Teoria e Projeto de Antenas - Vol. 2, 3ª edição

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Teoria e Projeto de Antenas é a melhor abordagem de aprendizagem para o entendimento de teoria e projeto de antenas. Foi elaborado para atender a cursos de graduação e estudantes de pós-graduação. A ênfase dos autores tanto em princípios quanto em projetos torna-o perfeito para uso em cursos e como referência para engenheiros de antenas. O texto provê uma melhor abordagem pedagógica do que outros livros, dando maior ênfase a uma apresentação concisa e de fácil entendimento de fundamentos e aplicações, assim como de métodos computacionais. Esta terceira edição foi completamente revista. Novos tópicos foram acrescentados, tratando de antenas para comunicações pessoais e móveis e para estações-base. Tópicos como cobertura de aplicações sistêmicas de antenas, conjuntos, antenas microstrip e de perfil baixo e medidas em antenas foram atualizados e expandidos, incluindo mais exemplos de aplicações modernas. Nesta nova edição, destacam-se:

• O Capítulo 1, que foi totalmente refeito, sendo dedicado a uma revisão de antenas e suas aplicações, com ênfase na motivação do estudante.• A completa reestruturação dos tópicos nos capítulos, visando a melhorar a compreensão e o aprendizado nos cursos.• O Capítulo 12, sobre antenas terminais e de estações-base, que tem novo material sobre antenas terminais para satélite, antenas para estações-base, antenas veiculares, antenas inteligentes e antenas adaptativas.• O tópico de medidas em antenas, que foi expandido em um capítulo independente, o Capítulo 13.

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Capítulo 10 • Síntese de Antenas

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Capítulo

10

Síntese de Antenas

10.1

PROBLEMA DE SÍNTESE DE ANTENAS

O estudo de antenas, até aqui, foi de análise, em que o desempenho da antena é determinado, dados o tipo de antena e valores de parâmetros físicos. Além do problema de análise, a engenharia de antenas, como a maioria dos campos da engenharia, também inclui o problema de síntese. A análise de antenas usa formulação analítica, simulação e/ou medidas para entender o funcionamento de uma antena e determinar suas características de desempenho. A síntese de antenas é o reverso da análise: uma estrutura de antena é determinada para alcançar um dado conjunto de especificações de desempenho, em geral um dado diagrama de radiação. O projeto de antenas poderia incorporar análise e síntese, mas, usualmente, aplica julgamento de engenharia às seguintes áreas: formulação das especificações elétricas e mecânicas, seleção do tipo de antena e análise iterativa de desempenho para chegar a uma antena que atenda às especificações.

 

Capítulo 11 • Antenas de Perfil Baixo e Antenas para Comunicações Pessoais

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Capítulo

11

Antenas de Perfil Baixo e

Antenas para Comunicações

Pessoais

11.1

INTRODUÇÃO

Comunicação sem fio foi discutida na Seção 4.5 segundo uma perspectiva sistêmica. Este capítulo foca antenas para comunicações pessoais sem fio (WPC — wireless personal communications), que empregam um dispositivo de comunicação que uma pessoa pode carregar ou mover, com facilidade, de um lugar a outro. As antenas devem, necessariamente, ser de perfil baixo, isto é, de pequena espessura física. Antenas internas ou protuberantes são necessárias para que um terminal sem fio suporte várias aplicações de comunicação pessoal sem fio, muitas simultaneamente. Alguns exemplos de aplicação são: comunicação telefônica celular, comunicações wi-fi, bluetooth e UWB, RFID (identificação por radiofrequência), localização de posição (como GPS) e rastreamento de valores, e redes de área corporal (BAN — body area networks). Algumas aplicações permitem o uso de antenas sintonizáveis que deslocam uma estreita banda de frequências em uma grande faixa de frequências; exemplos são as recepções de TV e de rádio, em que um canal ou estação é recebido de cada vez. Há crescente demanda por menores terminais de rádio por militares, bombeiros e policiais. Nem todas as aplicações representam usos convencionais de comunicação duplex, mas as tratamos juntas, devido às exigências similares de antenas de perfil baixo e de pequeno volume. A necessidade de terminais fisicamente pequenos leva à exigência de antenas ainda menores. A essência do desafio de antenas para terminais portáteis é a acomodação de um número crescente de serviços sem fio e bandas de frequências em um volume cada vez menor.

 

Capítulo 12 • Antenas para Terminais e Estações de Base para Aplicações sem Fio

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Capítulo

12

Antenas para Terminais e Estações de Base para

Aplicações sem Fio

Uma revisão de comunicações sem fio foi apresentada na Seção 4.5, incluindo a representação conceitual da integração de sistemas sem fio na Figura 4-7. Neste capítulo, discutiremos antenas para comunicações sem fio usadas na prática. Os tipos de redes de comunicação sem fio são mostrados na

Figura 12-1. Um enlace ponto a ponto consiste em apenas dois terminais, como na Figura 12-1a. Um exemplo é uma comunicação duplex ponto a ponto de alta taxa usando frequências de micro-ondas.

Enlaces ponto a ponto de micro-onda são usados em sistemas de interligação (backhaul) de estações de base de telefonia celular. Exemplo simples de um enlace ponto a ponto simplex é um sistema sem fio, de controle remoto, para abertura de portas de garagem. Uma estação de base atende a múltiplos terminais. Caso os terminais sejam apenas receptores, como na Figura 12-1b, o sistema é denominado comunicação por difusão. Exemplos incluem radiodifusão AM e FM, e radiodifusão de TV. Caso tanto a estação de base como os terminais transmitam e recebam, como na Figura 12-1c, o sistema é denominado comunicação de ponto a multiponto. A telefonia celular é um exemplo desse tipo de comunicação. Caso atenda a uma pequena região, como um edifício, a estação de base é denominada ponto de acesso sem fio (WAP — wireless access point). A Figura 12-1c indica a terminologia usada para descrever enlaces direcionais. Os termos enlace ascendente (uplink) e enlace descendente (downlink) têm a estação de base como referência, e indicam sinais que viajam em direção a ela ou dela se afastam, respectivamente. Os termos enlace direto (forward link) e enlace reverso (reverse link) (também denominado enlace de retorno) têm o terminal do usuário como referência e indicam sinais enviados do usuário para a estação de base e da estação de base para o usuário, respectivamente. Outro tipo de rede consiste apenas em múltiplos terminais, cada um com capacidade de estabelecer comunicação com qualquer outro terminal em sua área de alcance, denominado rede par a par (peer to peer) ou rede de malha. Rádios walkie-talkie são exemplos.

 

Capítulo 13 • Medidas em Antenas

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Capítulo

13

Medidas em Antenas

Medidas precisas em antenas exigem espaço e instrumentos especializados. O espaço pode ser um campo de teste externo, com torres e posicionadores, ou uma sala interna (em geral, muito grande) configurada com sondas, posicionadores e, usualmente, paredes forradas com material absorvedor.

Instrumentos são necessários para a geração de sinais de teste, controle dos posicionadores, coleta de dados, processamento e exibição dos dados. Em geral, isso inclui um analisador vetorial de redes.

Todos os itens citados são caros e requerem mão de obra especializada para operá-los. Assim, a maioria dos engenheiros envolvidos com antenas e tecnologias sem fio, provavelmente, jamais fará uma medida em antena. Entretanto, todos os engenheiros e pessoal envolvidos com tecnologias sem fio devem entender dados de medidas de antenas. No passado, o ciclo de projeto de antenas era baseado na medida de modelos em hardware, que eram alterados e medidos novamente, até que as especificações fossem atendidas. Atualmente, é comum o uso de pacotes de simulação (veja o Apêndice G), desenvolvidos a partir de métodos numéricos (veja os Capítulos 14 a 16) para investigações preliminares de antenas durante a fase de projeto, que é seguida por medidas para validação e para atendimento das especificações e regulamentações. O estudo de medidas em antenas provê um maior entendimento de antenas, permitindo a interpretação de dados medidos e atuando como introdução para aqueles que, de fato, desejarem se envolver diretamente com medidas em antenas. Os princípios apresentados aqui também se aplicam à medida de espalhamento, mas nosso foco são medidas em antenas. As principais características medidas de antenas são diagrama de radiação, ganho, polarização e impedância. Os três primeiros parâmetros são discutidos neste capítulo. Impedância é, muitas vezes, medida em conjunto com outras características em um analisador de redes. Iniciamos o capítulo com os princípios em que são baseadas medidas de diagramas. Livros de referência sobre tópicos gerais e especializados de medidas em antenas são listados no Apêndice H.7.

 

Capítulo 14 • EC para Antenas: Método dos Momentos

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Capítulo

14

EC para Antenas: Método dos

Momentos

14.1

INTRODUÇÃO GERAL A EC

Eletromagnetismo computacional (EC) é definido genericamente como a disciplina que, de modo intrínseco e rotineiro, envolve o uso de computador digital para a obtenção de resultados numéricos para problemas eletromagnéticos [1]. EC é uma terceira ferramenta à disposição de engenheiros eletromagnéticos; as outras duas são análise matemática (que empregamos nos capítulos iniciais deste livro) e observação experimental (Capítulo 13). Não é incomum a comprovação de resultados de análise e de EC por meio de resultados experimentais, assim como não é incomum lançar mão de análise e/ou EC para o entendimento de resultados experimentais. À medida que amadurece, EC é cada vez mais utilizado na elaboração de experimentos, e representa uma alternativa de boa relação custo-benefício à solução de problemas eletromagnéticos quando resultados experimentais não podem ser obtidos prontamente.

 

Capítulo 15 • EC para Antenas: Diferenças Finitas no Domínio do Tempo

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Capítulo

15

EC para Antenas: Diferenças

Finitas no Domínio do Tempo

A abordagem computacional do capítulo anterior envolve o estabelecimento e a solução de equações integrais no domínio da frequência para a determinação de fasores de correntes elétrica e/ou magnética induzidas nas superfícies de antenas ou espalhadores. Do ponto de vista computacional, esse procedimento do método dos momentos (MoM) envolve o estabelecimento e a solução de densos (ou seja, com poucos elementos nulos) sistemas de equações lineares de valores complexos. Esses sistemas podem envolver dezenas de milhares de equações, mesmo no tratamento de problemas de tamanho elétrico moderado, como vimos no final do capítulo anterior.

Embora poderoso, o MoM é inadequado para alguns importantes problemas de engenharia, particularmente aqueles que envolvem excitações pulsadas e vários fenômenos transientes. Esse tipo de problema requer o cálculo de dados em uma grande faixa de frequências. Isso sugere a necessidade de uma técnica de solução no domínio do tempo, pois todos os dados do domínio da frequência podem ser gerados de uma solução no domínio do tempo via transformada de Fourier. Existe uma abordagem que resolve diretamente as equações de Maxwell em rotacional no domínio do tempo, em pontos de uma grade espacial: o método de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD — finite difference time domain) (veja a Figura 14-1). Há pelo menos quatro razões para o interesse em soluções de equações diferenciais parciais (EDP) para as equações de Maxwell:

 

Capítulo 16 • EC para Antenas: Métodos para Altas Frequências

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Capítulo

16

EC para Antenas: Métodos para Altas Frequências

Óptica é uma área bem-entendida da física que lida com as características da propagação da luz. Maxwell mostrou, antes de 1873, que a propagação da luz podia ser vista como um fenômeno eletromagnético. Como o comprimento de ondas luminosas é, em geral, pequeno em relação às dimensões de objetos com os quais as ondas interagem, o tratamento analítico da propagação da luz é muito diferente daquele empregado na análise da propagação de ondas de baixas frequências, em que as dimensões de uma superfície espalhadora são comparáveis ao comprimento de onda.

Um método muito útil e de fácil compreensão para a análise de problemas ópticos é o conceito de raios. A relação entre óptica de raios e propagação de onda fica evidente nos famosos trabalhos de Huygens, em 1690, e de Fresnel, em 1818; contudo, essa relação foi formalmente provada apenas nos trabalhos de Luneberg, em 1944, e Kline, em 1951 [1]. Desde então, métodos bem-conhecidos de óptica passaram a ter crescente uso no tratamento de numerosos problemas eletromagnéticos na porção de radiofrequência do espectro, para situações em que o comprimento de onda é pequeno em relação às dimensões geométricas do espalhador ou da antena. Nesses casos, métodos assintóticos de altas frequências devem ser empregados, pois o emprego do método dos momentos (Capítulo 14) ou expansão em autofunções não é prático, pois a taxa de convergência dessas técnicas é, geralmente, muito pobre para o tratamento de antenas ou espalhadores eletricamente grandes.

 

Apêndices

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Apêndice

A

Bandas de Frequências

A.1  BANDAS DE RADIOFREQUÊNCIA

A.2  FREQUÊNCIAS DE CANAIS DE TELEVISÃO (NA AMÉRICA DO NORTE)*

(continua)

*A mesma alocação de canais é adotada no Brasil. (N.T.)

304

Bandas de Frequências  305

UHF (Continuação)

Número do Canal

41

42

43

44

45

46

Faixa de

Frequências (MHz)

Número do Canal

632–638

638–644

644–650

650–656

656–662

662–668

Faixa de

Frequências (MHz)

47

48

49

50

51

668–674

674–680

680–686

686–692

692–698

Nota: A frequência da portadora para a porção de vídeo é a frequência inferior mais 1,25 MHz. A frequência da portadora de áudio é a frequência superior menos 0,25 MHz. Todos os canais têm largura de banda de 6 MHz. Por exemplo, a portadora de vídeo do Canal 2 está em 55,25 MHz, e a portadora de áudio, em 59,75 MHz.

 

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