Componentes essenciais para uma comunicação Wireless Antenas, Cabos e Rádio-Enlace Uso permitido por Luciano Valente Franz luciano@computech.com.br distância Antena Antena Atmosfera Rádio Transmissor (Tx) Linha de Transmissão (LT) Antena Transmissora Meio de Propagação Antena Receptora Linha de Transmissão (LT) Rádio Receptor (Rx) TX=Transmissor Linha de Transmissão RX=Receptor CONCEITOS BÁSICOS – A ESCALA LOGARÍTMICA O que é o dB? O dB é uma escala usada para representar a relação entre duas potências. ONDAS ELETROMAGNÉTICAS - OEM Conceito: Perturbação física composta por um campo elétrico (E) e um campo magnético (H) variáveis no tempo, perpendiculares entre si, capaz de se propagar no espaço. Freqüência: número de oscilações por unidade de tempo (Hz). Velocidade de propagação: depende do meio onde a onda se propaga. A velocidade máxima de uma OEM é a velocidade da luz, 300.000 km/s, no vácuo. Comprimento de onda: distância percorrida pela onda durante um ciclo. É definido pela velocidade de propagação dividida pela freqüência. dB = 10 log P medida P referência λvácuo / ar ( m) = 300 f ( MHz ) A unidade de referência pode ser W, mW, µV, ou até o ganho de uma antena... Daí as derivações, como o dBW, dBm, dBi... P (mW ) dBm = 10 log medida 1mW 10P ( dBm ) 10= P(mW ) LINHAS DE TRANSMISSÃO É uma linha com dois ou mais condutores isolados por um dielétrico que tem por finalidade fazer com que uma OEM se propague de modo guiado. Esta propagação deve ocorrer com a menor perda possível. As linhas de transmissão podem ser construídas de diversas maneiras, cabos paralelos, pares trançados, microstrip, cabos coaxiais, guias de onda, etc. 5 - Antenas A abertura física de uma LT paralela que transporta uma OEM, proporciona uma variação senoidal de potencial (Volts) e de corrente (Amperes) nos condutores, provocando o aparecimento de linhas de campo magnético e elétrico variáveis em torno do dipolo formado, dando origem a uma onda eletromagnética que se propaga. d S Polarização de uma antena Planos de um diagrama de irradiação O diagrama de irradiação de uma antena, para ser melhor visualizado, é normalmente representado pela distribuição de energia nos planos elétrico e magnético, ditos Plano E e Plano H.
• • E, em física, é o símbolo da intensidade de campo elétrico H, em física, e o símbolo da intensidade de campo magnético Diagrama de Irradiação Diagrama de irradiação é representação gráfica da forma como energia eletromagnética se distribui no espaço. Diagrama de Irradiação de Uma Antena Os resultados obtidos são geralmente normalizados. Ao máximo sinal recebido é dado o valor de 0 dB, facilitando a interpretação dos lóbulos secundários e relação frente-costas. 120 60 O diagrama pode ser obtido tanto pelo deslocamento de uma antena de prova em torno da antena que se está medindo, como pela rotação desta em torno do seu eixo, enviando os sinais recebidos a um receptor capaz de discriminar com precisão a freqüência e a potência recebidas 180 -30 0 -20 Diagrama de irradiação, a curva em azul representa energia irradiada em cada direção em torno da antena. -10 240 0 300 Formas de Visualização dos diagramas de Radiação diagrama de irradiação na forma tridimensional Permite-nos visualizar a distribuição espacial de toda a potência envolvida. Formas de Visualização dos diagramas de Radiação diagrama de irradiação na forma polar 90 120 60 Fáceis de interpretar, os lóbulos são identificados pelo ângulo e amplitude. O lóbulo principal define os ângulos de ½ potência e o máximo ganho. A análise 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 Visualização dos diagramas de Radiação diagrama de irradiação na forma retangular 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -180 -120 -60 0 60 120 180 Ângulos de meia potência (-3dB) Os ângulos de meia potência são definidos pelos pontos no diagrama onde a potência irradiada equivale à metade da irradiada na direção principal. Estes ângulos definem a abertura da antena no plano horizontal e no plano vertical.
-3 dB = 50% Potência
No exemplo temos: ao lado 120 60 - 3 dB Usual nas antenas de alto ganho, onde a pequena abertura do lóbulo principal compromete a interpretação do diagrama de irradiação polar. Ganho Normalisado 180 -120 Ângulo de –3dB = 55° ângulo 240 -6 0 300 - 3 dB Diretividade de uma antena É a relação entre o campo irradiado pela antena na direção de máxima irradiação e o campo que seria gerado por uma antena isotrópica que recebesse a mesma potência. Ganho O ganho pode ser entendido como o resultado da diretividade menos as perdas. Matematicamente, é o resultado do produto da eficiência pela diretividade. A diretividade de uma antena define sua capacidade de concentrar a energia irradiada numa determinada direção. G = η.D G = Ganho D = Diretividade η = Eficiência E D = máx EISO Emáx: Energia da antena em estudo. EISO: Energia da antena isotrópica. A eficiência de uma antena, diz respeito ao seu projeto eletromagnético como um todo, ou seja, são todas perdas envolvidas (descasamento de impedância, perdas em dielétricos, lóbulos secundários...). Normalmente está na faixa de 90% a 95%. Largura de banda (BW) Largura de banda é o intervalo de freqüência a qual a antena deve funcionar satisfatoriamente, dentro das normas técnicas vigentes a sua aplicação. dBd versus dBi O radiador isotrópico é um modelo idealizado, seu diagrama de irradiação é uma esfera com densidade de potência uniforme. Um dipolo de meia onda em espaço livre apresenta um ganho de 2.15 dBi, ou seja, possui uma capacidade de concentrar 2.15 dB a mais na sua direção de máxima irradiação quando comparado à antena isotrópica. Ao referenciar-se o ganho de uma antena temos: Ao radiador isotrópico usa-se a unidade dBi. Ao dipolo de meia onda, usa-se a unidade dBd. G BW f f1 f2 dBi = dBd + 2,15 Ganho (dipolo λ/2) = 0 dBd Ganho (dipolo λ/2) = 2.15 dBi Espera-se que uma antena possua todas as características especificadas pelo fabricante, iguais ao longo de sua banda de operação, ganho, impedância, VSWR, RFC, Nível de lóbulos secundários, etc. Antenas - Diagramas de irradiação típicos algumas estruturas usuais Antenas - Diagramas de irradiação Dipolo de Meia onda Tipo de Antena Diagrama Tridimensional Diagrama Vertical ou de Elevação Diagrama Horizontal ou de Azimute Tipo de Antena Diagrama Tridimensional Diagrama Vertical ou de Elevação Diagrama Horizontal ou de Azimute Irradiador Isotrópico G = 0 dBi G = - 2,15 dBd Plano Elétrico Plano Magnético Dipolo de Meia Onda G = 2,15 dBi
G = 0 dBd Plano Elétrico Plano Magnético Omnidirecional de 6 dipolos Tipo de Antena Diagrama Tridimensional Diagrama Vertical ou de Elevação Diagrama Horizontal ou de Azimute Cálculo da potência efetivamente irradiada (ERP) ERP = PT (dB) + GT (dB ) − p(dB) A Potência ERP é a potência realmente irradiada pela antena. • PT(dB): Potência em dB do transmissor • GT(dB): Ganho em dBi da antena • P(dB): perda por atenuação do cabo coaxial Omnidirecional de seis dipolos G = 9,5 dBi G = 7,35 dBd Plano Elétrico Plano Magnético Tipos de Antenas Yagi Painel Setorial Omnidirecional Parábolas Antenas Patch Log – Periódicas Helicoidal
Yagis Conceito: Antena direcional composta de um refletor (simples ou grade) um dipolo (simples ou dobrado) e vários diretores. Pode ser instalada na pol. vertical ou horizontal. As yagis de freqüências acima de 1.5GHz necessitam o uso de radome, para proteção da água da chuva. São utilizadas geralmente em sistemas ponto a ponto, porém as yagis de três elementos possuem um ângulo de abertura de até 120 graus, possibilitando seu uso em sistemas ponto - multiponto. Número de elementos 3 elementos 7 elementos 11 elementos 25 elementos ou mais
Ganhos Médios
6 – 8 dBi
9,5 – 12 dBi
13 – 15 dBi
15,5 – 17,2 dBi Yagi de 5 Elementos e Grade Refletora Tipo de Antena Diagrama Tridimensional Diagrama Vertical ou de Elevação Diagrama Horizontal ou de Azimute Painéis Setoriais Definição: Antena composta um conjunto alimentados em fase, e uma chapa refletora. de dipolos Utilização: para enlaces ponto – multiponto, onde o ângulo de abertura da antena, atende a uma determinada região . O ganho e o ângulo de abertura de um painel depende do número de dipolos, das dimensões da chapa refletora, da distância entre os dipolos e sua eficiência na alimentação dos dipolos, que muitas vezes, torna-se bastante complexa. Podem ser construídos com dipolos na pol. vertical, horizontal, ou 45 graus. Yagi de 5 elementos G = 8 dBi G = 5,85 dBd Plano Magnético Plano Elétrico Painel Setorial de 4 dipolos na vertical Tipo de Antena Diagrama Tridimensional Diagrama Vertical ou de Elevação Diagrama Horizontal ou de Azimute
Parábolas Consiste em uma antena (alimentador) que ilumina um refletor parabólico que reirradia essa energia na direção de máximo ganho. Seu ganho é elevado, logo apresenta pequeno ângulo de abertura. São utilizados para enlaces de grandes distâncias. Sua polarização em geral é linear e o ajuste é obtido através do giro de 90 graus do alimentador e do refletor. Nas parabólicas sólidas, gira-se apenas o alimentador. Painel Setorial Polarização Vertical G = 12,5 dBi G = 10,35 dBd Plano Magnético Plano Elétrico -60 -70 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 Parábolas As antenas parabólicas podem ter refletores do tipo sólido ou vazado. Quanto a sua posição de alimentação, pode ser do tipo focal point ou off-set. Existem vários tipos de alimentação, mas o fundamental é que o diagrama de irradiação do alimentador coincida com as bordas do refletor.
Focal Point Off - Set
• Ganho real: Refletor Parabólico Refletor Parabólico G = Ganho em dBi Alimentador Ponto Focal Alimentador Ponto Focal Fora de Centro A = Área do refletor em m2 λ= Comp. Onda em metros η = Rendimento Log - Periódicas Conceito: Antena utilizada em serviços onde necessitam uma grande largura de banda (BW). Consiste em vários dipolos de tamanhos e distâncias diferentes, onde no final, o conjunto ressona em uma largura de banda maior. Possuem um ganho inferior às yagis, quando comparadas pelo tamanho. São utilizadas em enlaces ponto a ponto. Seus diagramas de radiação são similares às yagis . Podem ser instaladas na polarização vertical ou horizontal. Omnidirecionais Antena que irradia uniformemente no plano de azimute. Consiste em vários dipolos empilhados e alimentados em fase. O ganho é obtido com relação ao número de dipolos e a distância entre eles. Número de dipolos e Ganho médio 1 = 2,15
2 = 5,15 dB
4 = 8,15 dBi 8 = 11,15 dBi 16 = 14,15 dBi Comparação entre os Diagramas de duas Omnidirecionais Diagrama de Irradiação no Plano Vertical (E) Omni 8 dBi 90 120 60 120 Influência da Torre ou Mastro na Instalação de uma Omni O diagrama de irradiação das antenas omnidirecionais é bastante prejudicado pela reflexão causada pelos elementos da torre ou mastro. Para minimizar este efeito, efetua-se a instalação distante da torre em 10λ . Omni 15 dBi 90 60 Simulação 30 150 30 150 180 -30 0 180 -30 0 -20 210 -10 330 210 -20 330 -10 240 0 270 300 240 0 270 300 Patch Antenas As antenas patch são confeccionadas em placas de circuito impresso. Sua principal aplicação é para ambientes indoor, porém pode-se também ser usada ambientes outdoor. Contudo, proteções extras contra intempéries devem ser aplicadas, pois são muito mais sensíveis à umidade. Possui baixo custo de montagem, pois sua estrutura resume-se em uma placa, um conector, um refletor e o radome. Possui baixa eficiência de irradiação, pouca largura de banda e geralmente possuem ângulos de abertura pequenos. Antena Helicoidal Estas antenas utilizam a polarização circular São bastante comuns em utilização na comunicação via satélite, pois não precisam ajuste de polarização. Muito utilizada em GPS no controle de navegação, pois apresentam uma abertura compatível com o ângulo do sinal incidente dos satélites. Dimensionamento de um Enlace Ponto a Ponto A partir do nível mínimo de sinal exigido pelo receptor faz-se o somatório das demais variáveis, corrigindo-as sempre que for necessário. Comportamento da Potência ao longo do percurso Indicação gráfica da variação do nível de potência ao longo do percurso da OEM. Potência (dB) Gt TX Pt Ao Equação Geral Rx = Tx − Pt + Gt − Ao + Gr − Pr d = distância em metros TX - Potência de saída do rádio (dBm) Pt - Perda por atenuação no cabo coaxial (dB) Gt - Ganho da antena do transmissor (dBi) Gr - Ganho da antena do receptor (dBi) Pr - Perda por atenuação no cabo coaxial (dB) RX - Sensibilidade do receptor (dBm) Ao - Atenuação por espaço livre (dB) Percurso da Onda Eletromagnética Atenuação de Espaço Livre Uma OEM propagado-se no espaço sofre uma atenuação contínua. Ao nos afastarmos da fonte a mesma quantidade de energia é distribuída em uma área maior, diminuindo a densidade de potência na região. A atenuação de espaço livre pode ser calculada pela expressão abaixo: Elevação Terrestre e Radiovisibilidade Uma portadora pode tomar vários caminhos entre as antenas que compõe um rádio-enlace. Sentido de Propagação X Dependendo das características do meio, a OEM pode sofre desvios de percurso.
• A – Sinal Refratado • B – Sinal Refletido • C – Sinal Difratado D – Distância da fonte (m) λ - Comprimento de onda (m) Ao: Atenuação em espaço livre (dB) Difração das ondas eletromagnéticas devido a obstáculos Quando uma onda eletromagnética é limitada em seu avanço por um objeto opaco que deixa passar apenas uma fração das frentes de onda, estas sofrem uma deflexão denominada difração. Antena Transmissora Onda Direta Refração atmosférica das ondas eletromagnéticas No cálculo de enlaces de microondas a trajetória da OEM sofre um encurvamento em direção ao solo, pela passagem através de um meio com índice de refração variável com a altitude. Esta mudança de trajetória denomina-se refração da OEM. Trajetória da Onda Camadas da Troposfera Onda Difrata da Antena Receptora Zona de sombra Obstáculo Uma nova onda é composta pelos radiadores, com características de frentes de onda diferentes da onda original. A trajetória é desviada de forma que a onda percorra o traçado de uma arco descendente. Cálculo do raio de Fresnel O raio da seção reta circular da primeira zona de Fresnel em um ponto definido pelas distâncias D1 e D2 a partir das antenas na trajetória da visada do rádio 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 = Distância AC (km) D2 = Distância BC (km) d = Distância do Enlace (km) f = Freqüência em MHz Aplicação: • Se o elipsóide de Fresnel estiver livre de obstruções
• Verificar as obstruções da primeira zona e as perdas causadas pelas mesmas. propagação no espaço livre. |
Modo Linear
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