antenas PARA COMUNICAÇÕES MÓVEIS
Download
Report
Transcript antenas PARA COMUNICAÇÕES MÓVEIS
Introdução
Os
sistemas de Comunicação sem fio são
os mais promissores no mercado
brasileiro atual.
A inserção de novas tecnologias como o
WLL e o sistema Iridium, bem como em um
futuro bem próximo os sistemas PCS
prometem aquecer nosso mercado ainda
mais.
Definição de Antenas
São dispositivos passivos que permitem:
• Na transmissão:
– transdução de corrente elétrica variável no tempo
em campo eletromagnético.
• Na recepção:
– transdução de campo eletromagnético
corrente elétrica variável no tempo
em
Circuitos equivalentes em TX e RX
* Expressões para antenas devidamente casadas
Parâmetros para
Especificação de uma Antena
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Faixa de Freqüências
Ganho
Abertura de Feixe
Polarização
Potência Máxima de Entrada
Dimensões
Relação Frente-Costas
VSWR
Carga de Vento
Etc...
Faixa de Freqüências
Uma
antena é projetada de acordo com a
faixa de freqüências dos sinais que por ela
serão transmitidos e/ou recebidos.
Exemplos de alguns serviços móveis e suas
respectivas faixas de freqüência :
• Telefonia Celular no Brasil (824 a 894 MHz)
• Sistema Trunking no Brasil (900 MHz)
» Em alguns países (806 a 860 MHz)
• PCS (1800 MHz ou 1900 MHz)
» Dependendo do país
• WLL (3500 MHz)
Faixa de Freqüências
Bandas da Telefonia Móvel Celular :
Banda A
Faixa de recepção : 824 - 835 / 845 - 846.5 MHz
Faixa de transmissão : 869 - 880 / 890 - 891.5 MHz
Banda B
Espectro de recepção : 835 - 845 / 846.5 - 849 MHz
Espectro de transmissão : 880 - 890 / 891.5 - 894 MHz
Conceito - Ganho de Antena
Antenas são dispositivos passivos, portanto não produzem
potência.
O ganho é um conceito estritamente relativo.
É a relação entre as potências irradiadas por uma antena
qualquer e uma antena de referência, a uma dada direção
O conceito de ganho é aplicado tanto para a transmissão
quanto para a recepção.
Regiões do diagrama de irradiação com maior densidade
de potência, e outras com densidades de potência nulas (
diretividade ).
ERP - Potência irradiada com referência ao dipolo - [dBd]
EIRP - Potência irradiada com referência à antena
isotrópica - [dBi ]
Antenas de Referência
Antena Isotrópica :
Dipolo de meia-onda :
•Utilizada como referência nas
freqüências de 1000 MHz e acima.
•Utilizado como referência nas
freqüências abaixo de 1000 MHz.
GDIPOLO = GISOTRÓPICA + 2,15 dB
Ilustração do Ganho
Diagrama de Irradiação
É a representação gráfica da equação que descreve a
irradiação da antena nos vários planos de interesse.
• Plano H : É o plano horizontal ou azimutal.
• Plano E : É o plano vertical ou de elevação
Poder ser representado em coordenadas cartesianas ou
polares.
• As coordenadas polares são mais usuais.
Características de irradiação mais importantes mostradas
pelo diagrama de irradiação da antena :
•
•
•
•
•
Lóbulo principal (diretividade) e lóbulos secundários (indesejados).
Abertura de feixe ( indicada pelos pontos de -3 dB do lóbulo principal ).
Relação Frente-Costas.
Pontos de irradiação mínima e pontos de nulo.
Pontos de -6 dB, -10 dB do lóbulo principal,
Diagrama de Irradiação
Classe de Potência
As
estruturas mecânicas de uma antena
são preparadas de acordo com a classe de
potência que as mesma irão suportar.
Desta forma, antenas utilizadas em
ambiente Indoor trabalham com uma
potência menor e são menores que as
antenas Outdoor.
Relação Frente Costas
Indica
a relação entre o nível do sinal na
direção máxima de irradiação e o nível do
sinal na direção oposta ao lóbulo principal.
Em
ambientes desobstruídos possui
valores típicos de 10 dB (antenas
setorizadas 120º).
No ambiente rádio-móvel o valor diminui
devido à presença de obstáculos.
Relação Frente Costas
VSWR
• Costuma-se especificar uma largura de faixa dentro da
qual o coeficiente de onda estacionária - VSWR - na linha
fique limitado a um valor máximo admitido.
Aplicações em Sistemas Móveis
As
antenas podem possuir diversas
configurações e formatos, visando atender
às necessidades de performance exigidas
pelos sistemas em que serão utilizadas.
Para as comunicações móveis podemos
citar dois grupos básicos de antenas :
• Antenas Indoor
• Antenas Outdoor
Tipos de Antenas Indoor
Antena Omnidirecional
Antena Bidirecional
Antena de Canto
Antena Painel
Antena Yagi
Antena Log-periódica
Antenas para Comunicações Móveis
A
diferenciação entre estas antenas está
relacionada basicamente com:
•
•
•
•
O diagrama de irradiação
A faixa de freqüências de operação
A classe de potência
Diretividade
Antena Omnidirecional Indoor
Possui
como elemento transdutor um
monopolo vertical.
É geralmente utilizada em ambientes
internos com dimensões simétricas a
partir de um ponto central (local
instalação).
» Ganho aproximado = 1,5 dBi
Antena Omnidirecional Indoor
Antena Bidirecional Indoor
Utilizada para prover cobertura de sinal em
ambientes
cujas
dimensões
se
assemelhem a corredores.
Seu elemento irradiante é o monopolo
vertical.
» Ganho aproximado = 2 dBi
Antena Bidirecional Indoor
Antena de Canto Indoor
Possui um diagrama de irradiação propício
para instalações em corner.
Ambientes internos de grandes dimensões
em formato tipo retangular podem ser
atendidos com duas antenas desse tipo
instaladas em sua diagonal.
» Ganho aproximado entre 2 e 5 dBi
Antena de Canto Indoor
Antena Painel Indoor
Possui
um perfil baixo e é constituída
internamente por um monopolo vertical.
É geralmente utilizada para prover sinal em
ambientes de grandes dimensões como
praças de alimentação em shoppings, etc.
» ganho aproximado = entre 5 e 10 dBi
Antena Painel Indoor
Antena Yagi Indoor
Esse
tipo de antena é formado por dipolos
que guiam por indução o sinal irradiado
pelo elemento “vivo” da antena.
É utilizada para cobertura de ambientes
com
grandes
extensões
como
estacionamentos e túneis.
» Ganho Aproximado > 10 dBi
Antena Yagi Indoor
Tipos de Antenas Outdoor
Antena Painel de Dipolos
Antena Omnidirecional
Antena Yagi-Uda
Antena Log-periódica
Antenas Inteligentes (Smart Antennas)
Antenas Veiculares
Antena Painel de Dipolos
É formada por redes de dipolos alimentados por
correntes adequadamente defasadas.
Visa a cobertura setorizada de sinal.
Valores de ângulos de abertura de feixe típicos
de 60, 90 e 120
Outros valores de abertura de feixe podem ser
solicitados ao fabricante.
As arrays, como são chamadas estas redes,
permitem a obtenção de uma maior eficiência
eletromagnética.
» Ganhos típicos = entre 10 e 20 dBi
Antena Painel de Dipolos
Antena Omnidirecional Outdoor
Utilizada em Omnicélulas
Cobertura omnidirecional no plano H.
É
formada internamente por um conjunto
colinear de dipolos e seu ganho é igual a
aproximadamente o número de dipolos da
rede.
» Ganho aproximado = número de dipolos ( 0 a 17 dbd )
Antena Omnidirecional
Antena Yagi Externa
Comumente
utilizada para prover sinal em
ambientes
externos
como
estacionamentos e calçadas de grande
movimento de usuários para o sistema.
» Ganho aproximado = acima de 10 dBi
Antena Yagi Externa
Smart Antennas
São redes de antenas direcionais controladas por fase.
Principais características :
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Adaptação dinâmica às variações do canal rádio-móvel.
Utilização de técnicas DSP com chips de alta velocidade.
Proteção contra o fading por multi-percursos.
Utilização de técnicas inovadoras de redes de antenas.
A rede é tratada como um filtro espacial digital.
Combinação simultânea de técnicas de diversidade e equalização.
Possui diagrama de irradiação adaptativo.
Utilização de algoritmos avançados para o controle da irradiação.
Alta performance de cobertura de sinais.
Redução de interferências pelo controle de nulos ( Adaptative Nulling ).
Possui sistemas precisos de calibração e amplificadores lineares.
Aumento da eficiência espectral pela técnica SDMA.
Smart Antennas - Adaptative Nulling
Controle dos pontos de nulos do diagrama da rede, com o objetivo de
se eliminar a irradiação em regiões indesejadas.
Já foram obtidos resultados práticos bastante satisfatórios com a
técnica “CLEAN”.
Características da técnica CLEAN :
Permite o controle de um número aproximado de nulos igual ao número de
elementos da rede.
Não exige elevada performance de DSP, o que permite a realização de
aplicações em tempo real.
Sua eficiência de funcionamento diminui à medida que se aumenta o número
de nulos a serem controlados.
Smart Antennas - Circular Ring Arrays
É uma rede de antenas em anel circular.
Seu lóbulo de irradiação é perpendicular ao plano do anel e simétrico
em todos os planos que passam através do eixo do anel.
Utiliza-se de métodos de sintetização de campo com DSP.
Formada por antenas microstrip e pedaços de guias de onda .
Alta eficiência de eliminação dos lóbulos secundários da rede.
Antenas Veiculares
Tem a finalidade de melhorar a eficiência
do aparelho móvel quando utilizado no
interior de veículos. São constituídas por
monopolos verticais instalados nos capôts,
calhas, porta-malas ou vidros dos veículos.
Antena Veicular
Antena do Móvel
Tipicamente
essas
antenas
são
constituídas por monopolos verticais.
Para os móveis de comunicação com
sistema via satélite como o Iridium,
configurações mais complexas são
exigidas.
Antenas WQHA
(Wire Quadrifilar Helix Antennas )
• Polarização circular
•BW = 220 MHz
•Tamanhos bastante
reduzidos ( estética ).
•Comunicações
móveis via satélite
• Funcionamento dual
nos sistemas GSM e
ICO (satélite)
• ICO : S-band
( 1980-2010 MHz,
2170-2200 MHz )
Antena WQHA
Para o funcionamento DUAL no sistema terrestre GSM e no
sistema satélite ICO, as fases das correntes de alimentação das
hélices da antena devem ser modificadas.
Arrays de Antenas
Formados pela associação de diversas antenas colocadas próximas
umas das outras e alimentadas por correntes de RF com amplitudes e
fases adequadas.
Possibilidade de modificações do diagrama de irradiação.
Aumento de eficiência na diretividade, eliminação de lóbulos
indesejados, etc.
Pelo ajuste das amplitudes de das fases das correntes de alimentação
é possível a escolha de direções preferenciais de máxima irradiação
ou irradiação nula.
Exemplos de arrays em comunicações móveis :
Antena painel de dipolos
Antena omnidirecional
Smart Antennas,
Etc.
Método da Multiplicação de Diagramas
A expressão que calcula o valor do campo irradiado por uma rede de
antenas é formada por dois termos que se multiplicam :
1º Termo : Fator Espacial da Rede - É o diagrama de campo irradiado por uma
rede de antenas isotrópicas.
2º Termo : Diagrama individual de um único elemento da rede.
Na rede colinear de dipolos, os elementos são alimentados por
correntes de mesma amplitude e a diferença de fase entre dois
elementos é constante.
Polarização de Antenas
Indica a orientação do campo elétrico da onda eletromagnética.
A antena de RX deve possuir a mesma polarização de TX para que
haja uma máxima interceptação de energia irradiada.
Tipos mais comuns :
• Lineares : Horizontal e Vertical.
• Circular e Elíptica : Satélite communications.
• Diagonal : +45º e -45º.
A polarização VERTICAL é a mais usual em Wireless.
No canal rádio-móvel o sinal irradiado é despolarizado em vários
ângulos ( “clutter” ).
• Isto não causa perdas significativas nos sistemas celulares.
• Em microondas a despolarização causa perdas de aprox. 20 dB.
Polarização típica da antena do aparelho móvel : 45º.
• Perdas de 6 dB nas antenas de RX da ERB, quando existe somente
recepção na vertical.
Diversidade de Polarização
Referência Básica : Paper May, 1995 - TURKMANI
• IEEE - Vehicular Technology Transactions
Recepção do sinal pela ERB feita em duas polarizações.
• 45º ou V e H
Em ambientes urbanos, possui uma eficiência comparável à
diversidade espacial :
• Ganhos de 3.0 a 5.2 dB
• Múltiplas reflexões do sinal transmitido pelo móvel ( “clutter” ).
• Móvel inclinado a 45º aumenta a performance
Duas antenas diferentemente polarizadas (V-H ou Cruzada) são
construídas dentro de um único RADOME.
• Melhoria estética das ERB’s.
• Os sinais que chegam
descorrelacionados.
à
antena
estão
A transmissão é feita pelos elementos VERTICAIS.
suficientemente
Diversidade de Polarização
Diversidade Espacial
Duas antenas de recepção são utilizadas na ERB e
separadas de uma distância tal que os sinais que
chegam a cada uma delas estejam o máximo
descorrelacionados possível.
Permite um ganho em torno de 3 a 5 dB na recepção.
A distância entre as duas antenas varia em torno de 10
vezes o valor do comprimento de onda do sinal.
Outros estudos também indicam que a distância entre
as antenas poderá ser a altura da torre divido por 11
(Lee)
Não faz sentido utilizar a diversidade na transmissão.
Não se utiliza a diversidade na antena do telefone móvel
por limitações físicas de construção.
Considerações de Instalação das Antenas
Alguns quesitos básicos devem ser analisados no processo
de instalação das antenas, para que seu funcionamento e
performance não fiquem comprometidos.
Proteção contra descargas elétricas atmosféricas.
As estruturas da antena devem estar completamente aterradas.
Obstruções no campo irradiado
Cuidados com obstáculos nos campos próximos e distantes.
Cuidados com antenas montadas na região campo próximo ou na
região do lóbulo principal de outra antena.
Isolação elétrica entre as antenas instaladas na torre
Distância boa de isolação : 10. ( 3,5 metros em 850 MHz )
Para evitar intermodulações, interferências, etc.
Considerações de Instalação das Antenas
Downtilt
Custo de instalação para diversas configurações de ERB.
Vedação dos pontos de conexão de cabos e jumpers contra
entrada de água
Para se evitar a atenuação por umidade no cabo.
Casamento total de impedâncias em todo o sistema
Correto clampeamento dos cabos que sobem a torre
Suporte do peso do cabo
Resistência à vibração causada por ventos
Correta escolha dos ângulos de azimute e elevação.
Sistema de Conexão da Antena
Configuração de Instalação Setorizada
Configuração de Instalação Setorizada
DOWNTILT
É a inclinação angular do lóbulo principal de irradiação da
antena no plano E ( de elevação ) feita para acima ou para baixo
da referência de 0º.
Objetivos do downtilt :
Redução de interferências co-canais em co-células
Concentração da irradiação da antena somente na célula de serviço,
Prover cobertura de sinal nas regiões próximas à antena.
Posicionar os pontos de nulos de irradiação do plano vertical da antena em
regiões onde não há necessidade de cobertura eficiente.
Cuidados com o downtilt :
Combinar o diagrama E com os pontos de cobertura dentro da célula.
Verificar onde cairão os pontos de nulo na área de cobertura.
Escolher uma antena com baixo ganho e elevada abertura de feixe na vertical
quando se tem muitos pontos verticais para serem cobertos,
Prestar especial atenção ao se fazer downtilt em antenas que possuem o
diagrama vertical muito fragmentado.
DOWNTILT
Tipos de Downtilt
Tilt Mecânico :
Tilt Elétrico :
•Para células setorizadas
• É feito mudando-se as
fases das correntes de
alimentação do array.
• É utilizado em Omnicells
• Diagrama toma o formato
de um guarda-chuva
• Valores de 0 a 10º
Ferramenta de Alinhamento
Considerações de Escolha das Antenas
Observar em mínimos detalhes as informações contidas no catálogo do
fabricante.
Cuidado com diagramas de irradiação que mudam significativamente com a
variação da freqüência. Isto pode levar à ocorrência de uptilts ou downtilts
residuais.
Suspeite quando o diagrama de irradiação apresentado no manual do fabricante
for muito perfeito, simétrico e sem deformações.
Faça as suas próprias medidas de perda de retorno.
A antena possui boa resistência física e elétrica contra as intempéries climáticas
? (descargas elétricas, ventos, umidade, corrosão, etc.)
Peça informações para outras pessoas que já utilizaram uma determinada antena
que é de seu interesse.
As arrays colineares alimentadas no centro possuem menor dependência da
freqüência.
Agradecimentos
Aos professores, pais e amigos que nos
acompanharam durante todo este
processo de formação acadêmica superior
e principalmente aos futuros engenheiros
formandos da turma de Julho de 1999 !
Agüenta que falta pouco P10 !!!!!!