Introdução à Comunicação Móvel Celular - Aula 3 de 3

muito bem dando seguimento a aulas de introdução a comunicação móvel celular baseada no baseadas no nosso livro de mesmo nome e nessa aula nós iremos falar sobre antenas antenas é um assunto muito amplo e complexo do ponto de vista da sua teoria existem pelo menos duas persas que a gente pode dar a esse tema uma é a perspectiva do Construtor do projetista de antenas a pessoa o engenheiro que recebe especificações conhece as técnicas de projeto conhece a teoria eletromagnética envolvida no projeto de antenas e conhece todas as melhores práticas e digamos os macetes também os tipos de antenas e todas as restrições vantagens desvantagens dos diferentes das diferentes abordagens para construção de antenas e portanto é capaz portanto de produzir eh a partir de especificações testar e portanto a trabalhar na fabricação de antenas um uma segunda perspectiva que é que nós adotamos nesse livro e nessas nessa aula é a perspectiva do usuário de antenas o engenheiro que é um usuário especialista Claro um usuário informado de antenas o que significa isso o engenheiro que trabalha portanto com o projeto de redes de sistemas ele conhece como funcionam as antenas ele conhece os parâmetros de especificação das Antenas ele é capaz de ficar antenas adequadas para o seu projeto e obter essas antenas seja diretamente através de um catálogo de Um fabricante ou até mesmo especificando para a fabricação sob encomenda portanto nós adotamos essa segunda perspectiva eh no livro existe um tratamento mais profundo do que esse que eu vou apresentar aqui que é bastante introdutório para alunos de graduação que estão tendo o tema pela primeira vez mas todo caso o aprofundamento para aquela primeira perspectiva do Construtor de antenas requer um estudo Bem Mais aprofundado eu dou aqui duas bibliografias e um site livro do balanes o livro do Kraus e o site antena Theory para aquele aluno que desejar já desde esse momento dar o tema com os aspectos teóricos da parte construtiva das Antenas evidentemente que esses assuntos serão tratados oportunamente num curso de graduação numa disciplina numa cadeira de graduação específica no tema de antenas esses seriam possíveis livros texto que seriam utilizados nessa disciplina mas então o que é uma antena uma uma possível definição é a antena como um acoplador um transdutor se preferirem portanto um transformador de dois tipos diferentes de manifestações de energia eletromagnética energia guiada energia propagada energia guiada então nós podemos pensar a a energia e eh eletromagnética ou elétrica que está eh confinada em um cabo em um fio em uma fibra ótica E aí é falando de luz é uma manifestação mais clara de energia eletromagnética né essa seria a energia guiada e a energia propagada portanto é aquela que se espalha no espaço de forma e digamos assim entre múltiplas direções de espalhamento no espaço portanto ela não tem um guia de onda ela não tem um meio que confine e que guie a energia para um determinado local ela na verdade energia eletromagnética propagada pelo espaço tridimensional a energia eletromagnética ela é composta de ondas uma onda eletromagnética portanto tem campo elétrico e campo magnético isso é um fenômeno físico eh que já está bem eh verificado na prática mais de um século e ah basicamente o que nós queremos fazer com uma antena em primeiro lugar essa transformação de guiada para propagada e ao colocar a energia de forma propagada em que o controle da direção é muito mais difícil do que num cabo num fio ou numa fibra ótica em todo caso é possível definir algumas direções preferenciais de transmissão de direcionamento dessa energia propagada evidentemente que a gente poderá partir do princípio que todas as direções são relevantes mas é possível também trabalhar um projeto de antena que privilegie determinadas direções nunca nunca será como você e introduzir energia num cabo num introduzir luz numa fibra ótica por exemplo e ter essa luz capturada na outra ponta da fibra isso de fato é uma manifestação guiada a manifestação propagada ela tá muito mais sujeita a uma interação menos controlada com o ambiente de propagação em torno da antena e em tanto da antena transmissora como da antena receptora uma antena ideal que pode ser um ponto de partida pra gente começar a pensar é aquela então que como eu acabei de falar não tem direção preferencial uma antena que irradia energia em todas as direções de forma equitativa sem preferência certo então você pode imaginar que uma antena isotrópica como vamos imaginar por abstração como um ponto emissor de energia propagada eletromagnética essa energia parte desse ponto e se propaga de forma de igual intensidade em todas as direções então a gente pode imaginar como que se formando uma esfera de energia uma superfície de uma esfera que contém essa energia eletromagnética essa esfera então ela vai se expandindo com um raio crescente em três dimensões a energia que está sendo ou a potência né seria a energia por unidade de tempo é que está se espalhando sobre essa superfície da a dessa esfera hipotética né ela acaba gerando que a gente chama de uma densidade de de potência então se você tem uma potência fixa que tá sendo eh emitida por essa fonte pontual isotrópica a uma distância R nós temos uma superfície esférica de de área pi R qu então de uma maneira simples a gente pode definir uma densidade de potência como sendo a potência emitida pela fonte dividido pela superfície dessa esfera então p potência Total emitida dividido por 4 p r ao quadrado o que você observa dessa fórmula simples e dessa desse raciocínio por indução muito simples é aquilo que nós já naturalmente experimentamos conforme nós nos afastamos da fonte de de transmissão o sinal Ele fica mais fraco como é que a gente pode quantificar isso podemos dizer que a densidade de potência então a potência disponível em 1 m qu de superfície dessa que nós chamamos de frente de onda esférica vai caindo com o quadrado da distância portanto né quanto maior a distância mais fraca essa densidade é como se a energia disponível né para ser capturada por uma antena reptura fosse ficando mais rara efeita Então esse é o sentido né básico dessa desse enfraquecimento da potência disponível para um ponto de recepção que se encontra cada vez mais distante do ponto de transmissão aqui tem uma figura de uma frente de onda esférica portanto apenas uma uma ilustração dessa antena isotrópica que obviamente ela é uma antena idealizada porque eu falei de uma fonte pontual eh é é de uma fonte que consegue emitir igualmente em todas as direções Isso é uma idealização é muito difícil de se construir algo dessa forma embora algumas antenas aproximem em algum grau esse tipo de comportamento mas não exatamente como uma esfera perfeita né tal como está mostrado aqui nessa figura e veja que nós também chamamos essa superfície de padrão de radiação então padrão de radiação é uma representação emre dimensões de Como a energia propagada se espalha no espaço no caso da antena isotrópica é uma esfera O que significa forma muito simples que não há diferença de intensidade da energia propagada no espaço tridimensional a partir do ponto de transmissão se você tá uma distância R essa distância R é o único parâmetro que importa para definir a densidade e potência o ângulo no o o se você pensar em mais dois temos dois ângulos aí em coordenadas esfer né um ângulo asimut e um ângulo de elevação se a gente cortasse essa esfera aí em dois planos um paralelo a terra e um perpendicular à Terra esses ângulos para antena isotrópica eles são irrelevantes mas na prática para as antenas práticas esses ângulos são importantes porque a densidade potência ela vai variar de acordo com a direção também não só com a distância mas também com qual direção exatamente quais ângulos de posicionamento no espaço tridimensional o pto de recepção se encontra então a antena ideal seria aquela isotrópica um outro tipo de antena ideal um outro exemplo de antena ideal é o de polo infinitesimal ou ou hertziano Veja aqui nós estamos usando alguns exemplos muito simples que eles facilitam essas esses cálculos e permitem que a gente tire alguns insights evidentemente que não existe antena isotrópica assim como essa esse dipolo infinitesimal obviamente também é uma uma abstração porque ele é um pedaço de fio retilíneo mas muito pequeno né Depois a gente vai falar do dipolo prático e então o comprimento e o diâmetro desse fio são muito menores que o comprimento de onda muito menores que o lambida né o lambida seria o comprimento de onda e carrega uma corrente uniforme ao longo de seu comprimento são são hipóteses e que estão adequadas a essa a esse ponto de partida que é o tamanho infinitesimal desse dipolo Então se a gente pensasse aqui num dipolo mais prático e nós teríamos um comprimento que não é tão pequeno aqui nós já temos uma amostra de um dipolo de metade do comprimento de onda ida sobre 2 nós basicamente Nós alimentamos num Ponto Central que divide esses dois segmentos em dois segmentos de / 4 né E com isso forma formam-se essas linhas de Campo que estão mostradas de forma tracejada que irão criar uma superfície né de espalhamento da energia propagada no espaço tridimensional que como vocês já podem ter ter uma ideia Se você começar a fazer uma revolução dessa dessas linhas de Campo não é exatamente uma esfera mas ela tem um formato né um tanto quanto arredondado principalmente aí na nesse corte né que nós estamos mostrando aqui nessa nessa figura eh Portanto o dipolo infinites ele permite que a gente faça algumas contas e permite que a gente calcule Exatamente esse campo e esse padrão de radiação e termina aqui com uma espécie de um toroide em três dimensões né com se você imaginar a antena ela tá justamente aqueles dois pedaços de L sobre 4 formando um fio de Lda sobre 2 ou de Polo infinitesimal que é o que permite a gente efetivamente fazer esse cálculo de forma mais precisa ele está no centro desse toroide aí no eixo Z né então a antena el ela está no eixo Z e forma-se Então essa superfície toroidal entorno da antena é tridimensionalmente OB Observe que não é obviamente uma antena isotrópica Porém você pode observar que se a gente fizer um corte no plano paralelo ao plano XY que seria o plano da terra então corte paralelo ao plano da terra a gente tem essa figura aqui do lado esquerdo que é circular tá a gente poderia dizer que a antena esse de Polo infinitesimal ele tem um um um padrão de radiação omid direcional no plano paralelo à Terra então ele aproximadamente radia energia em todas as forma de forma igual em todas as direções né no plano paralelo à Terra num corte específico que você faça no plano paralelo a terra e porém se o o corte for ao longo do eixo Z né como a gente estava observando ali eh você já tem uma outra uma outra característica que é essa essa característica da direita né existe um um ponto de de nulo de transmissão né que é exatamente o eixo em que se encontra a antena tá a antena ela ela está nesse caso aqui desse dessa figura a antena tá aqui nesse eixo né Tá um pouco tá tá girado né a antena em relação à figura do exemplo anterior da da do slide anterior Ela tá girada aqui deslocada como se a antena tivesse deitada mas enfim isso é ir relevante se você girar aqui 90º a antena fica em pé e a gente tem o corte equivalente ao da figura anterior e então são dois cortes que mostram n como Há muitas simetria nesse padrão da da do dipolo a gente com esses dois cortes a gente reconstrói praticamente né fazendo as revoluções as devidas revoluções a gente reconstrói o padrão tridimensional do slide anterior certo então Ah isso aqui é muito comum dado essa forma de representação você pode representar em três dimensões Como foi no slide anterior Mas você pode também representar com dois cortes Né desde que o padrão seja relativamente simétrico esses dois cortes costumam ser suficientes para ter uma ou especificação do padrão da antena muitas aplicações de comunicação móvel né esse padrão aqui o padrão é que a gente chama de asim mutal ou paralelo ao plano da terra ou padrão horizontal ele é mais relevante por quê Porque os terminais móveis né os nossos nós pessoas comos celulares e tal Estão dispostos por sobre o plano da terra de forma mais ou menos a seguir esse plano esse corte paralelo ao Plan plano da terra né então esse padrão azimutal ele vai ser muito importante qu você coloca a antena e você tem uma ideia de como se distribui a a radiação da antena eh em torno da antena na ah no plano do qual os terminais móveis se encontram o plano vertical seria Exatamente esse aqui né o o o corte de como a antena se comporta quando a gente varia um ângulo de chamamos de elevação também pode chamar de plano de elevação ou plano vertical é um plano perpendicular à Terra eh esse plano ele é importante principalmente se você tiver uma distribuição vertical também dos terminais então se você tem uma antena muito próxima por exemplo a um grande Edifício eh né você vai ter terminais móveis distribuídos ao longo de vários andares eh é importante que haja também uma uma uma uma percepção se o plano de distribuição vertical da radiação abrange né Todas aquelas ah aquelas alturas né em que os terminais móveis estão disponíveis ã se a antena tiver uma certa distância desse Edifício mesmo um padrão vertical relativamente Estreito vai ser suficiente por conta da do espalhamento da radiação Ah no eixo Z né mas de novo o plano horizontal da esquerda ele é imediatamente mais importante em comunicação móvel né Por motivos óios porque os terminais estão distribuídos no plano da terra e em locais em que haja uma variação de relevo muito grande ou uma uma edificações as antenas muito próximas de edificações eh também vai ser importante avaliar como se encontra a o padrão vertical se ele também está adequado para aquela necessidade outros parâmetros importantes de antena Então se a gente pegar um daqueles cortes pode ser o corte por exemplo horizontal Suponha que nós temos uma antena com esse corte aqui horizontal que é bem diferente do anterior o anterior era um corte circular Ou seja a antena era omnidirecional no Plano Terra no plano horizontal essa antena aqui supondo também que nós estamos usando um corte no Plano Terra paralelo à terra é claramente o que a gente chama de uma antena direcional a contrário da omnidirecional essa daqui é direcional ela tem direções preferenciais Então você observa aqui que existe aqui um lóbulo que a gente chama de lóbulo principal é O lóbulo de maior energia é onde você tem essa essa essa máxima Ah esse máximo ganho de transmissão por exemplo da antena transmissora nessa direção aqui de 0 gra né existem lóbulos laterais e lóbulos lóbulo traseiro que são de menor intensidade que na verdade idealmente nem existiriam porque essa antena ela claramente tá sendo Projetada para concentrar energia nessa direção né nessa direção aqui de 0 gra isso aqui é é o objetivo dessa antena mas eh não se consegue essa perfeição existem alguns lóbulos laterais existem né Eh algumas inclusive um lóbulo traseiro que pode ser conveniente em algum grau mas claramente o ideal aqui é que quanto mais a gente conseguir concentrar energia aqui por quê Porque a aplicação de alguma forma que nós não estamos tratando aqui requer esse direcionamento né Eh uma coisa que vocês já podem imaginar é que se a antena for direcional é importante saber para onde apontar a antena então nós queremos focar a a direção de transmissão numa certa região né então por ex exemplo uma antena de TV uma antena de rádio ela não tem esse esse de uma emissora de rádio FM por exemplo ela não tem essa preferência ela joga ela é omnidirecional preferencialmente omnidirecional no sentido de abranger todas as regiões no entorno da antena né numa aplicação de comunicação móvel celular também pode ser esse o caso mas normalmente as estações rádi base elas T regiões que elas querem apontar talvez não de forma tão Estreita quanto essa daqui mais largas né mas ainda assim é possível sim que você tenha um bairro um um shopping center uma uma região específica que você queira servir com uma antena dedicada existem outros benefícios também da antena ser direcional Que Nós já vamos explicar que fazem com que seja interessante ter antenas dire iis eh eh na e na no uso né do projeto e implantação de sistemas móveis eh celulares outro parâmetro então então só fechando o parâmetro anterior que nós falamos né e falamos um pouco de de como se conformam esses lóbulos né Agora vamos começar a falar de alguns parâmetros mais quantitativos um deles é largura de banda da antena sim a antena também tem largura de banda como todo e componente que faz parte de um sistema de comunicação as antenas elas respondem em frequência de forma diferente existem frequências em que as antenas conseguem responder ou seja elas conseguem transmitir energia com mais eficiência naquelas frequências exem frequências em que ela não Transmite uma das formas de medir Isso é o que a gente chama de perda de retorno então nós estamos falando aqui de ao injetar energia na antena energia guiada para transformá-la em propagada quanto dessa energia efetivamente é transformada né de guiada para propagada né Então as antenas elas respondem de forma diferente eh Elas têm uma impedância e a necessidade de se fazer um um casamento de impedância e esse casamento ele responde também dentro de um certo uma certa faixa de frequência para aquele conjunto de componentes que que constituem a antena o tamanho da antena o material que constitui a antena tudo isso vai gerar o que a gente chama de uma frequência de ressonância que é aquela frequência que a antena consegue de forma máxima nã entregar de forma eficaz essa transformação de energia guiada para propagada nessa figura aqui essa antena ela tem uma resposta máxima eh em torno de 5 GHz isso aqui mas pela figura você tá vendo u é mas na verdade é uma é uma é um mínimo não um máximo é porque nós estamos falando de perda então é a perda mínima tá a menor perda dessa antena em torno de 5 GHz a perda de retorno é como se fosse a energia que chega na antena para ser transformada e eh eh transmitida e aqui praticamente né com uma perda de de de menor que -20 DB uma faixa muito grande uma quantidade muito grande uma fração elevada dessa de ação efetivamente essa energia efetivamente é transformada de guiada para propagada e muito pouco se perde nesse processo ou muito pouco é devolvido pro circuito de transmissão que é o que essa perda de retorno aqui também sugere né ah aí você diz assim OK mas quanto é um valor aceitável para essa perda de retorno então nessa figura foi definido um critério de -10 DB Então o que a gente diz é que a partir de -10 DB ganha de - 10 DB e menores desculpa perdas né perdas e menores que -1 DB são aceitáveis se você usa esse critério Então você define uma largura de banda da antena que nesse caso aqui tá indo de 4. 85 até 5. 9 5.

09 GHz né então 4850 MHz a 5. 090 MHz mais ou menos o que dá aí em torno de ah 140 150 MHz de largura de banda Então isso é um critério um critério que se usa né Eh a partir de -10 DB de perda e menos que isso é aceitável então com esse critério em torno de 150 MHz de banda essa antena tem em torno da frequência de 5 GB então se você se o seu o sinal de transmissão está em torno da frequência de 5 GHz e tem uma uma largura de banda de até 150 m em torno de 5 GHz você está trabalhando com uma antena bastante adequada né se você saiu dessa Facha de frequência veio para cá ou para para frequências menores do que 4. 8 GB ou para frequências maiores que 5.

2 GB o nível de perda é muito alto ou seja a energia que você vai lançar na antena ela volta pro circuito de transmissão e não se propaga então é uma alta ineficiência uma alta perda de retorno né portanto e é é preciso haver essa compreensão de como a antena responde em frequência e fazer a adequada eh o adequado projeto a adequada escolha da antena e de acordo com a a frequência do sinal que se vai transmitir e a largura de banda do sinal que se quer transmitir então largura de banda da antena é um dos parâmetros mais importantes pegando aquela mesma figura que nós trabalhamos agora há pouco eh a gente acabou não falando naquele momento falamos em lóbulo mas como é que nós poderíamos quantificar para sair só de uma visão qualitativa Então pegando O lóbulo principal que nós já havíamos identificado e partindo aqui do ganho normalizado vamos supor que esse ganho normalizado tá em 0 DB a gente pode definir um critério que seria por exemplo de 3 DB a menos de ganho né ou de no caso aqui é de radiação porque estamos falando de potência então meia potência né meia potência é em relação ao pico em relação à normalização de ganho de ganho potência máxima de direção de máxima transmissão dessa antena então Observe que ah nesse e esse círculo esse segundo círculo aqui tracejado nós estamos adotando e afirmando aqui que na verdade nós temos metade dessa do valor aqui então seria 0. 5 se aqui for 1 aqui seria 0.