Exame de Qualificação Felipe Nyland

FELIPE NYLAND

(TÍTULO PROVISÓRIO)

RELAÇÃO DE DETERMINAÇÃO DE CAMPOS

ELETROMAGNÉTICOS DISTANTES A PARTIR DE MEDIÇÕES

DE CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS PRÓXIMOS.

FLORIANÓPOLIS, 2009

UFSC

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

GEMCO GRUPO DE ENGENHARIA EM COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA

(TÍTULO PROVISÓRIO)

RELAÇÃO DE DETERMINAÇÃO DE CAMPOS

ELETROMAGNÉTICOS DISTANTES A PARTIR DE MEDIÇÕES

DE CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS PRÓXIMOS.

PROJETO DE TESE DE DOUTORADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

DOUTORANDO:

FELIPE NYLAND

ORIENTADOR:

PROF. ADROALDO RAIZER, DR.

FLORIANÓPOLIS, 2009

i

SUMÁRIO

SUMÁRIO ......................................................................................................................................... i

LISTA DE FIGURAS ....................................................................................................... III

LISTA DE TABELAS....................................................................................................... VI

LISTA DE SIGLAS E NOMENCLATURAS ........................................................................ VII

CAPÍTULO 1

1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 2

1.1 Revisão Bibliográfica ............................................................................................................ 4

1.2 Contextualização do Problema ....................................................................................... 18

1.3 Objetivos do trabalho ........................................................................................................ 21

1.4 Metodologia do Trabalho .................................................................................................. 22

1.5 Organização do Trabalho ................................................................................................. 23

CAPÍTULO 2

2 CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS PRÓXIMOS E DISTANTES. ..................................................... 25

2.1 Campos Eletromagnéticos. .............................................................................................. 25

2.2 Limites entre campo próximo e campo distante ....................................................... 34

2.2.1 O dipolo elétrico................................................................................................................ 37

2.2.2 O dipolo magnético. ......................................................................................................... 38

2.2.3 Limite de campo distante baseado nos termos dominantes do equacionamento dos campos. ..................................................................................... 40

2.2.4 Limite de campo distante baseado na impedância da onda. ............................. 41

2.2.5 Limite de campo distante baseado no erro de fase de uma frente de onda. ............................................................................................................................................... 42

2.2.6 Limite de campo distante baseado no tamanho elétrico da antena ................ 44

2.2.7 Aplicação dos modelos de limites ............................................................................... 47

2.3 Campo próximo e campo distante ................................................................................. 49

2.3.1 Conceitos e características do campo próximo ...................................................... 49

2.3.2 Conceitos e características do campo distante ...................................................... 53

CAPÍTULO 3

3 ENSAIOS LABORATORIAIS ............................................................................................ 55

3.1 Considerações Iniciais....................................................................................................... 55

3.2 Instrumentos de medição de campo próximo ........................................................... 56

3.2.1 Ponteiras de campo próximo ........................................................................................ 56

3.2.2 Escâner de campo próximo ........................................................................................... 63

ii

3.2.3 Instrumentos auxiliares................................................................................................. 66

3.3 Instrumentos de medição de campo distante ........................................................... 67

3.4 Medidas realizadas ............................................................................................................. 68

3.4.1 Medidas de campo próximo em fonte emissora com campo distante conhecido. .......................................................................................................................... 68

3.4.2 Estimativa do Fator de Antena do conjunto de ponteiras HZ-11. ................... 75

3.4.3 Estimativa do fator de antena, para ponteiras de campo próximo de campo elétrico do conjunto HZ-11, utilizando a stripline. ............................................... 78

3.4.4 Leitura e emissão de campo eletromagnético através das ponteiras de campo elétrico do conjunto HZ-11. ........................................................................... 80

3.4.5 Comparação dos valores medidos pela ponteira de campo próximo esférica para diferentes instrumentos de leitura. ................................................................. 82

3.5 Discussão dos resultados ................................................................................................ 84

3.6 Considerações sobre o capítulo ..................................................................................... 87

CAPÍTULO 4

4 CONCLUSÕES PRELIMINARES ....................................................................................... 88

4.1 Continuidade dos Estudos .............................................................................................. 90

4.2 Próximas Etapas da Pesquisa ......................................................................................... 91

4.3 Cronograma .......................................................................................................................... 92

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................................... 94

iii

LISTA DE FIGURAS

Capítulo 1

Figura 1.1 – Figura 1.1 – Um dos primeiros posicionadores de ponteiras de campo próximo da

história e o computador responsável pelos cálculos matemáticos . .............................. 8

Figura 1.2.1 – Ambientes para testes de emissão de campo eletromagnéticos: OATS, GTEM,

Stipline.. ................................................................................................................... 20

Figura 1.2.2 – Ambientes para testes de emissão de campo eletromagnéticos: câmara semi-

anecóica. .................................................................................................................. 20

Figura 1.4 – Metodologia da pesquisa. .......................................................................................... 23

Capítulo 2

Figura 2.1 – Onda plana ou uniforme - E e H estão em fase tanto no tempo quanto no espaço ...... 31

Figura 2.2.1 – Zonas de campo próximo e campo distante.. .......................................................... 35

Figura 2.2.2 – Regiões dos limites para antenas típicas.. .............................................................. 36

Figura 2.2.3 – Dipolo elétrico infinitesimal... ................................................................................. 37

Figura 2.2.4 – Loop infinitesimal e suas coordenadas.. ................................................................. 38

Figura 2.2.5 – Relação entre impedância da onda e λ/2π.. ............................................................ 42

Figura 2.2.6 – Configuração geométrica para avaliação de frentes de onda.. .................................. 42

Figura 2.2.7 – Resposta para diferentes aproximações de campo distante.. ................................... 47

Figura 2.3.1 – Regiões de campo próximo reativo, radiante e campo distante ................................ 50

Figura 2.3.2 – Regiões de campo próximo para um dipolo ............................................................. 52

Capítulo 3 Figura 3.2.1.1 – Ponteiras de campo próximo do conjunto HZ-14.................................................. 57

Figura 3.2.1.2 – Fator de antena para as ponteiras de campo magnético para as faixas de 9 kHz a

30 MHz e 30 MHz a 1 GHz, respectivamente.. ........................................................... 58

Figura 3.2.1.3 – Conjunto HZ-11. ................................................................................................. 60

Figura 3.2.1.4 – Configuração interior das ponteiras de campo magnético do kit HZ-11. ............... 60

Figura 3.2.1.5 – Ponteiras de campo elétrico do kit HZ-11, esférica e stub. ................................... 61

iv

Figura 3.2.1.6 – Configuração da ponteira de campo elétrico esférica do kit HZ-11. ...................... 61

Figura 3.2.1.7 – Configuração da ponteira de campo elétrico stub do kit HZ-11. ........................... 62

Figura 3.2.1.8 – Fatores de performance para ponteiras de campo magnético loop de 6 e 3 cm. .... 63

Figura 3.2.1.9 – Fatores de performance para ponteiras loop magnética de 1 cm e de campo elétrico

esférica. .................................................................................................................... 63

Figura 3.2.1.10 – Fator de performance para ponteiras de campo elétrico stub. ............................ 63

Figura 3.2.2.1 – Escâner de campo próximo desenvolvido no Maglab. ........................................... 65

Figura 3.2.2.2 – Resultado proporcionado pelo escâner desenvolvido no Maglab. .......................... 66

Figura 3.2.3.1 – Receiver, analisador de espectros e osciloscópio.. ................................................ 66

Figura 3.3 – Câmara stripline e célula GTEM – instrumentos para medição de campo distante ..... 68

Figura 3.4.1.1 – Gerador de ruído padrão NE3000. ....................................................................... 69

Figura 3.4.1.2 – Emissão de campo radiado conhecido do NE3000 para 3 e 10 metros. ................ 69

Figura 3.4.1.3 – Configuração das medições realizadas sob NE3000. ............................................ 70

Figura 3.4.1.4 – Gráfico da tensão induzida na ponteira esférica em função da freqüência. ........... 71

Figura 3.4.1.5 – Gráfico da tensão induzida na ponteira esférica em função da distância da fonte 72

Figura 3.4.1.6 – Gráfico da tensão induzida na ponteira stub em função da freqüência................. 72

Figura 3.4.1.7 – Gráfico da tensão induzida na ponteira stub em função da distância da fonte. .... 72

Figura 3.4.1.8 – Gráfico da tensão induzida na ponteira loop 6cm em função da freqüência.......... 73

Figura 3.4.1.9 – Gráfico da tensão induzida na ponteira loop 6cm em função da distância da

fonte ......................................................................................................................... 73

Figura 3.4.1.10 – Gráfico da tensão induzida na ponteira loop 3cm em função da freqüência. ....... 73


fonte. ........................................................................................................................ 74

Figura 3.4.1.12 – Gráfico da tensão induzida na ponteira loop 1cm em função da freqüência. ....... 74


fonte. ........................................................................................................................ 74

Figura 3.4.2.1 – Gráfico do fator de antena para a ponteira de campo elétrico esférica. ................. 76

Figura 3.4.2.2 – Gráfico do fator de antena para a ponteira de campo elétrico stub.. ..................... 76

Figura 3.4.2.3 – Gráfico do fator de antena para a ponteira de campo magnético loop 6 cm. ......... 77



Figura 3.4.3.1 – Configuração do ensaio. Na primeira foto observa-se o gerador de sinais injetando

campo na stripline, e através do cabo saindo à direita da câmara, é feita a leitura do

campo no seu interior. A foto da direita ilustra a ponteira de campo próximo esférica

no interior da stripline. ............................................................................................. 79

v

Figura 3.4.3.2 – Gráfico do fator de antena para a ponteira de campo elétrico esférica. ................. 79

Figura 3.4.3.3 – Gráfico do fator de antena para a ponteira de campo elétrico stub. ...................... 80

Figura 3.4.4.1 – Resultado da emissão radiada pela ponteira esférica do kit HZ-11. ...................... 81

vi

LISTA DE TABELAS

Capítulo 2

Tabela 2.2 – Aproximações para região do campo distante. ........................................................... 48

Tabela 3.2.1.1 – Propriedades das ponteiras de campo magnético Kit HZ - 14 ..............................58

Tabela 3.2.1.2 – Propriedades da ponteira de campo elétrico Kit HZ - 14 ................................59

Tabela 3.2.1.3 – Propriedades das ponteiras do Kit HZ-11. ........................................................... 62

Tabela 3.4.3.1 – Fatores de Antena para as ponteiras de campo elétrico do conjunto HZ-11 .......... 80

Tabela 3.4.4.1 – Valores de emissão radiada pela ponteira esférica medidos através da ponteira

stub. ........................................................................................................................ 82

Tabela 3.4.4.2 – Valores de emissão radiada pela ponteira esférica, medidos através da ponteira

stub com o fator de antena incluso. .......................................................................... 82

Tabela 3.4.5.1 – Valores de tensão induzidos na ponteira esférica, lidos através de três

instrumentos diferentes. ........................................................................................... 83

vii

LISTA DE SIGLAS E NOMENCLATURAS

A Unidade Ampère

ABS Anti-lock Braking System

B Indução magnética

CG Conjugated Gradient

CEM Current Element Model

CISPR Comite International Special des Perturbations Radioelectrique

C Unidade Coulomb

D Indução elétrica

DUT Dispositive Under Test

dB Unidade Decíbel

E Campo elétrico

EFIE Electric Field integral equation

EMC Electromagnetic Compatibility

EMI Electromagnetic Interferences

EUT Equipment Under Test

FDTD Finite-Difference Time-Domain

f Freqüência

F Unidade Farad

FF Far-Field

FFT Fast Fourier Transform

G Giga

GTEM Gigahertz Transverse Electromagnetic

H Campo Magnético ou a unidade Henry

Hz Unidade Hertz

IEC International Electrotechinical Commission

IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers

J Densidade de corrente

M Mega

m Unidade Metro

MagLab Laboratório de Eletromagnetismo e Compatibilidade Eletromagnética

MOM Moments method

NF Near-Field

NN Neural Network

OATS Open Area Test Sites

PCB Printed Circuit Board

PF Performance Factor

RF Radio Freqüência

S Unidade Siemens

TEM Transverse Electromagnetic

UFSC Universidade Federal de Santa Catarina

viii

V Unidade Volt

Vef Tensão Eficaz ou RMS

W Unidade Watt

μ Permeabilidade magnética ou unidade de Micro

σ Condutividade Elétrica

ε Permissividade elétrica

ρ Densidade volumétrica de carga

CAPÍTULO 1

1 Introdução

A necessidade da avaliação de campos eletromagnéticos gerados a partir

das mais diversas fontes existentes já é um tema recorrente e muito difundido

globalmente. Nas últimas décadas, muito tem se discutido sobre este assunto e

diversas normas foram e ainda são desenvolvidas, com intuito de controlar os

níveis destes campos, abrangendo as mais variadas formas nas quais eles podem

ser originados. Os problemas relacionados a esta área são largamente

conhecidos, entretanto, muito ainda é estudado sobre os efeitos e implicações na

sociedade associados à emissão eletromagnética.

Os campos anteriormente citados podem ser divididos em duas categorias,

associadas às freqüências e a distâncias de suas origens provedoras. Estes dois

gêneros de campos são nomeados de campo eletromagnético próximo, também

conhecido como Nearf-Field (NF) e campo eletromagnético distante, ou Far-Field

(FF).

Atualmente, quase todas as normas relacionadas à compatibilidade

eletromagnética (EMC) e interferência eletromagnética (EMI), consideram

somente os valores de campos distantes no seu escopo, e os avaliam, designando

se um equipamento pode ou não entrar no mercado consumidor e ser utilizado

em esfera global. Estas mesmas normas estabelecem limites máximos de emissão

para estes campos, nas mais variadas gamas de fontes e equipamentos passíveis

deste tipo de emissão.


3

Estes campos emitidos podem causar diversas interferências e danos, tanto

na operação de outros equipamentos, como também seu próprio funcionamento.

O avanço tecnológico cada vez mais intenso, associando alta-tecnologia em

equipamentos cada vez menores e a crescente utilização de sistemas embarcados

no desenvolvimento de produtos eletro-eletrônicos nas mais variadas faixas de

freqüência, gerou um aumento de grande impacto na sua fabricação e

comercialização, fazendo com que as empresas fabricantes destes produtos,

procurem cada vez mais laboratórios capazes de efetuar estas medições, a fim de

avaliar a emissão de campos eletromagnéticos de seus equipamentos, permitindo

que estes estejam disponíveis para o consumo.

Os mais diversos métodos de medição e conjuntos de equipamentos são

utilizados para se obter os valores destes campos distantes. Câmeras semi-

anecóicas, receivers, conjuntos de antenas, células TEM e GTEM, estão dentre

alguns dos instrumentos hoje empregados, para encontrar e medir os valores de

campos emitidos pelos equipamentos sob teste (EUT) avaliados.

Os laboratórios encarregados na realização deste trabalho necessitam

despender grandes quantias de capital para adquirir todo o conjunto de

equipamentos e espaço físico necessários para a realização destes testes. No

Brasil, não há fabricantes destes equipamentos, logo, estes devem ser sempre

importados, acarretando num gasto ainda maior para os laboratórios do país que

desejarem trabalhar ou realizar pesquisas nesta área.

Para concretizar a mensuração de campos eletromagnéticos próximos,

conta-se atualmente com diversos conjuntos de sondas e ponteiras, das mais

diversas configurações e fabricantes. Estes instrumentos, construídos para

operarem em diferentes faixas de freqüência e diferentes tipos de equipamentos,

são utilizados principalmente na procura de pontos de maior emissão em

sistemas eletro-eletrônicos, com a intenção de descobrir que componentes ou

partes dos circuitos são os maiores responsáveis pela emissão do campo em nível

local. Além destas sondas e ponteiras, escâneres de campo próximo também têm

ocupado uma posição de grande destaque na prática de medidas destes campos,

criando uma espécie de mapeamento dos campos em torno do equipamento

analisado.

As pesquisas realizadas na área de campo próximo têm acarretado um

maior conhecimento do seu comportamento e suas características ao longo dos


4

últimos anos. Este conhecimento, entretanto ainda não é profundo o suficiente

para que se determinem equações e se preveja exatamente como este campo se

transforma e se comporta quando analisado no domínio do campo distante.

Como este tipo de campo apresenta diversas formas de conduta e parâmetros

que variam muito conforme as características do equipamento que o está

originando, a maioria dos pesquisadores, assim como os organismos

responsáveis pela concepção das normas regulamentares, preferem apenas

considerar o campo distante, quase que ignorando o comportamento, medições,

diretrizes e efeitos envolvendo o domínio de campo próximo.

Cientistas de algumas partes do planeta buscam relacionar os valores de

campos próximos aos valores de campos distantes, a fim de se desenvolver uma

ligação entre os mesmos de diversos modos. Esta ligação facilitaria e diminuiria o

labor para se chegar aos valores de campos distantes, originando um novo

método de se alcançá-los.

Com base nessa discussão, diversas publicações técnicas discorrem sobre

as dificuldades e avanços já encontrados nas pesquisas realizadas relacionadas à

esfera do campo próximo. Características, estudos, e soluções já encontradas até

a atualidade são apresentados na presente pesquisa. Este trabalho busca ainda

conceber uma relação entres os dois tipos de campo citados, além de prover um

estudo aprofundado das configurações de sistemas de medição de campo

próximo com a finalidade de se angariar os valores dos campos distantes numa

ampla faixa de freqüência.

1.1 Revisão Bibliográfica

Os campos eletromagnéticos próximos e sua relação com campos distantes

tem sido alvo de diversas pesquisas ao longo das últimas décadas. Devido sua

dificuldade de caracterização, a maior parte dos estudos da área de EMC foi

direcionada para campos distantes, que implicavam em fórmulas conhecidas e

definidas pelas equações da onda plana. Nesta parte do texto, serão

apresentadas as pesquisas relevantes na área envolvendo medições e calibrações

de campo próximo, bem como os trabalhos que relacionaram os mesmos aos

campos distantes.


5

Os primeiros estudos documentados envolvendo medição de campos

próximos (NF) que se tem conhecimento, foram desenvolvidos por BARRET e

BARNES [54], do Centro de Pesquisa de força aérea de Cambridge. Os mesmos

construíram provavelmente o primeiro sistema de medição de campo próximo,

chamado de "Automatic antenna wave front plotter", em 1950. Apesar de não

intencionarem dimensionar campos distantes a partir das suas medidas de

campo próximo, eles conseguiram obter um mapeamento completo das variações

de fase e amplitude na frente de suas antenas microondas.

Em 1953 WOONTON [55] mediu campos próximos e publicou os dados

obtidos num artigo, com a primeira suposição de que a tensão induzida em uma

ponteira estaria relacionada à medida de força de um campo elétrico.

Posteriormente, RICHMOND e TICE [35] desenvolveram uma pequena

ponteira com guia de onda aberto em sua extremidade, que apresentou boas

características de polarização, indicando o campo exatamente no ponto

determinado da medição. A mesma, ainda fornecia um sinal de tensão preciso,

permitindo uma medida exata e sem grandes interferências externas.

HU [38], em 1958, realizou o primeiro levantamento das fórmulas de

transmissão de potência no campo próximo, contribuindo com diversos dados

para a comunidade científica interessada no comportamento do campo próximo

de sua fonte emissora.

Três anos mais tarde, BROWN e JULL [16] executaram as primeiras

medições com ponteiras compensadas para medição de campo próximo,

utilizando expansões modais, válidas somente para escaneamentos cilíndricos de

uma antena emissora, em duas dimensões.

No mesmo ano, CLAYTON, HOLLIS e TEEGARDEN [71] computaram pela

primeira vez, uma forma de campo elétrico distante de uma antena refletora, com

diâmetro de 14º de comprimento de onda, a partir das amplitudes e fases de uma

distribuição de campo-próximo. Eles obtiveram um resultado satisfatório com

medidas diretas de campo-distante sobre o feixe principal e alguns lóbulos

laterais da antena.

ROSEBERRY e SCHULZ [5], em 1965, estabeleceram uma técnica para se

gerar campos conhecidos de rádio freqüência (RF) em alta freqüência,


6

apropriados para realizar testes de susceptibilidade em equipamentos

eletrônicos, através da implementação de striplines paralelas com características

de impedância conhecidas. Desta forma, geraram-se ondas planas de RF com

valores específicos, em intensidades de tanto 10 como 3 volts/metro. Foi um dos

primeiros instrumentos que possibilitou a estabilização de um campo para

qualificar equipamentos quando os mesmos estivessem na presença de campos

de alta intensidade. Para a verificação dos valores entre as striplines, uma

ponteira foi calibrada em termos de tensão de saída, em função da intensidade

de campo magnético a 2, 10, 20 e 30 cm.

Logo após, DYSON [39] realizou e publicou diversas medidas de campo

próximo em uma antena, fornecendo diferentes parâmetros importantes sobre a

medição do campo próximo no seu modelo de antena analisado.

JENSEN (1970) [15], em sua tese de doutorado, reuniu diversos parâmetros

e importantes relações entre campo próximo e campo distante. Dentre elas,

apresentou as fórmulas para o escaneamento esférico com ponteiras de campo

próximo compensadas, utilizadas por diversos trabalhos posteriores na área.

Paralelamente KERNS [12] afirma que um campo distante vetorial pode ser a

princípio obtido pela transformada de Fourier-2D dos valores medidos no campo

próximo, em um plano transverso. O mesmo afirma que a maior dificuldade

encontra-se na execução correta das medições do campo próximo.

Ainda no mesmo ano BAIRD e WACKER [36] determinaram modelos e

ganhos de antena, para medições de campo próximo. Além disso realizam umas

das primeiras comparações diretas entre medidas de campo próximo e campo

distante.

LUDWIG [30] então utiliza, em 1971, as expansões de onda-esférica como

uma técnica numérica que expressa arbitrariamente os campos distantes a partir

de campos próximos, especificados através de dados analíticos, experimentais e

numéricos. O método mostra-se tão satisfatório quanto o método de expansão

modal.

Em 1973, a pesquisa de JOHNSON, ECKER e HOLLIS [31] expõe três

técnicas distintas para modelar campos distantes a partir de medições de campo

próximo. Na primeira técnica, menos limitada, foram amostradas a distribuição

da fase e da amplitude de campo, através de um escaneamento com ponteira de


7

campo próximo. A partir destes dados, através da expansão modal, as

distribuições foram transformadas em campo distante. Além das outras duas

técnicas, que são um tanto quanto restritas por especificações demonstradas por

eles, foram apresentadas todas as vantagens e limitações de cada um dos três

métodos. Ainda neste mesmo ano, um novo método para se calcular o fator de

correção para ponteiras de campo próximo foi proposto por LUDWIG e NORMAN

[33]. O mesmo foi desenvolvido a partir de medições de campo distante utilizando

a expansão de onda esférica. Além disso, paralelamente, DYSON [34] lança um

guia completo abrangendo medições de campo próximo para os mais diversos

modelos de antena. O guia serve como referência para diversas pesquisas futuras

na área.

Uma nova técnica, desenvolvida por CRAWFORD [3], estabeleceu um

padrão de campo eletromagnético uniforme, dentro de um ambiente blindado. A

técnica emprega células de transmissão eletromagnética transversa (TEM) que

operam com sistemas de impedâncias casadas de 50 ohms. Um campo TEM é

estabelecido dentro da célula na freqüência de interesse, oferecendo a

possibilidade de se calibrar campos eletromagnéticos e realizar testes tanto de

emissão como susceptibilidade para equipamentos de pequeno e médio porte.

ECKER e BURNS [13], em 1974, demonstraram para a época, velocidade,

exatidão e uma maneira simples com a qual medidas de campo próximo

poderiam ser realizadas e dessa forma prever os campos distantes. O sistema

contava com o auxílio de um mini-computador de alta velocidade, que controlava

a amostragem e aquisição de dados, o posicionador da ponteira de campo

próximo (na faixa de freqüência de 20 a 40 MHz), e por fim a transferência dos

dados entre o equipamento de medição e outro computador de maior porte para

o processamento de dados. O procedimento envolvia basicamente uma aquisição

dos dados através de uma ponteira de campo próximo, com posicionador

automático nas direções x, y e z. Após a amostragem com a posição, amplitude e

fase do campo próximo, os valores eram convertidos para forma digital e então

armazenados. Os mesmos eram processados para se permitir a previsão do

campo distante, através da transformada rápida de Fourier (FFT). Após este

processo os dados eram impressos e apresentados. A Figura 1.1 apresenta uma

foto deste que foi um dos primeiros modelos de posicionador de ponteiras de

campo próximo e do computador responsável pelo processamento de todos os

dados coletados.


8

Figura 1.1 – Um dos primeiros posicionadores de ponteiras de campo próximo da história e o computador responsável pelos cálculos matemáticos desenvolvidos por Ecker e Burns [13].

Uma comparação entre os custos das medições de campo distante padrões

que utilizavam grandes antenas conjugadas, e os custos da medida equivalente

em campo próximo foi apresentada por RODRIGUE e BURNS [14], ainda em

1974, a pedido do governo americano. Os mesmos concluíram que a medição de

campo próximo possuía um custo que variava entre 76% e 85% dos custos das

medições de campo distante, incentivando investimentos nas medições de campo

próximo. Além deste fator, os mesmos ainda provaram que medições de NF

ofereciam uma caracterização mais completa das antenas analisadas em

questão.

WACKER [18] paralelamente propôs um método para se realizar a extração

dos coeficientes modais de medidas realizadas com ponteiras compensadas,

utilizadas em medições esféricas. Esta técnica acarretou numa diminuição

significativa de dados adquiridos. Ainda no mesmo trabalho, ele expôs através da

utilização de FFT, um meio de se computar estes coeficientes, a fim de utilizá-los

em possíveis transformações para o campo distante.

TIPPET e CHANG [4], inovaram então nas técnicas de medições. Através das

mudanças de radiação de dipolos localizados dentro de uma Célula TEM, eles

verificaram que na grande maioria dos casos, um dispositivo qualquer poderia

ser modelado por dipolos. Desta forma, através da análise destes dipolos, foi

permitido se prever as características de radiação do dispositivo em outros meios

(como por exemplo, o espaço livre). Neste trabalho, uma restrição foi notada: o

equipamento sob teste (EUT) deve ser eletricamente pequeno, isto é, com

dimensões muito menores que o comprimento de onda operacional.


9

Em 1978, PARIS e LEASH [9] consideraram os problemas gerais envolvendo

a interação da ponteira de medição com o campo próximo medido em questão,

incluindo a aplicação do Teorema da Reciprocidade de Lorentz para a

determinação das características da fonte, e a forma do campo distante. Além

disso, apresentaram os dados necessários para corrigir os efeitos direcionais da

ponteira, o efeito desta correção da ponteira no valor medido, e as formulações

matemáticas em sistema retangulares, necessárias para solucionar o problema

proposto. Os mesmos mostraram que as medições de campo próximo são mais

efetivas tanto em custo quanto em tempo, e que as exatidões das formas de

campo distante calculadas eram regulares, quando comparadas as medições

práticas do campo distante. Entretanto, eles declararam que o método ainda era

de difícil entendimento no quesito de realização prática e que um sistema mais

complexo seria necessário para alcançar resultados mais confiáveis. Além disso,

ainda ressaltaram que um procedimento muito extenso seria necessário para se

efetuar a calibração das ponteiras de campo próximo, quando comparadas as

calibrações de ponteiras de campo distante. Na técnica aplicada, ambos os

campos radiados pela fonte, como pela ponteira, são expandidos em termos

elementares de onda planas (modos). Após isso, o Teorema de Lorentz é utilizado

para calcular a saída da ponteira como uma função dos campos expandidos. O

resultado é uma equação algébrica, que relaciona o campo conhecido da ponteira

e o campo desconhecido da fonte. As amplitudes são então determinadas a partir

dessa equação e, com estas, se alcança os valores do campo distante.

SCREENIVASIAH e CHANG [2], afirmaram que era possível determinar a

potencia total radiada dentro de uma célula TEM, desde que a fonte emissora

dentro desta pudesse ser considerada um sistema de dipolos elétricos e

magnéticos, cada um excitado com uma amplitude e fase arbitrária. As células

de teste não são restritas quanto às especificações geométricas, desde que

possam suportar o modo TEM, e que as dimensões geométricas sejam tais, que

proporcionem que um modo de ordem maior possa ser propagado na freqüência

de teste.

Ainda no mesmo ano (1981), KERNS [17] criou o modelo de escaneamento

tridimensional planar. Neste modelo a ponteira se move sobre um sistema de

coordenadas cartesianas linearmente, criando uma amostragem em forma de

cubo, com um grid máximo de amostras no tamanho Δx = Δy = Δz = λ/2, onde λ é

o comprimento de onda para a freqüência analisada.


10

Cinco anos mais tarde, YAGHJAN [26] publica o mais vasto trabalho já feito

até aquela data, abordando medições de campo próximo. Neste, são tratadas as

medições com e sem fatores de correção das ponteiras, os diversos tipos de

escaneamento, as formas de correção de ponteiras e ainda aponta as principais

fontes de erro da medição planar no campo próximo. Além disso, apresenta as

limitações dos escaneamentos planar, cilíndrico e esférico, servindo de base para

várias pesquisas futuras.

WILSON, HANSEN e KOENISTEIN [7], em 1989, discutiram um novo tipo de

câmera para testes com campos eletromagnéticos. Aplicável tanto para medidas

de emissão radiada como para medidas de susceptibilidade. Ela é essencialmente

uma célula TEM, chamada de GTEM, onde uma determinada potência é injetada

gerando um campo constante num determinado volume de teste da câmera. A

mesma consegue criar campos planos em freqüências que excedem os gigahertz.

Este trabalho, acabou popularizando o método de multipolos, onde o

equipamento sob teste dentro da câmera, é considerado um dipolo muito

pequeno que dá origem aos valores de campo distante.

No mesmo ano, ISKRA e MACFARLANE [46] apontaram os erros de medida

de campo magnético na área de campo próximo devido a não-uniformização

espacial e grande variação dos campos eletromagnéticos próximos. Desta forma,

expuseram as dificuldades em se efetuar as medidas de campo magnético com

fins de se obter campo distante.

Em 1990, SARKAR e PONNAPALLII [10] [11], apresentaram a teoria seguida

por diversos pesquisadores, onde uma transformação do campo elétrico próximo

planar para o campo distante é feita através de uma aproximação, utilizando um

equivalente de corrente magnética. Neste processo, é aplicado o princípio da

equivalência e a teoria da imagem, substituindo-se a fonte emissora por um

equivalente de corrente magnética que engloba toda fonte sob análise. Esses

equivalentes são obtidos pelos métodos dos momentos e pelo método dos

gradientes conjugados associado à transformada rápida de Fourier (FFT). De

posse destes equivalentes, pode-se determinar então o campo distante. O método

foi o que apresentou os melhores resultados para a extrapolação de campos

distantes quando comparado aos modelos anteriores de transformação NF-FF.

No mesmo ano, BUCCI [48], desenvolveu uma técnica baseada na medição

de amplitude de campo próximo em duas superfícies envolvendo uma antena


11

emissora sob teste. A exatidão da reconstrução dos resultados de campo distante

ficou relacionada às distâncias entre as superfícies de medida, às informações da

fase do campo próximo e ao sistema de radiação de campo. Todos estes fatores

foram levados em consideração na formulação do algoritmo responsável pela

transformação, que considera a teoria que duas medidas equivalentes das

superfícies medidas, geram o mesmo campo distante. Um ano depois BUCCI,

GENNARELLI e SAVARESE [51] desenvolveram um algoritmo de interpolação,

que permite recuperar os dados de campo próximo do plano-polar para o plano

retangular. Isso permitiu uma transformada de campo próximo para campo

distante padrão através de um algoritmo de FFT a ser aplicado no plano de

escaneamento polar. Desta forma uma redução do tempo de medição e de

memória necessária para realizar os cálculos foi alcançada com sucesso.

Em 1992, SARKAR junto com PETRE [8] publicou um modelo alternativo

para se calcular campos distantes a partir de medições de campo próximo. O

método utiliza dados de campo próximo para determinar equivalentes magnéticos

de fontes de correntes sobre uma fictícia superfície planar que engloba toda

antena sob teste. Essas correntes são então utilizadas, para se estimar os

campos distantes. Sob certas circunstâncias, as correntes devem produzir os

corretos campos distantes em todas as regiões na frente da antena, relacionadas

com a geometria nas quais as medições de campos próximos foram executadas.

Uma equação integral de campo elétrico foi desenvolvida para relacionar os

campos próximos aos equivalentes de corrente magnética. O método dos

momentos foi utilizado para transformar a equação integral em uma matriz, que

é solucionada a partir do método dos gradientes conjugados (CG) com FFT,

gerando a transformação de campo próximo para campo distante.

Em seguida WILSON [6] considerou o uso da célula GTEM para testes de

emissão tanto para campo próximo como para campo distante. Ele utilizou a

aproximação do modelo de radiação de um equipamento como sendo um

conjunto de momentos multipolos. O modelo multipolo permitiu prever a

radiação no espaço livre. O trabalho obteve destaque por oferecer a correlação

entre as medidas da célula GTEM e as áreas de teste em campo aberto (OATS)

para o caso do campo distante.

Em 1994 PETRE e SARKAR [19] retornam com uma nova pesquisa, onde

eles propuseram um método para calcular padrões de campo distante de antena

através de dados provenientes das medições de campo próximo, realizadas


12

através de um agrupamento de ponteiras-dipolos planares. O método parte do

princípio de utilização dos valores de campo próximo para determinar algumas

fontes equivalentes magnéticas de corrente, sobre uma superfície planar fictícia

sobre toda antena emissora de campo. O campo próximo era adquirido através

de dipolos com uma terminação com impedância de 50 ohms de carga, que

media a tensão complexa através das cargas. A partir disto, a equação integral de

campo elétrico (EFIE) foi desenvolvida para relacionar as tensões complexas

medidas, aos equivalentes magnéticos de corrente. O método dos momentos com

o Galerkin foi utilizado para transformar a equação em uma matriz, que então é

solucionada com a transformada rápida de Fourier somada ao gradiente

conjugado (CG-FFT). A mesma fornece desta forma os valores de campo distante.

Uma das vantagens do método é que não há necessidade de se mover a ponteira

mecanicamente. Além disto, dispensa a medição da posição espacial da ponteira

com exatidão. Importante principalmente quando existe a necessidade da

realização da medição de ondas milimétricas que exigem uma medição neste

nível. Além disso, um esquema numérico muito eficiente de CG-FFT foi

implementado para resolver a equação integral das correntes magnéticas,

reduzindo com grande eficácia o tempo de computação e armazenamento dos

dados. Apesar de ter sido validado através de exemplos limitados, o método

obteve uma validade muito maior do que método de expansão modal,

contemporâneo à época.

LAROUSSI e COSTACHE [22] paralelamente publicaram uma nova

abordagem para derivar valores de campo distante, a partir de medidas de campo

próximo em uma antena, através da solução de uma equação integral exata para

um problema de propagação de ondas, com um algoritmo novo que extrapolava

os valores para o campo distante emitido pela antena.

No ano seguinte, CRIEL, HAELVOET, MARTENS et al. [28] estudaram a

radiação de campo próximo emitido por placas de circuito impresso (PCBs)

quantitativamente por um set-up de medida tri-dimensional. A performance do

set-up de medida criado foi avaliada através de uma comparação de medições

com ponteiras calibradas dentro de uma célula TEM, sobre uma PCB de trilha

única, com resultados simulados.

SARKAR e TAAGHOL [21] em 1996 sugeriram um aprimoramento do

método apresentado em 1994. Após empregar o método dos momentos para

solucionar a equação e transformá-la numa matriz, a mesma foi então


13

solucionada através do método dos mínimos quadrados, oferecendo resultados

de qualidade superior a formulação que envolvia CG-FFT.

No mesmo ano REOCZNIAK, PETRIU e COSTACHE [23], propuseram uma

técnica de modelagem 3-D para campos eletromagnéticos baseada numa

transformada "campo próximo/campo distante", onde os valores de campo foram

calculados a partir de um conjunto de medições de campo próximo que levava

em consideração a região ao redor do dispositivo sob teste (DUT). Uma técnica de

visão não-invasiva para recuperar os parâmetros de posição em 3-D da ponteira

foi também apresentada. O método se mostrou superior aos de FFT

anteriormente utilizados, por não necessitar o conhecimento explicito da fase do

campo próximo. Baseado na técnica de expansão de ondas esféricas, os

coeficientes das funções dependem das condições de limite, que são

caracterizados de forma incompleta sem o conhecimento da fase. Com a

descoberta de uma aproximação tolerável para o erro devido a estes coeficientes,

podem-se prever então os níveis de campo distante radiados. Uma vez que os

resultados não foram estáveis, principalmente devido aos limites estabelecidos,

analises posteriores foram necessárias, prejudicando a relevância do método.

BLANCH, YACCARINO, ROMEU et al. [47] introduziram uma aproximação

equivalente de corrente magnética com uma nova modalidade de aquisição dos

valores de campo próximo: planar bi-polar. Os resultados do método, aplicado a

uma antena, foram comparados com a tradicional aproximação modal de

transformação de campo próximo para campo distante. O método necessitou

estudos mais aprofundados, uma vez que a distribuição espacial das amostras

de campo próximo retidas, afetou de forma significativa o diagrama de campo

distante.

Em 1998, NADEAU e LAURIN [37] formularam um novo método de

extrapolação do campo distante a partir do escaneamento planar do campo

próximo. A extrapolação foi realizada utilizando a tensão relativa complexa de um

loop em movimento associada ao Método dos Momentos. Embora o método seja

promissor, muitos problemas interferiram dentro do processo. Dentre eles,

problemas de calibrações, velocidade e exatidão do escaneamento, tempo de

processamento e valores normalizados a fim de obter os resultados absolutos.

Simultaneamente, GAO, LAUER, REN et al. [45] propuseram uma nova

técnica de calibração aplicável a uma ponteira elétrica coaxial de campo próximo


14

com aplicação nas faixas de 0,005 - 20 GHz. Através do método das Diferenças

Finitas no Domínio do Tempo (FDTD), a ponteira foi analisada, para determinar a

parte mais sensível do segmento exposto. Considerando a amplitude de um

campo elétrico normal neste segmento como um campo de características

conhecidas, a ponteira foi calibrada definindo-se um fator de performance (PF)

para a mesma. Esta calibração foi realizada através de uma comparação das

medições da ponteira sobre uma linha de microfita e os valores simulados de

campo emitidos pela mesma na região medida.

Em 1999 SARKAR e TAAGHOL [20] aprimoraram mais uma vez seu método.

Antes a técnica calculava modelos de campo distante a partir de medições de

campo próximo, realizadas em uma geometria arbitrária, utilizando o princípio

das fontes equivalentes de corrente elétrica sobre uma superfície fictícia. Aqui

eles demonstram o conceito de continuidade analítica, supondo que uma vez que

os valores de campo elétrico são conhecidos em uma determinada região do

espaço, pode-se a partir de uma teoria de perspectiva, ter seus valores

extrapolados para outras regiões. Mostrou-se que o equivalente de corrente

elétrica produz os campos na região em frente à antena, relacionados à geometria

sobre a qual a medição dos campos próximos foi executada. Nesta aproximação,

os dados medidos não precisam satisfazer o critério de amostragem de Nyquist.

Uma equação integral de campo elétrico é desenvolvida e relaciona o campo

próximo ao equivalente de corrente elétrica. O método dos momentos é utilizado

para solucionar a equação integral transformando-a em uma matriz. A solução

por método dos mínimos quadrados é então empregada para resolver a matriz-

equação. Neste trabalho foi provado que a aproximação por equivalente de

corrente magnética oferece uma solução melhor que o equivalente de corrente

elétrica, devido ao fator que a matriz elevada a partir de um operador campo

elétrico, apresenta uma condição mais defasada do que a matriz envolvendo o

operador campo magnético.

Uma nova metodologia apresentada por PIERRE, D'ELIA e SOLDOVIERI [24]

é baseada na medição simultânea da amplitude de tensões recebidas por duas

ponteiras diferentes se movendo através uma única superfície de campo próximo,

simultaneamente. A grande diferença no método foi a diminuição do erro devido

a possíveis falhas que envolviam o posicionamento de uma única ponteira. Dessa

forma garante-se a aquisição correta do campo, garantindo o resultado do campo

distante através de FFT.


15

Em 1999 BUCCI [25] retorna com uma aproximação mais geral,

considerando apenas a amplitude de campo próximo, utilizada para a

transformação NF-FF. A estimativa do campo distante é definida como um

problema de busca de intersecção, solucionado pela minimização de um

funcional adequado. O novo algoritmo foi recebido com entusiasmo pela

comunidade científica, pois considerou uma nova formulação matemática que

não apresenta uma reprodução redundante do campo, levando em consideração

parâmetros como a forma da fonte emissora, a exatidão do sistema de medição e

ainda o comportamento do campo próximo fora da área de medida,

revolucionando o sistema de transformação NF-FF.

REGUÉ e RIBÓ [1] em 2001 trazem mais um diferente método para se

prever a emissão de campo distante radiado através de medidas de campo

próximo em PCBs. Foi baseado na substituição do dispositivo original por um

conjunto de dipolos elementares, colocados próximos das principais fontes

radiativas que emitem o mesmo campo próximo. Este conjunto de dipolos é

gerado através de um algoritmo genético. Uma vez que o campo produzido por

um dipolo é conhecido, a radiação de campo distante pode ser calculada. Pela

posição, orientação e magnitude dos dipolos equivalentes, as fontes de radiação

podem ser identificadas. No seu método, fontes de campo próximo magnético,

como slots por exemplo, são substituídos por dipolos magnéticos. Fontes de

campo elétrico, como trilhas ou cabos, são substituídos por dipolos elétricos. Isso

sempre em um ambiente semi-anecóico. Com o algoritmo, buscam-se os dipolos

que geram o mesmo campo próximo e a partir da inserção destes no sistema,

chega-se aos valores de campo distante.

Uma técnica para avaliar o nível de emissão radiada, gerada por placas de

circuito impresso, baseada nos equivalente de corrente magnética foi

apresentada por LAURIN, OUARDHIRI e COLINAS [32]. Essas correntes foram

extraídas de medidas de campo próximo, que por fim permitiram a visualização e

extração das correntes de modo-comum próximo às linhas descontinuas da

placa. Os processamentos dos dados de campo próximo geraram modelos

equivalentes de estruturas de radiação, que permitiram separar as contribuições

de modo comum e modo diferencial.

Abordando também campos eletromagnéticos sobre placas de circuito

impresso, AUNCHALEEVARAPAN, PAITHOONWATANAKJI, KHAN-NGERN et al.

[29], utilizaram uma rede neural (NN) para reconhecer configurações básicas de


16

PCB, empregando o espectro de campo próximo e a emissão radiada de campo

distante. Os valores de campo foram detectados através do monitoramento da

amplitude da freqüência do espectro, através da injeção de um pulso de tensão

na PCB. Para cada configuração de placa, foi atribuída uma memória a NN.

Assim, a rede neural conseguia identificar os diferentes layouts de PCB oriundos

de medições de emissão radiada. Os valores da NN são comparados com as

medidas de campo de outros modelos, para então servirem como uma previsão

do modelo de emissão de campo distante, a partir da medida de campo próximo.

A estimativa do campo distante apresentou mais exatidão do que as oriundas

através do Método dos Momentos (MOM) e do Modelo de Elemento de Corrente

(CEM), garantindo a eficácia do trabalho.

Um método de caracterização de chips através de escaneamento de campo

próximo foi publicado por DARAN [43] em 2003, para verificar possíveis

acoplamentos na placa eletrônica e avaliar as emissões radiadas a um metro de

distância. Com o levantamento dos potenciais escalares e vetoriais encontrados

no escaneamento, foram calculados os campos próximos e distantes.

SHI, CRACRAFT e SLATTERY [44] adquiriram diversos dados de

escanemanto de campo próximo para representar diversas fontes não-

intencionais de radiação, através de equivalentes de correntes de distribuição de

superfície. Essas correntes foram utilizadas como fontes numéricas numa

modelagem FDTD para prever os valores de campo radiados. Um ano depois eles

[40] apresentaram diversos procedimentos para calibração e compensação de

medições de escaneamento de campo próximo para variados tipos de ponteiras. A

grande maioria, através da transformada discreta de Fourier. Provaram ainda

que as ponteiras de medida causam distúrbios no campo que está sendo medido

e que quanto menor a ponteira, menor a perturbação no campo. Afirmaram

também, que tanto as componentes de campo elétrico, como as componentes de

campo magnético contribuem com o valor medido na ponteira. E que em alguns

casos o campo magnético é dominante e em outros, o campo elétrico.

SUJINTANARAT, DANGKHAM e CHAICHANA [27] realizaram um estudo de

emissão eletromagnética (EMI) de uma placa de circuito impresso (PCB). Cinco

diferentes tipos de trilha nas PCBs foram projetados para produzir campos

eletromagnéticos medidos com ponteiras de campo próximo. Os resultados

medidos foram comparados com os calculados através do método dos elementos

finitos (FEM), que apresentaram resultados satisfatórios.


17

GILABERT, ARCAMBAL e LOUIS [42] proveram um simples método para se

obter as fontes de radiação equivalentes de um circuito eletrônico, a partir das

medições de campo próximo, substituindo o circuito por um conjunto de dipolos

elementares que radiavam o mesmo campo magnético. Duas abordagens

diferentes foram apresentadas. Uma com dipolos elétricos e outra com dipolos

magnéticos. Para construir o modelo, foram necessárias a magnitude e fase do

campo magnético em questão. Através desta forma foi possível se obter o campo

próximo de um componente (microcontolador) e se obter o campo de toda placa

eletrônica.

Uma análise das técnicas de amostragem de dados de campo próximo, na

transformação campo próximo para campo distante, foi efetuada por FAN e

SCHLAGENHAUFER [49] em 2007. Eles consideraram nesta análise, os pontos

onde deveriam ser observados os campos e o procedimento para realização de

um pré-processamento dos dados. Para uma simples PCB, foi montado um

conjunto de emissores básicos otimizados através de um algoritmo genético. As

amplitudes de campo magnético próximo, para diferentes observações de

superfícies da PCB, foram obtidas através de simulações com o método dos

momentos e desta forma, diferentes modelos de campo distante para diferentes

freqüências foram calculados.

Um processo de transformação direto para modelar o campo distante de

uma antena a partir de amostras de campo próximo adquiridas num

escaneamento espiral-planar foi proposto por COSTANZO e MASSA [53]. A

propriedade de convolução da integral de radiação foi explorada, a fim de realizar

a FFT sem a necessidade de um processo de interpolação intermediário, sendo

esta a grande vantagem da técnica implementada.

Em 2008 BAUNDRY, LOUIS e MAZARI [50] realizaram um apanhado das

técnicas de medição de campo próximo ao longo dos anos. Após explicarem os

métodos utilizados para medir campo eletromagnético próximo, diversas

aplicações e técnicas foram ainda apresentadas. Estas aplicações, abordam o

estudo de fenômenos de emissão e susceptibilidade de um componente (passivo

ou ativo) do sistema analisado em questão.

BEGHOU, PICHON e COSTA [41] expuseram em 2009 uma metodologia

para caracterizar os distúrbios eletromagnéticos radiados de dispositivos

eletrônicos. O método é baseado na substituição do dispositivo, por um conjunto


18

equivalente de dipolos elementares (elétricos e magnéticos). O conjunto emite o

mesmo campo próximo, e os parâmetros dos dipolos são determinados de uma

cartografia de campo próximo provenientes um banco de arquivo de medições. O

método permite fornecer a localização da real fonte de emissão.

Uma pesquisa afirmando que se o modelo de campo próximo, seja ele

uniforme ou não-uniforme, for sub-amostrado devido a razões práticas, ainda

assim uma boa estimativa do modelo de campo distante, através de técnicas

planares pode ser obtida, foi apresentada também em 2009 por DEHGHANIAN,

OKHOVVAT e HAKKAK [52]. A mesma é ainda mais eficaz se a antena sob teste

(AUT) for diretiva de alto-ganho ou uma antena de super alto-ganho.

Nesta seção do trabalho foi realizado um apanhado da grande maioria das

pesquisas efetuadas ao longo das últimas décadas, envolvendo os temas

pertinentes ao projeto de tese. Conforme verificado, muito se realizou na

extrapolação de campos distantes a partir de medições de campo próximo.

Entretanto, grande parte destas realizações é voltada apenas para antenas, ou

então consideram sobretudo a freqüência e não a exatidão do valor de amplitude

do campo distante. Outra ampla parte das publicações foi aplicada a placas de

circuito impresso. Porém, nenhuma das pesquisas visualizou a verificação do

campo distante abordando as normas de compatibilidade eletromagnética para

emissão radiada em uma ampla faixa de freqüência, que verificam os campos a 3

e 10 metros de distância do dispositivo, sendo este um fator justificativo do

presente trabalho.

1.2 Contextualização do Problema

O acelerado processo de inovação tecnológica ao longo das últimas décadas

acarretou em uma crescente inserção dos mais diversos produtos que agregam

estas novas descobertas, em nossas vidas. Devido ao avanço da tecnologia em

sistemas embarcados, onde sistemas micro-processados são desenvolvidos com

computadores encapsulados [72], destinados ao controle dos dispositivos nos

quais estão contidos, cada vez mais, distintos tipos de equipamentos, utilitários,

eletrodomésticos, instrumentos de medida, brinquedos, eletro-eletrônicos, etc.,

encerram circuitos eletrônicos. Geladeiras com controle para geração de gelo e

alarmes para controle de tempo de refrigeração de bebidas, fornos microondas

com programações completas para os mais diversos tipos de receitas culinárias e

funções de descongelamentos, brinquedos com sensores de posicionamento,


19

sistemas de freios ABS nos carros, aviões, videogames... Todos estes apresentam

sistemas embarcados e a previsão é que estes tomem ainda mais colocação em

nosso cotidiano, proporcionando mais conforto e economia de tempo, tão e cada

vez mais almejados pela sociedade.

Além de sistemas embarcados, sistemas de comunicações nas mais

diversas formas e freqüências estão sendo inseridos nos mais diferentes tipos de

equipamentos. Computadores pessoais, mp3 players, telefones celulares,

videogames, aparelhos de DVDs e de som, já contam com sistemas Bluetooth

para transferência de dados e comunicação.

Esta intensa e infindável presença da tecnologia, onde antes não havia,

acarreta em uma ascensão dos campos eletromagnéticos nos mais diversos

ambientes em que vivemos. As conseqüências desta ascensão devem ser

controladas, e as mesmas são feitas através de normas regulamentadoras que

estipulam as quantidades de campo eletromagnético que os mais variados tipos

de dispositivos podem emitir e suportar.

As normas de emissão eletromagnética, pertinentes a este trabalho, são

em sua grande maioria desenvolvidas e atualizadas pelo Comitê Internacional

Especial de Perturbações Radioelétricas (CISPR), que determina

quantitativamente, os níveis de emissão eletromagnética que cada tipo de

equipamento sob teste (EUT) pode gerar. Dentre estas normas, duas se destacam

pelo seu emprego mais freqüente:

CISPR 11 - Industrial, Scientific and Medical (ISM) Radio-Frequency

Equipment -- Electromagnetic Disturbance Characteristics -- Limits and

Methods of Measurement [69];

CISPR 22 - Information Technology Equipment -- Radio Disturbance

Characteristics -- Limits and Methods of Measurement [70].

Estas normas definem que os testes para verificação de emissão radiada de

campos eletromagnéticos a 3 e 10 metros da fonte emissora, devem ser

realizados obedecendo algumas condições impostas. Dentre estas, uma estipula

que os testes devem ser desempenhados em ambiente de teste em campo aberto

(OTAS), ou dentro de ambientes isolados eletromagneticamente, que não

permitam a interferência de fontes eletromagnéticas externas nas medições.

Estes ambientes, sejam eles câmaras semi-anecóicas, células GTEM ou câmaras


20

strip-line (Figura 1.2.1 e 1.2.2) são proporcionais ao tamanho dos equipamentos

que serão testados em seu interior. Além do amplo espaço necessário para se

construir ou instalar estas estruturas, as mesmas representam os maiores

custos na implementação de um laboratório que deseje trabalhar ou realizar

pesquisas na área de compatibilidade eletromagnética.

Figura 1.2.1 – Ambientes para testes de emissão de campo eletromagnéticos: OATS, GTEM, Stipline.

Figura 1.2.2 – Ambientes para testes de emissão de campo eletromagnéticos: câmara semi-anecóica.


21

Uma importante solução pertinente aos estudos envolvendo emissão, seria

dispensar o uso destas onerosas instalações e encontrar o campo

eletromagnético emitido por um equipamento, nas distâncias de 3 e 10 metros.

Mas como efetuar tal solução?

As abordagens de pesquisa em campo próximo aqui previamente

apresentadas, demonstram uma estrapolação para campos distantes voltadas

apenas para problemas específicos de caracterização de antenas ou previsão de

campos em PCBs. Nenhuma das pesquisas foi realizada com o intuito de se

levantar os valores de campos distantes para estas distâncias específicas,

visando atender as normas de emissão eletromagnética, por exemplo.

A tarefa discutida na presente qualificação de tese envolve diversos

problemas. Dentre eles, encontrar o(s) tipo(s) de ponteira(s) mais adequado(s)

para realizar estas medições de campo próximo. Em seguida, uma maneira de se

efetuar a calibração das mesmas a fim de se garantir os resultados medidos com

exatidão. Outra dificuldade presente é a caracterização das medidas de campo

próximo, a fim de se verificar as mais variadas formas de contribuição destas na

formação do campo distante. E por fim, o mais audacioso desafio, que se

encontra na determinação de uma nova relação que antecipe as medidas de

campo distante, a partir de medições realizadas no domínio do campo próximo,

com o intuito de atender as exigências das normas de emissão de campos

eletromagnéticos que abrangem uma extensa faixa de freqüência.

1.3 Objetivos do trabalho

O objetivo fundamental do trabalho é o desenvolvimento de uma relação

que permita estimar as amplitudes de emissão de campos distantes numa ampla

faixa de freqüência, para 3 e 10 metros de distância, provenientes de um

dispositivo sob teste, a partir da execução de medições dos campos

eletromagnéticos no domínio de campo próximo. Para tanto, são imprescindíveis

as realizações das seguintes tarefas durante o desenvolvimento da pesquisa:

Realizar uma vasta pesquisa bibliográfica nos principais periódicos e

bases de informação, para construir o estado da arte e encontrar

formas já eficientes que possam ser aplicadas nas metodologias de

medições;


22

Encontrar as ponteiras mais adequadas para realização das medições e

a maneira mais adequada para calibrá-las;

Estudar os comportamentos e características dos campos próximos a

fim de verificar sua real contribuição na formação do campo distante;

Estudar as mais diversas formulações matemáticas a fim de verificar

qual apresenta adaptação mais apropriada ao problema proposto;

Desenvolver a relação entre campo próximo e campo distante para as

distâncias especificadas.

1.4 Metodologia do Trabalho

O trabalho é voltado para o estudo de medições de campos eletromagnéticos

próximos, munidos dos mais diversos instrumentos disponíveis no Laboratório

de Compatibilidade Eletromagnética e Eletromagnetismo do Departamento de

Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina, conhecido como

Maglab.

Transposta a fase de pesquisa bibliográfica, constituída na verificação dos

estudos já realizados envolvendo campo próximo e suas transformações para

campo distante, desempenhou-se o processo de pesquisa e experimentos práticos

envolvendo a medição destes campos. Primeiramente foi efetuada uma grande

seqüência de testes para designar quais das ponteiras de campo próximo

presentes no laboratório seriam as mais adequadas para a execução das

medições. Após a definição das ponteiras, a próxima etapa constitui-se em

especificar qual o melhor meio de se realizar as calibrações das mesmas, de

forma a garantir os resultados das medições com a maior exatidão possível.

Confiando na garantia dos resultados das medições, dispositivos de caráter

experimental serão utilizados como fontes emissoras, a fim de se observar os

comportamentos, configurações e características na região de emissão de campo

próximo, através de outra etapa de medidas experimentais. Após coletar uma

base de dados suficiente para configurar o campo próximo destes dispositivos de

forma confiável, testes de emissão radiada serão executados nos mesmos, com a

finalidade de se obter os valores de campo distante real, seguindo as definições

apresentadas pelas normas definidoras dos limites de emissão eletromagnética

radiada.


23

De posse dos valores para os campos de ambos os domínios (NF e FF), se

dará início ao estudo de desenvolvimento de uma relação que forneça os valores

de campo distante medidos a partir das medições de campo próximo. A Figura

1.4 a seguir, mostra as etapas que constituem o presente trabalho.

Figura 1.4 – Metodologia da pesquisa.

1.5 Organização do Trabalho

O presente estudo está organizado em quatro capítulos, sendo este primeiro

destinado à apresentação do trabalho, contextualização do problema, e definição

dos objetivos almejados para o desenvolvimento da pesquisa.

O segundo capítulo aponta o estado da arte, versando as definições de

campos eletromagnéticos, campo próximo e campo distante, bem como ainda as

características, conceitos, propriedades e parâmetros envolvendo os dois tipos de

campos aqui analisados.

Levantamento bibliográfico e determinação das ponteiras de campo próximo a serem utilizadas juntamente com a escolha do método de calibração mais

adequado

Determinação dos dispositivos a serem testados e medição de emissão eletromagnética no campo próximo e

campo distante formando base de dados.

Estudos dos dados obtidos e

possíveis relações entre os

mesmos

Relação entre NF

e FF


24

No terceiro capítulo, são abordadas a metodologia dos testes realizados, a

discussão sobre as teorias de medições, instrumentos de medição e metodologias

aplicadas para realizar as avaliações de campo próximo e campo distante. Ainda

neste capítulo são discutidas as possíveis falhas nos resultados e apresentados

os dados relativos às medições até aqui desenvolvidas.

No quarto e último capítulo são discutidos as atividades até o momento

realizadas, ressaltando os motivos pelos quais alguns resultados são mais

relevantes que outros. Também é concretizada uma análise e conclusões a partir

dos resultados obtidos. E, finalmente, são propostos os trabalhos relativos à

calibração das ponteiras e demais etapas inerentes a pesquisa, necessárias para

efetivação do estudo, bem como um cronograma para as tarefas previstas até a

conclusão do estudo.

CAPÍTULO 2

2 Campos eletromagnéticos próximos e distantes.

No presente capítulo serão detalhadamente delineadas as teorias

concernindo os campos eletromagnéticos para que se tenha entendimento das

questões pertinentes ao trabalho aqui desenvolvido, bem como um estudo

caracterizando campos distantes e próximos. A grande maioria dos tópicos aqui

abordados revisa de maneira condensada as formulações clássicas do estudo de

campos eletromagnéticos. Apesar de concisa, a apresentação das teorias aqui

envolvidas abrange o essencial para que se tenha conhecimento a respeito das

questões versadas neste trabalho.

2.1 Campos Eletromagnéticos.

Para uma eficiente compreensão do comportamento dos campos

eletromagnéticos, uma breve explanação sobre a teoria eletromagnética se faz

aqui necessária. Primeiramente uma apresentação da teoria de cálculos de

campos eletromagnéticos é descrita. O estudo de campos eletromagnéticos

baseia-se fundamentalmente em cálculos vetoriais e equações diferenciais.

Apesar disso, esta ciência apresenta uma formulação que pode ser considerada

simples na sua compreensão.

Essencialmente, as equações que expõem o comportamento dos elementos

eletromagnéticos são compostas de quatro formulações, nomeadas Equações de

Maxwell. Estas equações são lineares no tempo e no espaço e representadas em

termos de cálculo diferencial, sendo facilmente encontradas em diversas

bibliografias [56] [57]. Baseado nas pesquisas de Ampère, Gauss e Faraday,

James C. Maxwell organizou sua teoria a fim de reunir em quatro equações as

diferentes teorias anteriormente estudadas. As mesmas, abaixo apresentadas,


26

resumem as relações de grandezas eletromagnéticas que rege o comportamento

da teoria eletromagnética presente:

t

BE

(Lei de Faraday) 2-1

t

DJH

(Lei de Ampère) 2-2

D

(Lei de Gauss) 2-3

0 B

(Lei de Gauss do magnetismo) 2-4

Onde:

é o operador matemático Nabla, que representa um vetor que quando

seguido do operador “x” simboliza um produto vetorial, ou rotacional. E que

quando seguido por “.” define um produto escalar, ou divergente.

E

é o vetor campo elétrico, com unidade em volts/metro [V/m].

t

simboliza as derivadas parciais em relação ao tempo.

B

é o vetor indução magnética ou densidade de fluxo magnético, com

unidade em Tesla [T].

H

é o vetor campo magnético com unidade em ampere/metro [A/m]

J

é a densidade de corrente em Ampere/metro² [A/m²].

D

é o vetor indução elétrica ou densidade de fluxo elétrico, com unidade

em Coulomb/metro² [C/m²].

é densidade volumétrica de carga em Coulomb/m³ [C/m³].

As quatro equações acima apontadas, descrevem princípios

eletromagnéticos fundamentais. A primeira, Lei de Faraday afirma que a

variação temporal da indução magnética (fluxo magnético) é capaz de criar um


27

campo elétrico rotacional. O sinal negativo é referente à Lei de Lenz e significa

que o sentido do fluxo criado tende a se opor à variação de fluxo que a originou.

A Lei de Ampère demonstra que a variação temporal da indução elétrica

(fluxo elétrico) e/ou uma densidade de corrente elétrica são capazes de criar um

campo magnético rotacional. A densidade de corrente está associada ao termo

definido por corrente de condução, assim como também a corrente imposta

(entendida como sendo uma fonte primária dos campos originados) [58]. A

densidade de corrente pode ser expressa como a soma destas duas componentes.

A Lei de Gauss dita que o fluxo divergente de indução elétrica é

proporcional à densidade volumétrica de carga contida em um determinado

volume no espaço e, portanto, não é conservativo. Desta forma, é possível

conceber volumes no espaço onde existe uma variação entre os fluxos elétricos

que entram e saem de sua superfície [56]. A densidade volumétrica de carga,

representada por ρ, também é considerada uma fonte primária dos campos

originados.

Por fim, a Lei de Gauss do Magnetismo, aplica a teoria de que o fluxo

divergente de indução magnética que entra em um determinado volume no

espaço é idêntico ao que sai do mesmo e, portanto, é conservativo [56]. Isso

significa que todas as linhas de indução magnética formam caminhos fechados,

pois não existem fontes isoladas de indução magnética.

As grandezas envolvidas pelas equações de Maxwell não levam em

consideração as características dos meios onde os campos atuam. Assim, para

determinar completamente o problema, faz-se necessário a utilização das

relações constitutivas do meio material envolvido. Em meios comuns (linear,

homogêneo e isotrópico) as propriedades físicas do meio material relacionam os

campos vetoriais de acordo com as seguintes expressões:

HB

2-5

Onde μ representa a permeabilidade magnética, em Henry/metro [H/m].

ED

2-6

Onde ε é a permissividade elétrica, em Farad/metro [F/m].


28

EJ C

2-7

E σ é a condutividade elétrica, em Siemens/metro [S/m].

De grande relevância para este trabalho, a teoria da radiação e propagação

eletromagnética, é uma implicação direta das relações estabelecidas pelas leis de

Maxwell.

Como exemplo, seja um meio qualquer onde se encontra uma carga ou um

conjunto de cargas elétricas. Da teoria de eletrostática, sabe-se que na região do

espaço ao redor destas cargas, dentro da qual elas possuem poderes de ação, fica

estabelecido o efeito de um campo elétrico. Tal afirmação pode ser perfeitamente

traduzida pela expressão definida pela Lei de Gauss, visto que a densidade de

cargas contida nesta região é a fonte primária de campo elétrico. Portanto,

conclui-se que a formação do campo elétrico é decorrência direta da existência de

cargas elétricas. Por outro lado, seja o mesmo conjunto de cargas elétricas

discutidos anteriormente sob o seu aspecto estático. Entretanto, considera-se

agora que por algum estímulo qualquer é imposta a movimentação no espaço

deste conjunto de cargas. Pela teoria da eletrodinâmica, sabe-se que o

movimento ordenado de cargas elétricas (corrente elétrica) em uma determinada

direção estabelece um efeito de campo magnético ao seu redor. Tal afirmação é

representada pela expressão definida na Lei de Ampère, onde se afirma que a

corrente imposta é a fonte primária de campo magnético. Logo, conclui-se que a

formação de campo magnético é decorrência direta da existência do movimento

de cargas.

É importante notar que os dois efeitos supracitados, campo elétrico e campo

magnético podem ocorrer de forma complementar. Um meio com cargas elétricas

livres, submetidas a um campo elétrico, permite a movimentação destas cargas

transferindo energia de um ponto a outro. A variação do movimento destas

cargas provoca a formação de um campo magnético variável, além do surgimento

de novas cargas devido ao seu deslocamento. Por sua vez, o surgimento de novas

cargas provoca a formação de um campo elétrico variável e, dependendo do meio,

permite o deslocamento das novas cargas resultando em mais transferência de

energia.

Portanto, como conseqüência deste efeito combinado, tem-se a propagação

de energia eletromagnética entre dois pontos no espaço, de modo que um campo


29

elétrico variável produz um campo magnético variável, que por sua vez produz

um campo elétrico variável e assim sucessivamente, sob a forma de uma onda

eletromagnética [57]. Este fenômeno, também conhecido como radiação

eletromagnética, pode se propagar independente da presença de cargas.

As ondas eletromagnéticas já eram previstas nas equações de Maxwell. É

possível derivar a equação vetorial de onda em uma elementar expressão. Para

isso, considera-se que os campos eletromagnéticos possuem variação temporal

harmônica (senoidal) em uma freqüência (w=2πf), onde é conveniente utilizar a

seguinte notação fasorial:

)()()( jwFsFtfjws

2-8

AAesFwtAtf J)()cos()( 2-9

A derivada da função no tempo pode ser representada no domínio da

freqüência por:

)()(

sjwFt

tf

2-10

Reescreve-se a equação 2-2, Lei de Ampère, sabendo-se que:

SC JJJ

t

DJJH SC

onde Jc representa a

corrente de condução e Js a corrente composta.

Utilizando as relações constitutivas 2-6 e 2-7, tem-se:

t

EJEH S

E por fim, é aplicada a transformada dada por 2-10 para obter a Lei de

Ampère para meios comuns (linear, homogêneo e isotrópico) sob a forma fasorial:

SJEjwH

)( 2-11

Também é reescrita a equação 2-1, da Lei de Faraday para meios comuns

na forma fasorial, utilizando a relação construtiva do meio 2-5 e a relação 2-10:


30

HjwE

2-12

Aplicando o operador rotacional em ambos os lados da equação 2-12 tem-

se:

)()( HjwE

2-13

Com o auxílio de uma identidade vetorial, e finalmente, substituindo a

equação 2-11 em 2-13 chega-se à expressão:

SJjwEjwjwE

)()( 2-14

Esta equação é conhecida como a equação vetorial de onda para campo

elétrico. Aplicando a transformada inversa dada por 2-10, reescreve-se a equação

vetorial da onda no domínio do tempo conhecida com a equação da onda:

t

J

t

E

t

EE S

2

2

)(1

2-15

As ondas eletromagnéticas respeitam todas as leis que regem a teoria dos

fenômenos ondulatórios em geral. As características de reflexão, refração,

difração, superposição (ou interferência) construtiva e/ou destrutiva, inversão ou

não de fase, podem ser perfeitamente observadas em seu comportamento e são,

portanto, fatores inerentes ao presente estudo. Estas ondas viajam em alta

velocidade, que a rigor é função do meio material envolvido e, dependendo da sua

freqüência são capazes de vencer vários obstáculos físicos, tais como gases,

atmosfera, água, paredes, superfícies condutoras, dentre outros. O tipo de

propagação exercida pela onda, terrestre (de superfície), ionosférica (indireta) ou

troposférica (direta), também é basicamente dependente da sua freqüência de

oscilação.

Sabe-se que uma onda move-se através de um meio ou espaço e transfere

energia de um ponto a outro enquanto se move. As ondas eletromagnéticas

podem ser caracterizadas por variações de campos elétricos e magnéticos e

cobrem um vasto espectro de freqüência. Dependendo da freqüência em que

estão se propagando, as ondas podem ser classificadas como ondas de rádio, luz,

raio-X, raios-gama, etc. Na área de compatibilidade eletromagnética, as normas

têm estabelecido limites para as ondas de radiofreqüência (10 kHz a 3 GHz).


31

Enquanto alguns dispositivos como telefones celulares, estações de rádio e

televisão por exemplo emitem ondas nesta faixa de freqüência de forma

proposital, outros acabam emitindo de forma não intencional. Dentre estes

equipamentos podemos citar motores elétricos, equipamentos médicos, sistemas

de computadores e iluminação, etc. Por isso necessário o controle dos mesmos

para evitar problemas de interferência devidos sua emissão.

Todos os campos eletromagnéticos (EM) são compostos por campos elétricos

(E) e campos magnéticos (H). Juntos, eles formam todo EM.

Em uma onda plana, o campo elétrico e o campo magnético são, em

qualquer ponto, perpendiculares entre si e normais à direção de propagação da

onda [59]. Desta forma, eles constituem uma onda eletromagnética onde não há

componente de campos elétricos ou magnéticos na direção de propagação,

caracterizando uma onda transverso-eletromagnética (TEM). Esta onda também é

nomeada como onda plana ou uniforme, porque o campo elétrico (ou magnético)

possui a mesma magnitude ao longo de qualquer plano transverso definido para

uma distância “z” constante [59]. As frentes de onda constituem planos

perpendiculares à direção de propagação e, a orientação dos campos pode ser

observada conforme ilustra a Figura 2.1 a seguir.

Figura 2.1 – Onda plana ou uniforme - E e H estão em fase tanto no tempo quanto no espaço


32

Conforme a Figura 2.1, verifica-se que a onda se propaga na direção do eixo

“z” e, com velocidade característica de ondas eletromagnéticas no vácuo, dada

pela expressão 2-16. Esta velocidade, simbolizada pela letra “c”, representa a

maior velocidade do universo, na ordem de 300.000 km/s. Quando a propagação

ocorre no ar ou outros meios, este valor é um pouco menor. Para o espaço livre, o

meio é caracterizado pelos seguintes parâmetros: ε0 = 8,85x10-12 [F/m], μ0 = 4π x

10-7 [H/m], e σ = 0 [S/m].

]/[1031 8

00

smcfv

(velocidade de propagação) 2-16

A partir da equação 2-15 é possível obter as expressões que determinam a

variação temporal e espacial dos campos envolvidos.

)cos(),( 0 zwtEtzEX [V/m] (campo elétrico) 2-17

)cos(),( 0 zwtHtzHY [A/m] (campo magnético) 2-18

Onde β simboliza a constante de fase, dada por:

00 w [rad/m] (constante de fase) 2-19

O comprimento de onda é representado por λ, e pode ser obtido através da

equação:

2 [m] (comprimento de onda) 2-20

A razão entre o campo elétrico e o campo magnético é chamada de

impedância intrínseca do meio (η). Portanto, para o espaço livre tem-se que:

120377

0

0

0

0

0H

E (impedância intrínseca) 2-21

Uma das principais características de uma onda eletromagnética é a

transferência de informação e energia de um ponto (onde estiver localizada uma

fonte eletromagnética) até outro ponto (onde estiver localizado um receptor). A

taxa de transferência desta energia também pode ser obtida a partir das


33

equações de Maxwell. Com a aplicação da identidade vetorial e do teorema da

divergência, é possível chegar a [59]:

VVsdvEdvHE

tSdHxE 222

2

1

2

1)(

(Teorema de Poynting) 2-22

Esta equação rege o balanço de energia na propagação de uma onda

eletromagnética. Através dela pode-se afirmar que a taxa em que esta energia é

transferida, depende da força dos componentes do campo eletromagnético.

Considerando de forma superficial, a taxa de energia transferida por unidade de

área (densidade de potência) nada mais é do que o produto do campo elétrico

multiplicado pelo campo magnético:

Pd [watts/m2] = E [V/m] x H [A/m]. (Densidade de potência) 2-23

Esta equação da potência só se aplica para distâncias em torno de dois (2)

ou mais comprimentos de onda λ. É a partir desta distância que a impedância

intrínseca começa a se tornar fixa (377Ω) e é chamada de impedância

característica do espaço livre. Sob estas condições pode-se determinar a

densidade de potência apenas através da medida da componente de campo

elétrico (ou magnético).

Uma última característica que ainda deve ser salientada, é a polarização

dos campos eletromagnéticos. A polarização indica a variação temporal em

amplitude e direção do vetor campo elétrico que constitui a onda propagada. Em

outras palavras, isso quer dizer que o campo elétrico para uma onda que se

propaga na direção “z” pode ter uma componente no eixo “x” e outra componente

no eixo “y”, dando origem a mais um parâmetro chamado de defasagem temporal

das componentes de campo elétrico, simbolizado por δ.

A seguir serão apresentadas as definições e os parâmetros pertinentes para

cada tipo de campo estudado neste trabalho. Entretanto, previamente, uma

discussão sobre a definição dos limites entre campo próximo e campo distante é

indispensável para o entendimento de ambos.


34

2.2 Limites entre campo próximo e campo distante

Algumas características de comportamento de campos eletromagnéticos são

dominantes para uma estipulada distância da antena radiante, enquanto um

comportamento completamente diferente pode ser dominante para uma distância

não muito longe do ponto antes considerado.

Regiões de limite são definidas para se efetuar a caracterização de

comportamento de campos eletromagnéticos diferentes em função da fonte

radiante. Estas regiões podem ser classificadas como: campo próximo, zona de

transição e campo distante [63]. Estas fronteiras delimitadoras são usualmente

medidas em função do comprimento de onda λ.

As determinações destes limites para caracterizar as regiões são bem

definidas na literatura técnica, entretanto, variados tipos de aproximação são

apontados para o estabelecimento dos mesmos.

Diversas fórmulas são utilizadas para se realizar estas estimações. Todas

apresentam comportamentos particulares e são utilizadas conforme

especificações a serem analisadas, que determinam ou não o seu emprego.

VALENTE e RAIZER [62] apresentaram uma profunda discussão sobre a

utilização destas equações, que foi empregada como base para as diversas

definições de limites neste trabalho discutidas.

Outras bibliografias [63] [64] dividem as fontes de campo através do

tamanho das antenas: pequenas (onde a antena apresenta dimensões menores

que um (1) comprimento de onda λ, e grandes (quando as antenas são maiores

que o comprimento de onda). O espaço em torno de uma antena é

freqüentemente dividido em duas zonas: campo próximo e campo distante.

A região de campo próximo pode ser subdividida em mais duas categorias:

região de campo próximo reativa e região de campo próximo radiante. A região do

espaço imediatamente em torno da antena, na qual a indução de campo existe

(reativo), é conhecida como região de campo próximo reativo. Grande porção da

energia eletromagnética nesta região não é radiada, mas sim armazenada. Nesta,

os campos variam muito rapidamente com a distância. Num ponto localizado a

uma distância não muito longe da antena, o campo reativo decresce

significantemente, e o campo próximo radiante passa a predominar. Nesta região,


35

a energia é propagada, mas a radiação ainda não apresenta todas as

características pertinentes uma onda plana. Ultrapassando estas regiões, estão

as regiões de campo distante, onde as componentes do campo variam

inversamente com a distância que está localizada a antena. A Figura 2.2.1

demonstra estas regiões.

Figura 2.2.1 – Zonas de campo próximo e campo distante [62].

Para antenas pequenas, aquelas onde o tamanho não ultrapassa o

comprimento de onda de sua freqüência de operação, a distância de campo

próximo “r” é considerada r= λ/2π.

Exemplos de antenas pequenas são dipolos ressonantes, Yagi e antenas log-

periódicas.

Para antenas grandes, com dimensões maiores que o comprimento de onda,

como por exemplo parabólicas refletoras, antenas cornetas e adaptativas, as

zonas de campo próximo consistem-se em regiões reativas estendendo-se além do

limite ditado na equação anterior (para antenas pequenas), seguida então da

região radiante.

Na região de campo próximo radiante, o campo não decresce

necessariamente com a distância em que se afasta da antena, mas pode exibir

um caráter oscilatório. Grande parte da literatura, especifica como padrão que a

distância de uma antena, para que se esteja no campo distante, seja 2D²/λ, onde

“D” é a maior dimensão da antena e “λ” o comprimento de onda em função da


36

freqüência operacional da antena em questão. Nesta distância, a diferença de

fase máxima das ondas eletromagnéticas, vindo de diferentes pontos da antena, é

22,5 graus. Entretanto, em casos de risco, uma diferença de fase maior é

aceitável, acarretando também na geração de uma nova distância mais próxima,

para o início da zona de campo distante. Uma zona realística para uma

parabólica refletora, onde o campo distante começa é considerada r = D²/2λ.

A Figura 2.2.2 abaixo, apresenta as regiões dos limites para antenas típicas:

Figura 2.2.2 – Regiões dos limites para antenas típicas [64].

Entre o campo distante e o campo próximo se faz presente uma zona

considerada zona de transição. Esta apresenta uma combinação das

características encontradas nas duas regiões, tanto NF como FF. Na mesma, não

se faz necessário a realização de medidas de campo elétrico e campo magnético

para se obter uma boa aproximação do campo eletromagnético, mas ainda assim

algumas medições se fazem necessárias quando deseja-se caracterizar o meio.

A região de campo próximo pode ser calculada em função do comprimento

de onda, por uma constante “D”, ou por ambos. Primeiramente deve ser efetuada

uma análise, com o objetivo de averiguar qual relação é a mais apropriada para

cada caso, de forma a não se medir os valores de campo em regiões errôneas.

BANSAL [60] e MCLEAN [61], chegam a afirmar que a utilização equivocada

das equações de limites que separam campo próximo de campo distante é

realizada freqüentemente pelos mais descuidados, dando origem a erros crassos

em seus trabalhos de pesquisa.


37

Com a finalidade de ponderar os tipos de antena, na intenção de investigar

qual tipo de definição de limite deva ser aplicado, a seguir serão apresentadas as

duas configurações fundamentais para antenas: o dipolo elétrico e o dipolo

magnético.

2.2.1 O dipolo elétrico.

O dipolo elétrico infinitesimal, ainda chamado de dipolo hertziano, é

representado como sendo um elemento de corrente infinitesimal, cujo seu

comprimento dl é muito menor que o comprimento de onda λ. Seja, portanto, o

dipolo representado pela Figura 2.2.3, que se encontra na origem do sistema de

coordenadas e está alinhado ao eixo z, conforme a ilustração.

Figura 2.2.3 – Dipolo elétrico infinitesimal [62].

Por definição, considera-se que a corrente i(t) seja harmônica no tempo e

possua distribuição uniforme ao longo do comprimento dl. Pode-se representar,

portanto:

i(t) = I0 cos (wt) (2-24)


38

Ao avaliar o atraso de tempo de propagação ou de fase, dado por βR,

considerando da origem até um ponto "P" qualquer, que se encontra a uma

distância r do elemento de corrente, pode-se escrever o potencial vetor magnético

(A) no ponto "P" sob forma fasorial como mostra (2-25):

(2-25)

A partir desta equação, e através de um desenvolvimento amplamente

demonstrado na literatura técnica [57]-[58]-[59], é possível calcular os campos

magnéticos radiados pelo dipolo elétrico, o que resulta em:

Hr=0 (2-26)

Hθ = 0 (2-27)

(2-28)

Para os campos elétricos tem-se, portanto:

(2-29)

(2-30)

EΦ = 0 (2-31)

Abaixo, mesmo procedimento é aplicado para os dipolos magnéticos.

2.2.2 O dipolo magnético.

O dipolo magnético, também conhecido como loop infinitesimal, está

representado pela Figura 2.2.4:


39

Figura 2.2.4 – Loop infinitesimal e suas coordenadas [62].

Em analogia ao procedimento realizado pelo dipolo elétrico, mas agora

considerando uma espira infinitesimal (loop), pode-se chegar às seguintes

equações de campos elétricos para um dipolo magnético:

Er = 0 (2-32)

Eθ = 0 (2-33)

(2-34)

Para os campos magnéticos:

(2-35)

(2-36)

HΦ = 0 (2-37)


40

Desta forma, fica delineado o conjunto de equações que descrevem na

totalidade o comportamento dos campos eletromagnéticos no entorno dos

elementos radiantes fundamentais (i.e. dipolos magnéticos e elétricos).

Após a apresentação destes modelos dar-se-á início a explanação sobre a

aplicação dos limites para campo distante, em função da característica

pertinente analisada.

2.2.3 Limite de campo distante baseado nos termos dominantes do equacionamento dos campos.

Sejam as equações de campo derivadas para um dipolo elétrico e loop

magnético apresentadas de (2-26) até (2-37). Uma característica importante

desvendada por estas equações comprova que o a conduta dos campos

eletromagnéticos no entorno de um elemento radiante é dominado por termos

como 1/r3, 1/r2 e 1/r. O termo 1/r3 é chamado de campo eletrostático e é

predominante na região muito próxima do dipolo hertziano. O termo 1/r2 é

chamado campo indutivo, e é dominante apenas na região de campo próximo ao

elemento de corrente. O termo 1/r é chamado de campo distante ou campo de

radiação, pois é a única parcela significativa que se apresenta na região distante

ao elemento de corrente [59]. De modo geral, o ponto onde os termos 1/r3 e 1/r2

se tornam insignificantes frente ao termo 1/r pode ser referido como a fronteira

entre o campo próximo e o campo distante [58]. Assim, toma-se uma igualdade

em (2-28) para definir este limite, como sendo

(2-38)

Portanto:

(2-39)

A equação demonstrada é facilmente encontrada na literatura técnica como

sendo a mais aplicada para a definição da fronteira entre campo próximo e

distante. Verifica-se através da última equação designada que a fronteira entre

as regiões de campo é função do comprimento de onda λ, o que implica dizer que

o limite é móvel no espaço e dependente da freqüência de operação da antena.

Para demonstrar que a análise deste problema é bem mais complexa, apresenta-


41

se a discussão posterior, na busca da derivação da impedância de onda, tanto

para fontes elétricas quanto para fontes magnéticas.

2.2.4 Limite de campo distante baseado na impedância da onda.

Primeiramente, estabelece-se a razão entre as equações de campo elétrico

(2-30) e magnético (2-28), para um dipolo elétrico (Hertziano). Esta relação define

a impedância de onda ZE(r) para fontes elétricas, conforme demonstrado em (2-

40):

(2-40)

Da mesma maneira, seja a razão entre as equações de campo elétrico (2-34)

e magnético (2-36), para um dipolo magnético (loop infinitesimal). Esta relação

define a impedância de onda ZH(r) para fontes magnéticas, conforme

demonstrado em (2-41).

(2-41)

Aplicando-se o módulo em (2-40) e (2-41) (de ZE(r) e ZH(r), respectivamente)

é viável observar o comportamento da impedância de onda em função da

distância da fonte, tanto para as fontes elétricas e quanto para as magnéticas. A

Fig. 2.2.5 ilustra esta situação, onde a distância está normalizada em relação à

λ/2π - limite demonstrado anteriormente por (2-39).

Pode-se observar a partir deste gráfico, que para λ/2π não é atingida a

impedância intrínseca do meio (espaço livre) que é característica para ondas

planas e uniformes (η0=377 Ω). Por sua vez, uma aproximação de 5λ/2π torna-se

bem mais restritiva soa a análise da impedância de onda. Mesmo assim, apenas

com a aplicação destas simples equações o problema presente está distante de

apresentar uma solução.


42

A seguir, avalia-se a definição da região de campo distante sob o ponto de

vista do erro de fase de uma frente de onda.

Figura 2.2.5 – Relação entre impedância da onda e λ/2π [62].

2.2.5 Limite de campo distante baseado no erro de fase de uma frente de onda.

Para avaliar o campo distante sob o ponto de vista de uma onda incidente

em uma antena receptora considera-se a situação representada pela Fig. 2.2.6.

Figura 2.2.6 – Configuração geométrica para avaliação de frentes de onda [62].


43

Conforme ilustra o esquema, seja uma fonte de energia pontual localizada

na posição “O1”, que radia uma frente onda descrita pelo círculo “C1”. Seja

também uma antena receptora com dimensão “D”, posicionada no mesmo plano

da frente de onda, cujo centro da antena está posicionado a uma distância “r” da

fonte de energia. Durante a propagação, a frente de onda “viaja” uma distância

“r” até atingir o centro da antena receptora, entretanto, para atingir a

extremidade da antena (definida como o ponto “P”) a onda “viaja” uma distancia

de “r+δ”. A diferença de percurso, representada por “δ”, resulta no aparecimento

de erros de fase na antena receptora.

Pode-se relacionar a distância “viajada” pela frente de onda e a dimensão da

antena receptora por uma simples relação trigonométrica, como mostra (2-42).

(2-42)

Desenvolvendo esta equação, tem-se:

(2-43)

Portanto:

(2-44)

E então:

(2-45)

Considerando-se que δ<<D, tem-se finalmente que

(2-46)

A expressão derivada é de grande importância para o presente trabalho. O

critério mais usual para selecionar a tolerância “δ” é escrevê-la em termos de


44

comprimento de onda “λ”. A literatura técnica, em geral, costuma citar o critério

de Rayleigh para a diferença de percurso e, assim, define um erro de fase de

1/16 do comprimento de onda. A partir disto, fazendo δ = λ/16, pode-se

reescrever (2-46) como sendo:

(2-47)

Nota-se que a seleção de uma tolerância qualquer, diferente de λ/16,

resulta em outra constante arbitrária representada por “k” onde, portanto, tem-

se uma expressão genérica dada por “r = kD2/λ”.

Está representada na Figura 2.2.6, a mesma fonte de energia pontual

definida anteriormente, porém agora localizada na posição “O2”, onde radia uma

frente onda descrita pelo círculo “C2”. Pode-se notar que sob o ponto de vista da

antena receptora, a frente de onda definida por C1 aproxima melhor o formato de

uma onda plana (eixo z) do que a frente de onda definida por C2. Desta forma, à

medida que a fonte de energia se afasta da antena receptora, a frente de onda

por ela radiada se aproxima cada vez mais de uma onda plana e, portanto,

diminui a quantidade de erro definida por “δ”.

2.2.6 Limite de campo distante baseado no tamanho elétrico da antena

Com enorme valor para este trabalho, serão tratadas a partir de agora as

equações derivadas do estudo das frentes de ondas, sob o ponto de vista

quantitativo. Para tanto, faz-se obrigatória a definição de uma relação entre a

dimensão da antena receptora (D) e o comprimento de onda (λ) da onda

incidente. Logo, seja a definição de "tamanho elétrico" de uma antena como

sendo a razão dada por D/λ. Para os objetivos deste trabalho, é assumido que

nos casos em que D/λ > 1 ou D/λ < 1, diz-se tratar respectivamente de antenas

eletricamente grandes ou antenas eletricamente pequenas. Seguindo esta lógica,

para os casos em que D/λ << 1 batiza-se, portanto, com o termo antenas

infinitesimais.

2.2.6.1 Antenas eletricamente grandes

Para as circunstâncias em que a antena receptora é eletricamente grande, o

limite da região de campo próximo pode ser aproximado de forma aceitável pela

expressão (2-47). De forma a validar a utilização desta expressão para estes


45

casos, basta recapitular a natureza da situação geométrica de onde foi realizada

a sua derivação. Sabe-se que o seu desenvolvimento foi baseado a partir dos

casos extremos em que a dimensão da antena “D” possui um tamanho

considerável, a nível de suscitar um erro de fase na antena receptora (“D”

grande). Além disto, esta fórmula é comumente empregada para sistemas de

comunicação que utilizam freqüências na faixa de microondas (i.e. “λ” pequeno).

Logo, a sua aplicação implica em uma relação D/λ que tende a ser alta. Com a

finalidade de elucidar sua aplicação, pode-se demonstrar que para o caso de uma

antena parabólica com diâmetro de 1m, operando em 10 GHz, o campo distante é

melhor aproximado por (2-47), que define uma distância r = 66,7m.

Ao avaliar quantitativamente a equação (2-47) é possível constatar que,

para uma dada freqüência de operação, um incremento na dimensão da antena

irá originar uma ampliação na distância do limite da região de campo próximo

(são diretamente proporcionais). Esta modelagem é fisicamente compreensível,

pois é lógico entender que uma antena de maior dimensão promova uma maior

perturbação na distribuição dos campos eletromagnéticos a sua volta. Uma nova

propriedade muito relevante e bastante sutil da relação descrita por (2-47) é o

fato de existir um “domínio do desvio de fase”, ou um “domínio da relação de

tolerância/freqüência” no comportamento desta equação. Pelo fato da tolerância

do erro de fase “δ” ser expressa de forma relacionada à freqüência da onda

incidente (ou com uma fração do comprimento de onda, por exemplo, sigma =

λ/16), tem-se que para uma mesma antena, quanto maior a freqüência do sinal

de operação menor será a tolerância “δ” definida, ou seja, mais restritivo seremos

em relação ao erro de fase. A significância física deste efeito, exprime que para as

ocorrências em que a dimensão da antena é importante, as fontes de sinais de

alta freqüência deverão estar mais distantes da antena receptora. Assim, os raios

incidentes na antena tornam-se os mais paralelos possíveis e tendem a respeitar

a tolerância “δ” quanto ao desvio de fase. Fica evidente, portanto, que as ondas

de freqüência muito alta possuem tolerâncias muito pequenas que irão dominar

o comportamento da equação (2-47). Isto justifica o caráter inversamente

proporcional entre a distância da região de campo distante “r” e o comprimento

de onda “λ”, válido somente para antenas eletricamente grandes.

2.2.6.2 Antenas eletricamente pequenas

Uma característica aguardada com relação ao limite da região de campo

distante é que a fronteira delimitada por “r” deve ser diretamente proporcional ao


46

comprimento de onda “λ”. Ou seja, para uma dada antena, à medida que a

freqüência de operação do sinal cresce, as ondas deveriam alcançar um padrão

de radiação mais próximo da fonte (de maneira proporcional a alguns ciclos do

comprimento de onda “λ”). As expressões derivadas até o momento, pelo método

das frentes de onda, não conseguiram modelar este fenômeno. Contudo, através

de uma simples manipulação algébrica é possível encontrar o resultado

esperado. Assim sendo, seja o caso limite de uma antena que possui a mesma

dimensão do comprimento de onda “λ”. Reescreve-se aqui (2-47), fazendo D=λ, o

que resulta em:

(2-48) Logo:

r = 2λ (2-49)

O comportamento de (2-49) define o efeito aguardado intuitivamente pois,

para estes casos, o comprimento de onda “λ” é diretamente proporcional ao limite

da região de campo distante “r”. Logo, para os escopos desta pesquisa, define-se

a equação (2-49) como sendo a mais apropriada para representar a fronteira

entre as regiões de campo a partir de antenas eletricamente pequenas. Ressalva-

se que para antenas eletricamente pequenas o termo ”D” não aparece na equação

desenvolvida, demonstrando fisicamente que a perturbação dos campos devido

ao tamanho da antena é insignificante.

Para as aplicações em que é necessária a realização de medições de campo

eletromagnético na região de campo distante, é usual tomar-se uma margem de

segurança concebendo um ciclo a mais para o limite da região de campo

distante, e então: r = 3λ é uma expressão freqüentemente encontrada na

literatura técnica para a aproximação da região de campos distantes.

2.2.6.3 Antenas Infinitesimais

Em determinados estudos de EMC envolvendo baixas freqüências, como

medições na faixa de 10 kHz até cerca de 20 MHz, é habitual encontrar

conjunturas peculiares quando se procura definir o limite da região de campo

distante. Estas operações tornam-se incomuns fundamentalmente pelo fato de

trabalhar com comprimentos de onda muito grandes e antenas muito pequenas.

É possível verificar que para estes casos a relação D/λ<<1 é verdadeira e, dessa


47

forma, as antenas são chamadas de antenas infinitesimais. Fisicamente para

estes casos não há muito sentido trabalhar no propósito de determinar uma

expressão para o limite da região de campos distantes, porque as “antenas” que

são empregadas, definitivamente não são antenas, visto que os campos

eletromagnéticos no entorno dessas fontes estão mais pertinentes a um modo

TEM não radiante. Porém, alguns estudos analisam que para antenas

infinitesimais, a distribuição dos campos eletromagnéticos não apresenta o

campo indutivo, e assim, o campo eletrostático possui transição direta para o

campo distante. Para estes casos, o limite entre as regiões de campo é bastante

dependente do formato e dos detalhes da fonte emissora. Por isto, admite-se que

a equação (2-39), originada a partir do dipolo Hertziano, seja uma boa

aproximação para definir a região de campo distante em antenas infinitesimais.

2.2.7 Aplicação dos modelos de limites

Através das teorias discutidas aqui previamente, é plausível afirmar que a

definição dos limites entre as regiões de campos próximos e distantes envolvendo

uma fonte eletromagnética está relacionada, sobretudo, ao tipo de emprego a que

se destinam estes cálculos. Deste modo, para cada aplicação, fica instituída a

maneira particular em que se admite estar apropriado a uma determinada região

de campo, em detrimento de uma assentada quantidade de erro. Portanto, para

aplicações em testes de EMC, fica estabelecida a fronteira entre campo próximo e

campo distante como sendo a expressão mais limitativa entre as equações (2-47)

e (2-49). Avaliando o comportamento destas equações em função da razão D/λ,

dada uma antena qualquer, é possível obter o gráfico apresentado pela Fig. 2.2.7

(onde foi adotado D = 1m).

Figura 2.2.7 – Resposta para diferentes aproximações de campo distante [62].


48

Uma vez que os valores do eixo “y” não estão normalizados, os valores

apresentados de “r”, em metros, não são os mesmos para cada antena em função

do seu comprimento. Todavia, o comportamento em relação ao eixo “x” (relação

D/λ) não varia e é válido para qualquer dimensão de antena. Pode-se notar com

base neste gráfico que a intersecção entre as curvas, definidas pelas equações (2-

47) e (2-49), ocorre para D/λ = 1. Isto elucida a razão do emprego deste ponto

como sendo o limite teórico entre antenas eletricamente pequenas e

eletricamente grandes. Alguns pesquisadores costumam utilizar um critério

definido como r = 5D, projetado no gráfico pela linha horizontal. O uso deste

critério garante uma margem de segurança, sobretudo na região de antenas

intermediárias, sendo indicada para aplicações onde a medição em campos

distantes é requerida por norma. Como exemplo de tal aplicação, pode-se referir

os testes de EMC, que buscam a verificação do padrão de emissões radiadas

provenientes de um equipamento em específico.

A Tabela 2.2 [62], a seguir, resume as aproximações desenvolvidas

apresentadas neste capítulo do trabalho.

Approaches to FF Region

Size Relation (D/λ) Approache used Dominating

parameter

Infinitesimal

Antenna <<1 r = λ/2π Electrostatic field

Electrically small

antenna <1 r = 2λ Wavelenght

Electrically large

antenna >1 r = (2D²)/λ

Tolerance of the fase

shift

As equações expostas nesta tabela são proporcionadas sem a utilização de

fatores de segurança, uma vez que as mesmas pretendem determinar mais

precisamente a região de transição dos campos (esfera limite). Portanto, a

utilização destas aproximações, ou ainda, de aproximações mais conservadoras

(que utilizem determinados fatores de segurança), fica a cargo da aplicação à que

se designam os testes executados, e aos requerimentos recomendados pelas

normas técnicas em questão.


49

Uma vez que os limites entre campo próximo e campo distante foram aqui

apresentados e delineados de forma aprofundada, pode-se descrever a seguir as

propriedades e características para cada um destes tipos de campo.

2.3 Campo próximo e campo distante

Neste fragmento do texto serão expostas algumas características e conceitos

aliados a campos próximos e campos distantes, de forma a se elucidar as

principais desigualdades entre os dois e seus distintos comportamentos.

2.3.1 Conceitos e características do campo próximo 2.3.1.1 Conceitos

O conceito de campo próximo pode depender muito do ponto de vista do

qual o mesmo vem a ser analisado. Até mesmo dentro do estudo do

eletromagnetismo ele pode ter definições diferentes. Comumente campo próximo é

considerado a região geralmente localizada a menos do que um (1) comprimento de

onda da fonte emissora. [64]. De forma grosseira, campo próximo pode ser

considerado como sendo a região onde a distância “r” em questão é muito menor

que o comprimento de onda λ [65]. O termo região de campo próximo (também

conhecido como campo próximo ou zona próxima pode ainda apresentar os

seguintes significados relacionados a diferentes tecnologias de telecomunicações:

Definido como a região próxima de uma antena onde a distribuição

angular do campo é dependente da distância da antena;

No estudo de difração e projetos de antena, o campo próximo é a

parte de campo radiado que se encontra em distâncias menores do

que as estabelecidas por S=D2/(4λ) da fonte de difração ou do

diâmetro D;

Na física ainda, uma nova definição de campo próximo diz que ele é

considerado como uma extensão externa de um dado material do campo existente

dentro desse mesmo material [66].

2.3.1.2 Características

Na região de campo próximo, a relação entre campo elétrico e campo

magnético se torna muito mais complexa do que as conhecidas pela ciência, e


50

requer a medição de campo elétrico e magnético quando se deseja, por exemplo,

determinar-se a densidade de potência de uma onda emitida.

Outra característica peculiar dos campos próximos que deve ser

mencionada, consiste na idéia de que se podem encontrar todos os tipos

polarização simultaneamente numa onda eletromagnética.

Em algumas antenas, onde a dimensão máxima é pequena em comparação

ao comprimento de onda, a região de campo próximo radiante poderá não existir.

Entretanto para antenas que possuam uma maior dimensão, a região de campo

próximo radiante é chamada de região de Fresnel.

O campo próximo é ainda dividido em campo próximo reativo e campo

próximo radiante ou radiativo. A fronteira externa da região de campo próximo

considerada reativa é geralmente observada na distância de 1/2π vezes o

comprimento de onda (λ/2π ou 0,159λ) da superfície da antena emissora. Já o

campo próximo radiante, corresponde ao restante da região de campo próximo,

de λ/2π até uma unidade de comprimento de onda. A Figura 2.3.1 apresenta as

regiões de campo radiante e reativo.

Figura 2.3.1 – Regiões de campo próximo reativo, radiante e campo distante [65]

No campo próximo reativo (muito próximo da fonte emissora), a relação

entre as forças de campo elétrico e campo magnético é muito complexa para ser

prevista. Em um determinado ponto, pode se encontrar um dos componentes de

campo dominante (E ou H) e, a uma curta distância deste ponto, exatamente o

contrário. Este fenômeno, origina ingentes dificuldades quando se busca, por


51

exemplo, a real densidade de potência no local. Não apenas as medidas de campo

elétrico e magnético são necessárias nessa região, mas também ainda, a relação

de fase entre os campos deve ser analisada.

Na região de campo próximo reativo, as ondas eletromagnéticas não são

apenas radiadas. As mesmas contêm uma quantidade de componentes "reativos".

Muito próximo da antena, energias de quantidades desconhecidas são

transportadas de volta e armazenadas numa região muito próxima da superfície

da fonte emissora. Este componente reativo pode ser considerado como o

causador primário de erros e perigos nas tentativas de execução de medições

nesta região. Em outras regiões, a densidade de potência é inversamente

proporcional ao quadrado da distância da antena. Na região muito próxima a

antena, os níveis de energia podem cair drasticamente com apenas um pequeno

movimento de deslocamento da ponteira de medição de campo próximo.

Já a porção de campo próximo considerada radiativa não contém nenhum

dos componentes reativos da antena emissora. A energia é completamente

radiada. Quando se distancia aos poucos, para fora da região radiativa, as

relações entre as componentes de campo elétrico e magnético não apresentam

mais características tão inconstantes como na região reativa, mas as mesmas

ainda apresentam um grau de complexidade considerado elevado.

O campo próximo é marcado por reproduzir ainda a clássica indução

eletromagnética e efeitos de carga em campos eletromagnéticos. Entretanto seus

efeitos rapidamente cessam com o aumento da distância da antena emissora

(proporcional ao cubo da distância). Ao contrário do decaimento do campo

distante que segue a relação direta com a distância. Tipicamente os efeitos de

campo próximo não são importantes a mais do que alguns comprimentos de

onda da antena.

Algumas observações finais [67] ainda se fazem necessárias a respeito de

campo próximo, considerando, por exemplo, o caso de um dipolo emissor:

O campo elétrico na direção de propagação da onda não é nulo (Er ≠

0);

Er e Eθ estão em fase no tempo um em relação ao outro e encontram-

se ambos simultaneamente defasados de π/2 = 90º no tempo em


52

relação a HΦ. Ou seja, Er e Eθ estão em quadratura de fase no tempo

em relação a HΦ.

Portanto, para a região de campo próximo o campo magnético encontra-se

defasado 90º no tempo do campo elétrico, o que faz o fluxo de potência nas

proximidades ser altamente reativo. O fluxo de potência reativo na região de

campo próximo implicitamente expressa a existência de ondas estacionárias no

interior desta região, fazendo com que a energia eletromagnética flua para frente

e para trás. Isso explica a confinação de potência dentro da região de campo

próximo sem radiá-la adiante. Abaixo uma ilustração desse comportamento é

apresentada na Figura 2.3.2 [67].

Figura 2.3.2 – Regiões de campo próximo para um dipolo [67].


53

2.3.1.3 Impedância intrínseca do campo próximo

Na região de campo próximo, a impedância intrínseca pode apresentar

duas equações diferentes, baseadas na caracterização de campo dominante no

ponto físico estabelecido. Se o campo for predominantemente magnético, para

valores pequenos de r/λ a impedância da onda é baixa e indutiva e pode ser

classificada como ZW ≈ 240π² x (r/λ) ≈ 2370r/λ [65].

Se o campo eletromagnético na região de campo próximo for

predominantemente elétrico, para pequenos valores de r/λ a impedância é alta e

capacitiva e pode ser aproximada por ZW ≈ 60λ/r [65].

2.3.2 Conceitos e características do campo distante 2.3.2.1 Conceitos

Dentro do estudo de campos eletromagnéticos, a região de campo distante é

a região fora da região de campo próximo, onde a distribuição angular de campo é

essencialmente independente da distância da fonte emissora [65].

Outra definição aborda que resolvendo as equações de Maxwell para os

campos elétricos e magnéticos para uma fonte oscilatória local, como uma

antena, cercada de material homogêneo, o decaimento é na proporção de 1/r,

onde “r” é a distância da fonte. Estes campos, são os campos radiados, e a região

onde “r” é grande o bastante para estes campos se propagarem é denominada

campo distante.

Ainda existe a definição [63] que afirma que campo distante é a região para

qual a distância “r” é muito maior que o comprimento de onda λ. A região de

campo distante ainda pode ser nomeada de zona distante, zona de radiação ou

espaço livre.

Finalizando o conceito de campo distante, uma última descrição declara

que a região que se estende além de dois (2) comprimentos de onda distantes da

fonte emissora é chamada de campo distante [64].

2.3.2.2 Características

A zona de radiação (também chamada de região Fraunhorfer) é a mais

importante das duas regiões existentes, pois, uma vez que os campos distantes

decaem sua amplitude em uma relação de 1/r, isso significa que a energia total


54

por unidade de área a uma distância r é proporcional a 1/r². Mas a área da

esfera é proporcional a r², e a energia total passando por uma esfera é, então,

constante. Isso significa que no campo distante a energia realmente se radia a

distâncias infinitas (se propaga).

Em relação à polarização, é de extrema relevância ressaltar que diferente do

campo próximo, o campo distante é caracterizado por um único tipo de

polarização.

Vale ainda destacar para a região de campo distante, que na direção de

propagação da onda, o campo elétrico é nulo (ER = 0). Também se compreende

que Eθ e HΦ estão em fase no tempo um em relação ao outro. Em outras

palavras, na região de campo distante a onda eletromagnética radiada possui

seus campos elétrico e magnético relacionados da mesma forma que os campos

de uma onda plana (Figura 2.1). Portanto, a energia eletromagnética é

efetivamente radiada através do espaço em conseqüência do alinhamento de fase

entre Eθ e HΦ.

2.3.2.3 Impedância do campo distante

O campo eletromagnético na região de campo distante é independente do

tipo de campo radiado pela antena. A impedância da onda é a razão do campo

elétrico e magnético, que na região de campo próximo estão sempre em fase um

com outro. Logo, a impedância do espaço livre é resistiva e é dada por Z0, já

apresentada anteriormente, com valor em torno de 377Ω.

2.4 Considerações sobre o capítulo

Neste capítulo foram discutidas as definições de eletromagnetismo

necessárias para a compreensão dos estudos do comportamento dos campos

eletromagnéticos, nas duas distintas regiões de campos abordadas no presente

trabalho de doutorado. Também foram tratadas ainda, as diversas aplicações

delimitadoras das fronteiras entre campo próximo e campo distante, e por fim, as

características relevantes concernindo as duas regiões de forma a garantir a

compreensão das principais diferenças entre os dois campos.

No capítulo seguinte serão versadas explanações sobre medições de campo

próximo, campo distante, instrumentos de medição e tipos de medidas já

realizadas até o momento, bem como ainda, uma análise dos seus resultados.


55

CAPÍTULO 3

3 Ensaios Laboratoriais

3.1 Considerações Iniciais

Neste capítulo estão descritos todos os elementos envolvendo a medição de

campos próximos e distantes desenvolvidos até o momento no Maglab –

Laboratório de Eletromagnetismo e Compatibilidade Eletromagnética vinculado

ao GEMCO – Grupo de Engenharia em Compatibilidade Eletromagnética, que

integra o Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa

Catarina (UFSC).

Desde o início do trabalho, atividades paralelas à revisão bibliográfica vêm

sendo desenvolvidas, abrangendo o âmbito das medições de campo próximo.

Desde pesquisas com os conjuntos de ponteiras de campo próximo disponíveis

no laboratório, bem como meios de calibrar as mesmas com o intento de

assegurar a legitimidade dos valores medidos.

Além de descrever os tipos e características das ponteiras e instrumentos

utilizados nas medições, serão ilustradas nesta parte do trabalho, as

metodologias de medição aplicadas, amostra de fonte emissora empregada e os

resultados obtidos de todas as práticas de testes executadas.

Dando início ao capítulo, a seguir serão descritos os instrumentos

utilizados nas medições de campo próximo, bem como suas propriedades e

peculiaridades, com o objetivo de fazer com que o leitor compreenda os


56

fundamentos que auxiliaram no processo de escolha das ponteiras mais

apropriadas para as medições.

3.2 Instrumentos de medição de campo próximo

Para execução das medições de campo próximo, além das ponteiras, um

conjunto de equipamentos pode ser utilizado juntamente para efetuar a análise

de campo próximo. É possível a realização de medições tanto na freqüência, com

o uso de um EMI Test Receiver, como no tempo, utilizando as ponteiras

conectadas diretamente ao um osciloscópio. Um modelo de escâner de medidas

de campo próximo, desenvolvido pelo Maglab, também foi utilizado nas medições,

e aqui será apresentado.

3.2.1 Ponteiras de campo próximo 3.2.1.1 Kit de ponteiras HZ-14

O laboratório de eletromagnetismo e compatibilidade eletromagnética da

Universidade Federal de Santa Catarina, conta com dois conjuntos de ponteiras

para medição de campo próximo. O primeiro aqui descrito, fabricado pela

empresa Schaffner, é conhecido no mercado por dois nomes diferentes: Near

Field Probe Set NFPS1, ou HZ-14, quando o mesmo for adquirido através da

empresa fabricante de instrumentos de EMC Rhode & Schwarz.

Este conjunto de ponteiras cobre a faixa de freqüência de 9 kHz até 1 GHz e

é composto por duas ponteiras de campo magnético (pequenos loops blindados

eletricamente) e uma ponteira de campo elétrico ativa com pré-amplificador já

embutido. Além das três ponteiras, o kit ainda conta com um pré-amplificador

para as ponteiras de campo magnético e uma giga de testes.

O conjunto foi desenvolvido com o intuito de efetuar medições de campo

próximo com a finalidade de detectar pontos de problema de EMC. Como se fosse

um sistema de investigação, executa-se uma varredura do sistema analisado em

questão, em busca das maiores fontes de emissão de campo eletromagnético.

Além disso, ele permite detectar, em equipamentos em fase de desenvolvimento,

os pontos sensíveis a interferência eletromagnética, reduzindo o tempo de

desenvolvimento do equipamento. Ao invés de concluir o finalizar o equipamento

para então testá-lo expondo o mesmo a campos, verifica-se prontamente os

pontos “fracos” do produto que será fabricado. O conjunto é essencialmente


57

utilizado ainda no diagnóstico de emissões em placas de circuito impresso,

cabos, circuitos integrados, pontos de fuga de campo eletromagnético e fontes

similares de interferência eletromagnética, além de conseguir avaliar a

interferência de campo no campo distante e estimar a impedância de campo

próximo.

Abaixo, na Figura 3.2.1.1 é apresentado o conjunto de ponteiras HZ-14.

Figura 3.2.1.1 – Ponteiras de campo próximo do conjunto HZ-14.

Uma vez que as ponteiras de campo magnético são passivas quando

operadas sem pré-amplificador, elas podem ser utilizadas para encontrar

componentes sensíveis a EMI.

As ponteiras apresentam um design ergonômico, e extremidades pequenas

que permitem a localização mais precisa da fonte emissora. A ponteira de campo

elétrico opera com tensão DC e pode ser energizada a partir de qualquer EMI Test

Receiver ou analisador de espectros.

Uma das ponteiras de campo magnético vai de 9 kHz a 30 MHz enquanto

que a segunda vai de 30 MHz a 1 GHz. Elas apresentam a diretividade de uma


58

antena loop e são blindadas eletricamente de forma que o acoplamento capacitivo

seja suprimido e os campos elétricos rejeitados. Cada ponteira magnética possui

um fator de correção (Figura 3.2.1.2) que determina os valores de campo

magnético para uma impedância de entrada de 50Ω dos receivers, supostamente

garantindo reprodutibilidade das medidas.

Figura 3.2.1.2 – Fator de antena para as ponteiras de campo magnético para as faixas de 9 kHz a 30 MHz e 30 MHz a 1 GHz, respectivamente [74].

A ponteira de campo elétrico é designada para recepção omnidirecional de

sinais em toda faixa de freqüência. Quando aproximada da fonte emissora, o

campo na ponteira é capacitivamente acoplado.

O amplificador de banda-larga de 30 dB melhora as medidas de sinais mais

fracos através das ponteiras de campo magnético. Provendo um ganho de 30 dB

na faixa de freqüências de 9 kHz a 1 GHz, ele ainda acusa através de um alarme

sonoro, sinais de alto valor que podem sobrecarregar a ponteira causando erros

na medida.

Nas Tabelas 3.2.1.1 [74] e 3.2.1.2 [74] são expostos parâmetros das três

ponteiras presentes no kit.

Tabela 3.2.1.1 [74] - Propriedades das ponteiras de campo magnético Kit

HZ-14

Ponteira H (9 kHZ a 30 MHz) Ponteira H (30 MHz a 1 GHz)

Freqüência de operação 9 kHz a 30 MHz 30MHz a 1 GHz

Faixa de freqüência

utilizável 9 kHz a 100 MHz 1 MHz a 2 GHz

Máxima tensão permitida 500 V (VP) 500 V (VP)

Máximo potência de entrada 0,5W 0,25W

VSWR - <2


59

Tabela 3.2.1.2 [74] - Propriedades da ponteira de campo elétrico Kit HZ-14

Ponteira E (9 kHZ a 1 GHz)

Freqüência de operação 9 kHz a1 GHz

Desnível resposta em freqüência ± 3 dB

Fator de correção para medidas de tensão 13 mV/V (=38 dB)

Fator de antena 67 dB (1/m)

Tensão máxima sentida 20 V

3.2.1.2 Kit de ponteiras HZ-11

O segundo conjunto de ponteiras disponível para efetuar as medições é

fabricado pela EMC Test Systems, ou ETS, e é conhecido como Near-field probe

set Model 7405, ou, se adquirido através da Rhode & Schwarz, nomeado como

Probe Set for E and H near Field emissions HZ-11. O mesmo cobre a faixa de

freqüências que vai de 100 kHz a 2 GHz e é constituído de cinco ponteiras de

campo próximo.

Três ponteiras são destinadas para medição de campo magnético e as

outras duas para medição de campo elétrico. Todas elas são passivas,

manipuláveis manualmente e designadas para solucionar problemas de emissão

de campo eletromagnético. O conjunto ainda traz uma haste de extensão de 20

cm, que pode ser conectada a qualquer uma das cinco ponteiras, facilitando o

acesso a áreas mais remotas em grandes unidades de emissão. As ponteiras

auxiliam no desenvolvimento de circuitos, a solucionar problemas de EMC e na

localização de fontes emissoras.

O conjunto, assim como o HZ-14, foi de fato desenvolvido com a finalidade

de assessorar na detecção e identificação de fontes emissoras de campo

magnético e elétrico, na fase de desenvolvimento de produtos evitando que os

mesmos infringissem os limites de emissão impostos nas normas vigentes,

responsáveis pelo controle de emissão eletromagnética.

Desenvolvidas através de injeção plástica, as ponteiras são leves, compactas

e de maior durabilidade.

A Figura 3.2.1.3, a seguir, apresenta o conjunto de ponteiras do Kit HZ-11.


60

Figura 3.2.1.3 – Conjunto HZ-11.

As três ponteiras magnéticas variam em tamanho e sensitividade. Cada

ponteira loop de campo magnético contém uma única volta, curto-ciruitada, com

um gap na extremidade, responsável pelo bloqueio dos campos elétricos nas

ponteiras. Os loops são construídos em peças únicas de cabo coaxial semi-

rígidos, com 50Ω de impedância no conector, finalizando num loop. Quando o

final do loop encontra a haste da ponteira, o centro do condutor e a blindagem

são soldados nos 360 graus da blindagem à haste. Um entalhe então é feito na

extremidade do loop, criando a blindagem para os campos elétricos, rejeitando os

mesmos de forma eficiente. A Figura 3.2.1.4 [73] apresenta a estrutura acima

apresentada.

Figura 3.2.1.4 – Configuração interior das ponteiras de campo magnético do kit HZ-11 [73].


61

Duas ponteiras diferentes de campo elétrico estão inclusas no conjunto de

ponteiras. Estas ponteiras são úteis no rastreamento de campos de alta-

impedância. Uma das ponteiras é chamada de Ball, aqui denominada esférica e a

outra stub (Figura 3.2.1.5)

Figura 3.2.1.5 – Ponteiras de campo elétrico do kit HZ-11, esférica e stub.

A haste da ponteira esférica é construída com um pedaço de cabo coaxial de

50Ω. No local onde o cabo é finalizado há um resistor de 50Ω com a finalidade de

manter a terminação de conjugação de uma linha de 50Ω. O condutor central do

cabo é então estendido além da terminação de 50Ω e ligado a uma bola de metal

com de 3,6 cm de diâmetro (Figura 3.2.1.6) [73]. A bola serve como uma coletora

de campo próximo. Contúdo, a ausência de um loop fechado previne o fluxo de

corrente, provendo a rejeição de campo magnético.

Figura 3.2.1.6 – Configuração da ponteira de campo elétrico esférica do kit HZ-11 [73].


62

A ponteira stub é constituída de um único pedaço de cabo coaxial semi-

rígido com 50Ω de impedância, que apresenta 6 mm do seu condutor central

exposto na extremidade. O pedaço exposto funciona como uma antena monopolo

que capta emissões de campos elétricos. Como não há estrutura de loop para

acoplar correntes, a unidade rejeita amplamente campos magnéticos. A Figura

3.2.1.7 [73] apresenta a configuração da ponteira stub.

Figura 3.2.1.7 – Configuração da ponteira de campo elétrico stub do kit HZ-11.

Abaixo, é apresentada a tabela com alguns dados técnicos das ponteiras do

kit aqui discutido:

Tabela 3.2.1.3 [73] - Propriedades das ponteiras do Kit HZ-11

Número do modelo Tipo de ponteira Tipo de sensor

primário

Rejeição E/H

ou H/E

Freqüência

de

ressonância

superior

901 Loop 6 cm Campo Magnético 41 dB 790 MHz

902 Loop 3 cm Campo Magnético 29 dB 1.5 GHz

903 Loop 1 cm Campo Magnético 11 dB 2.3 GHz

904 Esférica 3,6 cm Campo Elétrico 30 dB 2.3 GHz

905 Stub 6 mm Campo Elétrico 30 dB 23.6 GHz

O manual do kit, ainda apresenta os fatores de performance (PF), definidos

como a taxa de campo presente na ponteira para a tensão entregue pela ponteira

no conector BNC. Onde PF = E/V. Adicionando o valor de PF a tensão medida na

ponteira, temos a amplitude de campo obtida. Os gráficos a seguir apresentados

são gráficos gerais para estes tipos de ponteira, podendo haver variações nos

resultados se as ponteiras forem analisadas individualmente.

Todas as ponteiras foram calibradas em uma célula TEM, com um campo

de 377Ω. As ponteiras de campo magnético só respondem a campos magnéticos,

entretanto, os gráficos apresentados são a resposta equivalente de campo

elétrico. Os gráficos foram delineados desta forma a fim de permitir a medição de

impedância dos campos. Se a amplitude de campo magnético for desejada,

51.52 dB devem ser subtraídos dos valores de PF encontrados nos gráficos.


63

A seguir são apresentados os gráficos com os respectivos perfomance factors

para cada ponteira [73]:

Figura 3.2.1.8 – Fatores de performance para ponteiras de campo magnético loop de 6 e 3 cm.

Figura 3.2.1.9 – Fatores de performance para ponteiras loop magnética de 1 cm e de campo elétrico

esférica.

Figura 3.2.1.10 – Fator de performance para ponteiras de campo elétrico stub.

3.2.2 Escâner de campo próximo

Qualquer uma das ponteiras de campo próxima previamente apresentada

pode ser utilizada junto de um equipamento desenvolvido no Maglab, que foi


64

construído com a finalidade de se executar medições de campo próximo em

placas de circuito impresso, caracterizando os campos eletromagnéticos sobre

toda PCB. Este escâner de campo próximo possibilita a detecção dos

componentes e regiões responsáveis pela emissão de ruídos mais intensos

prejudiciais ao desempenho dos equipamentos durantes os testes de

conformidade com as normas.

O teste se consiste em realizar medidas de campos próximos em um

mesmo plano sobre a placa de circuito impresso (ou outro equipamento

analisado) em pontos igualmente distanciados, criando assim, uma malha de

medidas contendo os valores da intensidade de radiação em cada freqüência para

todas as regiões da placa.

Para iniciar as medidas deve-se ter conhecimento prévio da região na qual

se deseja realizar a aquisição e as freqüências a serem analisadas. Esta

informação é fornecida ao programa de gerenciamento de medida através do

ponto inicial de medida, a distância entre dois pontos consecutivos em cada uma

das direções, o número de pontos a ser analisado em cada um dos eixos

cartesianos e a faixa de freqüência em que será realizado o mapeamento de

emissão radiada de campo elétrico.

O aparato de aquisição de medidas de campo próximo tem basicamente

quatro componentes:

Computador com um software de aquisição;

Receptor de campo elétrico e magnético;

Ponteira de medição;

Posicionador XY.

A seguir, na Figura 3.2.2.1 pode-se verificar o escâner desenvolvido

realizando um ensaio de medição de emissão de campo próximo sobre um

aparelho de telefonia celular.


65

Figura 3.2.2.1 – Escâner de campo próximo desenvolvido no Maglab.

Cada elemento tem seu papel fundamental no processo de aquisição. O

posicionador indica o local da medida, alocando o sensor no ponto onde vai ser

feita a medição de campo. A ponteira de campo elétrico é responsável por enviar

a medida ao receptor de campo, que a recebe, interpreta e envia ao computador

onde o respectivo software interpreta e armazena os dados das medidas.

Existem softwares que calculam, através da análise do layout e de um

banco de dados de componentes, as possíveis emissões de uma placa. Os

resultados aqui descritos não vêm de simulações e uso de fórmulas, são obtidos

através de medidas reais, com ponteiras de campo próximo e representam o que

realmente ocorre no equipamento analisado.

No final da medida, pode-se escolher a freqüência em questão e o software

apresenta os pontos onde o campo eletromagnético foi mais intenso. Deve-se

ressaltar aqui, que o mesmo não apresenta garantias quanto a amplitude dos

campos mensurados. O escâner apenas identifica os pontos com maior emissão,

na freqüência determinada. A seguir, na Figura 3.2.2.2 um exemplo de resultado

oferecido pelo escâner é apresentado. Note que o software ainda possibilita


66

inserir uma foto de tamanho real do equipamento avaliado, com a finalidade de

proporcionar uma localização mais real dos pontos analisados.

Figura 3.2.2.2 – Resultado proporcionado pelo escâner desenvolvido no Maglab.

3.2.3 Instrumentos auxiliares.

Para efetuar as medidas com as ponteiras de campo próximo se faz

necessária sua conexão a equipamentos que serão responsáveis pela visualização

da leitura obtida nas mesmas. Normalmente, as ponteiras são diretamente

conectadas através de um cabo coaxial ao dispositivo no qual será feita a leitura

da medida de tensão induzida na ponteira. Dentre os equipamentos utilizados

nas medições efetuadas na pesquisa, encontram-se um EMI test receiver, um

analisador de espectro e um osciloscópio. Na Figura 3.2.3.1 são apresentados os

três instrumentos descritos.

Figura 3.2.3.1 – Receiver, analisador de espectros e osciloscópio.


67

Através do receiver e do analisador de espectros, podemos selecionar a

freqüência desejada e verificar diretamente, nos seus mostradores, os valores

medidos instantaneamente pelas ponteiras de campo próximo. Quando

conectadas ao osciloscópio, o resultado é apresentado no tempo, através de uma

forma de onda, de onde são retirados os valores de tensão e a freqüência do sinal

medido. As duas configurações de teste são válidas e oferecem solidez nos

resultados entregues.

3.3 Instrumentos de medição de campo distante

A medição de campos distantes visada na pesquisa em questão, são as

medidas de emissão consideradas nas distâncias de 3 e 10 metros, estabelecidas

pelas normas CISPR 11 e CISPR 22.

No Maglab, estes tipos de medidas podem ser executados de duas formas.

Numa primeira, o equipamento sob avaliação é inserido no interior de uma célula

GTEM, e esta, conectada a um receiver, envia os valores de tensão acoplados no

seu interior, oriundos da fonte emissora, para um computador provido do

software que irá estabelecer o valor de emissão eletromagnética radiada para as

distâncias pretendidas. No caso da célula GTEM, o equipamento sob teste é

considerado um conjunto de dipolos elementares, e através de um algoritmo

específico, o software converte as características mensuradas no valor de campo

distante procurado.

De modo análogo, o segundo método para se obter os campos distantes de

um equipamento qualquer, é analisando os campos emitidos pelo mesmo, dentro

de uma câmara stripline. A câmara, com dimensões menores que a célula GTEM,

funciona basicamente com o mesmo princípio, excetuando-se que a relação da

tensão medida e o campo radiado nas distâncias definidas é outra, entretanto,

provendo o mesmo resultado.

Após a escolha da amostra específica, as mesmas serão utilizadas para se

alcançar os valores de campo distante, que servirão de base para os estudos para

a tão almejada relação entre campo próximo e campo distante.

Na Figura 3.3 abaixo, são apresentadas a câmara stripline e a célula GTEM,

disponíveis no laboratório Maglab para medir os valores de campo distante.


68

Figura 3.3 – Câmara stripline e célula GTEM – instrumentos para medição de campo distante

3.4 Medidas realizadas

Antes de iniciar a realização das medidas de campo próximo com a

finalidade de se criar o banco de dados que servirá para os estudos da relação

entre campo próximo e campo distante, é preciso certificar-se de que estas

medidas sejam corretas e confiáveis.

Numa primeira etapa do trabalho, diversos tipos de medições foram

realizados com os dois conjuntos de ponteiras de campo próximo disponíveis, a

fim de se familiarizar com os instrumentos de medida e analisá-los para

posteriormente escolher quais deles seriam os mais apropriados ao trabalho

proposto. Os tipos de medições realizados serão aqui apresentados

separadamente, juntamente com seus resultados para uma posterior análise.

3.4.1 Medidas de campo próximo em fonte emissora com campo distante conhecido.

3.4.1.1 Objetivo

Realizar um teste com as ponteiras do conjunto de campo próximo HZ-11 e

HZ-14, sobre um equipamento cujos valores de campos eletromagnéticos

emitidos eram previstos. O desígnio primário destas medições foi criar uma

familiarização com os instrumentos de medida e efetuar um primeiro

levantamento de parâmetros das ponteiras de campo próximo presentes.

3.4.1.2 Artefato

O dispositivo selecionado como fonte emissora de campo eletromagnético foi

um gerador de ruído padrão, chamado de NE3000. O mesmo, designado para

ensaios e pesquisas na área de compatibilidade eletromagnética, é capaz de


69

emitir tanto ruído conduzido, quanto ruído radiado, de valores conhecidos, para

uma vasta faixa de freqüência.

Sua alimentação, através de baterias (pilhas médias alcalinas), permite sua

operação como uma pequena fonte elétrica, minimizando o seu efeito no

ambiente eletromagnético. Seu invólucro é condutor para permitir seu contato

direto com planos aterrados, caso necessário, e as baterias do mesmo ficam num

compartimento interno da unidade. Abaixo, na Figura 3.4.1.1, o mesmo é

detacado:

Figura 3.4.1.1 – Gerador de ruído padrão NE3000.

Cada uma das três antenas, que fazem parte do conjunto, emite um campo

específico para uma determinada faixa de freqüência. O campo analisado no

ensaio foi o referente à antena para a faixa que varia de 30 MHz a 1 GHz. O

equipamento oferece em seu manual o campo distante emitido, para cada antena

emissora. Na Figura 3.4.1.2 [75] a seguir, o campo conhecido emitido pelo

equipamento é exposto.

Figura 3.4.1.2 – Emissão de campo radiado conhecido do NE3000 para 3 e 10 metros.


70

3.4.1.3 Metodologia do ensaio.

Durante a execução das medições, o equipamento sob teste foi posicionado

sobre uma base fixa, pertencente ao escâner de campo próximo desenvolvido no

laboratório Maglab, previamente apresentado. Para cada ponteira de campo

próximo conectada ao receiver, foi levantado o maior valor de tensão induzido na

mesma, em uma varredura feita sobre toda superfície da antena da fonte

emissora, nas distâncias de 1, 2, 5, 10, 15, 20, 30, 50, 75, 100 e 200 milímetros.

As mesmas varreduras ainda foram executadas nas freqüências de 80, 90, 100,

200, 300, 400, 500, 700, 900 e 1000 MHz. O deslocamento das ponteiras, ao

longo da superfície da antena, foi executado pelo escâner de campo próximo, que

transladou a ponteira de campo próximo, através de um motor de passo,

controlado através de um software desenvolvido para este fim. A Figura 3.4.1.3

mostra o sistema ensaiado.

Figura 3.4.1.3 – Configuração das medições realizadas sob NE3000.

Para cada ponteira, foram executadas 110 medições, inseridas em gráficos

para uma melhor visualização dos resultados em função das distâncias e das

freqüências utilizadas.


71

Deve-se ressaltar que os resultados para o conjunto de antenas HZ-14 não

apresentaram lógica ou coerência. Como somente uma das ponteiras era

aplicada ao caso (ponteira magnética de 30 MHz a 1 GHz) e a mesma apresentou

resultados instáveis (sem repetibilidade) e contraditórios, os mesmos foram

suprimidos e sua apresentação se torna dispensável neste ensaio.

3.4.1.4 Resultados obtidos

Abaixo, são apresentados os valores de tensões induzidos nas ponteiras de

campo próximo, tanto em função da distância da fonte, quanto em função da

freqüência. Os gráficos apresentam todos os valores medidos, para cada

distância ou freqüência estabelecida. Nos gráficos em função da freqüência, o

valor correspondente de tensão do NE3000, é esboçado, representado pela linha

superior.

Nos gráficos em função da distância da fonte emissora, a legenda à direita

designa o nível de tensão que deveria ser medido em determinada freqüência,

caso o valor medido fosse o mesmo emitido pelo NE3000.

Figura 3.4.1.4 – Gráfico da tensão induzida na ponteira esférica em função da freqüência.


72

Figura 3.4.1.5 – Gráfico da tensão induzida na ponteira esférica em função da distância da fonte.

Figura 3.4.1.6 – Gráfico da tensão induzida na ponteira stub em função da freqüência.

Figura 3.4.1.7 – Gráfico da tensão induzida na ponteira stub em função da distância da fonte.


73

Figura 3.4.1.8 – Gráfico da tensão induzida na ponteira loop 6cm em função da freqüência.

Figura 3.4.1.9 – Gráfico da tensão induzida na ponteira loop 6cm em função da distância da fonte.



74





75

3.4.2 Estimativa do Fator de Antena do conjunto de ponteiras HZ-11. 3.4.2.1 Objetivo

Estes ensaios tem por escopo submeter as ponteiras de campo próximo a

um valor de campo eletromagnético conhecido, a fim de levantar os fatores de

antena para cada sonda de campo próximo, averiguando se os dados obtidos com

a medição são equivalentes os valores fornecidos pelo fabricante.

3.4.2.2 Artefato

Neste teste, os equipamentos testados serão as próprias ponteiras de campo

próximo do conjunto HZ-11.


O procedimento para execução destas medidas consiste-se em sujeitar as

ponteiras de campo próximo a um valor de campo eletromagnético conhecido, e,

a partir da tensão induzida nas mesmas, levantar um fator de antena para cada

ponteira.

Os testes foram executados no interior da Célula GTEM do Maglab. A

mesma possui a capacidade de gerar um campo eletromagnético de valor estável

em toda faixa de freqüência analisada. As ponteiras, localizadas no seu interior,

foram submetidas a um campo eletromagnético de 10V/m. As mesmas foram

conectadas a um receiver, de forma a que as leituras fossem realizadas

externamente. A célula GTEM oferece uma abertura, por onde é praticável a

passagem de cabos. Esta mesma abertura foi utilizada para conectar o cabo que

ligou a ponteira de campo próximo ao receiver. As leituras de tensão induzidas

nas ponteiras foram feitas para as freqüências de 80, 90 e 100 MHz e, a partir de

então, a passos de 50 MHz até alcançar a freqüência de medição final de 1000

MHz.

Tem-se a ciência de que, para um campo de 10 V/m, a tensão lida deve ser

de 140 dBμV. O fator de antena levantado para cada ponteira, nada mais é, do

que o valor de 140 subtraído do valor de leitura no receiver para cada freqüência.


76


Após a execução dos testes para as cinco ponteiras constituintes do kit HZ-

11, os seguintes fatores de antena foram determinados:

Figura 3.4.2.1 – Gráfico do fator de antena para a ponteira de campo elétrico esférica.

Figura 3.4.2.2 – Gráfico do fator de antena para a ponteira de campo elétrico stub.


77

Figura 3.4.2.3 – Gráfico do fator de antena para a ponteira de campo magnético loop 6 cm.




78

3.4.3 Estimativa do fator de antena, para ponteiras de campo próximo de campo elétrico do conjunto HZ-11, utilizando a stripline.

3.4.3.1 Objetivo

Realizar um ensaio onde as ponteiras de campo elétrico do kit HZ-11 sejam

expostas a um valor de campo eletromagnético conhecido, a fim de levantar os

fatores de antena das ponteiras, com a finalidade de compará-los com os obtidos

dentro da célula GTEM.

3.4.3.2 Artefato

No presente experimento, as ponteiras de campo elétrico pertencentes ao kit

de ponteiras de campo próximo HZ-11 serão os itens ensaiados.


Para efetuar este teste, um procedimento semelhante ao explanado no item

anterior foi executado. O mesmo se fundamentou na submissão das ponteiras de

campo elétrico a um valor de campo eletromagnético conhecido, e, a partir da

tensão induzida nas ponteiras, objetivou-se levantar um fator de antena para

cada ponteira.

Os testes foram executados dentro da câmara stripline modelo S-LINE 700.

Com o auxílio de um gerador de sinais externos, foram injetados valores de

potência para determinadas freqüências específicas, a fim de garantir o valor de

10V/m dentro da câmara. Para efetuar a validação destes dados, uma ponteira

isotrópica calibrada foi utilizada. Para cada valor de freqüência (neste caso as

freqüências aplicadas foram 80, 200, 500, 750 e 1000 MHz) foi injetada uma

determinada quantidade de potência por meio do gerador, para que a leitura no

interior da stripline fosse um campo estável de 10V/m. A única freqüência onde

não foi possível se estabelecer o campo desejado foi a de 1 GHz, devido a

limitações do próprio gerador. Entretanto, para esta freqüência ficou

determinado um campo de 9V/m, tendo seu equivalente em dbμV, para se

levantar o fator de antena.

A stripline apresenta conectores internos e externos, responsáveis pela

conexão dos cabos que ligaram as ponteiras de campo próximo ao receiver. As

leituras de tensão induzidas nas ponteiras foram efetuadas para as freqüências

acima citadas. Para um campo de 10 V/m a tensão lida deveria ser de 140 dBμV


79

enquanto que para 9 V/m a tensão equivalente equivale a 139,08 dBμV.

Novamente, o fator de antena levantado para cada ponteira, é o valor equivalente

mencionado em dBμV subtraído do valor de leitura no receiver para cada

freqüência. Na Figura 3.4.3.1 a configuração do teste é apresentada.

Figura 3.4.3.1 –Configuração do ensaio. Na primeira foto observa-se o gerador de sinais injetando

campo na stripline, e através do cabo saindo à direita da câmara, é feita a leitura do campo no seu

interior. A foto da direita ilustra a ponteira de campo próximo esférica no interior da stripline.


De posse dos valores de tensão induzida, medidos nas ponteiras, obtiveram-

se os seguintes fatores de antena:

Figura 3.4.3.2 – Gráfico do fator de antena para a ponteira de campo elétrico esférica.


80

Figura 3.4.3.3 – Gráfico do fator de antena para a ponteira de campo elétrico stub.

Tabela 3.4.3.1 – Fatores de Antena para as ponteiras de campo elétrico do conjunto

HZ-11

Freqüência em MHz Ponteira de campo elétrico

esférica

Ponteira de campo elétrico

stub

80 59,5 76,4

200 72,6 100,5

500 59,9 87,3

750 50,4 73,6

1000 76,08 89,98

3.4.4 Leitura e emissão de campo eletromagnético através das ponteiras de campo elétrico do conjunto HZ-11.

3.4.4.1 Objetivo

Este ensaio tem como objetivo emitir um campo eletromagnético através da

ponteira de campo elétrico esférica e realizar as leituras deste campo por meio da

ponteira stub, a diferentes distâncias da fonte emissora. Ainda neste experimento

pretende-se mensurar os resultados de emissão da ponteira esférica para campo

distante, através de ensaio realizado na câmara stripline. Desta forma, consegue-

se através da comparação entre os dois valores medidos, se efetuar a validação

do fator de antena levantado nos experimentos anteriores.


81

3.4.4.2 Artefato

Neste estudo a amostra analisada foi a ponteira de campo elétrico esférica.

A mesma teve seus valores de emissão medidos, tanto pela câmara stripline como

pela outra ponteira de campo elétrico stub.


O procedimento executado nesta medição foi composto pela emissão de um

campo eletromagnético através da ponteira de campo próximo esférica do Kit HZ-

11. Injetando-se um sinal com potência de 36 dBm por meio de um gerador de

sinais conectado diretamente à ponteira, originou-se um determinado campo

desconhecido, emitido omnidirecionalmente pela ponteira em questão.

Posteriormente, inseriu-se a mesma no interior da câmara stripline, e foi

realizado um ensaio com a finalidade de averiguar a emissão radiada nas

freqüências de 80, 200, 500 e 1000 MHz. Concluída esta etapa, deu-se inicio a

medição do campo emitido em diferentes distâncias da fonte emissora, medido

através da ponteira de campo elétrico stub conectada ao receiver.


Inicialmente efetuou-se a medição do campo distante, utilizando-se a

stripline. Na mesma foram levantados os valores em dBμV para as freqüências

estabelecidas. Na Figura 3.4.4.1 são apresentados os resultados alcançados.

Figura 3.4.4.1 – Resultado da emissão radiada pela ponteira esférica do kit HZ-11.


82

Em seguida, foram executadas as medições do campo com a ponteira stub.

As mesmas foram aplicadas para as distâncias de 1, 350 e 1500 mm. Os dados

colhidos estão projetados na Tabela 3.4.4.1, abaixo.

Tabela 3.4.4.1 – Valores de emissão radiada pela ponteira esférica medidos

através da ponteira stub.

Freqüência (MHz) Fator de antena

(dBμV)

Leitura em 1 mm

(dBμV)

Leitura a 35

cm (dBμV)

Leitura a

150 cm

(dBμV)

80 76,4 66 49,2 41,5

200 100,5 69,7 35 22,1

500 87,3 78,4 48,1 37

1000 89,98 46 37,1 25,6

A seguir ainda são apresentados na Tabela 3.4.4.2 os valores lidos,

acrescidos do fator de antena levantado na stripline.

Tabela 3.4.4.2 – Valores de emissão radiada pela ponteira esférica, medidos

através da ponteira stub com o fator de antena incluso.

Freqüência (MHz) Fator de antena

(dBμV)

Leitura em 1 mm

(dBμV)

Leitura a 35

cm (dBμV)

Leitura a

150 cm

(dBμV)

80 76,4 142,4 125,6 117,9

200 100,5 170,2 135,5 122,6

500 87,3 165,7 135,4 124,3

1000 89,98 135,98 127,08 115,58

3.4.5 Comparação dos valores medidos pela ponteira de campo próximo

esférica para diferentes instrumentos de leitura.

3.4.5.1 Objetivo

Esta última seqüência de medições foi efetuada com o objetivo de verificar

se os valores medidos através do receiver ESPC estariam de acordo com os

outros dois sistemas praticáveis para medições utilizando as ponteiras de campo

próximo. Realizou-se três vezes a mesma medida de campo induzido na ponteira

de campo elétrico esférica, modificando-se apenas o leitor da tensão induzida.

Este tipo de medição permitiu verificar se os sistemas estavam equivalentes ou

não, no fornecimento dos resultados.


83

3.4.5.2 Artefato

Neste estudo foi medido o campo de 10V/m, estabelecido dentro da

stripline, com o uso da ponteira esférica de campo elétrico do conjunto de

ponteiras de campo próximo HZ-11. A ponteira foi conectada a um receiver, um

analisador de espectros e um osciloscópio com a intenção de averiguar se os três

instrumentos garantem ou não os mesmo resultados,


Este último ensaio foi executado com seguinte configuração: com o auxílio

de um gerador de sinais foram injetados sinais dentro da câmara stripline, de

forma que se criasse um campo uniforme de 10V/m no interior da mesma.

Dentro da câmara, foi inserida a ponteira de campo próximo esférica, conectada

aos dispositivos leitores da sua tensão induzida. As freqüências onde o ensaio foi

realizado foram as de 200 e 500 MHz, respectivamente.

Para a freqüência de 200 MHz foram injetados 27,8 dBm de potência,

enquanto que para a freqüência de 500 MHz foram injetados 23,1 dBm. As

leituras das medidas foram então efetuadas através dos três instrumentos,

registrando-se os valores nos mesmos mensurados.


A Tabela 3.4.5.1 apresenta os valores obtidos lidos em dbμV e em volt:

Tabela 3.4.5.1 – Valores de tensão induzidos na ponteira esférica, lidos

através de três instrumentos diferentes.

Leitura no

Receiver

Leitura no

analisador de

espectros

Leitura no

osciloscópio

Freqüência (MHz) Valor em

dBμV

Valor

em

volts

Valor em

dBμV

Valor

em

volts

Valor em

dBμV

Valor

em

volts

200 67,4 2,34 98,3 82,22 97,87 78,3

500 80,1 10,11 103,5 149 101,93 125


84

3.5 Discussão dos resultados

No decorrer das execuções dos testes, foram sendo verificadas determinadas

propriedades das ponteiras de campo próximo utilizadas, que permitiram a

criação de critérios de seleção e uma ampliação dos conhecimentos concernindo

estes instrumentos. A cada tipo de medição realizada, novas idéias foram

surgindo levando as técnicas de medição subseqüentes. Entretanto, ao mesmo

tempo em que estas idéias foram despontando, novas dúvidas e dificuldades

também passaram a existir, levantando diversos questionamentos sobre as

técnicas empregadas e a qualidade dos resultados obtidos.

Na primeira medição, onde foram levantadas as medidas para todas as

ponteiras a partir da medição dos campos emitidos pelo gerador de ruído padrão,

pode-se verificar por exemplo, que o kit de ponteiras HZ-14 não foi apropriado

para se efetuar medições, onde a distância da fonte fosse muito variável. Quando

a varredura sobre uma superfície a uma distância próxima da fonte é realizada, o

kit apresentou resultados interessantes e coerentes. No entanto, quando o

afastamento da ponteira em relação a fonte foi efetuado, a ponteira não

assegurava repetibilidade dos seus resultados. Para distâncias não muito

grandes, a ponteira de campo magnético do kit utilizada, já se mostrava bastante

susceptível a prováveis interferências eletromagnéticas externas, que alteravam

instantaneamente os valores lidos.

Uma vez que os testes querem dispensar o uso de locais

eletromagneticamente isolados para sua realização, ficou notado que a ponteira

de campo magnético do kit, que vai da faixa de 30 MHz a 1 GHz, não seria um

bom instrumento, excetuando-se para os casos onde a mesma é utilizada em

medições realmente próximas da fonte emissora.

Através da primeira medição é possível também averiguar que das cinco

ponteiras constituintes do kit HZ-11, a ponteira stub e a loop 1 cm são as que

apresentam menor sensibilidade e as que mostraram os menores valores de

tensão induzido. Isso significa que com um aumento não muito grande da

distância da fonte emissora, estas duas ponteiras já não garantem medições

eficientes apresentando quase sempre os mesmos valores de campo

independentemente da distância em que se encontram da fonte.


85

A ponteira loop de 3 cm apresentou um bom seguimento da curva de campo

do NE3000. A mesma também mostrou que não apresenta perda de sensibilidade

com o aumento da freqüência, entretanto, apresenta uma sensibilidade inferior

quando comparada com a loop de 6 cm ou com a ponteira esférica.

A loop magnética de 6cm apresentou resultados bastante satisfatórios. Além

da maioria das curvas seguirem de forma consistente a curva induzida pelo

gerador de ruídos, os valores induzidos podem ser considerados bons. Verifica-se

ainda que quando a distância passou de 30 mm os resultados começaram a

piorar e a sensibilidade foi diminuída.

Por fim, a antena esférica, foi a que apresentou a melhor sensibilidade,

alcançando os níveis mais altos de indução, expressando sua melhor capacidade

de acoplamento, pelo menos para o campo emitido pelo gerador de ruído.

Também nota-se que os resultados não caíram muito com a distância,

comprovando que esta ponteira apresenta realmente melhores atributos para a

medição de campo. Uma última constatação a respeito desta ponteira, concerne

a sua queda de sensibilidade com o aumento de freqüência. Apesar da queda não

ser muito significativa, esta informação é relevante e deve ser mencionada.

Da segunda bateria de ensaios, onde foram levantados os fatores de antena

para o conjunto de ponteiras HZ-11, conseguiu-se concluir que não se pode levar

em consideração os valores de performance factor fornecidos pelo manual do

fabricante. Através dos resultados apresentados, confere-se que para cada

freqüência, há um valor aleatório para todas as ponteiras, sendo impossível criar

uma relação ou uma reta que defina seu fator de antena. Já no manual, são

apresentadas retas decrescentes estáveis, erros de uma aproximação grosseira,

ou engano do fabricante, visto que segundo consta no manual, estes valores

foram estimados dentro de uma célula TEM.

Comparando os valores registrados na terceira etapa de medição, com os

valores alcançados na segunda, é factível se afirmar que os dois métodos

utilizados apresentaram fatores de antena diferentes para cada tipo de ponteira.

Com o surgimento destes dados, fica a incerteza sobre que tipo de fator de

antena utilizar. Realizando um estudo mais aprofundado do caso, observa-se

que, em ambas as estruturas, o levantamento dos dados é feito para o campo

considerado distante. Uma vez que tanto a GTEM como a stripline geram campos

uniformes no seu interior, pode-se considerar que o fator de antena levantado


86

para as duas ponteiras, foi efetuado somente para medição de campo distante,

não tendo validade alguma na execução de medições de campo próximo.

Uma incógnita surgida neste terceiro ensaio, é oriunda da diferença dos

valores obtidos na estimativa dos fatores de antena. Se os campos injetados

dentro de ambas as estruturas eram estáveis e de mesma intensidade (com

exceção do campo de 1 GHz, que apresentava um valor de campo menor na

stripline), como foram obtidos resultados díspares no levantamento dos fatores?

Este é um problema que ainda merece ser estudado para que seja levantada sua

solução.

A conclusão da terceira análise acaba por invalidar os resultados da quarta

medição, onde se desejava comparar os valores de emissão de campo através da

ponteira esférica medidos na stripline e com a ponteira stub. Os valores obtidos

com a câmara, são valores extrapolados para o campo distante e os mesmos

indicam qual seria o valor de campo emitido pela ponteira esférica na distância

de 10 metros.

Os valores medidos com a ponteira stub, quando acrescidos do fator de

antena obtido tanto na GTEM, quanto na stripline, apresentaram valores de

campo muito superiores aos medidos com a stripline. Uma vez que estamos

trabalhando nas freqüências de 80, 200, 500 e 1000 MHz, teremos

conseqüentemente, comprimentos de onda de 3.75, 1.5, 0.6 e 0.3 metros. Isso

implica que para estas medidas, realizaram-se medições de campo próximo, onde

o fator de antena levantado não é válido. Logo, não é possível realizar uma

comparação direta entre os valores medidos na stripline e os medidos com a

ponteira stub. Destaca-se ainda que a sensibilidade da ponteira stub não é

grande, logo não seria possível se afastar até uma zona de campo distante, para

se efetuar uma medição com a mesma em caráter de comparação.

A última medição realizada constatou que o receiver não estava oferecendo

medições confiáveis. Mesmo somando o fator do atenuador (antes

desconsiderado) não se alcançaram valores em torno dos medidos com o

osciloscópio e o analisador de espectros. Como dentre os três ele foi o único que

não apresentou resultados iguais entre si, acredita-se que suas medições estejam

incorretas. Não pode-se excluir a hipótese de que as medidas com o osciloscópio

e com o analisador de espectros possam estar erradas, entretanto, esta

possibilidade é muito mais remota. O erro apontado na medição com o receiver


87

pode explicar porque os fatores de antena levantados com a stripline foram

diferentes dos encontrados na GTEM, uma vez que o equipamento é utilizado na

medição com a stripline. Também devem ser revistos os valores de emissão

mensurados na stripline analisando a emissão de campo através da ponteira

esférica. Seria interessante a realização de um mesmo ensaio, utilizando outro

receiver, a fim de verificar se há ou não existência de disparidades nos dados.

3.6 Considerações sobre o capítulo

Neste capítulo, foram detalhados todos os instrumentos de medição de

campo próximo disponíveis no laboratório, bem como as metodologias das

medições executadas até o presente momento da pesquisa.

Além disso, foram apresentados todos os resultados até aqui alcançados

através destas medições, e os mesmos foram discutidos, conduzindo a algumas

conclusões envolvendo as ponteiras de campo próximo e os métodos de medições

aqui envolvidos.

Verificou-se que algumas ponteiras não são compatíveis para os fins

destinados e que a calibração das mesmas para a região de campo próximo ainda

não foi concretizada, impedindo a validação dos valores mensurados com as

mesmas.

Também deve entrar em discussão as distâncias envolvendo campo

próximo. Através das fórmulas apresentadas, verifica-se que medições a níveis de

metro são consideradas medições de campo próximo, o que torna um pouco mais

complexa a definição dos procedimentos para medição.

No capítulo a seguir serão discutidas as conclusões preliminares do

trabalho, bem como possíveis soluções que darão continuidade ao trabalho.

CAPÍTULO 4

4 Conclusões Preliminares

O levantamento bibliográfico efetuado se mostra atual e designa que ainda não

foram realizados trabalhos com o mesmo intuito desta pesquisa. As transformações

de campo próximo para campo distante já pesquisadas são quase que em sua

totalidade voltadas para as estimativas de campos distantes de antenas ou placas

de circuito impresso. As tentativas de se estimar a emissão de campo

eletromagnético distante, baseadas nas normas de emissão eletromagnética para

uma ampla faixa de freqüência, a partir de medições de campo próximo são

escassas, justificando a execução da presente pesquisa.

Além disso, outro ponto importante que merece destaque, é o esforço para o

desenvolvimento de um novo sistema de calibração das ponteiras. A pesquisa pode

vir a originar um método inédito na calibração deste tipo de instrumentos,

acarretando numa grande inovação, uma vez que a maioria das formas de

calibração das ponteiras de campo próximo apresentadas ao longo dos anos se dá

sob o domínio de campos distantes. É possível afirmar que este feito é o maior

desafio do trabalho, e que, garantindo-se a execução do mesmo, um importante

passo para o sucesso do estudo está consolidado.

O crescente uso de equipamentos controlados eletronicamente ganha

dimensões cada vez maiores, criando-se um cenário de geração e propagação de

interferências eletromagnéticas que precisarão ser mensuradas e controladas. A

descoberta de um novo método, para se atingir os valores de emissão de campo

delineados pelas normas vigentes, dispensando as instalações de alto custo, hoje


89

indispensáveis para os mesmos, acarretaria numa revolução na ciência de ensaios

voltados para medição de emissão eletromagnética.

Apesar de ainda obscuro, o comportamento dos campos eletromagnéticos na

região de campo próximo tem sido alvo de estudos e cada vez mais se possui

conhecimento sobre seus comportamentos e características. Estes avanços,

apontados ao longo das pesquisas publicadas, incentivam de forma estimulante o

desenvolvimento da pesquisa. Como verificado no trabalho até o momento

desenvolvido, medições na esfera de campo próximo ainda são complexas e exigem

uma maior quantidade de pesquisas para que se possa esclarecer seu

comportamento e desenvolver sistemas de medições que garantam os resultados

tanto em freqüência como em amplitude. Uma vez que o domínio da faixa de

freqüência é extenso (9 kHz a 6 GHz), é necessário ressaltar ainda a dificuldade em

desempenhar este estudo, uma vez que se trabalha com domínios de campos

próximo que variam de milímetros a metros, dificultando tanto o trabalho de

calibração quanto o de medição.

O Laboratório Maglab conta com uma grande infra-estrutura de

equipamentos, permitindo que uma extraordinária quantidade de pesquisas e

medições seja executada, de forma a cingir todas as possibilidades e desafios

pertinentes a tarefa destinada.

Até o presente, foram executadas medições de caráter experimental que

permitiram um conhecimento dos instrumentos disponíveis e que forneceram

subsídios para dar continuidade ao trabalho.

Sabe-se que a melhor ponteira para medir emissão de campo elétrico no

domínio do campo próximo é a esférica e que a ponteira de campo magnético loop 6

cm é a mais adequada para medição de campo magnético, dentro do mesmo

domínio. Ambas pertencentes ao conjunto de ponteiras de campo próximo HZ-11.

Através de discussões internas no laboratório, a visualização de uma nova

possibilidade de calibração surgiu. Através de um emissor de campo

eletromagnético simples, que possa ter seus campos analiticamente calculados ou

simulados, quer se realizar uma bateria de medições em torno do mesmo, em

diversas distâncias distintas, a fim de concretizar a calibração da ponteira de

campo próximo, comparando os valores medidos com os calculados analiticamente.


90

Se este feito for realizado, visando ainda a vasta faixa de freqüência (9 kHz a 6

GHz), um grande passo já estará efetuado.

Além das ponteiras de campo próximo testadas, há ainda a possibilidade

criação de outras novas ponteiras, através de diversos artigos científicos que

descrevem os processos de desenvolvimento de ponteiras de campo próximo bem

como também as validações de suas medidas.

Uma vez que se tenha posse da ponteira calculada, será dado início as

medições de campo próximo, com a intenção de verificar seu comportamento e

começar os estudos relativos à criação da relação entre campo próximo e campo

distante.

No estudo de referência bibliográfica, constatou-se a existência de diversos

métodos que transformam o campo próximo em campo distante. Apesar de nenhum

deles ser destinado a proposta desta pesquisa, é de grande valia a realização de

uma investigação mais aprofundada, com o propósito de verificar se estes métodos

já existentes (ou até mesmo uma combinação de diferentes métodos) são aplicáveis

ou não no auxílio da busca da solução do problema proposto.

4.1 Continuidade dos Estudos

Os fatores colocados acima, justificam a continuidade do trabalho de

pesquisa, que se constituí, a partir de agora, de uma etapa que visa uma finalização

da busca por medições concretas e confiáveis de emissão em campo próximo.

Inicialmente devem ser empregadas técnicas baseadas na bibliografia existente ou

nas medições até aqui realizadas, que garantam os valores dos resultados medidos,

para que o estudo dos mesmos possa ser concluído.

Uma vez dominada a arte de medição de campo próximo, de forma que se

garantam os resultados de emissão mensurados, toda uma nova etapa do trabalho

pode ser executada, objetivando a caracterização do comportamento de campo

próximo a fim de se estabelecer sua efetiva contribuição na construção do campo

distante. Selecionada uma fonte emissora apropriada para os estudos, suas

medições em campo próximo e campo distante, fornecerão a fundamentação para

os estudos envolvendo as relações entre ambos.


91

Muito trabalho ainda deve ser realizado, e uma atenção especial deve ser

fornecida agora para o processo de calibração das ponteiras de campo próximo,

uma vez que todo o restante do trabalho está subordinado ao sucesso desta etapa

da pesquisa. O sistema de calibração que virá ser desenvolvido é relevante e reforça

a originalidade do trabalho, principalmente se voltado para toda a faixa de

freqüência compreendida nas normas de emissão de campo radiado, até hoje pouco

examinados.

Se a relação entre campo próximo e campo distante for estabelecida conforme

o ponto de vista deste trabalho, uma contribuição de enorme relevância será dada

para o estudo de emissão eletromagnética, principalmente no que concerne a

quantidade de investimentos necessários para realizar este tipo de medições. A

possibilidade da não necessitar de ambientes isolados eletromagneticamente para

realizar a medição de campo distante representa um grande avanço na ciência de

medições de campos eletromagnéticos.

Portanto, as próximas etapas de desenvolvimento desta Tese de Doutorado

objetivam a continuidade dos estudos quanto a métodos de medição de campo

próximo, a calibração eficiente das ponteiras, o desenvolvimento de um artefato

calibrável e a escolha de uma fonte emissora que será avaliada tanto em campo

próximo como campo distante. Através dos dados colhidos, serão desenvolvidos

estudos destas medições, para então, finalmente, conceber a relação entre campo

próximo e distante.

4.2 Próximas Etapas da Pesquisa

As próximas etapas pertinentes ao trabalho, no intuito de se alcançar seu

objetivo final, envolvem:

Etapa 1: Defesa do Exame de Qualificação.

Etapa 2: Realizar novas medições com a stripline e com um receiver

diferente a fim de verificar se os dados estão de acordos com os

levantados na célula GTEM;

Etapa 3: Desenvolver estudo aprofundado envolvendo medições no

domínio do tempo (osciloscópio).


92

Etapa 4: Desenvolvimento de artefato que comprove através de cálculo

analítico os campos emitidos ao seu redor com o propósito de calibrar

as ponteiras de campo próximo.

Etapa 5: Executar as medições de campo próximo com valores

garantidos para um determinado equipamento específico, estudando e

analisando os comportamentos e características do campo próximo.

Etapa 6: Realizar a medição de campo distante do mesmo equipamento

e então dar início ao estudo das possíveis relações entre campo próximo

e campo distante;

Etapa 7: Publicações: Elaboração de artigos para congressos e revistas

da área;

Etapa 8: Estudar as relações de campo próximo e distante já existentes

com intuito de verificar se são aplicáveis para o problema aqui

discutido;

Etapa 9: Avaliação geral dos resultados, ajustes, geração de

publicações e redação da Tese;

Etapa 10: Defesa da Tese.

4.3 Cronograma

Cronograma de Atividades

Etapa Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Ano

1 DQ 2009 2 2010

3 2010

4 2010

5 2010

6 2010 7 2011

8 2011

9 e

10 DT 2011

Medição: As etapas de medições faltantes, estão relacionadas a

efetivação da calibração das ponteiras, e ao levantamento de um banco

de dados constituído a partir de medidas de campo próximo com

valores corretos, que sirvam como fundamento para a criação da

relação que determine os valores de campo distante a partir dos


93

mesmos. Algumas medições devem ser repetidas com o uso de outros

equipamentos e deve ser proposta uma fonte emissora que será

analisada tanto em campo distante como em campo próximo para o

desenvolvimento da relação.

Estudos: De posse dos resultados confiáveis das medições de campo

próximo, permite-se efetuar um estudo mais denso das características e

comportamento de campo próximo, no intuito de estabelecer a relação

entre o mesmo e a estimativa do campo distante para as distâncias

estabelecidas na norma. A fase de estudos envolve ainda uma análise

das transformações NF-FF existentes, verificando se as mesmas são ou

não aplicáveis para o caso aqui discutido.

Publicação: os primeiros resultados serão utilizados na elaboração de

artigos técnicos para publicação em eventos e revistas qualificadas na

área do conhecimento.

Redação: O processo de escrita da tese será efetuado paralelamente as

atividades, como forma de documentação das experiências e

conhecimentos relativos ao trabalho em questão. Posteriormente, as

fases destinadas ao envio do material aos relatores e a correspondente

solicitação da data para defesa, chegando ao prazo final para a defesa

do trabalho.

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Exame de Qualificação Felipe Nyland