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 em corrente elétrica variável no tempo

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 ]

GDIPOLO = GISOTRÓPICA + 2,15 dB Antenas de Referência Antena Isotrópica : Utilizada como referência nas freqüências de 1000 MHz e acima. Dipolo de meia-onda : 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 à antena estão suficientemente descorrelacionados. A transmissão é feita pelos elementos VERTICAIS. Para isto utiliza-se um DUPLEXER.

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 Tilt Elétrico : 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.

Agüenta que falta pouco P10 !!!!!! 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 !!!!!!