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ESCOLA DE ENGENHARIA MAU INSTITUTO MAU DE TECNOLOGIA
ESTUDO DE IMPLEMENTAO DE ANTENAS DIRECIONAIS ESTILO CANTENNA EM
APLICAES EXTERNAS
Projeto premiado de Introduo Engenharia Eltrica/Eletrnica -
2013
TREVISAN DE SOUZA, V. L.; VAROTTI, J. L. G.; RIBEIRO, G. P.;
NOCHI, M. K.
07/12/2013
Relatrio referente ao projeto feito para a disciplina EFB-601
(Introduo Engenharia) Mdulo Eltrica no ano de 2013.
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EFB 601 - INTENG
Relatrio Final INTENG - Eltrica 1
ESTUDO DE IMPLEMENTAO DE ANTENAS DIRECIONAIS
ESTILO CANTENNA EM APLICAES EXTERNAS
Gustavo Pedreo Ribeiro
Joo Lucas Genoveze Varotti
Maurcio Kenji Nochi
Vincius Luis Trevisan de Souza Escola de Engenharia Mau
Grupo 3, Turma 3 e Equipe 1
Prof. Everson Denis
Resumo: O objetivo deste relatrio a apresentao dos experimentos
de implementao de
antenas direcionais estilo cantenna em comparao com antenas
omnidirecionais para a tecnologia Wi-Fi 2,4GHz. Foram feitos testes
comparativos de transmisso e repetio de
sinal. A antena foi otimizada priorizando o alcance em linha de
visada direta para
aplicaes em ambiente externo.
Palavras-chave: Cantenna, Wireless, Wi-Fi, Antenas,
Internet.
1. INTRODUO
Em aplicaes de comunicao sem fio um problema recorrente a
limitao do alcance das
antenas. Uma rea de cobertura maior implica numa reduo da
distncia de alcance,
causando perdas de dados, atenuao de sinal e outros fatores que
prejudicam a comunicao
de acordo com a distncia em que o usurio se encontra do ponto de
acesso, por isso, em
casos especficos que necessitam de distncias maiores um feixe
estreito e direcionado uma
soluo mais adequada.
Tratando-se desses casos, desenvolvemos uma antena de baixo
custo que direciona a energia
eletromagntica de forma a alcanar maiores distncias, embora sua
rea de cobertura seja
limitada ao feixe.
A antena foi feita em forma de lata com um monopolo,
configurando uma antena direcional.
Essa forma de antena popularmente conhecida como cantenna.
Com ela, fizemos testes de implementao em ambiente externo
usando-a como transmissora
e para repetio de sinal.
Os resultados mostraram que a nossa antena teve um desempenho
melhor do que as antenas
convencionais nos testes realizados.
2. REVISO BIBLIOGRFICA
As antenas so transmissores e receptores de sinal que funcionam
pela propagao de ondas
eletromagnticas. Dessa forma, esto sujeitas a atenuao,
impedncia, interferncia e outros
fenmenos de natureza eletromagntica e ondulatria. O captulo 2 do
livro WarDriving &
Wireless Penetration Testing (Syngress, 2007) explica de forma
rpida a teoria das antenas.
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EFB 601 - INTENG
Relatrio Final INTENG - Eltrica 2
As antenas que utilizamos seguem o padro IEEE 802.11, que
especifica antenas para
comunicao de mquinas automticas fixas, portteis ou mveis.
Informaes sobre o padro
podem ser encontradas no site da IEEE (Institute of Electrical
and Electronics Engineers).
O Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Rio de Janeiro
publicou o seminrio de
seu aluno Miguel Elias Mitre Campista sobre Propagao e antenas
aplicadas ao IEEE
802.11, que aborda os padres 802.11, as antenas para o padro e
as formas de propagao.
Nossa antena trabalha como um guia de onda, um tubo condutor
preenchido com material
dieltrico (o ar) que transmite energia eletromagntica em ondas.
O Prof. Dr. Walter Pereira
Carpes Junior disponibilizou no site do GRUCAD (Grupo de Concepo
e Anlise de
Dispositivos Eletromagnticos da Universidade Federal de Santa
Catarina) um artigo4 que
trata da propagao em Guias de Onda.
3. MATERIAIS E MTODOS
A antena (Figura 1) foi feita com um cano de alumnio de 73mm de
dimetro, fechado em
uma das extremidades e uma abertura na face onde um conector
tipo N foi colocado com um
monopolo de cobre.
Figura 1 - Cantenna
Para determinar, colocamos duas antenas yagi uma de frente para
a outra e apoiadas em trips
mesma altura com uma distncia de 2m entre as extremidades das
antenas. Conectando um
gerador de frequncia em uma e um analisador de espectro na outra
e estando ambos os
equipamentos configurados para trabalhar com 2,437GHz (canal 6)
e 1mW, medimos a
potncia recebida no analisador. Repetimos o procedimento com
nossa antena ligada ao
analisador de espectro e calculamos seu ganho quando polarizada
verticalmente ou
horizontalmente.
Alm do ganho, criamos os diagramas de radiao da cantenna, usando
a mesma preparao
do procedimento anterior e um transferidor de solo para
determinar a potncia recebida pela
nossa antena a cada 10 polarizada verticalmente e
horizontalmente.
De posse dessas informaes, realizamos os testes de transmisso e
de repetio de sinal. Em
ambos os testes utilizamos um notebook com compensao de
ganho.
No teste de transmisso posicionamos a cantenna conectada a um
roteador em um dos trips
no comeo de um corredor de 75m. Percorremos o corredor com um
notebook e marcamos a
potncia do sinal a cada 5m medida pelo software InSSIDer
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EFB 601 - INTENG
Relatrio Final INTENG - Eltrica 3
. Num primeiro momento a transmisso foi
feita por uma antena omnidirecional de 2,2dBi como controle e
depois repetimos o teste com
nossa antena.
No teste de repetio colocamos uma outra cantenna ligada em um
roteador conectado
internet como transmissora (Figura 2) e utilizamos um outro
roteador como repetidor de sinal.
Posicionamos os equipamentos em linha de visada direta a uma
distncia de 71m um do outro
e medimos a qualidade do sinal (com o software InSSider) e a
taxa de transmisso (com o
software WireShark ) em pontos de distncia conhecida.
Figura 2 Teste de Retransmisso
O teste foi feito em duas etapas: primeiro um teste de controle
com uma antena cantenna
transmitindo o sinal para uma antena omnidirecional de 2,2dBi no
roteador repetidor e outra
antena omnidirecional como retransmissora. Num segundo momento
utilizamos duas
cantennas em linha de visada direta entre a transmissora e a
repetidora, de modo a melhorar o
desempenho da comunicao entre os roteadores. Como
retransmissora, utilizamos tambm
uma antena omnidirecional.
As medies foram realizadas em mbito real, desconsiderando a
linha de visada direta entre
o ponto de acesso e o notebook.
O local escolhido foi o prprio campus, sem considerar as fontes
de interferncia e atenuao
do ambiente, justamente para verificar o funcionamento do
sistema em situaes cotidianas.
4. DADOS E RESULTADOS
O clculo das dimenses e posicionamento dos componentes da
cantenna foi feito segundo as
Equaes abaixo:
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EFB 601 - INTENG
Relatrio Final INTENG - Eltrica 4
(
)
(
)
Onde e so, respectivamente, a frequncia mnima e mxima de operao
da antena [GHz], a frequncia do canal [GHz], a velocidade da luz no
vcuo [mm/s], o dimetro da lata [mm], o comprimento de onda da luz
no vcuo [mm], o comprimento de onda mximo para que se obtenha a
frequncia mnima de operao da
antena e o comprimento de onda do guia de onda [mm].
O comprimento da cantenna deve ser
.
A frequncia de cada canal est representada na Tabela 1
Tabela 1 - Frequncia dos canais para
wireless 2,4GHz
Canal Freq GHz Canal Freq GHz
1 2,412 8 2,447
2 2,417 9 2,452
3 2,422 10 2,457
4 2,427 11 2,462
5 2,432 12 2,467
6 2,437 13 2,472
7 2,442
A antena ficou dimensionada conforme o Esquema 1.
Esquema 1 Dimensionamento da cantenna para o canal 6
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EFB 601 - INTENG
Relatrio Final INTENG - Eltrica 5
Como uma antena otimizada para o canal 1 teria aproximadamente
1,8m de comprimento,
preferimos trabalhar com o canal 6 (2,437GHz) pois, alm de ser
um canal comum, a antena
no seria to grande.
A lata serve como um guia de onda, conduzindo o sinal
eletromagntico por sua superfcie.
Dessa forma, quanto melhor a condutibilidade do material
empregado, menor a perda de sinal.
Imperfeies, rugosidades e amassados podem prejudicar muito o
sinal, portanto, deve-se
escolher uma lata o mais lisa possvel.
Com o equipamento pronto fizemos o clculo do ganho comparando
nossa antena com uma
yagi de ganho conhecido, segundo a Equao (N).
(
)
Onde a potncia da antena de referncia medida em dBi, a potncia
da antena de
referncia em watts, a potncia da cantenna medida em dBi, a
potncia da
cantenna em watts, o ganho da antena de referncia, em dBi e o
ganho da cantenna, em dBi.
As informaes foram includas na Tabela 2 e, com ela, obtivemos os
valores de ganho de
7dBi quando polarizada na vertical e de 5dBi quando polarizada
horizontalmente.
Tabela 2 Clculo dos ganhos
Polarizao Vertical Polarizao Horizontal
Ps -48 Ps -46
Ps(w) 1,58489E-05 Ps(w) 2,51189E-05
Gs 12 Gs 12
Pt -53 Pt -53
Pt(w) 5,01187E-06 Pt(w) 5,01187E-06
Gt 7 dBi Gt 5 dBi
Tambm criamos os diagramas de radiao da cantenna nas duas
polarizaes com potncia
recebida medida a cada 10. As informaes foram colocadas numa
planilha do Excel que
gerou os diagramas polar e retangular, conforme os Grficos 1, 2,
3 e 4.
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EFB 601 - INTENG
Relatrio Final INTENG - Eltrica 6
Grfico 1 Diagrama de radiao polar da cantenna Polarizao
Vertical
Grfico 2 Diagrama de radiao polar da cantenna Polarizao
Horizontal
-25
-20
-15
-10
-5
00
10 2030
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140150
160170180
190200210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320330
340350
-25
-20
-15
-10
-5
00
1020
3040
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140150
160170
180190
200210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320330
340350
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EFB 601 - INTENG
Relatrio Final INTENG - Eltrica 7
Grfico 3 Diagrama de radiao cartesiano da cantenna Polarizao
Vertical
Grfico 4 Diagrama de radiao cartesiano da cantenna Polarizao
Horizontal
Aps determinar as caractersticas da antena, realizamos os testes
de transmisso e repetio
de sinal.
-33
-30
-27
-24
-21
-18
-15
-12
-9
-6
-3
0
-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180
Po
tn
cia
(d
Bm
)
ngulo (Graus)
-18
-15
-12
-9
-6
-3
0
-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180
Po
tn
cia
(d
Bm
)
ngulo (graus)
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EFB 601 - INTENG
Relatrio Final INTENG - Eltrica 8
Fizemos o teste de transmisso comparando nossa antena a uma
antena convencional de
controle. As informaes esto na Tabela 3 que relaciona a potncia
recebida do sinal com a
distncia entre o utilizador e o ponto de acesso.
Tabela 3 Potncia do sinal em funo da
distncia
Distncia
(m)
Potncia (-dBm)
Controle Cantenna
0 34 21
5 50 50
10 50 50
15 50 50
20 50 50
25 60 55
30 60 60
35 60 50
40 60 60
45 70 60
50 70 60
55 60 60
60 60 55
65 60 50
70 60 50
75 60 50
A partir da Tabela 3, geramos o Grfico 5, que compara as duas
antenas.
Grfico 5 Comparao entre potncia do sinal em funo da distncia das
duas
antenas
No teste de repetio de sinal comparamos duas situaes de
comunicao sem fio entre os
roteadores, utilizando num primeiro momento uma antena de
controle e depois a cantenna. Os
0
10
20
30
40
50
60
70
80
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
P(-
dB
m) Controle
Cantenna
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EFB 601 - INTENG
Relatrio Final INTENG - Eltrica 9
dados geraram a Tabela 4 e os Grficos 6 e 7 que comparam a
potncia do sinal e a
velocidade de transmisso na repetio em funo da distncia em linha
reta entre o usurio e
o ponto de acesso.
Tabela 4 - Potncia do sinal e velocidade de transmisso na
repetio em funo da distncia.
Distncia do AP
Distncia do
repetidor
Potncia do sinal (dBm)
Velocidade de transmisso (Mb/s)
Controle Cantenna Controle Cantenna
71 0 -27 -27 0,345 0,345
93 22 -50 -50 0,068 0,295
130 59 -70 -66 0,315 0,236
143 72 -60 -61 0,118 0,184
164 93 -80 -80 0,043 0,188
206 135 -86 -87 0,049 0,094
Grfico 6 Comparao da potncia do sinal em funo da distncia
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
0 22 59 72 93 135
Controle
Cantenna
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Relatrio Final INTENG - Eltrica 1
0
Grfico 7 Comparao da velocidade de transmisso em funo da
distncia
Nos grficos a distncia medida em metros [m], a potncia do sinal
em dBm e a velocidade
de transmisso em megabits por segundo [Mb/s]
5. CONCLUSES
Com os dados obtidos, verifica-se que a cantenna obteve bons
valores de ganho e,
comparando com as antenas omnidirecionais, seu desempenho foi
melhor nos testes
realizados.
No teste de transmisso, mesmo utilizando um laptop com controle
de ganho para a
comunicao com a antena, a cantenna mostrou um desempenho igual
ou maior que a antena
omnidirecional comum em todos os pontos onde a medio foi
realizada e um desempenho
significativamente melhor com distncias maiores, atingindo o
objetivo de implementao em
reas externas de longa distncia.
No teste de repetio o desempenho da cantenna voltou a ser maior,
ainda que as variveis do
ambiente tenham influenciado muito a medio. A perda de pacotes
ao fazer a repetio com
cantennas foi significativamente menor e isso refletiu na
velocidade do sinal, mais uma vez
atingindo o objetivo.
Como o teste de repetio foi realizado em um ambiente no
controlado, seu resultado mostra
que o sistema funcionaria em situaes cotidianas, onde esto
presentes fontes de
interferncia, atenuao e outros fatores prejudiciais para o
sinal.
Dessa forma verifica-se que, para as aplicaes estudadas, a
cantenna uma escolha mais
eficiente do que as antenas omnidirecionais de mercado.
REFERNCIAS
1. Hurley, C; Rogers, R; Thornton, F; Connely, D; Baker, B;
Wardriving and Wireless Penetration Testing, Chapter 2, 2006,
Syngress
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0 22 59 72 93 135
Controle
Cantenna
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2. Institute of Electrical and Electronic Engineers. STD
802.11-2012. Disponvel em: . Acesso em 2/11/2012
3. Campista, M. E. M. Propagao e antenas aplicadas ao IEEE
802.11, 2003, GTA UFRJ, Disponvel em: Acesso em
07/08/2012.
4. Junior, W. P. C. Propagao em guias de onda. Disponvel em:
Acesso em 14/11/2012
IMPLEMENTATION STUDY FOR DIRECTIONAL ANTENNAS
CANTENNA STYLE IN EXTERNAL APPLICATIONS
Abstract: This reports objective is to present the experiment of
implementation of directional antennas cantenna style comparing to
omnidirectional antennas for Wi-Fi 2,4GHz technology. Comparative
transmission and repetition tests were made. The antenna was
optimized for maxing the line-of-sight range in external
applications.
Key-words: Cantenna, Wireless, Wi-Fi, Antennas, Internet.
