Sistema de Medida de Diagrama de Radiação de Antenas ... - deetc

Sistema de Medida de Diagrama de Radiação de Antenas 2.3 GHz - 4 GHz
1 Instituto Superior de Engenharia de Lisboa,
Rua Conselheiro Emídio Navarro,
1949-014, Lisboa, Portugal
Tel: +351.1.8317209; Fax: +351.1.8317114
email: hjs@isel.pt
Ana Cristina Reis 1 , Henrique José da Silva 1 , Fernando Fortes 1
Custódio Peixeiro 2 , Maria João do Rosário 2
Resumo
Apresenta-se neste artigo um sistema de medida de
diagrama de radiação de antenas, para a banda 2.3 GHz
a 4 GHz, baseado em equipamento existente em
laboratório e adaptado para o efeito.
Utiliza-se como fonte de sinal de RF o oscilador
local de um analisador de espectro com frequência
variável na banda referida. A antena de teste é do tipo
helicoidal, na qual se integrou um circuito activo que
permite a modulação de amplitude do sinal emitido e
que é compatível com equipamento normalizado para
estas aplicações.
Para além da descrição de todo o sistema,
apresentam-se ainda resultados práticos mostrando, por
um lado a eficiência do sistema, e por outro lado as
condicionantes associadas à ausência de uma câmara
anecóica apropriada. Apresenta-se a comparação de
medidas efectuadas com este sistema e efectuadas com
sistemas profissionais.
I. INTRODUÇÃO
O ensino prático, com recorrência a trabalhos de
laboratório, é sem dúvida um excelente complemento ao
ensino teórico. Permite colocar o aluno perante a
realidade física dos fenómenos, torna mais claros os
conceitos apresentados nas aulas e põe em evidência
outro tipo de fenómenos e efeitos parasitas que não é
possível quantificar de forma matemática. Permite ainda
um desejável contacto com equipamento e técnicas de
medida fundamentais. O ensino das matérias associadas à
propagação e radiação de ondas electromagnéticas, pelas
características próprias dos fenómenos estudados, é um
bom exemplo da importância deste tipo de ensino. É
neste contexto que o presente trabalho se insere.
Uma antena de rádio pode ser definida como uma
estrutura associada com a região de transição entre uma
onda guiada e uma onda que se propaga em espaço livre,
ou vice-versa [1]. São o elemento fundamental em
qualquer sistema de rádio comunicações e o seu estudo
prático passa pela medida e análise de um vasto conjunto
de características, das quais se salienta o diagrama de
radiação, pela quantidade de informação que contém: -
directividade da antena; relação entre lobos principais e
secundários; relação frente trás; simetria de radiação.
Outras características, como ganho, distribuição de
2 Instituto Superior Técnico
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corrente, impedância e polarização são igualmente
importantes.
II. O SISTEMA DE EMISSÃO
O sistema de emissão esquematizado na figura 2,
aproveita o sinal de OL de um analisador de espectro
Anritsu MS62C que está disponível no painel traseiro do
aparelho. Este sinal com frequência variável entre os
2.3 GHz e os 4 GHz é aplicado a um circuito de
modulação de amplitude que termina na antena. Esta é
do tipo helicoidal projectada para funcionar no modo
axial, apresentando 9 espiras para que se obtenha uma
boa directividade. Na figura 1 apresenta-se uma
perspectiva da antena com o modulador acoplado.
Figura 1: Aspecto da antena emissora com o
modulador acoplado
a) A fonte de RF
Na figura 3 apresenta-se o esquema de blocos do
andar de entrada do analisador de espectro. A frequência
fa que se deve seleccionar no painel frontal do aparelho
por forma a que se obtenha uma determinada frequência
fOL é dada por:
fa = fOL
− 2.
3GHz
(1)
Para uma frequência de teste, fOL, igual a 3 GHz, a
frequência fa deve ser igual a 700 MHz.

Gerador de Onda
Quadrada
Analisador
de
Espectro
DC
Saída
OL
Sinal Modulante
RF
2.3 GHz -
4GHz
Polarização
Modulador
Plano de
Massa
Antena
Helicoidal
Figura 2: Esquema do sistema de emissão.
[0 - 1.7] GHz
Oscilador
Local
2.3 GHz
Figura 3: Esquema do andar de entrada do
analisador de espectro.
b) O Circuito de Modulação
As medidas em alta frequência são, em alguns casos,
efectuadas com portadoras moduladas em amplitude com
um sinal modulante de frequência mais baixa,
tipicamente de 1kHz. A ideia é medir o sinal de 1kHz,
como sendo a resposta do sistema, pois as amplitudes da
envolvente e portadora têm a mesma variação. Desta
forma, em vez de medir um sinal de alta frequência, o
que exige equipamento complexo e sobretudo caro,
mede-se um sinal de frequência bem mais baixa, de
1kHz.
Para o sistema de medida operar nestas condições, na
emissão, o sinal CW (continuous wave) gerado pelo
analisador de espectros tem de passar por um circuito
modulador.
P 1
V B
R B
T 1
Sinal
Modulante
P 2
Figura 4: Esquema do modulador.
⇔ L CHK
Os circuitos moduladores com base em díodos não se
adequam a esta aplicação, dadas as altas frequências de
trabalho. A alternativa proposta é a realização de um
modulador (figura 4), concretizado com um transístor
bipolar comercial. O modulador funciona em modo
ON/OFF, cuja gama dinâmica é dada pela relação entre o
valor máximo e mínimo do ganho.
A entrada do modulador é o porto P1 e a saída o porto
P2. O condensador na entrada é necessário, pois a saída
do analisador de espectros apresenta um curto circuito
em DC. A base do transístor é polarizada através de uma
resistência, de modo a que a corrente de base seja
constante, sendo a modulação obtida por variação do
ganho do transístor, por actuação na tensão aplicada ao
colector, VCE, com o sinal modulante de 1kHz.
As curvas representadas na figura 5, mostram a
medida do parâmetro S21 do transístor, feitas com o
analisador vectorial HP8753D, utilizando-se calibração
TRL [2]. As curvas representam o ganho do transístor
quando a tensão aplicada ao colector é nula (S21off) e
máxima (S21on), que mostram ser possível obter uma
gama dinâmica de 13 dB na modulação.
É necessário uma bobina de bloqueio (LCHK) para
aplicar o sinal modulante ao colector do transístor, a qual
é difícil de obter para a gama de frequências pretendida.
Este problema é superado pela utilização de um cabo
coaxial de 50 Ω, tendo este um comprimento tal, que a
3 GHz apresenta uma atenuação significativa.
Consegue-se, desta forma, uma impedância de entrada,
no ponto de ligação ao colector do transístor, de 50 Ω,
praticamente independente da impedância do gerador.
S 21 [dB]
10
0
-10
-20
-30
s 21on
s 21off
2 2.5 3 3.5 4
Frequência [GHz]
Figura 5: Ganho do transístor para a banda de
frequências 2 GHz a 4 GHz.
Relativamente ao factor de reflexão de entrada, este
não deve ter grandes flutuações com o sinal modulante,
por forma a manter as condições de carga na saída do
analisador de espectros. A figura 6 mostra o factor de
reflexão de entrada do transístor nas situações ON/OFF,
com uma variação inferior a 1dB à frequência de trabalho
de 3 GHz.
S 11 [dB]
10
0
-10
-20
-30
s 11off
s 11on
2 2.5 3 3.5 4
Frequência [GHz]
Figura 6: Factor de reflexão de entrada do transístor para a
banda de frequências 2 GHz a 4 GHz.
III. O SISTEMA DE RECEPÇÃO
Em medidas de diagrama é conveniente operar a
antena em teste (AET) como receptor, colocando-a sob

iluminação apropriada por uma antena emissora. Esta é
fixa na sua posição e a antena de teste é rodada num eixo
vertical pelo mastro de suporte da antena. Para obter um
diagrama preciso de campo é necessário que as medidas
sejam efectuadas na zona distante, ‘d’, considerando-se:
2
2 × a
d = (2)
λ
Outra exigência para um diagrama de campo preciso
é que a antena emissora produza, o mais
aproximadamente possível, uma onda plana de amplitude
e fase uniformes sobre uma região pelo menos tão grande
como aquela ocupada pela antena em teste.
1 KHz
PC
Detector
Plano de
Massa
Antena
Helicoidal
Figura 7: Esquema do sistema de recepção.
O sistema de recepção apoia-se numa plataforma
rotativa controlada por computador [3] (figura 7). O sinal
de alta frequência recebido, modulado em amplitude, é
aplicado a um detector de envolvente, que consiste num
díodo. O sinal resultante, de 1kHz, é enviado para o
sistema de medida para representação gráfica também em
computador.
Plataforma Rotativa
Antena RX
Antena TX
Mesa de Suporte
Figura 8: Esquema de distribuição dos painéis absorventes
Num sistema de medida a antena de recepção deve
receber apenas a radiação directa da antena emissora e
nunca radiação proveniente de reflexões nas paredes da
sala ou objectos circundantes que irão naturalmente
interferir na forma do diagrama de radiação. Numa
câmara anecóica apropriada para medidas em antenas as
paredes da sala, totalmente livre de objectos estranhos ao
sistema de medida, estão revestidas com material
absorvente apresentando-se este material
simultaneamente rugoso por forma a diminuir e dispersar
reflexões indesejáveis. A rugosidade deve ter uma
dimensão que obedece a critérios mais ou menos
empíricos mas deve ser pelo menos da ordem do
comprimento de onda de trabalho.
O sistema de medida disponível funciona a 11 GHz e
os painéis absorventes que o acompanham apresentam
uma rugosidade da ordem de 2 a 3 cm o que comparado
com o comprimento de onda a 3 GHz (10 cm) se mostra
pouco eficiente. Por esta razão os painéis foram dispostos
da forma apresentada nas figuras 8 e 9. As linhas a
tracejado mostram possíveis direcções de radiação
proveniente não só da antena emissora mas das paredes e
objectos circundantes.

Figura 9: Fotografia, mostrando a disposição dos painéis
absorventes, a plataforma rotativa e a antena receptora
IV. MEDIDAS
Apresentam-se nas figuras 12 e 13 resultados de
medições efectuadas com o sistema descrito
anteriormente e, para comparação e validação desse
mesmo sistema, resultados de medições efectuadas em
câmara anecóica instalada no IST (figuras 10 e 11).
Figura 10: A antena montada no sistema de medida
Figura 11: Aspecto geral da câmara anecóica do
IST – Secção de Propagação e Radiação
A importância da distância entre as antenas emissora
e receptora está patente na figura 10. Os resultados
obtidos para distâncias de 1, 2, e 3 metros são idênticos
entre si. Já a medida efectuada a 4 metros apresenta
algumas diferenças nomeadamente abaixo dos -10 dB de
amplitude de sinal, tornando-se o lobo de radiação mais
estreito.
A medida efectuada a 5 metros mostra idêntico
resultado. A grande proximidade da parede provoca o
desvio do diagrama que se constata entre os 40º e os 45º.
Amplitude [dB]
0
-10
-20
-30
-40
-50
H_P_1 H_P_2 H_P_3
H_P_4 H_P_5
-60
-180 -135 -90 -45 0 45 90 135 180
Orientação da Antena [graus]
Figura 12: Medidas efectuadas para várias distâncias entre a
antena emissora e antena receptora.
Amplitude [dB]
0
-10
-20
-30
-40
-50
H_Sim H_P_4 P1C1
-60
-180 -135 -90 -45 0 45 90 135 180
Orientação da Antena [graus]

Figura 13: Comparação das medidas efectuadas no sistema
proposto e em câmara anecóica apropriada.
Na figura 13 comparam-se os resultados anteriores
(H_P_4) com os obtidos em câmara anecóica apropriada
(P1C1) e com resultados obtidos por simulação (H_Sim).
Até -20 dB os resultados obtidos com o sistema
proposto, a 4 metros, e na câmara anecóica, são
praticamente coincidentes. São totalmente coincidentes,
na largura de feixe de –3 dB, os resultados obtidos nos
dois sistemas e os resultados obtidos por simulação. Estes
últimos apresentam, no entanto, um diagrama mais
estreito.
V. CONCLUSÕES
Perante os resultados apresentados no ponto anterior
fica demonstrado que o sistema de medida proposto neste
artigo e que está instalado no Laboratório de Sistemas de
Telecomunicações do DEEC-ISEL permite com algum
rigor traçar o diagrama de radiação de antenas que
operem na banda de frequências especificada. O sistema
é constituído com base num sistema que opera a 11 GHz.
A nova frequência de trabalho é conseguida a partir de
equipamento auxiliar, em concreto um analisador de
espectro do qual se aproveitou o oscilador local com
varrimento de frequências entre os 2.3 GHz e os 4 GHz.
Como o sistema funciona com portadora modulada em
amplitude, foi projectado e construído um pequeno
circuito modulador com uma frequência de sinal
modulante igual a 1 kHz. Conjugando a facilidade de
construção e a boa directividade, as antenas utilizadas
são do tipo helicoidal funcionando no modo axial.
O sistema proposto, ainda que simples, e a funcionar
em condições desfavoráveis, permite no entanto aos
alunos da disciplina de Sistemas Radiantes um estudo
prático das antenas que são projectadas com auxílio de
ferramentas de simulação. Permite por outro lado,
apresentar aos alunos a constituição básica de um sistema
de medida de antenas e os problemas associadas, devidos
nomeadamente, à ausência de uma câmara anecóica
apropriada.
O sistema de medida está ainda incompleto uma vez
que não permite, de forma simples e automática, a
análise das antenas em termos de polarização. Medições
de fase não são igualmente possíveis. Ficam desta forma
abertas perspectivas de trabalho futuro que permitam
dotar o sistema de um maior número de funções e maior
facilidade de utilização
AGRADECIMENTO
Um agradecimento especial à Secção de Propagação e
Radiação do IST pela disponibilização da câmara
anecóica, e ao professor Custódio Peixeiro pela total
disponibilidade durante a fase de medidas das antenas.
REFERÊNCIAS
[1] John D. Kraus, Antenas, Editora Guanabara Dois S.
A. Rio de Janeiro, 1983.
[2] Jean François Zürcher, e Fred E. Gardiol,
Broadband Patch Antennas, Artech House,
Londres, 1995.
[3] Dr. J.M. Kloza, e Dipl. Ing. K. Breidenbach, MTS
7.6 Antenna Technology, Leybold Didactic, 2 nd
Version, 1993.