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C a p í t u l o 6
TEORIA DE ANTENAS
Este Capítulo tem por objetivo apresentar sucintamente a teoria e os aspectos de antenas
que constituem fator de projeto em sistemas de comunicação móvel celular.
6.1 Antenas
O conhecimento das características das antenas é fator determinante no projeto de sistema. Apresentamos a seguir os tipos de antenas utilizadas em sistemas de comunicação móvel.
A antena é um dispositivo transdutor de energia elétrica em energia eletromagnética e vice- versa e que pode ser qualquer estrutura de material condutor que suporte uma corrente elétrica. Variando a corrente elétrica com o tempo, esta estrutura irradiará uma onda electromagnética. Na verdade sua estrutura pode ser projetada para irradiar eficientemente com certas características desejáveis como polarização, ganho e frequência central e largura de faixa. Caso a antena não for corretamente planejada pode levar outros elementos condutores a irradiarem também, levando a interferência no sinal transmitido.
Uma antena deve transferir potência eficientemente, a maior possível e com o mínimo de perdas. Logo sua impedância deve casar com a da linha de transmissão e os materiais devem dissipar o mínimo de calor. Diferentes antenas também podem ser combinadas a fim de irradiarem em direções especificas diminuindo o efeito de qualquer interferência.
Figura 6.1: Antena Log-Periódica
6.1.1 Espectro Eletromagnético
Na verdade as antenas devem ser projetadas para trabalharem em uma determinada faixa do espectro eletromagnético em trono de uma frequência central. O espectro eletromagnético é dividido em faixas de frequência que possuem características específicas de propagação.
Temos que a relação entre frequência e comprimento de onda é dada por λ = c / f , onde λ é
o comprimento de onda em metros, f é a frequência em Hertz , e c é a velocidade da luz no vácuo (30 x 10^8 m/s). Assim é fácil perceber que aplicações a frequência mais baixas necessitam de antenas de maior comprimento para que a oscilação de corrente neste material condutor deve abranger pelo menos metade se seu comprimento. Desta forma classificamos as faixas de frequência como mostrado na Tabela 6.1.
FAIXA DE FREQUÊNCIA COMPRIMENTO DE ONDA DESIGNAÇÃO DA FAIXA 30 Hz 300 Hz 10.000 Km 1.000 Km ELF – Extremely Low Freq. 300 Hz 3 KHz 1.000 Km 100 Km ELF - Extremely Low Freq. 3 KHz 30 kHz 100 Km 10 Km VLF - Very Low Frequency 30 KHz 300 kHz 10 Km 1 Km LF - Low Frequency 300 KHz 3 MHz 1 Km 100 m MF - Medium Frequency 3 MHz 30 MHz 100 m 10 m HF - High Frequency 30 MHz 300 MHz 10 m 1 m VHF - Very High Frequency 300 MHz 3 GHz 1 m 10 cm UHF - Ultra High Frequency
Potência Irradiada (W)
Representa a potência irradiada que cruza uma superfície S e é calculada por
W = (^) ∫ ∫ P. dS ( 6.1 )
Campo Próximo Indutivo
É a região imediatamente em torno da antena onde o campo indutivo predomina.
Campo Próximo Radiante
É a região onde a forma do campo é função da distância e a componente radial é considerável. Também conhecida como Região de Fresnel.
Campo Distante
É a região onde a distribuição de campo é essencialmente transversa e a forma do campo não varia com a distância. Também denominada por Região de Fraunhofer.
Intensidade de Radiação (U)
É a potência irradiada por unidade de ângulo sólido e é calculada somente para o campo distante. Esta Intensidade e calculada por
U = d^2. P ( 6.2 )
Diagrama de Radiação
Representação gráfica da distribuição espacial de energia eletromagnética em torno da antena. É variação espacial da Intensidade de Radiação f = U (θ,ϕ) geralmente normalizado pela máxima Intensidade de Radiação ( U/U M ).
Figura 6.2: Diagrama de radiação tridimensional de um dipolo.
Figura 6.3: Diagrama de radiação da combinação de antenas.
Lóbulo Principal
É maior região do Diagrama de Radiação (no exemplo abaixo é o ponto 0)
Lóbulos Secundários
Estes são demais regiões do Diagrama de Radiação.
Ângulo de Meia Potência
É o ângulo formado pelas linhas que interligam pontos de meia potência passando pelo centro dos eixos das coordenadas do Diagrama de Radiação
Abertura ou Área Equivalente
É a relação entre a potência entregue a carga na recepção o Vetor de Ponting
Relação entre Área Equivalente e Diretvidade
Ai. Dj = Aj. D (^) i ( 6.5 )
Polarização
É a oscilação no tempo do Vetor Campo Elétrico na direção do lóbulo principal. Neste caso a polarização pode ser linear (horizontal ou vertical), circular ou elíptica.
É importante notarmos que há uma atenuação de 20 dB quando o sinal é recebido em polarização trocada. Isto pose ser uma vantagem para o projeto onde podemos ter dois sinais, de preferência gerados com códigos de baixa correlação, sendo transmitidos com polarização cruzada.
6.2.1 Antenas Omnidirecionais
Antenas omnidirecionais são aquelas irradiam em todas a direções com o mesmo ganho no plano horizontal. O que as diferenciam de outras antenas é o seu diagrama de irradiação no plano vertical. O diagrama de irradiação representa ganho em todas as direções.
Figura 4.5: Cobertura por um antena omnidirecional.
Valores de ganho típicos de antenas omnidirecionais em sistemas celulares estão normalmente entre 6 e 9 dBd. Estas antenas são utilizadas na implantação dos sistemas, pois fornecem uma irradiação bem próxima do padrão hexagonal celular considerado no início do projeto, sendo também de baixo custo.
Cada antena pode transmitir até 20 canais de RF simultaneamente. A inserção desses canais é feita através de combinadores e circuladores. Uma célula possui até três antenas de transmissão, sendo que cada canal tem seu amplificador de potência individual. Quando tráfego é alto, utiliza-se mais de uma antena de transmissão, chegando a até 6 antenas.
Na recepção uma única antena recebe todas as portadoras que são separadas por canal em cada um dos rádio de recepção através de divisores ( splitters ). Normalmente uma antena de recepção alimenta até 32 canais de rádio, pois o uso de splitters degrada o nível do sinal recebido comprometendo a detecção da portadora.
Pode-se diminuir a quantidade de antenas na ERB utilizando-se duplexadores que permitem transmissão e recepção simultaneamente através da antena. O duplexador combina filtros passa-faixa mantendo a unidirecionalidade dos sinais nos circuitos da ERB.
Pelo fenômeno de desvanecimento do sinal ( fading ) tanto na recepção tanto da EM como da ERB, podemos amenizá-lo usando de diversidade espacial de antenas. Geralmente utiliza-se duas antenas de recepção na ERB, separadas por uma distância para que o sinal recebido em uma delas esteja sob melhores condições que o recebido pela outra. Os sinais recebidos em cada antenas são levados ao receptor que as combina para obter um melhor sinal a ser decodificado. Para um bom desempenho do esquema de diversidade espacial, faz-se com que a relação entre a altura das a ntenas e a distância de separação entre elas seja igual a 11.
As antenas da EMs são sempre omnidirecionais e seu ganho não deve ultrapassar a 3 dBd para não restringir o ângulo de abertura vertical, o que dificulta a transmissão nas proximidades da ERB. A antena deve estar localizada a uma altura acima do topo do veículo como as de teto ou de vidro disponíveis no mercado.
6.2.2 Antenas Diretivas
Sabemos que ao utilizarmos o conceito de reuso de frequências, estaremos sujeitos à ocorrência de interferências. Para garantir o requisito de qualidade de sinal, deve-se aumentar o fator de redução de interferência co-canal, em terrenos irregulares ou utilizar antenas diretivas. As mais utilizadas em sistemas celulares são as de 60º e as de 120º de abertura no plano horizontal de irradiação.
