Características sobre a parabólica

Antenas Parabólicas
Possuem uma alta diretividade o que nos leva a perceber que possui um alto
ganho. Uma antena receptora de satélites de 3 metros de diâmetro, por exemplo, tem um
ganho de 33dB, ou seja, ela “amplifica” (o mais correto seria falar concentra) o sinal de
chegada por volta de 2000 vezes.
Lembrando sempre que o ganho da antena parabólica é devido a sua capacidade
de concentração, em um único ponto, do sinal recebido.Ela pode ser feita de diferentes
materiais, por exemplo:
- Tela de alumínio;
- Fibra de vidro;
- Alumínio.
A diferença do material empregado em sua construção influenciará em seu ganho,
a saber:
a- Uma antena de alumínio tem um ganho maior que uma de fibra de vidro que têm o
ganho maior que uma de tela;
b- O preço das antenas, geralmente, varia nesta mesma proporção;
c- O diâmetro da antena também influi no ganho da mesma. Quanto maior o diâmetro
da antena maior será o ganho e melhor a qualidade da recepção.
Recepção de satélites
Podemos dividir uma antena parabólica para recepção de satélites em diversas partes:
- Refletor;
- Iluminador;
- Corneta corrugada ou feedhorn;
- Polorotor (apenas usado com LNB para mudar a polarização);
- Elemento amplificador (LNA, LNB, LNC, LNBF).
O refletor direciona todo o sinal recebido para um único ponto, o foco.
O iluminador segura a corneta corrugada.
A corneta possui dentro o dipolo que receberá os sinais de RF.
O polorotor colocará o dipolo na polarização vertical ou horizontal.
O elemento amplificador amplificará os sinais recebidos (o LNB, o LNBF e o LNC
também convertem o sinal recebido para uma freqüência mais baixa).
Características básicas do elemento amplificador
As duas características mais importantes são o Ganho e Temperatura de ruído.
Por ganho entendemos a capacidade de amplificação do mesmo (valores em dB).
Um LNB com 10dB de ganho multiplicaria por 10 o sinal recebido.
A temperatura de ruído que é dada em graus Kelvin, é uma grandeza que define a
quantidade de ruído térmico que é gerada pelo elemento amplificador. Quanto menor a
temperatura de ruído melhor o elemento amplificador porque caso o ruído que ele crie
seja maior que o sinal, recebido e amplificado, ele encobrirá o sinal e teremos uma
recepção péssima. Exemplo de um bom elemento amplificador (um LNB):
- Ganho = 65 dB;2
- Temperatura de ruído = 15 graus Kelvin.
Tipos de elementos amplificadores
- LNA (Low Noise Amplifier - Amplificador de Baixo Ruído): -Recebe o sinal recebido, na
faixa de 3,7 a 4,2 GHz (para banda C) e apenas o amplifica. O primeiro a ser usado. Hoje
em dia praticamente fora de uso para recepção doméstica.
- LNB (Low Noise Blockconverter - Conversor de Baixo Ruído): -Amplifica o sinal
recebido na faixa de 3,7 a 4,2 GHz e o converte para a faixa de 950 a 1450 Mhz.
Atualmente é o mais utilizado.
- LNBF tipo de LNB (amplificador conversor de baixo ruído) que é capaz de selecionar a
polarização dos canais recebidos através de uma variação na sua tensão de alimentação,
desta forma não é mais preciso o uso de um pólo-rotor (que causava muitos problemas).
Com 14 volts de alimentação sintonizaremos os canais de polarização vertical e com 18
volts sintonizaremos os canais de polarização horizontal. Existem LNBF mono-ponto e
multiponto. Os mono-ponto funcionam como indicado acima e só podem estar ligado
com um receptor. Os multipontos podem estar ligados com mais de um receptor, para
isto é necessário que o sinal que vai para os receptores sejam divididos por um divisor
que cubra a faixa de freqüências entre 950 a 2050Mhz. A entrada do receptor também
deve ser capaz de receber toda esta faixa de freqüências. Em um LNBF multiponto os
canais de uma polarização são deslocados, através de um batimento com um oscilador
local, para uma faixa mais alta. Sendo assim de 950 MHz a 1450 MHz o receptor
receberá os canais de uma polarização e de 1550 a 2050 MHz ele receberá os canais de
outra polarização. Como teremos todos os canais, simultaneamente no cabo, podemos
ligar mais de um receptor. Este processo substitui, com eficiência, as chaves coaxiais que
são muito utilizadas em banda C que ainda trabalham com LNBs. Quando desejávamos
ligar uma mesma antena com dois receptores e assistir em qualquer um deles canais de
qualquer polarização, precisávamos de dois LNBs e uma chave coaxial, além de uma
corneta corrugada que permiti-se a instalação dos dois LNBs. Os LNBF´s estão se
tornando muito comum.
- LNC (Low Noise Block Downconverter - Conversor “abaixador” de Baixo Ruído):
Amplifica o sinal recebido e o converte para a freqüência de 70Mhz. É mais utilizado para
a recepção de dados via satélite. Mas hoje em dia o seu uso não é mais comum.
É importante ressaltar que quanto menor a freqüência no cabo que liga a antena
ao receptor menor será a perda e conseqüentemente teremos um sinal maior na entrada
do receptor e uma imagem melhor na TV.
A título de informação vamos demonstrar montagens com todos eles.
Esquema de um sistema de recepção com LNA.
A figura 1 mostra um Esquema de um Sistema de recepção com LNA.3
Figura 1 - Esquema de Recepção utilizando Downconverter.
1 - Elemento amplificador+feedhorn.
2 - Iluminador.
3 - Refletor.
4 - Downconverter (ver texto).
5 - Suporte para a antena.
6 - Receptor.
7 - TV.
8 - Cabos de ligação.
9 - Cabos de ligação.
O LNA amplificará o sinal e o entregará ao downconverter, que é um conversor
para 70 Mhz e deve ficar o mais próximo da antena possível, para que, devido às altas
freqüências (3,7 a 4,2 Ghz) não exista muita perda. Geralmente o cabo usado entre os
dois é especificado para evitar estas perdas.
Na saída do downconverter já teremos 70Mhz que será conectado com o receptor.
Esquema de recepção com um LNB.
A figura 2 mostra um Esquema de recepção com um LNB. Note que é dispensado
o uso de Downconverter.4
Figura 2 – Esquema de Recepção sem a utilização de Downconverter
1 - LNB + feedhorn + polorotor (o feedhorn ou corneta corrugada pode ser montado com
dois LNBs o que dispensa o uso do polorotor. Porém teremos dois cabos, um para os
canais verticais e outro para os canais horizontais. Usamos dois LNBs, com uma corneta
que permita isto, quando desejamos usar a antena com mais de um receptor. Os dois
cabos, com as duas polaridades, são ligados em um equipamento chamado de chave
coaxial, e os receptores são ligados com esta chave. Esta chave pode ter duas saídas,
quatro saídas, etc, para dois ou quatro receptores, e cada receptor receberá o a
polarização e canais desejados de acordo com o controle de polarização ou chave H/V).
2 - Iluminador.
3 - Refletor.
4 - Suporte da antena.
6 - Receptor.
7 - TV.
O sinal recebido será convertido para 950 a 1450 Mhz e amplificado. Depois será
enviado ao receptor. Só dentro do RX é que teremos a FI de 70 Mhz.
Esquema de recepção com um LNC.
O Esquema de recepção com um LNC também pode ser o mesmo da Figura 2.
1 -- LNC + feedhorn + polorotor.
2 -- Iluminador.
3 -- Refletor .
4 -- Suporte.
5 -- Cabos.
6 -- Receptor.
7 -- TV.5
O sinal recebido será convertido para 70 Mhz e amplificado, só depois sairá do lnc e irá
para o receptor.
Esquema de recepção com um LNBF.
O Esquema de recepção com um LNBF também pode ser representado pela
Figura 2, pois também não utiliza o Downconverter.
1 - LNBF
2 - Iluminador.
3 - Refletor.
4 - Suporte da antena.
5 - Cabos de ligação.
6 - Receptor.
7 - TV.
Características das antenas parabólicas.
O formato parabólico deste tipo de antena faz com que apenas os sinais que vêm
perpendiculares ao plano da antena se concentrem num ponto, chamado de foco. Os
outros sinais, não perpendiculares ao plano da antena, não terão um ponto de foco, não
atrapalhando assim na recepção. Isto é o que torna uma antena parabólica extremamente
direcional. Tão direcional que apenas um grau de altura (vertical) ou azimute (horizontal)
fora da posição já faz com que não recebamos o sinal do satélite.
A figura 3 mostra que os sinais recebidos, perpendiculares ao plano da Antena,
são refletidos e focados corretamente em único ponto.
Figura 3 – Sinais recebidos e focados corretamente.6
Na figura 4 é mostrado que os sinais recebidos não perpendiculares ao eixo do
plano da Antena são também refletidos pela antena, porém não conseguem ser
centralizados em um único ponto, havendo portanto, as dispersões.
Figura 4 – Sinais recebidos fora do foco.
O elemento amplificador deve ficar exatamente no foco, para isto o iluminador
possui um movimento de vai e vêm, permitindo assim deslocar o feedhorn até o ponto
onde está o foco conforme mostra a figura 5.
Figura 5 – Movimento do iluminador que pode ser efetuado para o ajuste da distância
focal.7
Existem outros tipos de antenas parabólicas, as Cassegrain, por exemplo,
conforme ilustra a Figura 6.
Figura 6 - Refletor Cassegrain.
1 - refletor parabólico.
2 - refletor.
3 - elemento amplificador.
4 - hastes para suporte do refletor.
5 - suporte da antena.
Neste tipo de antena o sinal será refletido pelo refletor parabólica para um outro
refletor e depois para o elemento amplificador que ficará atrás da antena, para que ele
possa receber o sinal a antena é vazada no centro. O refletor ficará suspenso por hastes,
geralmente três, que estarão presas no próprio refletor parabólico.
Existem ainda antenas circulares para a recepção de sinais de satélites. A
diferença é que devido a sua curvatura ela terá diversos focos, ao contrário de uma
parabólica que só tem um foco. Estes diversos focos podem ser usados para se colocar
diversos feeedhorns e se captar mais de um satélite ao mesmo tempo, conforme mostra
a Figura 7.8
Figura 7 – Refletor Circular.
Antenas tipo off-set: -são antenas que tem o ponto de foco deslocado de sua posição
central. Neste tipo de antena o satélite recebido esta acima de uma reta imaginária, que
esteja perpendicular ao plano da antena. Estas antenas, para receber a banda KU, tem,
normalmente, um diâmetro entre 45 a 90 cm e são feitas de metal. Esta antena pode ter
um tamanho menor do que as parabólicas mais comuns, as de banda C, normalmente
feitas de tela, pois a freqüência de recepção é muito maior e quando maior a freqüência
menor o tamanho da antena.
Polarização.
Quando falamos em polarização de canais estamos nos referindo em como o
campo elétrico deste canal se propaga pelo espaço. Se ele se propagar na horizontal
dizemos que a polarização é horizontal. Se ele se propagar na vertical dizemos que ele
tem a polarização vertical. A polarização corresponde à posição física da antena, desta
forma, se tivermos uma antena com os seus elementos na horizontal a propagação do
campo elétrico será horizontal e a polarização da onda será horizontal. Com os elementos
da antena na vertical a polarização será vertical. Existe uma grande isolação entre canais
verticais e horizontais (para antenas parabólicas + ou – 20dB, o que corresponde a uma
relação de níveis de 100 vezes entre um sinal e o outro), graças a isto é possível
compartilhar uma mesma freqüência, se preciso, só usando polarizações diferentes.
- Banda C – faixa de freqüências entre, aproximadamente 4 a 8 GHz. Os satélites usam a
faixa de 5,925 a 6,425 GHz para a subida (up-link) e 3,7 a 4,2 GHz para a descida
(downlink).
-- Banda KU – faixa de freqüências entre 10,9 a 17 GHz. Usada para repetição via
satélite, por exemplo para DTH.
-- Banda Ka – faixa entre 18 a 31 GHz usada para transmissão via satélite.9
Informações extras.
- No Brasil a operação dos satélites domésticos ficam por conta de
concessionárias privadas.
- As antenas transmissoras (para o satélite) têm um diâmetro na ordem de 30
metros e trabalham com uma potência de 1 quilowatt para transmissão analógica e 100 a
400 watts para sinais digitais.
- Os satélites de telecomunicações são geostacionários, ou seja, ficam parados
em relação a terra.
- Os satélites para telecomunicações ficam a uma altitude de 36.000Km.
- Tem uma vida útil de aproximadamente 8 anos (devido ao término do
combustível que o mantém na órbita correta).
-Geralmente possuem, no mínimo, 24 canais para transmissão de tv, além de
outros para voz e dados.
- Caso a transmissão seja digital poderemos ter muitos mais que 24 canais.
Lembrando que um canal em satélite se chama transponder e que usando transmissão
digital podemos ter diversos serviços ou sinais diferentes dentro de um mesmo
transponder.
-Transmitem para terra uma potência por volta de 10 watts ( já existem alguns que
operam com potência de 120 watts).
- Estão todos sobre a linha do equador, numa zona chamada de anel de Clark ou
cinturão de Clark.
- Mantém no mínimo, uma distância de 5 graus entre um e outro.
- O sinal do satélite até a terra é atenuado em cerca de 200 dB (para banda c, de
3,7 a 4,2 Ghz).
O Refletor parabólico
A figura 8 mostra os parâmetros das medidas de um Refletor Parabólico.
Figura 8 - Medidas de um Refletor Parabólico10
F = Distancia focal D = Diâmetro R = Raio d = Profundidade
As relações de medidas utilizadas na sua confecção são:
F
x
y
4
2
=
F
D
F
R
d
4 16
2 2
= =
F
a D
tg
2 4
=
a
F
r
1 cos
2
+
= r +1 = 2F I = F - y
Ganho do refletor (para eficiência de 65%):
( ) 7,7 20log 18,2 20log D(m)xF(Ghz)
D
G dB @ + @ +
l
Largura de feixe (graus a -3dB):
D
l
a
70
= , l e D nas mesmas unidades
ou ainda:
FxD
21
a @ , F em GHz e D em metros.11
O Programa RMZ3 encontrado em
http://paginas.terra.com.br/lazer/py4zbz/arq.htm
permite mostrar interativamente o efeito de F/D no aspecto da antena ou calcular a
distancia focal de um refletor parabólico simétrico. Permite calcular o seu ganho em
função do diâmetro, freqüência e eficiência.
Orientação de antena para satélite geoestacionário.
Variáveis de entrada :
Ls = longitude do satélite ( Leste + , Oeste - ) ( a latitude do satélite é sempre 0 )
Lo = longitude da antena ( Leste + , Oeste - )
La = latitude da antena ( Norte + , Sul - )
Resultados :
Az = azimute da antena ( 0º= Norte, 90º= Leste, 180º= Sul, 270ºou –90º= Oeste)
El = elevação da antena ( 0º= horizontal, 90º= vertical )
D = distancia da antena ao satélite
Constantes :
Raio da Terra no equador : R = 6378 km
Altura do satélite no equador : h = 35786 km
Semi eixo maior da orbita : a = R + h = 42164 km
Angulo C máximo : Cmax = 81,3 graus ; cos Cmax = 0,15127 = R/a
Distancia máxima ao satélite : Dmax = 41678 km
Formulas :
Ld = Lo – Ls cos C = cos Ld . cos La
Obs : cos C deve ser maior que 0,15127 para que o satélite esteja acima do horizonte !
Az = arctg ( tg Ld / sen La ) ( antena no hemisfério Sul. No hem. Norte somar 180º)
El = arctg ( ( cos C – 0,15127 ) / ( 1 – cos² C )
½
)
D = ( R² + a² – 2Ra cos C )
½12
O programa RZ3 também encontrado em
http://paginas.terra.com.br/lazer/py4zbz/arq.htm
permite calcular a orientação da antena incluindo polarização do alimentador e calcular o
enlace de descida.
Para orientar a antena é preciso saber a direção do norte verdadeiro, que difere do norte
magnético pela declinação magnética. No site
http://www.thecompassstore.com/decvar.html
pode ser encontrado um mapa de declinação magnética e de sua variação. A
declinação magnética é a diferença entre o pólo norte magnético (indicado por uma
bússola) e o norte verdadeiro (ponto onde passa o eixo de rotação da terra). Ela depende
da posição geográfica do lugar (latitude-longitude) e varia muito lentamente com o tempo
(anos), de acordo com o mapa de variação, também em função do lugar.
No site http://www.ngdc.noaa.gov/seg/geomag/jsp/IGRF.jsp pode ser encontrado
um calculador do NGDC para a declinação magnética em função do ano, latitude,
longitude e altitude. Ainda é fornecido também todos os componentes do campo
geomagnético, como inclinação, componentes x y z, e intensidade.
Bibliografia:

http://paginas.terra.com.br/lazer/py4zbz/teoria/reflpar.htm