INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇOCAMPUS DE PESQUISAS GEOFÍSICAS MAJOR EDSEL DE FREITAS COUTINHOPROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLDNOTAS DE AULA05 NOTAS DE AULA: INTERAÇÃO ENTRE ANTENAS EM RELAÇÃO À VARIAÇÃO DE DISTÂNCIAS ENTRE SI
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A presente publicação faz parte das notas de aula ''Fundamentos de propagação de rádio'' datilografada em 1978 e apresentada na Escola Técnica Federal do Paraná em 1979. Foi complementada em 1987 e o formalismo matemático mais rigoroso foi inserido 1990. O trabalho digitalizado foi publicado no Hpg.IG em 1998 no endereço http://www.angeloleithold.hpg.ig.com.br/ciencia _e_educacao/9/index_int_4.html. Foi elaborada uma cópia de segurança e publicada no Yahoo-Geocities em 2004 no endereço http://br.geocities.com/angeloleithold/teoriaantena.html. Em maio de 2011 o Hpg.IG foi descontinuado, a cópia salva foi migrada para o presente endereço em junho de 2011:http://web.archive.org/web/20071112182438/http://br.geocities.com/angeloleithold/teoriaantena.htmlhttp://web.archive.org/web/20060221225235/http://angeloleithold.vilabol.uol.com.br/py5aal.htmlhttp://web.archive.org/web/20071202135144/http://br.geocities.com/angeloleithold/py5aal.refletores.htmlhttp://www.angeloleithold.hpg.ig.com.br/ciencia_e_educacao/6/index_pri_1.htmlhttp://web.archive.org/web/20040914020247/http://www.angeloleithold.hpg.ig.com.br/ciencia_e_educacao/6/index_int_3.html
©2003 Ângelo Antônio Leithold. SOMENTE poderá ser utilizado para fins educacionais. Sendo expressamente proibido o uso comercial e a publicação em outros sites sem a autorização expressa do autor.
REFLETORES E EFEITO TERRA.
Os refletores se disseminaram largamente nos sistemas irradiantes, a alteração de impedância e o diagrama resultante da distância de uma antena ao solo é largamente utilizada. A forma e a distância do refletor à antena força seu comportamento, se determinado um diagrama a antena trabalha dentro dele. Um dos parâmetros que imediatamente percebidos, é a relação frente/costas no caso de antenas direcionais, pois à medida que esta relação aumenta, conseqüentemente aumentará a diretividade da antena. A reflexão na ionosfera e alteração de lóbulos é função da distância e diâmetro dos elementos. Com o passar do tempo e experiências, chegou-se à conclusão que estes praticamente se igualam em forma e dimensões aos dipolos ou monopolos dos quais fazem parte. Numa antena direcional cilíndrica, por exemplo, recomenda-se que os elementos parasitas também o sejam, os comprimento físicos daqueles, se refletores devem ser ligeiramente maiores que o elemento ativo em cinco a dez por cento. No caso de refletores planos sua superfície não precisa ser infinita, basta que seja ressonante, ou seja, uma superfície refletora contínua cuja malha não ultrapasse a 10% do comprimento de onda aplicado. Uma vez feito este procedimento alterará a impedância e largura de faixa do sistema resultante, o dipolo, não mais será um dipolo isolado, passará a se comportar como uma rede com todas as características dadas pela disposição dos elementos interferentes. Para uma antena situada a uma distância considerada "S" da superfície ressonante, tem-se um sistema com uma antena real e uma antena virtual, isto é uma rede com seu dipolo e sua imagem a uma distância 2S, funciona como se fossem duas antenas interagindo.
Na vertical:
î - |
h î |
I + | plano terra
//////////////////////////////////////////////////////////////////
Î - |
h î |
I__ + |
Sendo: E'q a senq , E'r a cosq , E'q a sen [p - q] = senq , E'r a cos [p - q] = -cosq, tanto para o dipolo horizontal, quanto para o dipolo vertical, existe o dipolo imagem, este atua de forma que seu efeito, juntamente ao efeito terra alterem o diagrama de irradiação, impedância, ganho, dentre outros parâmetros da antena como se fosse um refletor, daí para efetuar a análise o sistema de estudo dos efeitos causados pela proximidade de duas antenas. Uma antena próxima a qualquer estrutura condutiva, "n" dipolos, outra antena, ou antenas, forma-se uma rede que deve ter certos aspectos físicos de proximidade entre seus elementos em comprimentos de onda. O sistema resultante tem um acoplamento concomitante e haverá somatórias de todas as características de todos os elementos ou acoplamento mútuo. O efeito do acoplamento mútuo, tanto para antena em polarização horizontal, quanto vertical têm em sua imagem a indução de correntes, suas impedâncias, lóbulos, e ganhos se interam, formando um sistema complexo. Uma antena a uma determinada distância da terra, existe a antena real e sua imagem. As correntes induzidas no dipolo real terão seu equivalente no dipolo imagem. O dipolo vertical muito próximo ao solo tem reforçados o campo irradiado e o campo recebido, no caso do dipolo horizontal, a impedância resultante do sistema será muito próxima de zero ohm, colocando o sinal em curto com a terra, anulando a antena. No caso do monopolo em polarização vertical, seu funcionamento no solo será similar ao dipolo vertical no espaço livre, sua imagem complementará o segmento real.
Num dipolo de meia onda, dependendo da sua altura em comprimento de onda da terra, o efeito desta sobre aquele é de substancial importância. Além de alterar o ângulo de tiro (partida) da antena, também ocorre um efeito sobre a impedância no sistema irradiante. A antena passa a se comportar de forma sistêmica, ocorre o efeito de interação entre antena e terra, esta pode ser considerada como um refletor perfeito de dimensão infinita, formando uma imagem da antena tal qual a imagem formada por um objeto qualquer num. Tomando como exemplo o dipolo horizontal de meia onda que esteja ressonando em determinada freqüência, onde R 73 , como R 70 , R 70 para X 0 a uma distância de um comprimento de onda sobre a terra, ocorre o efeito imagem, ou uma “antena” refletida na terra, assim, a imagem plano horizontal pode ser esquematizada como:
__
î +++ à ---
h
I plano terra
//////////////////////////////////////////////////////////////////
Î
h --- ß +++
I__
A imagem plano vertical
__
î - |
h î |
I + | plano terra
//////////////////////////////////////////////////////////////////
Î - |
h î |
I__ + |
O comprimento do monopolo em posição vertical em relação à terra que está na horizontal. A base da antena está exatamente sobre a superfície do terra, isto é a medida passada na coluna da direita é a medida da ponta da haste à base, e não da distância do monopolo ao solo. O acoplamento da antena à sua imagem, e suas resultantes, sempre vai depender da altura desta para a terra (Ou elemento condutivo), seja esta superfície terrestre propriamente dita ou um elemento disposto de forma a criar um campo enxergado como um terra virtual, radiais para a monopolo, ou simplesmente o refletor no caso da antena Yagi-Uda. O diagrama de irradiação também se altera com a altura da antena ao solo. Os parâmetros de uma antena variam com a distância desta a qualquer elemento interferente tridimensionalmente. Antenas e estruturas metálicas próximas quando ressonantes interagem entre si, e podem ser vistas como uma “rede de antenas”.
Impedância da antena dipolo pola-rização horizontal
05
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
97,5
95
90
85
80
75
70
65
60
58,7
65
70
75
73,5
80
82,5
80
75
73,5
70
65
70
73,5
75
80
75
73,5
70
73,5
Altura da antena em relação à terra em l (Em comprimento de onda)
0,001
0,015
0,031
0,047
0,062
0,078
0,093
0,102
0,125
0,140
0,156
0,172
0,187
0,202
0,218
0,234
0,250
0,266
0,281
0,312
0,375
0,406
0,437
0,469
0,500
0,531
0,562
0,581
0,625
0,687
0,719
0,734
0,750
0,781
0,844
0,937
0,981
1,000
1,044
1,144
1,200
1,250
1,281
1,375
1,481
1,500
1,625
2,000
Altura do dipolo em comprimento de onda
0,28
0,30
0,30
0,33
0,35
0,42
0,485
0,56
0,635
0,71
0,79
0,87
0,955
1,03
1,12
1,19
1,28
Ângulo de partida
63,5
56,3
56,3
50,2
45,0
36,8
31,0
26,6
23,2
20,6
18,4
16,7
15,2
14,0
13,0
12,1
11,3
Alcance da 1a reflexão em Km
300
400
400
500
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
Impedância da antena monopolopolarização vertical
0
1
8
20
30
40
50
60
70
75
80
90
100
105
97,5
90
80
75
70
60
50
41
50
60
70
75
80
90
100
110
120
130
132.5
130
115
110
100
Comprimento da haste da antena em l (Comprimento de onda)
00.5
0.10
0.15
0.20
0.24
0.26
0.275
0.30
0.325
0.34
0.35
0.375
0.400
0.45
0,50
0,525
0.55
0,57
0.59
0.62
0.65
0.70
0.74
0.77
0.79
0.80
0.815
0.825
0.85
0.87
0.88
0.965
0.975
1.000
1.05
1.075
1.1
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