um receptor capaz de discriminar com preciso a freqncia e a potncia recebidas

Diagrama de Irradiao de Uma Antena

Os resultados obtidos so geralmente normalizados. Ao mximo sinal recebido dado o valor de 0 dB, facilitando a interpretao dos lbulos secundrios e relao frente-costas.

0

60120

180

240 300

-30

-20

-10

0

Diagrama de irradiao, a curva em azul representa energia irradiada em cada direo em torno da antena.

Formas de Visualizao dos diagramas de Radiao

diagrama de irradiao na forma tridimensionalPermite-nos visualizar a distribuio espacial de toda a potncia envolvida.


diagrama de irradiao na forma polar

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

-40

-20

0

Fceis de interpretar, os lbulos so identificados pelo ngulo e amplitude. O lbulo principal define os ngulos de potncia e o mximo ganho. A anlise correta da antena necessita-o em dois planos, vertical e horizontal ou Plano E e Plano H.


diagrama de irradiao na forma retangular

Usual nas antenas de alto ganho, onde a pequena abertura do lbulo principal compromete a interpretao do diagrama de irradiao polar.

-180 -120 -60 0 60 120 180

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

G

a

n

h

o

N

o

r

m

a

l

i

s

a

d

o

ngulo

ngulos de meia potncia (-3dB)

Os ngulos de meia potncia so definidos pelos pontos no diagrama onde a potncia irradiada equivale metade da irradiada na direo principal.

0

60120

180

240 300

-12

-6

0- 3 dB

- 3 dB

Estes ngulos definem a abertura da antena no plano horizontal e no plano vertical.

-3 dB = 50% Potncia

No exemplo ao ladotemos:

ngulo de 3dB = 55

Relao Frente / Costas - (RFC) (Front-to-back F/B)

Relao frente-costas (RFC) a relao de ganho entre o lbulo principal e posterior.

PmPop

op

m

PPRFC =

Pm: Energia Mxima na direo de propagao.

Pop: Energia irradiada para trs.

op

m

PPdBRFC log10)( =

Diretividade de uma antena

a relao entre o campo irradiado pela antena na direo de mxima irradiao e o campo que seria gerado por uma antena isotrpica que recebesse a mesma potncia.

A diretividade de uma antena define sua capacidade de concentrar a energia irradiada numa determinada direo.

ISO

mx

EED =

Emx: Energia da antena em estudo.

EISO: Energia da antena isotrpica.

Ganho

O ganho pode ser entendido como o resultado da diretividade menos as perdas.

Matematicamente, o resultado do produto da eficincia pela diretividade.

DG G = GanhoD = Diretividade = Eficincia

A eficincia de uma antena, diz respeito ao seu projeto eletromagntico como um todo, ou seja, so todas perdas envolvidas (descasamento de impedncia, perdas em dieltricos, lbulos secundrios...)

Largura de banda (BW) Largura de banda o intervalo de freqncia a qual a antena deve funcionar

satisfatoriamente, dentro das normas tcnicas vigentes a sua aplicao.

f1 f2

BWG

f

Espera-se que uma antena possua todas as caractersticas especificadas pelo fabricante, iguais ao longo de sua banda de operao, ganho, impedncia, VSWR, RFC, Nvel de lbulos secundrios, etc.

dBd versus dBi

O radiador isotrpico um modelo idealizado, seu diagrama de irradiao uma esfera com densidade de potncia uniforme.

Um dipolo de meia onda em espao livre apresenta um ganho de 2.15 dBi, ou seja, possui uma capacidade de concentrar 2.15 dB a mais na sua direo de mxima irradiao quando comparado a antena isotrpica.

Ao referenciar-se o ganho de uma antena temos:

Ao radiador isotrpico usa-se a unidade dBi. Ao dipolo de meia onda, usa-se a unidade dBd.

dBi = dBd + 2,15

Ganho (dipolo /2) = 0 dBdGanho (dipolo /2) = 2.15 dBi

Antenas - Diagramas de irradiao tpicos algumas estruturas usuais

Plano MagnticoPlano EltricoG = 0 dBiG = - 2,15 dBd

Irradiador Isotrpico

Diagrama Horizontal ou de

Azimute

Diagrama Vertical ou de Elevao

Diagrama Tridimensional

Tipo de Antena

Antenas - Diagramas de irradiaoDipolo de Meia onda

Plano MagnticoPlano EltricoG = 2,15 dBiG = 0 dBd

Dipolo de Meia Onda


Azimute



Tipo de Antena

Yagi de 5 Elementos e Grade Refletora

Plano Eltrico Plano MagnticoG = 8 dBiG = 5,85 dBd

Yagi de 5 elementos


Azimute



Tipo de Antena

Omnidirecional de 6 dipolos

Plano Magntico Plano Eltrico G = 9,5 dBiG = 7,35 dBd

Omnidirecional de seis dipolos


Azimute



Tipo de Antena

Painel Setorial de 4 dipolos na vertical

Plano Eltrico Plano Magntico G = 12,5 dBiG = 10,35 dBd

Painel Setorial Polarizao Vertical


Azimute



Tipo de Antena

Clculo da potncia efetivamente irradiada (ERP)

)()()( dBpdBGdBPERP TT +=A Potncia ERP a potncia realmente irradiada pela antena.

PT(dB): Potncia em dB do transmissor GT(dB): Ganho em dBi da antena P(dB): perda por atenuao do cabo coaxial

Mtodo de alimentao de antenas - Balun

Como sabemos, um cabo coaxial composto de um condutor interno e uma malha. Para uma correta alimentao de uma antena, precisamos ter dois sinais defasados de meia onda, ou seja, um lado com sinal positivo e outro lado com sinal negativo.

Com isso utilizamos um dispositivo chamado de balun (Balanced Unbalanced) na alimentao da maioria das antenas.

Balun onda

Utilizando-se um trecho de linha de transmisso com meia onda, obtm-se duas amostras da corrente proveniente do gerador defasadas de 180o.

Trecho de /2

( 0 ) ( 180 )I1

I1/2I1/2

I1/2

( +90 ) ( 90 )

I1

Tipos de Antenas

Yagi Painel Setorial Omnidirecional Parbolas Antenas Patch Log Peridicas Helicoidal

Yagis

Yagis Conceito: Antena direcional composta de

um refletor (simples ou grade) um dipolo (simples ou dobrado) e vrios diretores.

Pode ser instalada na pol. vertical ou horizontal.

As yagis de freqncias acima de 1.5GHz necessitam o uso de radome, para proteo da gua da chuva.

So utilizadas geralmente em sistemas ponto a ponto, porm as yagis de trs elementos possuem um ngulo de abertura de at 120 graus, possibilitando seu uso em sistemas ponto - multiponto.

15,5 17,2 dBi25 elementos ou mais

13 15 dBi11 elementos9,5 12 dBi7 elementos

6 8 dBi3 elementos

Ganhos MdiosNmero de elementos

Painis Setoriais

Definio: Antena composta um conjunto de dipolos alimentados em fase, e uma chapa refletora.

Utilizao: para enlaces ponto multiponto, onde o ngulo de abertura da antena, atende a uma determinada regio

.

O ganho e o ngulo de abertura de um painel depende do nmero de dipolos, das dimenses da chapa refletora, da distncia entre os dipolos e sua eficincia na alimentao dos dipolos, que muitas vezes, torna-se bastante complexa.

Podem ser construdos com dipolos na pol. vertical, horizontal, ou 45 graus.

Parbolas

Consiste em uma antena (alimentador) que ilumina um refletor parablico que reirradiaessa energia na direo de mximo ganho.

Seu ganho elevado, logo apresenta pequeno ngulo de abertura. So utilizados para enlaces de grandes distncias. Sua polarizao em geral linear e o ajuste obtido atravs do giro de 90 graus do

alimentador e do refletor. Nas parablicas slidas, gira-se apenas o alimentador.

-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Parbolas

As antenas parablicas podem ter refletores do tipo slido ou vazado. Quanto a sua posio de alimentao, pode ser do tipo focal point ou off-set.

Existem vrios tipos de alimentao, mas o fundamental que o diagrama de irradiao do alimentador coincida com as bordas do refletor.

Refletor Parablico

AlimentadorPonto Focal

Refletor Parablico

AlimentadorPonto FocalFora de Centro

Focal Point Off - Set

Relao de ganho para uma refletor parablico

Ganho terico mximo para um refletor parablico:

( )

= 2

..4log*10)( pi AdBG

G = Ganho em dBi

A = rea do refletor em m2= Comp. Onda em metros = Rendimento

( )

=

pi*

..4log*10)( 2AdBG Ganho real:

Log - Peridicas

Conceito: Antena utilizada em servios onde necessitam uma grande largura de banda (BW). Consiste em vrios dipolos de tamanhos e distncias diferentes, onde no final, o conjunto ressona em uma largura de banda maior.

Possuem um ganho inferior as yagis, quando comparadas pelo tamanho. So utilizadas em enlaces ponto a ponto. Seus diagramas de radiao so similares s yagis . Podem ser instaladas na pol vertical ou horizontal.

Omnidirecionais

Antena que irradia uniformemente no plano de azimute.

Consiste em vrios dipolos empilhados e alimentados em fase.

O ganho obtido com relao ao nmero de dipolos e a distncia entre eles.

14,15 dBi1611,15 dBi88,15 dBi45,15 dBi22,15 dBi1

Ganho mdio

Nmero de dipolos

Comparao entre os Diagramas de duas Omnidirecionais

Diagrama de Irradiao no Plano Vertical (E)

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

-30

-20

-10

0

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

-30

-20

-10

0

Omni 8 dBi Omni 15 dBi

Influncia da Torre ou Mastro na Instalao de uma Omni

O diagrama de irradiao das antenas omnidirecionais bastante prejudicado pela reflexo causada pelos elementos da torre ou mastro.

Para minimizar este efeito, efetua-se a instalao distante da torre em 10 .

Simulao

Patch Antenas

As antenas patch so confeccionadas em placas de circuito impresso. Sua principal aplicao para ambientes indoor, porm pode-se tambm ser usada

ambientes outdoor. Contudo, protees extras contra intempries devem ser aplicadas, pois so muito mais sensveis umidade.

Possui baixo custo de montagem, pois sua estrutura resume-se em uma placa, um conector, o refletor e o radome.

Possui baixa eficincia de irradiao, pouca largura de banda e geralmente possuem ngulos de abertura pequenos.

Antena Helicoidal

Estas antenas utilizam a polarizao circular So bastante comuns em utilizao na comunicao via

satlite, pois no precisam ajuste de polarizao. Muito utilizada em GPS no controle de navegao,

pois apresentam uma abertura compatvel com o ngulo do sinal incidente dos satlite.

Dimensionamento de Rdio Enlaces

Antena Setorial

Divisor de Potncia

Transmissor

X

Y

Z

Distncia

Clculo de Rdio - Enlaces

Direcionamento de um enlace Ponto a Ponto com alturas diferentes ngulo de tilt.

Ponto A

Ponto B

d = distncia em metros

=

dH

arctan = ngulo em graus ()

H = Diferena de Altura entre os pontos A e B (m)

d = Distncia entre o ponto A e B (m)

Dimensionamento de um Enlace Ponto a Ponto

A partir do nvel mnimo de sinal exigido pelo receptor faz-se o somatrio das demais variveis, corrigindo-as sempre que for necessrio.

Equao Geral

TX

Gt

Pt

Gr

RX

Pr

Ao

d = distncia em metros

Transmissor Receptor

TX - Potncia de sada do rdio (dBm) Pt - Perda por atenuao no cabo coaxial (dB) Gt - Ganho da antena do transmissor (dBi)Gr - Ganho da antena do receptor (dBi)Pr - Perda por atenuao no cabo coaxial (dB)RX - Sensibilidade do receptor (dBm)Ao - Atenuao por espao livre (dB)

Pr++= GrAoGtPtTxRx

Comportamento da Potncia ao longo do percurso

Indicao grfica da variao do nvel de potncia ao longo do percurso da OEM.

TX Pt

Gt

PrGr

Ao

RX

Potncia (dB)

Percurso da Onda Eletromagntica

Atenuao de Espao Livre

Uma OEM propagado-se no espao sofre uma atenuao contnua. Ao nos afastarmos da fonte a mesma quantidade de energia distribuda em uma rea maior, diminuindo a densidade de potncia na regio.

A atenuao de espao livre pode ser calculada pela expresso abaixo:

Sentido de Propagao

X

A1

A2

d1

d2

=

pi DdBAo ..4log.20)(

D Distncia do (m) - Comprimento de onda (m)Ao: Atenuao em espao livre (dB)

Elevao Terrestre e Radiovisibilidade

Uma portadora pode tomar vrios caminhos entre as antenas que compe um rdio-enlace.

A B

C

Dependendo das caractersticas do meio, a OEM pode sofre desvios de percurso.

A Sinal Refratado

B Sinal Refletido

C Sinal Difratado

Difrao das ondas eletromagnticas devido a obstculos

Quando uma onda eletromagntica limitada em seu avano por um objeto opaco que deixa passar apenas uma frao das frentes de onda, estas sofrem uma deflexo denominada difrao.

Onda Direta

Onda Difratada

Zona desombra

Antena Transmissora

Antena Receptora

Obstculo

Uma nova onda composta pelos radiadores, com caractersticas de frentes de onda diferentes da onda original.

Refrao atmosfrica das ondas eletromagnticas

No clculo de enlaces de microondas a trajetria da OEM sofre um encurvamento direo ao solo, pela passagem atravs de um meio com ndice de refrao varivel com a altitude. Esta mudana de trajetria denomina-se refrao da OEM.

Trajetria da Onda

Camadas daTroposfera

A trajetria desviada de forma que a onda percorra o traado de uma arco descendente.

Radiohorizonte

Define-se como radiohorizonte, a linha de horizonte com radiovisibilidade para um transmissor ou receptor. Leva-se em conta a curvatura terrestre e a refrao atmosfrica.

A equao abaixo, indica a mxima distncia entre um transmissor e um receptor, em funo da altura das antenas para que haja radiovisibilidade.

h2 (m)

d (km)

h1 (m)

( )2112,4 hhd += d = distncia entre as antenas (km)h1 = altura da antena 1 (m)h2 altura da antena 2 (m)

Para raio equivalente = 4/3

Elipside de Fresnel

o lugar geomtrico dos pontos entre as duas antenas que possui comprimento igual a soma da distncia entre as antenas e meio comprimento de onda, regio tambm denominada primeira zona de Fresnel.

Todas as caractersticas do espao, nas proximidades da linha de visada das antenas que diferem das caractersticas do vcuo, esto envolvidas no processo de propagao.

distncia

distncia + /2Seco da Zona

de Fresnel

Clculo do raio de Fresnel

O raio da seo reta circular da primeira zona de Fresnel em um ponto definido pelas distncias D1 e D2 a partir das antenas na trajetria da visada do rdio enlace pode ser calculado como se segue:

dfDD

rm.

.547 21=

D2

Rm

D1

d

PontoA

PontoBPonto C

rm = raio de Fresnel (m)

D1 = Distncia AC (km)

D2 = Distncia BC (km)

d = Distncia do Enlace (km)

f = Freqncia em MHzAplicao:

Verificar as obstrues da primeira zona e as perdas causadas pelas mesmas.

Se o elipside de Fresnel estiver livre de obstrues propagao no espao livre.

Outros Fatores que Proporcionam Perdas na Atmosfera

Atenuao devido a Chuvas Atenuao devido aos gases da Atmosfera Degradao do XPD (despolarizao) Variao do Nvel de Rudo Espectral

Contramedida:

Utilizao de Fator de Segurana

Tipos de Interferncias

As interferncias podem ser classificadas de acordo com suas fontes e tambm em fixas e variveis

Interferncias Fixas: So as que mantm a relao sinal rudo fixas Interferncias Variveis: So as que no mantm o SNR constante. Interferncias de acordo com suas Fontes: Do mesmo Enlace (mutua) (sistemas com multiplos canais); Interferncia do sinal Refletido; Interferncia de outros Enlaces (diagrama de radiao das outras

antenas).

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