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
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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 :
•
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•
•
•
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 :
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•
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 !!!!!!