Caracterização das Antenas

ANTENAS
Prof. Fernando J. S. Moreira © 2010 - DELT/UFMG
Mais Antenas...
• Antena Yagi-Uda
• Antena Log-Periódica
• Casadores e Baluns
ANTENAS
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Antena Yagi-Uda
É um conjunto de dipolos com configuração end-fire. Inventada por volta de
1926 por H. Yagi e S. Uda. C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and
Design, 3rd edition, Wiley, 2005, Sect. 10.3.3.
Z
d34
Y
4
X
2
1
Refletor
3
Excitador
Refletor:

λ
5
Diretores
≈ 0,5 ⇒ X dipolo > 0
Excitador: 0,45 < 
Diretor:
4
0,35 < 
Máximo
de
Radiação
λ
< 0,49 ⇒ X dipolo ≈ 0
λ
< 0,45 ⇒ X dipolo < 0
Configuração
End-Fire:
di , i+1 < λ
2
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Antena Yagi-Uda
Z
Comportamento end-fire com apenas
um elemento excitado (excitador):
d
Y
X
e
A i ≈ A e + j (i−1)β ; β ≈ −kd
End-Fire : d ≤ λ
2
Sua simplicidade e diretividade fizeram
com
que
a
antena
ganhasse
notoriedade muito rapidamente.
− jkr
Diagrama no Plano-H
Diagrama no Plano-H
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Antena Yagi-Uda
Radiação de uma Yagi-Uda com 4 elementos:
http://www.nottingham.ac.uk/ggiemr/research/examples.htm
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Antena Yagi-Uda: Base de Projeto
Refletor: O comprimento do dipolo ( ≈ 0,5 λ) e a distância
entre este e o excitador pouco influem na diretividade da
antena. É geralmente projetado por último, para ajustes
finais na impedância de entrada e na razão frente-verso.
Excitador: O comprimento do dipolo tem pouca influência na
diretividade da antena. O comprimento é geralmente
projetado para Xdipolo ≈ 0 ( ≈ 0,48 λ).
Diretores: Afetam tudo. Constituem a parte crucial do projeto.
Refletor
Excitador
Diretores
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Antena Yagi-Uda: Exemplos
Antena Yagi-Uda projetada e construída por
alunos do curso de Antenas (Graduação em
Engenharia Elétrica - UFMG)
Antenas Yagi-Uda
aplicadas em
sistemas
telefônicos em
UHF
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Antena Yagi-Uda: Exemplos
Radome
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Antena Yagi-Uda: Exemplos
Exemplo: antena Yagi-Uda para a faixa de 430 MHz.
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Antena Yagi-Uda: Exemplos
Exemplo: antena Yagi-Uda para a faixa de 430 MHz.
Diagramas em 432 MHz (Go = 18.56 dBi)
Nulo
Plano E
Plano H
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Antena Yagi-Uda: Exemplos
Exemplo: antena Yagi-Uda para a faixa de 430 MHz.
Diagramas no plano E
Nulo
432 MHz (18.56 dBi)
Nulo
440 MHz (18.48 dBi)
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Antena Yagi-Uda: Exemplos
Exemplo: antena Yagi-Uda para a faixa de 430 MHz.
Diagramas no plano H
432 MHz (18.56 dBi)
440 MHz (18.48 dBi)
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Antena Yagi-Uda: Referências
D. M. Pozar, “Beam transmission of ultra short waves: An introduction to the
classic paper by H. Yagi,” Proceedings of the IEEE, Vol. 85 , no. 11 , pp. 1857—
1863, Nov. 1997.
H. Yagi, “Beam transmission of ultra short waves (reprint),” Proceedings of the
IEEE, Vol. 85 , no. 11 , pp. 1864—1874, Nov. 1997.
G. Sato, “A secret story about the Yagi antenna”, IEEE Antennas and Propagation
Magazine, vol. 33, no. 3, pp. 7—18, June 1991.
D. K. Cheng, “Gain optimization for Yagi-Uda arrays,” IEEE Antennas and
Propagation Magazine, vol. 33, no. 3, pp. 42—46, June 1991.
Shintaro Uda
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Antena Log-Periódica
C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 3rd edition, Wiley,
2005, Sect. 11.4.2.
 i+1 di+1 si+1 ai+1 1
=
=
=
=
di
si
ai
i
τ
2ai+1
2ai
α
−∞ ←i
si

si+1
i
 i+1
α
di
di+1
Antena Log-Periódica formada por dipolos

i→∞
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Antena Log-Periódica
As características da antena dependem de suas dimensões elétricas
(relativas a λ). Da figura anterior, assumindo um número infinito de
elementos [ i ∈ ( −∞, ∞ ) ], observa-se que se
(
)
λA = τ m λB ou fA = τ −m fB ; m = 0, ± 1, ± 2, 
onde τ representa a razão entre dimensões de elementos consecutivos.
Logo, as características para λ = λA (f = fA) serão as mesmas de λ = λB (f =
fB). Aplicando o logaritmo na expressão acima:
ln(λA ) − ln(λB ) = m × ln(τ ) ⇒ ln(fA ) − ln(fB ) = −m × ln(τ )
Característica
(Ganho, Impedância, etc.)
Isto implica em características da antena periódicas com ln(λ) [ou ln(f)]:
− ln(τ )
− ln(τ )
ln(f)
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Antena Log-Periódica
Na prática, o comportamento log-periódico não se verifica (por exemplo,
número finito de elementos). Mas, bem projetada, é uma antena com uma
largura de faixa muito superior à da Yagi-Uda.
Quanto à direção do máximo de radiação:
Excitações defasadas de
aproximadamente 180°
•
Radiação dos elementos
menores cancelada
(menos interferência)
•
Fase progressiva na
direção dos elementos
maiores
•
Efeitos de interferência
no diagrama de radiação
•
Máximo de
Radiação
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Antena Log-Periódica
Na prática, a implementação das fases cruzadas pode ser feita utilizando-se
uma linha de transmissão de dois condutores.
Note um polo num dos
condutores da gôndola e
o outro polo no outro
condutor, com alternância
de um elemento para
outro.
Impressa
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Antena Log-Periódica
Outro exemplo de implementação.
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Antena Log-Periódica
Exemplo: antena para a faixa de 18 MHz - 30 MHz.
d1=1.25”
d2=1”
d3=0.75”
d4=0.625”
d5=0.50”
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Antena Log-Periódica
Exemplo: antena para a faixa de 18 MHz - 30 MHz.
Diagramas no plano E
Nulo
18 MHz (5.55 dBi)
24 MHz (6.45 dBi)
30 MHz (5.93 dBi)
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Casadores de Impedância
Um dos mais simples é o estube em paralelo (Balanis, Sec. 9.7.1):
Transmissor
(ou receptor)
VG
Estube
ZG

Z1
ZLT
|Γ| = 0 ⇒ Y(s)+YE = YLT
Y (s ) = YLT
Pode ser
“aberto”
Yin + jYLT tan(kLT s )
YLT + jYin tan(kLT s )
onde YLT = 1
e Yin = 1
ZLT
Zin
ZLT
s
Antena
− j Y1 cot (k1 ) ; curto
YE = 
 j Y1 tan(k1 ) ; aberto
onde Y1 = 1
Z1
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Casadores de Impedância
Outro muito simples é o transformador de quarto-de-onda (Sec. 9.7.2):
Transmissor
(ou receptor)
VG
ZG
b
ZLT
|Γ| = 0 ⇒ Zb = ZLT
a
Z1
Z2
λ1
s
Antena
4
Escolhe - se menor valor de s
Zin + jZ2 tan(k 2s )
Em " a" : Za = Z2
⇐
para Za ser puramente real
Z2 + jZin tan(k 2s )
Ra + jZ1 tan(k1 λ1 4 ) Z12
Z12
Dado Za = Ra , em " b" : Zb = Z1
=
⇒
= ZLT
Z1 + jRa tan(k1 λ1 4 ) Ra
Ra
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Baluns
Balanis, Sec. 9.7.6.
Antenas acopladas a cabos coaxias podem sofrer um desbalanceamento
na distribuição de corrente:
Se afeta a distribuição de corrente,
então afeta as características
I2
elétricas da antena.
I1
I1 − I2
I1
I2
Um dos mais simples é o balun
bazuca: uma linha de quarto-deonda terminada em curto (ou seja,
um “aberto’’ na entrada) é colocada
para minimizar a corrente de fuga.
Os baluns (balanced-to-unbalanced)
são usados para balancear a
distribuição de corrente (ou seja,
balancear a tensão).
λ
4
I2 ≈ 0
I1
I1
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Balun Trombone
Permite, simultaneamente, o balanceamento e o casamento do dipolo
dobrado de meia onda (mais banda-larga em relação ao dipolo de meia
onda comum, mas com impedância 4 vezes maior) com cabos coaxiais de
50—75 Ω.
Iin
+V
λ /2
2
ZA =
Iin
Zin =
V/2 Z A
=
2Iin
4
−V
Iin
2Iin
2
V
Iin