CET em Telecomunicações e Redes
Telecomunicações
Lab 13 Antenas
Objectivos
Familiarização com o conceito de atenuação em espaço livre entre o transmissor e o
receptor; variação do campo radiado com a distância; razão entre a directividade e ganho de
uma antena; análise das características particulares de vários tipos de antenas.
Equipamento utilizado
As Figuras 1.1 e 1.2 mostram os vários tipos de antenas usadas neste trabalho.
(a)
(b)
Figura 1.1 – Antena de dois elementos (a); Dipolo dobrado (b).
(b)
(a)
Figura 1.2 – Antena Yagi (a); Antena X-Quad (b).
Discussão:
A utilização de antenas na transmissão e/ou recepção de sinais implica a análise prévia
de um conjunto de parâmetros associados ao tipo de ligação a estabelecer que conduza à
escolha correcta do tipo de antenas a usar. O emprego de uma antena adequada constitui um
factor determinante para a qualidade de recepção dos sinais transmitidos. Os parâmetros mais
importantes a analisar são, por exemplo, a atenuação em espaço livre, entre emissor e
receptor, a directividade ou ganho da antena, o tipo de polarização empregue, assim como o
isolamento de polarização, o diagrama de radiação da antena, as possíveis fontes de
interferência, etc. Alguns destes parâmetros são normalmente expressos em unidades
logarítmicas (dB).
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Co-polarização e polarização-cruzada
As ondas electromagnéticas radiadas por uma antena do tipo dipolo são usualmente
polarizadas verticalmente (campo eléctrico vertical) ou horizontalmente (campo eléctrico
horizontal) em relação à superfície da terra, como nos mostra a Figura 1.3.
Figura 1.3 – Campos eléctrico (E) e magnético (H) radiados pela antena transmissora na
direcção da antena receptora.
As condições óptimas de transmissão e recepção dos sinais radiados ocorrem quando
ambas as antenas têm a mesma polarização, isto é, quando se verifica adaptação de
polarização. Neste caso, ambas as antenas encontram-se igualmente orientadas no espaço, ou
seja, sobre o mesmo plano (vertical ou horizontal). Esta situação é designada por copolarização.
Se rodarmos uma das antenas de 90º, verifica-se que a recepção do sinal diminui
consideravelmente. Esta situação designa-se por polarização-cruzada (cross-polarization).
Dependendo do tipo de antena, é possível a recepção do sinal transmitido mesmo em
polarização-cruzada.
A diferença em dB entre a potência recebida em co-polarização (P2) e a potência
recebida em polarização-cruzada (P1) designa-se por atenuação ou isolamento de polarização
(X) e é dada por
P 
X = 10log  2  = P2[ dB ] − P1[ dB ] [dB]
 P1 
(1.1)
Este parâmetro assume especial importância em sistemas de transmissão que empregam
simultaneamente ambas as polarizações, horizontal e vertical, na transmissão de sinais com
informação distinta (por ex. canais telefónicos ou de TV) na mesma banda de frequências. Esta
técnica designa-se por diversidade de polarização. O isolamento de polarização X permite,
portanto, avaliar o nível de interferência entre os sinais recebidos com diferente polarização.
Naturalmente, quanto maior for X maior é o isolamento entre polarizações, ou seja, menor a
interferência entre os respectivos sinais.
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Atenuação em espaço livre
A potência recebida PR por uma antena diminui com a distância d entre a antena de
transmissão e a antena de recepção, de acordo com a seguinte expressão:
2
2
 c 
 λ 
PR = PT 
= PT 
 ,

 4πd 
 4πdf 
(1.2)
em que PT é a potência transmitida, d a distância entre o transmissor e o receptor, f a
frequência, λ o comprimento de onda (λ=c / f) e c a velocidade da luz (c=3×108 [m/s]).
O campo eléctrico recebido ER a uma distância d da antena transmissora pode ser
aproximado por
ER =
30 PT
d
[V/m]
(1.3)
Observando as expressões (1.2) e (1.3) verifica-se que a potência reduz-se com o quadrado da
distância, enquanto que o campo eléctrico é inversamente proporcional à distância.
A razão entre PT/PR designa a atenuação (em espaço livre) ao longo do percurso de
transmissão e é dada por
2
P
 4πd 
 4πdf 
=
a0 = T = 


PR  λ 
 c 
2
(1.4)
Normalmente a atenuação em espaço livre é dada em dB, isto é,
2
P 
 4π d 
 4π df 
a0 = 10log  T  = 10log 
= 10log 

 λ 
 c 
 PR 
2
(1.5)
ou
P 
 4π d 
 4π df 
20log
a0 = 10log  T  = 20log 
=
 c 
 λ 
 PR 
(1.6)
Combinando as constantes de (1.5), exprimindo a frequência f em MHz e a distância d em km,
resulta
ao = 32,44 + 20 log(f[MHz]) + 20 log(d[km]) dB
(1.7)
Um método simples de determinar a atenuação em espaço livre é através do gráfico da Figura
1.4.
Na prática, outros factores como a superfície da terra, a altura das antenas, a chuva, a
existência de obstáculos no percurso de propagação do sinal, entre outros, contribuem para o
aumento da atenuação total de propagação dos sinais entre as antenas.
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Definição de ganho
O ganho de uma antena está intimamente relacionado com as propriedades direccionais
desta. Quanto mais uma antena radia numa determinada direcção, ou seja, quanto mais
directiva, maior é o ganho da antena. O ganho pode ser expresso em dB pela expressão
P 
G = 10 Log  ant  ,
 P0 
(1.8)
sendo Pmáx a potência radiada na direcção de máxima radiação e P0 a potência radiada por uma
antena isotrópica (radia uniformemente em todas as direcções) ou por um dipolo de
referência de λ/2.
Normalmente, usa-se como antena de referência um dipolo de λ/2 que tem um ganho de 2.15
dB, comparado com uma antena isotrópica. Noutros casos, onde não é possível termos uma
antena de referência, utilizam-se os métodos absolutos de forma a calcular o ganho da antena:
Método das duas antenas (método de Fraenz), aplicado a antenas iguais; Método das três
antenas (método de Friis).
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Figura 1.4 – Determinação da atenuação em espaço livre.
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Trabalho
1. Verifique que os interruptores de alimentação estão desligados.
2. Coloque o dipolo dobrado no transmissor e a antena de dois elementos no receptor,
ambas na horizontal, separadas de 1 m. Ligue o transmissor e ajuste a sua potência de
forma a obter no receptor um valor de 50% e ajuste o controlo de sensibilidade no
máximo. Determine a potência recebida e registe a potência emitida.
3.
Rode a antena receptora para a vertical e verifique a diminuição da potência recebida.
Aumente a potência no emissor de forma a obter novamente o mesmo nível de
potência recebida no ponto 2. Registe a potência emitida.
4.
Calcule a atenuação produzida pelo efeito de polarização-cruzada.
5. Utilize o gráfico da Fig. 1.4 para calcular a atenuação em espaço livre de uma onda
com uma frequência de 434 MHz, para as distâncias de:
d= 3m ;
30m;
300m;
3Km;
30Km
6. Coloque a antena de dois elementos no transmissor e o dipolo dobrado no receptor,
ambos na horizontal, separadas de 2 m. Ajuste o controlo de sensibilidade no máximo.
Ligue o transmissor e ajuste a sua potência para que no receptor se atinja um nível de
recepção de 100%.
7. Registe o valor da potência emitida (P1) com a antena de dipolo dobrado (G=2.15 dB).
Substitua a antena receptora por um dipolo dobrado com reflectores, varie a potência
no transmissor (P2) de forma a obter novamente a mesma potência recebida
anteriormente. Calcule o ganho desta nova antena. (G=2.15+10Log(P1/P2) dB).
8. Substitua a antena receptora por uma antena Yagi e repita o procedimento do ponto
7. Por fim por uma antena X-Quad. Preencha o quadro da página seguinte.
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MEDIÇÕES
2:
Pr =
3:
Pe =
4:
5:
Distância
Atenuação (dB)
3m
30 m
300 m
3 Km
7 e 8:
Potência
transmitida
Dipolo
dobrado
Dipolo
dobrado com
reflectores
Yagi
X-Quad
(polarização
horizontal)
7
Ganho
Potência
recebida
30 Km