Teoria e Projeto de Antenas - Vol. 1, 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.

10 capítulos

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Capítulo 1 • Introdução

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Capítulo

1

Introdução

Princípios fundamentais são apresentados neste livro de forma que estudantes possam aplicá‑los pron‑ tamente à análise e ao projeto de antenas. Os princípios físicos de eletromagnetismo são usados para entender o funcionamento de antenas. Problemas de projeto de antenas são resolvidos usando os princí‑ pios físicos juntamente com métodos matemáticos e computacionais, mas a ênfase é voltada à redução da física e da matemática a um nível compreensível. Antes de desenvolver as ferramentas matemáticas para o projeto de antenas nos capítulos subsequentes, o presente capítulo apresenta uma introdução ao campo de antenas, assim como uma visão de princípios básicos, terminologia e áreas de aplica‑

ção. Começamos com uma breve história de antenas e os associados desenvolvimentos tecnológicos.

Referências a trabalhos da literatura especializada são encontradas no fim de cada capítulo em que

é feita a citação. Além disso, uma lista de livros sobre antenas é apresentada no Apêndice H, na qual os livros são agrupados por assunto, para auxiliar o estudante a encontrar mais detalhes. Citações dos livros no Apêndice H são feitas na seguinte forma: [H.x.y: Autor, números das páginas]. As definições de termos de antenas de IEEE* [H.2: IEEE] são seguidas em todo o livro.

 

Capítulo 2 • Fundamentos de Antenas

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Capítulo

2

Fundamentos de Antenas

A visão geral dos princípios de eletromagnetismo e da aplicação de antenas apresentada no primeiro capítulo é complementada nas duas primeiras seções deste capítulo, que tratam os princípios funda‑ mentais de eletromagnetismo em uma forma matemática adequada à aplicação dos mesmos à análise e ao projeto de antenas. Os princípios são aplicados na Seção 2.3 ao importante e clássico problema de um dipolo ideal. As seções remanescentes do capítulo discutem grandezas básicas de antenas: dia‑ grama, diretividade e ganho, impedância, eficiência e polarização.

2.1  PRINCÍPIOS DE ELETROMAGNETISMO

A formulação eletromagnética para problemas de antenas tem a forma vetorial e, em geral, é expres‑ sa em coordenadas esféricas. Isso se deve ao fato de os campos eletromagnéticos, ao contrário de campos escalares e ondas sonoras, terem polarização, e vetores são uma forma conveniente de repre‑ sentar a polarização, que, de modo simplista, pode ser descrita como a orientação do campo elétrico.

 

Capítulo 3 • Sistemas Radiantes Simples

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Capítulo

3

Sistemas Radiantes Simples

O capítulo anterior introduziu os princípios matemáticos de antenas e os ilustrou com alguns radiadores elementares. O presente capítulo estende e usa esses princípios para explorar alguns simples e popula‑ res elementos de antenas e conjuntos. Deixaremos as muitas variações e os detalhes de dedução para capítulos subsequentes, quando revisitaremos cada sistema radiante. Especificamente, neste capítulo, discutiremos dipolos eletricamente pequenos, dipolos de meia‑onda, monopolos, quadros eletricamen‑ te pequenos e conjuntos de dois elementos. Essas antenas não são apenas fundamentais à prática de antenas, mas também os blocos básicos encontrados na maioria dos sistemas de antenas. Além disso, complicados sistemas de antenas são entendidos por meio do exame de seus componentes, que, em geral, são uma ou mais dessas antenas simples e canônicas. A teoria da imagem também é apresentada neste capítulo para a análise de antenas operadas na presença de um plano de terra.

 

Capítulo 4 • Aplicações Sistêmicas de Antenas

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Capítulo

4

Aplicações Sistêmicas de

Antenas

4.1 INTRODUÇÃO

Uma antena é um dispositivo que provê uma interface entre os circuitos de RF do transmissor/re‑ ceptor e o espaço livre. No início do projeto de um sistema, as especificações da antena devem ser desenvolvidas em conjunto com a completa especificação do sistema. Caso o sistema seja projetado sem levar a antena em consideração, pode não haver adequada alocação de volume para a antena para que possa atender às especificações de desempenho. Uma analogia ao equilíbrio sistema/dispositivo é um paciente que consulta um médico e solicita um antibiótico. O médico, obviamente, não escreverá uma receita de imediato, mas procurará identificar os sintomas do paciente e efetuará exames apro‑ priados para avaliar o estado de todo o corpo. De modo similar, o engenheiro de antenas deve colher informação sobre parâmetros do sistema e deve participar da definição das especificações do sistema sendo projetado. As especificações elétricas, mecânicas e ambientais para o subsistema de antena nas‑ cem diretamente da fase de projeto do sistema como um todo. Com a atual tendência da tecnologia de antenas no sentido de distribuir a funcionalidade pelo sistema, haverá crescente envolvimento do engenheiro de antenas no projeto do sistema.

 

Capítulo 5 • Fontes Filamentares

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Capítulo

5

Fontes Filamentares

Fontes filamentares foram introduzidas na Seção 2.4.4 e chamadas de correntes filamentares. Essas fontes também podem ser vistas como um filamento de corrente. Não são antenas reais, mas podem ser usadas para modelar muitas antenas, e essa é a motivação para o estudo de fontes filamentares. Por exemplo, consideremos a abertura de 4l por 2l na Figura 5.1, na qual um campo elétrico é orientado segundo a menor dimensão da abertura e tem uma variação cossenoidal ao longo da maior dimensão.

Quais são os níveis de lóbulos laterais nos planos E e H, e quais são as larguras de feixe de meia po‑ tência nesses dois planos principais? O material neste capítulo permitirá que respondamos com faci‑ lidade a essas perguntas relativas ao diagrama de radiação.

5.1  FONTE FILAMENTAR UNIFORME

Iniciemos nossa discussão de fontes filamentares considerando um importante caso especial: o da fon‑ te filamentar uniforme. Uma fonte filamentar uniforme tem distribuição de corrente com amplitude uniforme e uma progressão de fase linear, dadas por:

 

Capítulo 6 • Antenas Filamentares

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Capítulo

6

Antenas Filamentares

Neste capítulo, discutiremos o importante tópico de antenas filamentares, que são a mais antiga e, ainda, a mais comum de todas as formas de antenas. Praticamente quaisquer formas e configurações imagináveis de fios têm uma aplicação útil como antenas. Antenas filamentares podem ser feitas de fios sólidos ou de condutores tubulares. São relativamente simples em conceito, de fácil construção e muito baratas.

Para obter soluções completamente precisas para antenas filamentares, a corrente no fio deve ser determinada, sujeita à condição de contorno de campo elétrico tangencial zero ao longo do fio. Essa abordagem leva a uma equação integral, para a qual numerosas soluções aproximadas foram relata‑ das nas últimas décadas [1]. Essas soluções clássicas são muito trabalhosas e limitadas a algumas poucas formas de fios. Por sua vez, métodos numéricos modernos implementados em computador são conceitualmente muito simples e aplicáveis a diversas configurações de antenas. Tais técnicas numéricas (método dos momentos) são discutidas no Capítulo 14. No presente capítulo, adotaremos uma abordagem simples para a determinação das propriedades de antenas filamentares. Isso facilita o entendimento conceitual do funcionamento de antenas filamentares e fornece resultados de enge‑ nharia surpreendentemente precisos. Por exemplo, durante a discussão da antena de quadro na Seção

 

Capítulo 7 • Antenas de Banda Larga

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Capítulo

7

Antenas de Banda Larga

7.1 INTRODUÇÃO

Muitas aplicações sistêmicas exigem antenas que operem em uma larga faixa de frequências. Uma antena que opere em uma larga faixa de frequências é denominada antena de banda larga ou, sim‑ plesmente, antena banda larga. A largura da banda pode ser definida como uma porcentagem da frequência central ou como uma razão. Primeiro, sejam fU e fL as frequências superior e inferior, res‑ pectivamente, para as quais é obtido desempenho satisfatório. A banda de operação da antena varre todas as frequências de fL e fU; a frequência central é fC = (fU + fL)/2, a média aritmética das frequências limites. A largura de banda da antena é definida como LB = fU − fL, e tem unidade de frequência. A largura de banda é, usualmente, expressa em termos de frequência relativa, e não absoluta, na forma de porcentagem ou de uma razão. A largura de banda relativa, B, é definida como LB/fC e, muitas vezes, expressa como largura de banda percentual, definida como:

 

Capítulo 8 • Antenas conjunto

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Capítulo

8

Antenas‑conjunto

8.1 INTRODUÇÃO

O tópico de antenas‑conjunto foi introduzido na Seção 3.5, em que diversos conjuntos de dois ele‑ mentos foram vistos como exemplos de sistemas radiantes simples. A Figura 3‑19 resume os tipos de controle de diagrama que podem ser alcançados com alteração de espaçamento e defasagem entre os dois elementos do conjunto, o que foi ilustrado por elementos com excitações de mesma ampli‑ tude e diagramas isotrópicos. Conjuntos são populares em razão da possibilidade de formatação do diagrama através de ajuste do espaçamento e da excitação, e à especial capacidade de fazer o dia‑ grama varrer o espaço angular através de ajuste dinâmico e eletrônico das fases de excitação. Um conjunto desse tipo é conhecido como conjunto com varredura de fase. O método tradicional de fazer um feixe direcional varrer o espaço consiste em girar mecanicamente uma antena de abertura, como uma antena refletora. Assim, o problema de rotação mecânica de uma grande antena é subs‑ tituído pelas complexidades do circuito de alimentação associadas à adequada excitação de várias antenas ­pequenas em um conjunto. Além de evitar a estrutura mecânica necessária ao direcionamen‑ to de uma grande antena, um conjunto com varredura de fase também oferece varredura de feixe a velocidades eletrônicas, assim como a possibilidade de ter múltiplos feixes principais simultâneos.

 

Capítulo 9 • Antenas de Abertura

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Capítulo

9

Antenas de Abertura

Como resumido na Tabela 1‑4, há quatro tipos de antenas: eletricamente pequenas, ressonantes, de banda larga e de abertura. Os três primeiros foram discutidos anteriormente. Antenas eletricamente pequenas são tratadas nas Seções 3.1 e 3.4. Antenas ressonantes são cobertas nas Seções 3.2 e 3.3 e no Capítulo 5. A discussão de antenas de banda larga é feita no Capítulo 7. No presente capítulo, trataremos do quarto e último tipo, antenas de abertura. Parte da estrutura de uma antena de aber‑ tura é uma abertura, um buraco, por onde fluem ondas magnéticas. Uma antena de abertura operando como receptora “coleta” ondas pela abertura. Analogias com acústica são o microfone e o microfone parabólico, que usa um refletor parabólico para focar ondas sonoras em um microfone posicionado no ponto focal. A pupila do olho humano também é uma abertura para ondas eletromagnéticas de frequências ópticas. Em radiofrequências, cornetas e refletores são exemplos de antenas de abertura; veja a Tabela 1‑4. Antenas de abertura são de uso comum em frequências UHF e superiores, e são a escolha preferencial em aplicações que requerem ganho muito alto. Uma característica específica de grandes antenas de abertura é o aumento do ganho com o aumento da frequência de operação. O ganho de uma antena de abertura aumenta com o quadrado da frequência, caso a eficiência de aber‑ tura seja constante com a frequência; veja (4‑27). Outra característica é uma impedância de entrada de valor quase real.

 

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.)

376

Bandas de Frequências  377

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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