Antenas e Propagação

Antenas e Propagação

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CEFET-Ce

Gerência de Telemática

Curso Superior em Telemática Prof. Regis C. P. Marques

Antenas e Propagação de Ondas

Apresentação

Este material tem como intuito passar ao tecnólogo uma visão geral dos aspectos relacionados com a transmissão de informação por meio de ondas eletromagnéticas guiadas e não guiadas, bem como os de escolha e projeto de antenas e outros elementos do sistema aéreo.

Inicialmente é feita uma revisão da teoria eletromagnética básica e das características dos meios de transmissão, necessárias a compreensão de fenômenos ocorrentes na transmissão. Um estudo completo de toda teoria eletromagnética e suas inúmeras aplicações não é nosso objetivo.

Após esta revisão é estuda a transmissão através de ondas eletromagnéticas em suas várias etapas: geração, transmissão e recepção; influências do meio; fenômenos de transmissão; tipos de transmissão e suas aplicações; entre outros.

A segunda etapa trata do assunto linhas de transmissão, neste ponto espera-se que o aluno tenha compreendido a geração e transmissão de ondas não guiadas já que muitas das características de transmissão são observadas em ambos os casos (salvas algumas particularidades). Aqui são estudados os tipos básicos de linhas de transmissão (bifilar e coaxial), casamento de impedância e SWR.

A última etapa trata do assunto antenas. Em enlaces de rádio difusão, a escolha do sistema radiante é um ponto crítico e que merece uma atenção especial. Mesmo quando não é tratado o problema de se projetar uma antena, a simples necessidade de se escolher entre as inúmeras possibilidades existentes no mercado, requer o conhecimento de vários aspectos envolvidos. Nossa abordagem começa com o estudo dos tipos básicos de antenas e do problema de se projetar uma e por fim a análise de sistemas irradiantes encontrados no mercado.

Primeira Parte: Propagação de Ondas

1 Campos e Materiais

Até aqui o aluno teve contato e deve estar ciente do princípio de geração de campos elétrico e magnético, causados pela existência de cargas e correntes elétricas em condutores ou meios eletromagnéticos e deve conhecer leis básicas da eletricidade e magnetismo. O conhecimento destas leis não é fundamental para os estudos que serão realizados, mas do ponto de vista físico, compreender algumas destas leis facilita ao aluno compreender os fenômenos ligados à propagação de ondas. Com tudo as necessidades esporádicas de invocar tais relações serão atendidas de forma pontual, não sendo abordadas neste curso.

1. Campos

O primeiro contato com o termo campo ocorre normalmente no estudo da força gravitacional. Indiferente ao tipo, o termo está estritamente ligado a influência de uma força qualquer que age em uma determinada região do espaço. Na prática, não medimos a intensidade de um campo, mas sim a intensidade da força ou de algum fenômeno por ela causado.

Campo Elétrico Quando um capacitor é submetido a uma tensão

V e logo em seguida é retirado do circuito, pode-se observar entre seus terminais o mesmo valor da tensão aplicada, isso porque ele armazenou energia no dielétrico existente entre suas placas formando um campo elétrico E. Na prática não medimos o campo elétrico entre as placas do capacitor e sim a tensão que ele gera em seus terminais.

V Figura 1.1. Campo

Campo Magnético Se uma quantidade de cargas elétricas é colocada em movimento (corrente elétrica i) o que temos é a formação de um campo magnético H entorno do fluxo de cargas. Na prática, não medimos o campo magnético e sim a corrente elétrica que ele induz em outros materiais ao seu redor.

i H

Figura 1. 2. Campo magnético

Campo Eletromagnético

Os campos citados anteriormente têm como objetivo básico justificar os fenômenos ocorridos em materiais próximos a concentrações de cargas estáticas (campo elétrico) ou em movimento (campo magnético). A princípio o estudo de ambos os campos era realizado de maneira independente, pois se presumia não existir relação direta entre o campo elétrico e o magnético.

No entanto, se considerarmos uma fonte de tensão alternada, será observado um campo elétrico devido à diferença de potencial, ao mesmo tempo em que é observado um campo magnético, devido ao movimento de cargas. De forma que as componentes elétrica e magnética são indissociáveis, o que dá origem a um campo eletromagnético. O campo eletromagnético consiste da existência mútua de um campo elétrico e um campo magnético, e a região do espaço na qual sua presença é constatada é chamada meio eletromagnético.

2. Características dos Meios

Permeabilidade Magnética A experiência mostra que as grandezas que determinam as influências do campo eletromagnético dependem de diversas propriedades do meio. Por exemplo, quando o meio for o vácuo, a indução magnética assume determinado valor que se modifica para outro meio material. Ou seja, existe uma característica que altera o valor da indução em cada meio. Esta propriedade é denominada permeabilidade magnética (µ), medida em

Henrys/metro (H/m). Em meios simples, trata-se de uma grandeza escalar, representada apenas pelo seu valor numérico. Assim, estabeleceu-se que a indução magnética b é diretamente proporcional ao valor da permeabilidade, determinando a relação com o campo magnético h,

Quando o meio for o vácuo, a permeabilidade magnética, expressa em valores do Sistema Internacional de Unidades, é introduzido por definição como

70410H/mµpi−=× (1.2) Em geral costuma-se comparar a permeabilidade do meio com a do vácuo, introduzindo um fator µr conhecido como permeabilidade relativa.

Segundo a definição, µr é adimensional seu valor e o comportamento definem o tipo de meio no qual se estabelece a indução magnética. Segundo o comportamento, o material é classificado como:

o Diamagnéticos: Os meios diamagnéticos apresentam permeabilidade relativa constante, independente da amplitude do campo magnético, e ligeiramente inferior a unidade. Por exemplo, cobre, prata, ouro e sódio.

o Paramagnéticos: Os meios paramagnéticos apresentam permeabilidade relativa também independente da amplitude do campo magnético, mas ligeiramente maior que a unidade. Por exemplo, alumínio, berílio e titânio.

o Ferromagnéticos: Nestes meios, a permeabilidade magnética depende da amplitude do campo magnético, e em geral possui valor absoluto muito maior que o vácuo. Por exemplo, ferro, aço, níquel e cobalto.

Permissividade Elétrica

Uma análise semelhante deve ser feita para os efeitos que o meio exerce sobre o valor do campo elétrico, que depende de uma propriedade denominada permissividade elétrica. Por conseqüência da orientação da polarização interna do meio material, o campo resultante em seu interior tende a ser menor do que o existente no vácuo. O valor final será tanto menor quanto maior for a permissividade.

No vácuo a permissividade está relacionada com a permeabilidade magnética e com a velocidade da luz.

36o ocε µ pi

Novamente, este resultado é válido com excelente aproximação para o ar, mas há que se fazer uma modificação para outros materiais, podendo-se nestes casos introduzir o fator conhecido como permissividade relativa, permissividade específica ou constante dielétrica.

Condutividade Elétrica Outra importante propriedade dos materiais é sua condutividade elétrica, que indica a maior ou menor possibilidade desse meio permitir o deslocamento de cargas elétricas livres. A condutividade depende de características de cada meio. Se um meio for condutor perfeito esse parâmetro tende ao infinito (condição não prática). Por outro lado, em um dielétrico perfeito a condutividade seria nula.

No estudo de fenômenos eletromagnéticos, esta propriedade deve ser considerada em termos do tempo despendido no deslocamento das cargas, em comparação com período do campo eletromagnético aplicado. Assim, uma classificação mais conveniente dos materiais incluirá o conhecimento da freqüência do campo aplicado, sendo utilizada a seguinte classificação:

100Meio condutor

Meio dielétrico 100

O mesmo meio pode comportar-se como dielétrico ou condutor, dependendo da faixa de freqüência de operação. Por exemplo, o solo comporta-se como condutor para freqüências inferiores a 180 kHz e comporta-se como dielétrico para freqüências superiores a 1,8 GHz.

Exemplo 1.1

O solo em determinadas regiões apresenta as seguintes características eletromagnéticas:

condutividade de 2x10-2 S/m, permissividade de 8 o e permeabilidade magnética igual a do vácuo. Determine as faixas de freqüência para as quais esse meio comporta-se como condutor e dielétrico. R. 450 kHz e 4,5 GHz

Exercícios i. Quais são as grandezas mais importantes para quantificar o campo eletromagnético? i. Por que nos meios não-magnetizáveis pode-se considerar o desempenho igual ao do vácuo do ponto de vista do campo magnético? i. Explique o significado das seguintes grandezas: permeabilidade magnética, permissividade elétrica, condutividade elétrica, constante dielétrica, permeabilidade relativa. iv. Em qual categoria pode-se enquadrar a atmosfera terrestre (condutor, dielétrico ou quase condutor)? v. Supondo que a água do mar apresente as seguintes características eletromagnéticas aproximadas: condutividade de 5S/m, permissividade de 80ε0 e permeabilidade magnética igual à do vácuo. Determine as faixas de freqüência nas quais esse meio se comporta como um condutor, dielétrico e quase condutor. vi. O solo de certa região apresenta condutividade de 10-2 S/m, permissividade relativa igual a 10 e permeabilidade igual a do vácuo. Determine as faixas de freqüência nas quais esse meio comporta-se como condutor, dielétrico e quase condutor.

2 Onda Eletromagnética

Aqui são vistos os princípios da geração de ondas eletromagnéticas e sua relação com o meio eletromagnético, o princípio de frente de onda e onda plana uniforme. O último tópico consiste do estudo das características do meio e para isso faz-se uso do conhecimento da equação de onda, o que justifica a apresentação das equações de Maxwell. Em sua forma diferencial, no entanto, o estudo destas equações torna-se inviável devido sua complexidade, por outro lado não poderíamos deixar de citá-las e expor seu significado físico.

1. Geração

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