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Tag Archives: Antenas
Antenas Inteligentes
Acredita-se que as primeiras antenas foram construídas em 1886, por um físico alemão chamado Heinrich Rudolf Hertz com o objetivo de auxiliarem no estudo e no desenvolvimento das teorias sobre o eletromagnetismo. Hoje, anos após as descobertas de Hertz, qualquer antena é definida como o elemento responsável por transformar a energia eletromagnética guiada pela sua linha de transmissão em energia eletromagnética irradiada (e vice-versa, no caso de um receptor). Embora sejam de vital importância para o processo de transmissão/recepção de dados, as antenas, por diversos motivos, geralmente constituem a parte mais negligenciada de um projeto wireless. Fato que resultará em altos índices de fading, delay spread, interferência cocanal, cancelamento de fase entre outros.
Sistemas de Antenas
Basicamente, são arranjos de antenas cujo objetivo é obter performances impossíveis de serem atingidas com uma antena simples. Os sistemas de antenas utilizados em WLANs (Wireless Local Area Network) são tecnicamente diferentes dos empregados em um sistema celular, mas ambos procuram reduzir as interferências, controlar a diretividade e o ganho combinado. São exemplos de sistemas de antenas:
Sistemas setorizados: é o modo utilizado pelo sistema celular tradicional, dividindo a área a ser atendida em setores e cobrindo cada um deles por meio de antenas direcionais. A área de cobertura total deste conjunto é muito maior do que a obtida por uma simples antena omnidirecional (tipo de antena capaz de irradiar em todas as direções no plano horizontal).
Sistemas com diversidade: estes utilizam duas antenas separadas por uma pequena distância física. Quando combinados com os métodos “diversidade comutada” ou “diversidade combinada” melhoram o nível do sinal recebido, reduzindo os efeitos da recepção por múltiplos caminhos. O esquema da diversidade comutada (Switched Diversity) assume que uma das antenas conseguirá entregar/receber dados com qualidade. Já o esquema da diversidade combinada (Diversity Combining) mescla os sinais recebidos por ambas as antenas e corrige os erros de fase, obtendo assim um ganho maior.
Por último há o sistema de antenas inteligentes, foco deste artigo e detalhado a seguir.
Sistemas de Antenas Inteligentes (Smart Antenna Systems)
São sistemas também conhecidos por phased array, SDMA (Spatial Division Medium Access), processamento espacial, digital beamforming entre outros. Grosso modo, eles são capazes de combinar um arranjo de antenas simples com processamento digital de sinais, transmitido e recebendo dados de forma adaptativa. Ou seja, os sinais irão se comportar de acordo com as variações do meio. Esses sistemas empregam várias tecnologias, porém as mais utilizadas são: Switched Beam e Adaptive Array, destacando que ambas procuram aumentar o ganho do sinal recebido em função da posição espacial do usuário.
Antenas do tipo Switched Beam periodicamente verificam, detectam e escolhem o feixe de sinal mais adequado para uma determinada situação, procurando manter o cliente móvel com melhor condição de transmissão e recepção. Já as antenas tipo Adaptive Array apresentam funções mais avançadas, utilizando complexos algoritmos de processamento de sinais. Elas permitem localizar e acompanhar o sinal de interesse, saltando para outros melhores sempre que houver condições. Somente o esquema Adaptive Array permite ganho ótimo ao mesmo tempo em que identifica, acompanha e minimiza os sinais indesejados. Abaixo uma imagem comparando as capacidades de um sistema convencional, Switched Beam e Adaptive Array inseridos em ambientes com baixos e altos índices de interferências. Pela imagem, torna-se claro que os sistemas Adaptive Array, independentemente das condições do meio, apresentam o melhor desempenho.
Conclusão
Com o aumento da quantidade de sistemas wireless, as condições de transmissão e recepção de RF estão cada vez mais complexas, pois sinais com potências e freqüências diferentes precisam conviver no mesmo espaço físico em harmonia. Hoje os sistemas de antenas inteligentes atendem a essa necessidade, fato que justifica a sua aplicação em várias tecnologias como WiMAX, Wi-Fi, TV Digital entre outras.
HF High Frequency Ondas Curtas ionosfera
Espectro de rádio: visão básica geral
O espectro de rádio freqüência é subdividido em diversas regiões conhecidas como bandas ou faixas de ondas. Estas faixas são nomeadas conforme as freqüências de operação. Por exemplo: ondas que possuem freqüência inferior a 3 kHz são chamadas de ELF (Extra Low Frequency). Já ondas que trabalham entre 3 e 30 kHz são conhecidas por ULF (Very Low Frequency) e assim por diante.
As bandas de alta freqüência são empregadas em serviços cuja taxa de transferência deve ser elevada. As de baixa freqüência, por outro lado, são aplicadas em situações que não exigem grandes velocidades.
Observação: a degradação de sinal cresce de acordo com o aumento de freqüência. Ou seja: quanto mais baixa for a freqüência menor é a atenuação. Isto explica porque a luz (alta freqüência) não é capaz de atravessar paredes e o rádio (baixa freqüência) consegue sem qualquer problema. Eis outro exemplo interessante quando falamos de rádio. Aqueles que operam na banda LF ou LW (Low Frequency – Long Wave) fazem transmissões AM. Sua abrangência é bem maior em relação aos que operam em VHF (Very High Frequency) – banda utilizada em transmissões FM.
Sistema de Rádio em HF (High Frequency)
Sistema de rádio monocanal, HF opera nas freqüências de 3 a 30 MHz. É utilizado para alcançar longas distâncias (geralmente superiores a 100 Km) sem o emprego de estações repetidoras. Aparelhos militares, radioamadores e radiodifusão em AM são alguns exemplos de sistemas que trabalham em HF. As larguras das bandas ocupadas na transmissão são relativamente estreitas. Variam de 3 kHz até 10 kHz.
Com potências irradiadas que vão desde poucos watts até alguns quilowatts, HF comumente utiliza antenas verticais (omnidirecionais). Porém, também é possível utilizar antenas direcionais. Quando este é o caso, normalmente, o feixe principal é apontado para o alto. O objetivo é atingir a ionosfera, região externa da Terra que atua como camada refletora de ondas de rádio. Conforme o ângulo de incidência, a onda pode retornar a Terra e ser novamente refletida para a ionosfera. Ver imagem:
Este tipo de onda é denominada onda ionosférica.
É isso!
Fenomeno multiplos caminhos multipath delay spread
Nas palavras seguintes falaremos sobre um fenômeno que ocorre na maioria das aplicações sem fio: o problema dos múltiplos caminhos ou multipath.
Descrição: quando um sinal RF é emitido em um ambiente aberto, livre de obstáculos, apenas um sinal chega até a antena receptora (linha direta) e nenhuma interferência é observada. Ao emitir um sinal de RF num ambiente cheio de obstáculos, como pisos, tetos, paredes, móveis, equipamentos e pessoas, diversos sinais chegam até a antena receptora. Dado que esses sinais trafegam por caminhos diferentes, eles apresentam variações de amplitude, fase e tempo ao chegar ao receptor. Na maioria dos casos, o receptor deve ser capaz de selecionar o melhor sinal e anular o efeito dos outros.
O parâmetro utilizado para caracterizar ambientes com problemas de reflexões é chamado de delay spread. Basicamente, delay spread é o tempo que um sinal refletido leva para atingir a antena receptora após a chegada da transmissão sem reflexão. Como exemplo vamos considerar um ambiente com delay spread de 30ns. Isto significa que um sinal refletido deverá chegar à antena receptora em até 30ns após o sinal direto. Há, inclusive, uma tabela com os valores de delay spread esperados conforme o ambiente no qual a rede está instalada.
Anteriormente afirmamos que o receptor, na maioria dos casos, deve ser capaz de considerar o melhor sinal e descartar os outros. O melhor sinal, normalmente, é o primeiro a atingir a antena. Ou seja, aquele cujo número de reflexões é o menor possível. Porém, isto não é garantia de sucesso. Às vezes, mesmo não existindo obstáculos, torna-se necessário o reenvio do sinal. Pensando nesses problemas, há no mercado algumas tecnologias que são capazes de explorar o fenômeno dos múltiplos caminhos para aumentar a taxa de transmissão/recepção e a confiabilidade. Como exemplo temos o IEEE 802.11n. Basicamente, com o auxílio de processadores de sinais, este padrão consegue combinar os diversos pacotes recebidos para montar uma mensagem.
É isso!
Antenas Omni Semi Altamente Direcional
Está fora do escopo deste artigo explanar sobre TODOS os tipos de antenas ou aplicações profissionais. O público alvo desta matéria são pessoas interessadas em redes wireless domésticas. Ou seja, através das linhas abaixo, pretendo informá-lo do potencial, talvez não utilizado completamente, da sua rede caseira. Para que isso aconteça é necessário PRIMEIRO aprendermos algumas unidades de medida, pois seria um erro falarmos logo de início sobre os TIPOS DE ANTENAS.
Miliwatt (mW), ou seja, 1/1000W: os pontos de acesso normalmente irradiam sinais entre 30-100mW. Parece pouco, porém 100mW…conforme as condições do local…pode atingir 500m.
Decibéis (dB): usado para expressar sinais da ordem de 0.000000001 watts. Medida relativa…perda e ganho num circuito são medidos nesta unidade. Olhe que interessante…perder metade da potência (mW) em um sistema corresponde à perda de três decibéis, ou seja, -3dB. Então, quando o sistema dobra sua potência (mW), ele GANHA +3dB. Huuuummmm…agora você percebeu porque aprendemos sobre miliwatt, né?
dBi: ao quantificarmos o ganho de uma ANTENA usamos dBi. O i se refere a uma antena ISOTRÓPICA. Fique calmo, pois veremos adiante o que significa um RADIADOR ISOTRÓPICO. Conforme alguns autores, quanto maior o ganho da antena mais estreito é o feixe de radiação e consequentemente maior será a distância percorrida pelo sinal.
Largura de feixe (BW): é a largura do feixe do sinal RF que a antena transmite. Medido em graus, há dois fatores para se considerar: largura do feixe vertical (perpendicular à terra) e largura do feixe horizontal (paralelo à terra). No final deste artigo haverá uma tabela com BW’s das antenas vistas.
Outros conceitos
Indoor: a transmissão é indoor quando o sinal é radiado em ambientes fechados, normalmente na presença de muitos obstáculos.
Outdoor: a radiação é outdoor quando o sinal é transmitido ao ar livre. Por exemplo: comunicação entre dois prédios.
Agora observe a imagem abaixo:
Na figura acima podemos compreender o que é LoS e Zona Fresnel. LoS (linha de visada ) é uma linha imaginária da visada entre as duas antenas. Zona Fresnel é o campo cinza na imagem, ou seja, a região de propagação das microondas. Há uma teoria interessante sobre isso. Ela diz que um bloqueio na Zona Fresnel em torno de 20% introduz pouca ou nenhuma interferência no link. Então, caso for maior de 20%, o sinal começará a apresentar falhas.
Vamos aos TIPOS DE ANTENAS
O formato de uma antena e suas dimensões são determinadas por diversos fatores como: o comprimento da onda ou freqüência do sinal a ser transmitido, a impedância e a necessidade de concentrar ou não a energia irradiada numa determinada direção. Os campos elétricos emitidos pelas antenas são chamados de lóbulos e podemos dividir as antenas em três categorias:
Omni-direcional;
Semi-direcional;
Altamente direcional;
Omni-direcional
Lembra-se do radiador isotrópico comentado em dBi? Pois então, um irradiador isotrópico tem como característica irradiar igualmente em todas as direções. Então, seu diagrama de radiação é uma esfera com centro na fonte. Um bom exemplo é o Sol.
As antenas omni-direcionais seguem esta idéia, mas não são consideradas modelos isotrópicos perfeitos. Para entender o que foi dito visualize os planos vertical e horizontal. As antenas omni-direcionais seguem o modelo isotrópico na horizontal, MAS na vertical não. Veja a figura abaixo:
Utilizadas principalmente para broadcast, antenas omni-direcionais não funcionam bem para enlaces longos. Porém, apresentam grande facilidade de instalação, pois não é necessário direcioná-la. Exemplo deste tipo de antena:
Há também as antenas omni-direcionais de alto ganho. Elas oferecem maior área de cobertura na horizontal, mas na vertical a radiação sofre uma boa redução.
Semi-direcional
Diferente das antenas omni-direcionais, estas concentram a energia do transmissor em uma única direção. Como exemplo temos: Patch, Painel e Yagi. Uma característica da antena do tipo Yagi é que elas foram projetadas para ambientes hostis, resistindo a formação de gelo, chuva pesada e ventos fortes. Abaixo um possível diagrama de radiação deste tipo de antena:
Na sequência, uma imagem de uma patch panel:
A diferença existente entre a semi-direcional e a altamente direcional está no ângulo de abrangência, pois nesta última ele é mais concentrado.
Altamente direcional
Estas antenas, devido seu eixo estreito, alcançam boas distâncias (cerca de 20Km) e devem ser cuidadosamente alinhadas. São utilizadas principalmente em enlaces ponto a ponto e apresentam inúmeros benefícios, pois permitem conexão em lugares nos quais a passagem de cabos é inviável. Abaixo um possível diagrama de radiação deste tipo de antena:
Exemplo:
Agora que vimos os principais tipos de antenas acompanhe na seqüência uma tabela com as larguras de feixe (BW). Lembrando que as medidas são em graus!
Também é oportuno comentar sobre o casamento de impedância entre TODOS os dispositivos da WLAN. Este valor normalmente é de 50 Ohms.
É isso!
LOS Line of Sight e NLOS Non Line of Sight
Abaixo dois conceitos comumente encontrados quando o assunto é wireless:
LOS e NLOS
Uma comunicação entre Tx e Rx é dita como linha de visada, LOS (Line of Sight – Linha de Visão), quando for possível unir transmissor e receptor por uma linha imaginária reta. Há, inclusive, uma equação para determinar a atenuação do enlace neste sistema de comunicação:
Onde:
f -> freqüência em MHZ;
d -> distância entre Tx e Rx em Km.
O termo NLOS (Non-line-of-sight ou Near-line-of-sight) representa uma transmissão cujo caminho entre Tx e Rx não está em visada. Isto significa que há objetos obstruindo a comunicação.
Exemplos:
LOS: link Wi-Fi dedicado (construído por antenas direcionais), IEEE 802.16, etc.
NLOS: a maioria dos sistemas celulares, IEEE 802.16a, IEEE 802.16e, etc.
É isso!
