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Paper sobre o trabalho de conclusão de curso de Engenharia Elétrica 1995 UnB

Paper sobre o trabalho de conclusão de curso de Engenharia Elétrica 1995 UnB


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Transcript

  • 1. PROGRAMA “WinRad” PARA ANÁLISE DE ANTENAS Mauro Tapajós Santos Prof. Antonio José Martins Soares Universidade de Brasília FT - Departamento de Engenharia Elétrica Campus Universitário - Asa Norte 70.910 - Brasília - DFResumo: O cálculo das grandezas associadas a uma antena é normalmente complexo e requer umgrande esforço computacional. O aplicativo desenvolvido neste trabalho, denominado “WinRad”,realiza estes cálculos para antenas filamentares e antenas de abertura retangular e apresenta osresultados no ambiente gráfico Windows.Abstract: Calculating antenna radiation parameters is generally complex and requires greatcomputational effort. The application developed here, called “WinRad”, perform the analysis for wireantennas and rectangular apertures antennas and plot the results in the Windows graphical environment. 1. Introdução Vários problemas nas linguagens de programação acompanham o desenvolvimento de softwarecientífico. Entre os principais estão a criação da interface e a utilização de memória. Neste trabalho, uma parte do planejamento foi direcionado para a melhor escolha do ambientede desenvolvimento e da plataforma alvo da aplicação, visando deslocar o esforço gasto em aspectospuramente computacionais, para objetivos de cálculo e apresentação dos resultados. Procedimentos de análise para antenas filamentares e antenas de abertura retangular sãoimplementados neste trabalho. O software, porém, é desenvolvido de forma a permitir e facilitar aposterior inclusão de novas antenas, mantendo todas as facilidades já desenvolvidas, inclusive umalgoritmo já implementado de traçado tridimensional dos diagramas de radiação. O aplicativo é modelado para otimizar o trabalho do usuário final, proporcionando umainterface agradável e intuitiva, que mascara o complexo de operações desenvolvidas.
  • 2. Antenas filamentares são consideradas aqui como antenas montadas pelo usuário e formadaspor um dipolo centrado na origem de um plano XY, alimentado no centro; e por filamentos parasitasparalelos, dispostos de qualquer maneira desejada neste plano. A incógnita no cálculo das variáveis deradiação é a distribuição de corrente na estrutura. Esta corrente é calculada ponto a ponto pelo métododos momentos. A partir da corrente se calcula os planos transversais E e H, a impedância de entrada, oVSWR, o ganho máximo por frequência e o diagrama de radiação tridimensional numa frequênciadeterminada. Antenas de aberturas retangulares são antenas onde o elemento radiador principal é umaabertura retangular na estrutura. A incógnita de interesse aqui é a distribuição de campo elétrico naabertura. Esta, uma vez determinada, possibilita se chegar às variáveis de radiação da antena: planos Ee H, largura de faixa de meia-potência, diretividade e o diagrama de radiação tridimensional. 2. Programação para Windows A estrutura que se propôs desenvolver aqui é composta de um programa central e módulos querepresentam os vários tipos de antenas e seus métodos numéricos; implementados ou a seremimplementados. Assim, este trabalho terá característica aberta, possibilitando a posterior inclusão demódulos de novas antenas ou métodos mais sofisticados para as já existentes. Levando em conta requisitos exigentes como: pouco tempo para o desenvolvimento, tentativade se evitar problemas essencialmente de programação, grande poder de cálculos e uma boa previsão deestabilidade no atual contexto tecnológico; chegou-se a uma escolha híbrida para o ambiente dedesenvolvimento. O aplicativo computacional desenvolvido neste trabalho foi gerado em dois ambientesde programação. O compilador Visual Basic 3.0 para Windows da Microsoft foi o responsável pela geração dainterface e do processamento mais simples executado pelo programa. Os cálculos complexos realizadosforam gerados no já citado compilador Borland C++ 3.1. Este compilador pode gerar bibliotecasespecialmente feitas para programas Windows (DLL’s - Dynamic Link Lybraries). A parte gerada emC++ foi toda transformada em DLL’s para que o Visual Basic as pudesse utilizar. Desta forma, o programa foi idealizado num ambiente que unia a simplicidade do Visual Basiccom o poder da programação orientada a objetos do C++. Assim, o problema central de engenharia nãodeixou de ser a motivação dos esforços deste trabalho. 3. Traçado tridimensional Os diagrama de radiação de uma antena são formas tridimensionais normalmalmenterepresentadas por planos seccionadores perpendiculares: Plano E (campo elétrico) e Plano H (campomagnético). Estes são traçados em gráficos polares calibrados pelas radiações em cada direção,normalmente em dB. Quando o diagrama tem forma complexa, fica difícil se visualizar uma superfície
  • 3. tridimensional baseado apenas em dois cortes (planos). Daí a idéia de se traçar uma superfícietridimensional via software. A maioria das antenas possui um diagrama de radiação que é melhor descrito em função decoordenadas esféricas espaciais. Logo, um algoritmo de traçado esférico é o mais utilizado. Em algunscasos, o sistema de coordenadas cilíndrico é indicado para o traçado de certos diagramas. A figura tridimensional é criada amostrando-se uma função de radiação já definida. Ela éarmazenada na memória na forma de uma matriz onde cada elemento é um ponto espacial. Todasuperfície tridimensional que vier a ser criada será formada pela ligação de retas ligando pontosdeterminados. Estas retas serão ligadas de forma a criar quadriláteros preenchidos. Estes quadriláterosjuntos lado a lado formarão a superfície a ser traçada. A idéia que causa a ilusão de 3 dimensões é deque tudo que não está no raio de visão é sobreposto pelo que está. Se uma superfície esférica émostrada, então a parte de trás dela (em relação ao observador) fica sobreposta pela parte que érealmente vista. O traçado dos quadriláteros começa, a partir do ponto diametralmente oposto, de tráspara a frente, de maneira que, a parte de trás da figura seja traçada primeiro e a parte da frente sejatraçada por último. Uma vez traçada, a figura pode ser rotacionada em torno do eixo X ou do eixo Z. Isto é feitomatematicamente aplicando equações de rotação sobre cada ponto. Modelagem e traçado tridimensionais são grandes consumidores de recursos do computador, e,para se chegar a resultados aceitáveis, deve-se achar um ponto de equilíbrio entre velocidade deapresentação e precisão das formas. Em outras palavras, quanto mais detalhada se deseja a figura (maispontos), mais tempo e recursos da máquina ela exigirá. 4. Aplicativo WinRad No aplicativo, foram implementados dois módulos: um para as antenas de fios e outro para asantenas de abertura retangular. O módulo de antenas de fios pede como dados de entrada: a faixa de frequências para a análise(em MHz), a frequência para o traçado tridimensional (em MHz), a impedância característica (Ohms),a ordem da expansão de corrente (de 2 a 6) e o lay-out da antena (comprimentos e posições doselementos). Como resultados serão apresentados diagramas dos planos E e H, diagramas de impedânciade entrada, ganho máximo e VSWR pela frequência e o diagrama de radiação tridimensional. 90 90 180 0 5 10 15 20 25 180 0 5 10 15 20 25 270 270 Fig. B - Plano H Fig. A - Plano E
  • 4. 40 2.5 30 2.0 20 Parte Real 1.5 10 Zin (ohms) 0 900 910 920 930 940 950 960 970 980 990 1.0 -10 Parte Imaginária 0.5 -20 -30 0.0 900 910 920 930 940 950 960 970 980 990 Frequência (MHz) -40 Frequência (MHz) Fig. D - VSWR Fig. C - Impedância de Entrada 10 8 6 dB Fig. F - Traçado Tridimensional da Radiação 4 2 0 900 910 920 930 940 950 960 970 980 990 Frequência (MHz) Fig. E - Ganho Máximo No módulo de antenas de abertura retangular deve-se inserir os seguintes dados: o tipo dedistribuição de campo elétrico suposta na abertura, a faixa de frequências para a análise (em MHz), afrequência para o traçado tridimensional (em MHz), as dimensões da abertura (comprimentos E e H emcm), o deslocamento de fase (em graus) e o números de passos na integração de cálculo da diretividade.Como resultados serão apresentados diagramas dos planos E e H, diagramas de diretividade e largurade feixe de meia-potência pela frequência e dois tipos de diagramas de radiação tridimensional: umdiagrama de radiação tridimensional esférico e um diagrama de contorno tridimensional retangular. 90 180 0 10 20 30 270 Fig. G - Plano E 90 180 0 10 20 30 270 Fig. H - Plano H 40 1.0 0.8 30 0.6 20 0.4 10 0.2 0 0.0 Fig. I - Plano E (Diagrama Linear) Fig. J - Plano H (Diagrama Linear)
  • 5. 25 20 20 15 HP - E 15 HP (graus) dB 10 10 HP - H 5 5 0 0 2000.00 2204.08 2408.16 2612.24 2816.33 2000.00 2204.08 2408.16 2612.24 2816.33 Frequência (MHz) Frequência (MHz) Fig. K - Largura de feixe de meiapotência Fig. L - Diretividade Fig. N - Diagrama de Contorno Tridimensioinal Fig. M - Traçado Tridimensional Esférico Todas as figuras tridimensionais podem ser rotacionadas para melhorar a visualização. 5. Conclusão A área de eletromagnetismo e ondas é um campo que pede muitos cálculos complicados.Qualquer trabalho nesta área significa muitas operações e, inevitavelmente, uso do computador. Estetrabalho visou desenvolver um aplicativo computacional que realizasse estes cálculos comcaracterísticas definidas: o programa deveria ser compilado para ambiente Windows, deveria oferecerfacilidade na inclusão de novos métodos e antenas além de proporcionar um desenvolvimento rápido eeficiente. A grande característica do aplicativo desenvolvido é a modularidade. Cada tipo de antena éum módulo dentro da aplicação. Novos módulos podem ser inseridos com extrema facilidade,garantindo a atualização permanente e créditos aos seus desenvolvedores. 6. Referências[1] ROSS, Nelson. Visual Basic for Windows. São Paulo: Makron Books do Brasil Editora Ltda. e Editora McGraw- Hill Ltda., 1994.[2] PETZOLD, Charles. Programando para Windows 3.1. São Paulo: Makron Books do Brasil Editora Ltda. e Editora McGraw-Hill Ltda, 1993.[3] SCHILDT, Herbert. Turbo C++ - Guia do Usuário. São Paulo: Makron Books do Brasil Editora Ltda. e Editora McGraw- Hill Ltda., 1992.[4] PETERS, Timothy J. “A Fast Algorithm for Plotting and Contour Filling Radiation Patterns in Three Dimensions”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Vol. 40, NO. 4, Abril 1992.
  • 6. [5] POPOVIC, B. D., DRAGOVIC, M. B., DJORDJEVIC, A. R. Analysis and Synthesis of Wire Antennas. Research Studies Press, 1982.[6] STUTZMAN, Warren L., THIELE, Gary A. Antenna Theory and Design. New York: John Wiley & Sons, 1981.[7] BALANIS, Constantine. Antenna Theory - Analysis and design. New York: John Wiley & Sons, 1982.[8] PARIS, Demetrius T., HURD, F. Kenneth. Teoria Eletromagnética Básica. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1984.[9] ESCUDERO, Alessandro Chahini, PICANÇO, Renato Proença. Programa para Análise e Síntese de Antenas. Brasília: Projeto Final de Graduação, UnB, 1994.