Componentes essenciais para uma comunicao Wireless

Antenas, Cabos e Rdio-EnlaceUso permitido por Luciano Valente Franz luciano@computech.com.brdistncia

Antena

Antena Atmosfera

Rdio Transmissor (Tx) Linha de Transmisso (LT) Antena Transmissora Meio de Propagao Antena Receptora Linha de Transmisso (LT) Rdio Receptor (Rx)

TXTransmissor

Linha de Transmisso

RXReceptor

CONCEITOS BSICOS A ESCALA LOGARTMICAO que o dB?O dB uma escala usada para representar a relao entre duas potncias.

ONDAS ELETROMAGNTICAS - OEM Conceito: Perturbao fsica composta por um campo eltrico (E) e um campo magntico (H) variveis no tempo, perpendiculares entre si, capaz de se propagar no espao. Freqncia: nmero de oscilaes por unidade de tempo (Hz). Velocidade de propagao: depende do meio onde a onda se propaga. A velocidade mxima de uma OEM a velocidade da luz, 300.000 km/s, no vcuo. Comprimento de onda: distncia percorrida pela onda durante um ciclo. definido pela velocidade de propagao dividida pela freqncia.

dB = 10 log

Pmedida Preferncia

vcuo / ar ( m) =

300 f ( MHz )

A unidade de referncia pode ser W, mW, V, ou at o ganho de uma antena... Da as derivaes, como o dBW, dBm, dBi...

P (mW ) dBm = 10 log medida 1mW

10

P ( dBm ) 10

= P(mW )

LINHAS DE TRANSMISSO uma linha com dois ou mais condutores isolados por um dieltrico que tem por finalidade fazer com que uma OEM se propague de modo guiado. Esta propagao deve ocorrer com a menor perda possvel. As linhas de transmisso podem ser construdas de diversas maneiras, cabos paralelos, pares tranados, microstrip, cabos coaxiais, guias de onda, etc.

5 - AntenasA abertura fsica de uma LT paralela que transporta uma OEM, proporciona uma variao senoidal de potencial (Volts) e de corrente (Amperes) nos condutores, provocando o aparecimento de linhas de campo magntico e eltrico variveis em torno do dipolo formado, dando origem a uma onda eletromagntica que se propaga.

d S

Polarizao de uma antena

Planos de um diagrama de irradiaoO diagrama de irradiao de uma antena, para ser melhor visualizado, normalmente representado pela distribuio de energia nos planos eltrico e magntico, ditos Plano E e Plano H.

E, em fsica, o smbolo da intensidade de campo eltrico H, em fsica, e o smbolo da intensidade de campo magntico

Diagrama de IrradiaoDiagrama de irradiao representao grfica da forma como energia eletromagntica se distribui no espao.

Diagrama de Irradiao de Uma Antena

Os resultados obtidos so geralmente normalizados. Ao mximo sinal recebido dado o valor de 0 dB, facilitando a interpretao dos lbulos secundrios e relao frente-costas.120 60

O diagrama pode ser obtido tanto pelo deslocamento de uma antena de prova em torno da antena que se est medindo, como pela rotao desta em torno do seu eixo, enviando os sinais recebidos a um receptor capaz de discriminar com preciso a freqncia e a potncia recebidas

180

-30

0

-20

Diagrama de irradiao, a curva em azul representa energia irradiada em cada direo em torno da antena.

-10

240

0

300

Formas de Visualizao dos diagramas de Radiaodiagrama de irradiao na forma tridimensionalPermite-nos visualizar a distribuio espacial de toda a potncia envolvida.

Formas de Visualizao dos diagramas de Radiaodiagrama de irradiao na forma polar90 120 60

Fceis de interpretar, os lbulos so identificados pelo ngulo e amplitude. O lbulo principal define os ngulos de potncia e o mximo ganho. A anlise correta da antena necessita-o em dois planos, vertical e horizontal ou Plano E e Plano H.

150

30

180

-40

0

210

-20

330

240

0 270

300

Formas de Visualizao dos diagramas de Radiaodiagrama de irradiao na forma retangular0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -180 -120 -60 0 60 120 180

ngulos de meia potncia (-3dB)Os ngulos de meia potncia so definidos pelos pontos no diagrama onde a potncia irradiada equivale metade da irradiada na direo principal. Estes ngulos definem a abertura da antena no plano horizontal e no plano vertical. -3 dB = 50% Potncia No exemplo temos: ao lado120 60

- 3 dB

Usual nas antenas de alto ganho, onde a pequena abertura do lbulo principal compromete a interpretao do diagrama de irradiao polar.

Ganho Normalisado

180 -12

0

ngulo de 3dB = 55ngulo240

-6

0

300

- 3 dB

Diretividade de uma antena a relao entre o campo irradiado pela antena na direo de mxima irradiao e o campo que seria gerado por uma antena isotrpica que recebesse a mesma potncia.

GanhoO ganho pode ser entendido como o resultado da diretividade menos as perdas. Matematicamente, o resultado do produto da eficincia pela diretividade

.

A diretividade de uma antena define sua capacidade de concentrar a energia irradiada numa determinada direo.

G = .D

G = Ganho D = Diretividade = Eficincia

E D = mx EISO

Emx: Energia da antena em estudo. EISO: Energia da antena isotrpica.

A eficincia de uma antena, diz respeito ao seu projeto eletromagntico como um todo, ou seja, so todas perdas envolvidas (descasamento de impedncia, perdas em dieltricos, lbulos secundrios...). Normalmente est na faixa de 90% a 95%.

Largura de banda (BW)Largura de banda o intervalo de freqncia a qual a antena deve funcionar satisfatoriamente, dentro das normas tcnicas vigentes a sua aplicao.

dBd versus dBiO radiador isotrpico um modelo idealizado, seu diagrama de irradiao uma esfera com densidade de potncia uniforme. Um dipolo de meia onda em espao livre apresenta um ganho de 2.15 dBi, ou seja, possui uma capacidade de concentrar 2.15 dB a mais na sua direo de mxima irradiao quando comparado antena isotrpica. Ao referenciar-se o ganho de uma antena temos: Ao radiador isotrpico usa-se a unidade dBi. Ao dipolo de meia onda, usa-se a unidade dBd.

G

BW

f f1 f2

dBi = dBd + 2,15Ganho (dipolo /2) = 0 dBd Ganho (dipolo /2) = 2.15 dBi

Espera-se que uma antena possua todas as caractersticas especificadas pelo fabricante, iguais ao longo de sua banda de operao, ganho, impedncia, VSWR, RFC, Nvel de lbulos secundrios, etc.

Antenas - Diagramas de irradiao tpicos algumas estruturas usuais

Antenas - Diagramas de irradiao Dipolo de Meia onda

Tipo de Antena

Diagrama Tridimensional

Diagrama Vertical ou de Elevao

Diagrama Horizontal ou de Azimute

Tipo de Antena

Diagrama Tridimensional

Diagrama Vertical ou de Elevao

Diagrama Horizontal ou de Azimute

Irradiador Isotrpico

G = 0 dBi G = - 2,15 dBd

Plano Eltrico

Plano Magntico

Dipolo de Meia Onda

G = 2,15 dBi G = 0 dBd

Plano Eltrico

Plano Magntico

Omnidirecional de 6 dipolosTipo de Antena Diagrama Tridimensional Diagrama Vertical ou de Elevao Diagrama Horizontal ou de Azimute

Clculo da potncia efetivamente irradiada (ERP)ERP = PT (dB) + GT (dB ) p(dB)A Potncia ERP a potncia realmente irradiada pela antena. PT(dB): Potncia em dB do transmissor GT(dB): Ganho em dBi da antena P(dB): perda por atenuao do cabo coaxial

Omnidirecional de seis dipolos

G = 9,5 dBi G = 7,35 dBd

Plano Eltrico

Plano Magntico

Tipos de AntenasYagi Painel Setorial Omnidirecional Parbolas Antenas Patch Log Peridicas HelicoidalYagis

YagisConceito: Antena direcional composta de um refletor (simples ou grade) um dipolo (simples ou dobrado) e vrios diretores. Pode ser instalada na pol. vertical ou horizontal. As yagis de freqncias acima de 1.5GHz necessitam o uso de radome, para proteo da gua da chuva. So utilizadas geralmente em sistemas ponto a ponto, porm as yagis de trs elementos possuem um ngulo de abertura de at 120 graus, possibilitando seu uso em sistemas ponto - multiponto. Nmero de elementos 3 elementos 7 elementos 11 elementos 25 elementos ou mais Ganhos Mdios 6 8 dBi 9,5 12 dBi 13 15 dBi 15,5 17,2 dBi

Yagi de 5 Elementos e Grade RefletoraTipo de Antena Diagrama Tridimensional Diagrama Vertical ou de Elevao Diagrama Horizontal ou de Azimute

Painis SetoriaisDefinio: Antena composta um conjunto alimentados em fase, e uma chapa refletora. de dipolos

Utilizao: para enlaces ponto multiponto, onde o ngulo de abertura da antena, atende a uma determinada regio . O ganho e o ngulo de abertura de um painel depende do nmero de dipolos, das dimenses da chapa refletora, da distncia entre os dipolos e sua eficincia na alimentao dos dipolos, que muitas vezes, torna-se bastante complexa. Podem ser construdos com dipolos na pol. vertical, horizontal, ou 45 graus.

Yagi de 5 elementos

G = 8 dBi G = 5,85 dBd

Plano Magntico

Plano Eltrico

Painel Setorial de 4 dipolos na verticalTipo de Antena Diagrama Tridimensional Diagrama Vertical ou de Elevao Diagrama Horizontal ou de Azimute

ParbolasConsiste em uma antena (alimentador) que ilumina um refletor parablico que reirradia essa energia na direo de mximo ganho. Seu ganho elevado, logo apresenta pequeno ngulo de abertura. So utilizados para enlaces de grandes distncias. Sua polarizao em geral linear e o ajuste obtido atravs do giro de 90 graus do alimentador e do refletor. Nas parablicas slidas, gira-se apenas o alimentador.0

-10

-20

-30

-40

-50

Painel Setorial Polarizao Vertical

G = 12,5 dBi G = 10,35 dBd

Plano Magntico

Plano Eltrico

-60

-70 -180

-150

-120

-90

-60

-30

0

30

60

90

120

150

180

ParbolasAs antenas parablicas podem ter refletores do tipo slido ou vazado. Quanto a sua posio de alimentao, pode ser do tipo focal point ou off-set. Existem vrios tipos de alimentao, mas o fundamental que o diagrama de irradiao do alimentador coincida com as bordas do refletor.Focal Point Off - Set

Relao de ganho para uma refletor parablicoGanho terico mximo para um refletor parablico:

(4. . A) G ( dB ) = 10 * log 2 (4. . A) G ( dB ) = 10 * log * 2

Ganho real:Refletor Parablico Refletor Parablico

G = Ganho em dBiAlimentador Ponto Focal Alimentador Ponto Focal Fora de Centro

A = rea do refletor em m2 = Comp. Onda em metros = Rendimento

Log - PeridicasConceito: Antena utilizada em servios onde necessitam uma grande largura de banda (BW). Consiste em vrios dipolos de tamanhos e distncias diferentes, onde no final, o conjunto ressona em uma largura de banda maior. Possuem um ganho inferior s yagis, quando comparadas pelo tamanho. So utilizadas em enlaces ponto a ponto. Seus diagramas de radiao so similares s yagis . Podem ser instaladas na polarizao vertical ou horizontal.

OmnidirecionaisAntena que irradia uniformemente no plano de azimute. Consiste em vrios dipolos empilhados e alimentados em fase. O ganho obtido com relao ao nmero de dipolos e a distncia entre eles.Nmero de dipolos 1 2 4 8 16 Ganho mdio 2,15 dBi 5,15 dBi 8,15 dBi 11,15 dBi 14,15 dBi

Comparao entre os Diagramas de duas OmnidirecionaisDiagrama de Irradiao no Plano Vertical (E)Omni 8 dBi90 120 60120

Influncia da Torre ou Mastro na Instalao de uma OmniO diagrama de irradiao das antenas omnidirecionais bastante prejudicado pela reflexo causada pelos elementos da torre ou mastro. Para minimizar este efeito, efetua-se a instalao distante da torre em 10 .

Omni 15 dBi90 60

Simulao30

150

30

150

180

-30

0

180

-30

0

-20 210 -10 330210

-20 330 -10

240

0 270

300

240

0 270

300

Patch AntenasAs antenas patch so confeccionadas em placas de circuito impresso. Sua principal aplicao para ambientes indoor, porm pode-se tambm ser usada ambientes outdoor. Contudo, protees extras contra intempries devem ser aplicadas, pois so muito mais sensveis umidade. Possui baixo custo de montagem, pois sua estrutura resume-se em uma placa, um conector, um refletor e o radome. Possui baixa eficincia de irradiao, pouca largura de banda e geralmente possuem ngulos de abertura pequenos.

Antena HelicoidalEstas antenas utilizam a polarizao circular So bastante comuns em utilizao na comunicao via satlite, pois no precisam ajuste de polarizao. Muito utilizada em GPS no controle de navegao, pois apresentam uma abertura compatvel com o ngulo do sinal incidente dos satlites.

Dimensionamento de um Enlace Ponto a PontoA partir do nvel mnimo de sinal exigido pelo receptor faz-se o somatrio das demais variveis, corrigindo-as sempre que for necessrio.

Comportamento da Potncia ao longo do percursoIndicao grfica da variao do nvel de potncia ao longo do percurso da OEM.Potncia (dB) Gt TX Pt Ao

Equao Geral

Rx = Tx Pt + Gt Ao + Gr Prd = distncia em metros

TX - Potncia de sada do rdio (dBm) Pt - Perda por atenuao no cabo coaxial (dB) Gt - Ganho da antena do transmissor (dBi) Gr - Ganho da antena do receptor (dBi) Pr - Perda por atenuao no cabo coaxial (dB) RX - Sensibilidade do receptor (dBm) Ao - Atenuao por espao livre (dB)

Gt Ao Pt TXTransmissor

Gr

Gr

Pr

RX

Pr RXReceptor

Percurso da Onda Eletromagntica

Atenuao de Espao LivreUma OEM propagado-se no espao sofre uma atenuao contnua. Ao nos afastarmos da fonte a mesma quantidade de energia distribuda em uma rea maior, diminuindo a densidade de potncia na regio. A atenuao de espao livre pode ser calculada pela expresso abaixo:

Elevao Terrestre e RadiovisibilidadeUma portadora pode tomar vrios caminhos entre as antenas que compe um rdio-enlace.

A2 A1

4. .D Ao(dB ) = 20. log Sentido de Propagao X

A C

B

Dependendo das caractersticas do meio, a OEM pode sofre desvios de percurso. A Sinal Refratado B Sinal Refletido C Sinal Difratado

d1 d2

D Distncia da fonte (m) - Comprimento de onda (m)Ao: Atenuao em espao livre (dB)

Difrao das ondas eletromagnticas devido a obstculosQuando uma onda eletromagntica limitada em seu avano por um objeto opaco que deixa passar apenas uma frao das frentes de onda, estas sofrem uma deflexo denominada difrao.Antena TransmissoraOnda Direta

Refrao atmosfrica das ondas eletromagnticasNo clculo de enlaces de microondas a trajetria da OEM sofre um encurvamento em direo ao solo, pela passagem atravs de um meio com ndice de refrao varivel com a altitude. Esta mudana de trajetria denomina-se refrao da OEM.

Trajetria da Onda Camadas da Troposfera

On da

Dif

rata d

a

Antena Receptora

Zona de sombra Obstculo

Uma nova onda composta pelos radiadores, com caractersticas de frentes de onda diferentes da onda original.

A trajetria desviada de forma que a onda percorra o traado de uma arco descendente.

Clculo do raio de FresnelO raio da seo reta circular da primeira zona de Fresnel em um ponto definido pelas distncias D1 e D2 a partir das antenas na trajetria da visada do rdio enlace pode ser calculado como se segue:Ponto A Rm Ponto C Ponto B

rm = 547

D1 .D2 f .d

D1 d

D2

rm = raio de Fresnel (m) D1 = Distncia AC (km) D2 = Distncia BC (km) d = Distncia do Enlace (km) f = Freqncia em MHz

Aplicao: Se o elipside de Fresnel estiver livre de obstrues

Verificar as obstrues da primeira zona e as perdas causadas pelas mesmas. propagao no espao livre.