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Aplicação de diferentes diagramas de radiação

Conhecer o padrão de radiação de uma antena, ou ainda controlar este comportamento pode ser de extrema importância para um determinado projeto, a distribuição da energia eletromagnética de maneira ineficaz pode afetar o funcionamento ou rendimento de determinados sistemas, ou seja, como exemplo em um sistema de link Ponto a Ponto deseja-se estabelecer uma comunicação pontual entre duas regiões do espaço, não se deseja radiar energia eletromagnética em outros pontos, conforme sugere a figura 16. O diagrama que melhor atenderia o perfil do enlace Ponto a Ponto seria antenas bem diretivas.

Figura 16: Link Ponto a Ponto

Contudo, existem casos onde o espalhamento desta energia no espaço é de suma importância para o correto funcionamento, podemos citar como exemplo os sistemas de comunicação móvel, seja celular, ou até mesmo o tradicional WIFI, como um sistema onde a diretividade nas antenas não são muito viáveis devido a constante mobilidade dos dispositivos, conforme sugere a figura 17. O diagrama, neste caso tende ser menos diretivo, ou até mesmo Omni direcional.

Figura 17: Link Móvel

Métodos de obtenção do diagrama de radiação

O diagrama de radiação pode ser estimado basicamente por dois métodos:

Simulação computacional

Este método se baseia em prever o comportamento de estruturas radiantes através do desenvolvimento matemático das fontes de campo eletromagnético radiado e a distribuição de corrente na estrutura. Com o aprimoramento destes métodos possibilitou-se um maior estudo do comportamento de um sistema radiante e a atual evolução das antenas planares que compõem uma gama de equipamentos de telecomunicações.

Métodos matemáticos, como o FDTD (Diferenças finitas no domínio do Tempo), dado em 1966 por KANES S. YEE. Neste estudo Yee mostrou a formulação das equações de Maxwell baseado em diferenças finitas em substituição a derivadas parciais presentes nos operadores. Mostrando que toda aquela formulação permitia a representação do espaço através de células espaciais de tamanho finito e a passagem do tempo em passo (Time Step). Daí uma evolução de métodos tornou possível à representação discreta de um pulso eletromagnético em meio Isotrópico, utilizando um espaço bidimensional ou unidimensional [10].

Quando, em meados de 1975, tivemos uma reformulação dos critérios de estabilidade desenvolvidos por Yee, em uma obra de Allem Toflove e Morris E. Brodwin, possibilitando a extensão das formulações no espaço tridimensional [10]. Daí então, até a atualidade, diversos estudiosos e matemáticos contribuíram para um refinamento em ferramentas computacionais, muitas vezes de uma grande complexidade, capazes de simular a resposta de diversas estruturas excitadas por ondas eletromagnéticas. Esses softwares são capazes de predizer a tensão elétrica, e a densidade de carga superficial sobre a estrutura metálica no domínio do tempo [10].

Com esta evolução alguns softwares como ADS (Advanced Design Sistem), tornaram-se ferramentas importantes no design de novas antenas e estruturas radiantes, tornando o tempo e custo de desenvolvimento menos ineficaz. Porém mesmo assim, ainda se exige muito do operador, pois a correta configuração dos softwares ainda depende de um profundo conhecimento físico e estrutural, de forma que os cálculos possam moldar corretamente o comportamento que se pretende chegar em uma simulação.

O presente trabalho deverá funcionar como uma ferramenta auxiliar aos métodos computacionais, mostrando fisicamente o comportamento do campo eletromagnético efetivamente radiado por uma antena planar, projetadas dentro da faixa de frequência ISM 2,4GHz.

Medição de potência por deslocamento mecânico da antena

Este método consiste em um sistema transmissor receptor onde se pode obter o diagrama de radiação da antena de interesse tanto através do deslocamento de uma antena de prova em torno da antena sob teste, como pela rotação da antena sob teste em torno de seu eixo, isso devido à característica de reciprocidade das antenas, assim possibilitando aferir a variação de potência no sistema em função desta movimentação, conforme sugere a estrutura básica da figura 18.

Figura 18: Sistema de medição Básico

De forma que ao conhecermos as características de uma das antenas (antena de referência), podemos estipular diversos aspectos relacionados à antena sob teste, como padrão de radiação, entre outras características importantes.

A forma mais típica deste método é feita em equipamentos de medição com um controle do ambiente, no qual a antena ficará exposta. Estes equipamentos podem individualmente ou em sua composição, ser proibitivamente caros, tanto em termos de custo de equipamentos ou espaços físicos laboratoriais. Estes ambientes são chamadas de Câmaras Escuras, ou Câmaras Anecóicas, capazes de atenuar a interferência por reflexão e anular interferência externa proveniente de outras fontes de radiação.

Para obtenção do diagrama pelo método do deslocamento da antena, alguns cuidados se fazem necessário com relação a maneira que a onda de radiação se distribui no espaço, vamos considerar três regiões:

Zona de indução

É parte do campo que se predomina a energia reativa.

Zona de campo próximo (Zona Fresnel)

É parte do campo próximo à antena que deixa de existir imediatamente ao cessar a causa. Isto é, quando cessa a corrente esta sofre a anulação, e as linhas não chegam a se fechar, portanto, não se propagam.

Zona de campo distante (Zona de Fraunhofer)

É parte do campo onde as linhas se fecham, portanto se propagam no espaço carregando consigo energia radiada.

O diagrama de radiação de uma antena é obtido pelas medições realizadas em região de zona de campo distante, ou seja, é nessa zona que é posicionado a antena receptora para realizar a leitura da potência para plotar o diagrama de radiação, conforme sugere a figura 19.

Figura 19: Zona de Campo Distante

Onde R > R1 = 2 D² / λ, uma boa aproximação para distância de campo distante é R = 10λ [4].

Outro ponto importante é com relação à propagação da onda no espaço sem obstrução da primeira zona da elipsoide de Fresnel, que garantirá uma propagação suficientemente livre de interferência por reflexões e multi percurso. Esta concepção introduzida por Ausgustin-Jean Fresnel, em continuação as teorias de Christian Huygens, considera que para uma propagação de frente de onda, provenientes de uma antena transmissora, após certo tempo ou distância de propagação tem um espalhamento esférico natural de raio r, onde cada ponto desta esfera é um radiador infinitesimal, radiando em fase e contribuindo para formação de uma onda espacial que atingirá um dado ponto P a uma distância d. Na figura 20 podemos visualizar a elipsoide de Fresnel para um sistema transmissor receptor.

O raio de uma elipsoide de Fresnel em uma ponte entre o transmissor e o receptor é dado pela expressão [5]:

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Figura 20: Primeira Zona de Fresnel