Propagação e Radiação
Objetivos
- Entender a noção de onda eletromagnética plana monocromática, o conceito de fase e velocidade de fase e as constantes de fase temporais e espaciais;
- Perceber as equações de Maxwell nos formatos diferencial e integral, entender como é que estas se particularizam para diferentes cenários com e sem IGNOREes de radiação;
- Entender as condições fronteira existentes nas interfaces entre meios onde se propagam ondas planas monocromáticas, nomeadamente em meios indefinidos e semi-indefinidos: leis da reflexão e transmissão, reflexão total e transferência de potência;
- Perceber a condição de propagação guiada, o modo de propagação e frequência de corte;
- Conhecer as principais características dos guias de onda de secção retangular e de secção circular, bem como saber analisar as linhas de transmissão quer do ponto de vista dos seus parâmetros fundamentais, quer das condições de adaptação e respetivos métodos de maximização de transferência de potência;
- Entender o funcionamento básico das fibras óticas e a operação em regime multimodal;
- Perceber a relação entre o potencial vetor e potencial escalar e o respetivo cálculo de campos emitidos por uma IGNOREe na zona distante;
- Conhecer o conceito da dualidade das equações de Maxwell e as expressões básicas dos campos radiados por estruturas elementares, nomeadamente pelo elemento de corrente e pela abertura elementar;
- Entender o funcionamento de diversos tipos de antena, nomeadamente o seu funcionamento à emissão e à receção e os seus parâmetros fundamentais, como o diagrama de radiação, a impedância da antena, o ganho e a diretividade;
- Entender os agregados de antenas, as suas potencialidades e limitações, e os graus de liberdade existentes na configuração do agregado que possibilitam alterar a sua seletividade espacial.
Caracterização geral
Código
2184
Créditos
6.0
Professor responsável
João Francisco Martinho Lêdo Guerreiro, Paulo da Costa Luís da Fonseca Pinto
Horas
Semanais - 7
Totais - 135
Idioma de ensino
Português
Pré-requisitos
O aluno necessita de conhecimentos em:
- Cálculo vectorial
- Variável complexa
- Cálculo Integral
Bibliografia
Maria João Martins, Isabel Ventim Neves, “Propagação e Radiação de Ondas Eletromagnéticas”, 2ª edição, 2018, LIDEL.
M. de Abreu Faro, "Propagação Guiada, Técnica AEIST, 1984
M. de Abreu Faro, "Radiação, Técnica AEIST, 1980
R.E. Collin, "Antennas and Radiowave Propagation", MacGraw-Hill, 1999
Método de ensino
O programa da unidade curricular de Propagação e Radiação está dividido em duas partes, na primeira parte, o foco está na propagação de ondas e na segunda parte estuda-se a radiação. De referir que este programa é lecionado tendo em conta o suporte de três tipos de aulas: as aulas teóricas, as aulas práticas e as sessões de laboratório.
Método de avaliação
- A avaliação tem uma componente teórica (peso 80%) e uma componente prática (peso 20%).
- A aprovação é obtida com nota igual ou superior a 9.5 valores em cada uma das componentes.
- No caso de um aluno obter aprovação na componente laboratorial, mas não na componente teórica, a classificação da componente laboratorial ficará congelada por três anos letivos.
Componente Teórica
- A componente teórica é realizada através de dois testes de igual peso realizados ao longo do semestre ou por exame. É também possível fazer melhoria de nota na data do exame final. O único material de consulta permitido nas provas é o formulário oficial da disciplina.
- Os testes/exames serão presenciais. As avaliações online têm enunciado e duração diferente das avaliações presenciais. Notas de avaliações online acima de 17 têm que ser defendidas numa oral.
Componente Prática
- A avaliação da componente prática será baseada na execução de duas sessões laboratoriais que contarão com a resposta a um questionário (mini-teste).
- Quem frequente os laboratórios (pelo menos 1) mas não tenha média positiva, pode realizar uma oral sobre o 2º trabalho para subir a nota até um máximo de 14 valores.
Conteúdo
Propagação
- Conceito de fase, velocidade de fase e cálculo de amplitude. Onda plana monocromática em notação vetorial complexa, significado das constantes de fase temporal e espacial.
- Equações de Maxwell: forma diferencial e integral. Equações de Maxwell no vácuo: aplicação à onda plana monocromática. Equações de Maxwell e condições fronteira: condições gerais, fronteira com condutor perfeito.
- Propagação em meios indefinidos: dielétrico perfeito, equação da dispersão, impedância característica de onda, transmissão de potência. Caso geral de propagação: onda plana em meios com perdas, em bons condutores e em dielétricos com fracas perdas.
- Propagação em meios semi-indefinidos: Reflexão e transmissão, leis da reflexão e transmissão, coeficientes de reflexão e transmissão, polarização TE, polarização TM, reflexão total, estruturas ondulatórias nos meios semi-indefinidos: fronteira dielétrico/condutor perfeito e dielétrico/dielétrico: fluxo de potência, ângulo de Brewster.
Propagação Guiada
- Guias de onda de paredes metálicas: Modos TEM, guias metálicos ocos (modos não TEM) - conceitos fundamentais e determinação sistemática de modos. Guia de secção retangular e de secção circular. Grandezas fundamentais - frequência de corte, impedância característica de onda, velocidades de fase e de grupo. Potência transmitida. Avaliação de perdas no condutor. Estrutura de campo nos guias.
- Linhas de Transmissão: impedância característica, ondas de tensão e de corrente. Conceitos fundamentais: impedância ao longo da linha, impedância de entrada, tensão de entrada, fator de transmissão, potência transmitida, andamento da tensão e da corrente, fator de onda estacionária. Condições de carga: linha adaptada e linha em interferência completa. Carta de Smith. Adaptação de linhas em radiofrequência: transformador de e stub simples em curto-circuito.
- Introdução às fibras óticas: contraste, sistemas de comunicação, atenuação, dispersão, alargamento intermodal, abertura numérica.
Radiação
- Potenciais: definição dos potenciais vetor e do potencial escalar, condição de Lorentz. Cálculo dos potenciais, equações diferenciais e equações integrais. Variação temporal harmónica. Cálculo dos campos: zona distante, elemento de corrente e caso geral.
- Dualidade e equivalência das equações de Maxwell: Abertura elementar e caso geral.
- Conceitos fundamentais da radiação: diagramas de radiação, zonas de campo, potência emitida, intensidade de radiação, diretividade, ganho e área efetiva. Fórmulas de Friis: condições ótimas e fatores de correção. Polarização: polarização da onda incidente, razão de polarização, curva de polarização, esfera de Poincaré. Polarização da onda emitida e coeficiente de polarização. Potência disponível e potência recebida. Largura de banda.
- Antenas Lineares, antenas de onda estacionária e de abertura. Conceitos fundamentais: esquema equivalente à emissão e à receção, resistência de radiação, resistência de perdas e resistência da antena. Noção de rendimento e comprimento efetivo. Potência recebida e adaptação. Antenas curtas: dipolo elétrico de Hertz, Dipolo elétrico curto. Parâmetros característicos das antenas curtas. Abertura em espaço livre e em plano condutor com iluminação uniforme e não uniforme. Cornetas eletromagnéticas e refletores paraboloides.
- Agregados lineares: fator espacial do agregado, diagrama de radiação do agregado, agregado antena-imagem, monopolo vertical. Reciprocidade.