Antena Dipolo Planar. Christian Pinheiro Garcias. É Engenheiro de Telecomunicações pelo Instituto de Estudos Superiores da Amazônia (IESAM, 2007).

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1 Antena Dipolo Planar O conteúdo deste tutorial foi obtido do artigo de autoria do Christian Pinheiro Garcias, do Edson dos Santos Souza e do Jean Almeida Cordeiro para a etapa de classificação do III Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) Este tutorial apresenta um protótipo de antena dipolo planar projetada para operar na faixa de 2,4 GHz. A antena foi construída para fins didáticos, e por esse motivo possui dois pinos laterais que servem de ajuste ao espaçamento compreendido entre o plano da antena e seu plano de terra. Para a faixa de 2,41 GHz verificou-se que a largura de banda obtida foi de aproximadamente 30%. Christian Pinheiro Garcias É Engenheiro de Telecomunicações pelo Instituto de Estudos Superiores da Amazônia (IESAM, 2007). Atuou como Estagiário na WISECOM Comércio e Serviços de Redes Lógicas LTDA, realizando atividades de implementação, supervisão e manutenção de sistemas de WLAN, LAN e CATV. Atuou também como Estagiário em Engenharia de Telecomunicações na ELETRONORTE Centrais Elétricas do Norte do Brasil, realizando atividades de suporte e manutenção de redes de voz e dados de alta velocidade baseados em backbone óptico (cabos OPGW) e transporte físico em hierarquias PDH e SDH. Atualmente é Engenheiro na Aircom International, executando atividades de consultor de transmissão na equipe de engenharia de transmissão. Edson dos Santos Souza Jean Almeida Cordeiro Categoria: Redes de Dados Wireless Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 23/06/2008 1

2 Antena Dipolo Planar: Introdução A manifestação ondulatória da corrente e da tensão em condutores produz um efeito diferente da condução que ocorre quando a corrente é contínua [1]. Na condução contínua isso envolve toda a rede cristalina do condutor. Na condução alternada os portadores de corrente tendem a se afastar da parte central do condutor, tanto mais quanto mais alta for a freqüência das oscilações. Em altas freqüências as correntes tendem a acontecer na superfície dos condutores, penetrando tanto menos em seu interior quanto mais alta seja a freqüência. Devido a isso, algumas linhas de transmissão, tais como em forma de malhas, linhas de fita ou de fios múltiplos, são construídas com a finalidade de aumentar sua superfície útil. Observando-se esse efeito, alguns tipos de antenas também seguem esse mesmo comportamento. No caso do estudo de antenas planas, o aumento da superfície efetiva é uma característica capaz de impor modificações a seu funcionamento [2-4]. Um exemplo disso é o aumento da largura de banda [2]. Antenas com essa característica são de pleno uso em ERB s (Estações Rádio Base). Com essa forma, pode-se projetar antenas bastante conhecidas de tal maneira que ao invés do arame (ou tubos de alumínio) se use uma chapa de espessura desprezível. Como exemplos desse procedimento construtivo podem ser citados as antenas monopolo e dipolo [5]. Neste trabalho apresenta-se a confecção de uma antena Dipolo plana. Esta antena tem as mesmas características da antena Dipolo simples [5], entretanto, sua ênfase se evidência na largura de banda. A antena foi dimensionada para operar na faixa de 2,4 GHz. O modelo apresentado é composto de lâminas metálicas posicionadas paralelamente ao seu plano de terra. Os resultados obtidos se referem a dados experimentais, em termos do parâmetro de perdas da antena. 2

3 Antena Dipolo Planar: Características Básicas A configuração de uma antena Dipolo é apresentada na figura 1. Nesta figura é mostrada a distribuição de carga no processo de irradiação dessa antena para um determinado comprimento de onda λ. A corrente elétrica I, que alimenta essa antena, mantém as cargas arrumadas, de tal forma que cada haste da antena tem comprimento λ/4. Uso da Banda Wi-Fi Figura 1: Distribuição de cargas na antena Dipolo. Os termos Wireless (sem fio) ou Wi-Fi (Wireless Fidelity) têm sido usados para identificar sistemas baseados em transmissores e receptores de rádios. Da mesma forma, esses termos também têm sido usados para definir um protocolo de comunicação sem fio projetado com o objetivo de criar acessos de transferência de dados de alta velocidade usando ondas de rádio. O sistema de comunicação Wi-Fi foi desenvolvido com base no conjunto de normas , criados pelo Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE). Entre estas a mais conhecida é a b, que utiliza a banda de 2,4 GHz, e que podem transferir dados a uma velocidade de 11 Mbit/s. Outro padrão também bastante conhecido é o a, utiliza a banda de 5,8 GHz e que consegue transferir dados até 54 Mbit/s. O mais recente padrão desse conjunto, o g, é compatível com o b e também utiliza a banda de 2,4 GHz e, da mesma forma que o a, pode transferir dados até 54 Mbit/s. Esta tecnologia permite um alcance de cerca de 1 km de raio, dependendo das antenas e da existência de linha em visada. O funcionamento de uma rede wireless é baseado na utilização de portadoras de rádio (ou infravermelho). Essas redes são denominadas de WLAN s (Wireless Local Area Networks), e estabelecem a comunicação de dados entre vários pontos da rede. Os dados são modulados na portadora de rádio e transmitidos através de ondas eletromagnéticas neste momento surge a necessidade de uma antena. Neste sistema, múltiplas portadoras de rádio podem coexistir num mesmo meio, sem que uma interfira na outra. Na recuperação dos dados, o receptor sintoniza numa freqüência específica e rejeita as outras portadoras de freqüências diferentes. É neste tipo de ambiente que o dispositivo transceptor (transmissor/receptor) ou ponto de acesso (access point) é conectado a uma rede local Ethernet convencional (com fio). Os pontos de acesso não apenas fornecem a comunicação com a rede convencional, como também têm a finalidade de intermediar o tráfego com os pontos de acesso vizinhos, num esquema de micro células com roaming semelhante a um sistema de telefonia celular. 3

4 Antena Dipolo Planar: Protótipo e Resultados No modelo da antena deste projeto foi utilizada uma placa de circuito impresso. Isto se torna necessário devido à sustentação das partes irão compor toda a estrutura. Este tipo de material é de fácil aquisição e de baixo custo, tornando o protótipo muito econômico. O dimensionamento da antena é apresentado na figura 2, a seguir. Figura 2: Dimensionamento da antena proposta. Conforme pode ser observado, cada braço do dipolo tem comprimento L=30 mm (figura 2b) e é constituído por uma placa (figura 2a) de largura W=20 mm. O distanciamento entre cada dipolo foi fixado em 2 mm. A antena foi conectada a um cabo coaxial de 50 Ω. Dessa forma, para a altura do dipolo posicionada em h=39 mm, a antena apresenta uma faixa de ressonância com freqüência central de 2,4 GHz. As figuras 3, 4 e 5 mostram os passos da montagem da antena proposta neste trabalho. Figura 3: Material utilizado. Figura 4: Primeiro protótipo usando montagem com substrato. 4

5 Figura 5: Segundo protótipo, usando montagem sem substrato. A figura 6 apresenta o protótipo final, inclusive com a sua ligação a um cabo coaxial de 50 Ω. Figura 6: Protótipo da antena proposta. As figuras 7 e 8 apresentam alguns detalhes construtivos da antena confeccionada. Figura 7: Visualização interna da antena. 5

6 Figura 8: Visualização do Dipolo Plano. Vale ressaltar que a finalidade dos parafusos de ajustes utilizados é a de elevar ou abaixar o plano da antena, em relação ao plano de terra, para que durante as medidas possa ser feito o casamento de impedância da antena com a sua linha de alimentação para uma determinada freqüência específica no caso 2,4 GHz. Note-se que um modelo como este apresenta uma modelagem bastante adequada para um estudo didático sobre os parâmetros de perdas, VSWR, e a freqüência de ressonância em função da altura h (figura 2b). Além disso, os efeitos devidos à inclusão de materiais dielétricos abaixo do plano metálico da antena (figura 4), também poderiam ser analisados, embora esses não sejam parte dos objetivos deste trabalho. Figura 9: Perdas de retorno da antena no intervalo entre 2 e 2,5 GHz. Fonte: Site Master. A figura 9 apresenta às perdas de retorno da antena mostrada na figura 6. Esses valores estão limitados as características do aparelho de medição. O ajuste da altura h=3,9 cm mostrou um melhor VSWR, ou seja, 1,35 na freqüência central de 2,41 GHz. Note-se, nesta figura, que a antena passa a operar a partir de 2,2 GHz indo acima de 2,5 GHz devido às limitações do aparelho. 6

7 Antena Dipolo Planar: Considerações Finais Este trabalho apresentou a confecção e as medidas de uma antena Dipolo planar. O modelo apresentado é composto de lâminas metálicas dispostas de forma paralela ao plano de terra da antena. O projeto leva em conta dois aspectos importantes: o uso prático da antena em sistemas WLAN e o estudo de cunho didático para a observação da variação do casamento de impedância, para uma freqüência especificada, quando são feitas variações no espaçamento plano da antena/plano de terra embora outros fatores também possam contribuir para isto, como é o caso do espaçamento entre as lâminas ou a largura da lâmina. O projeto levou em consideração a faixa de 2,4 GHz, devido o aspecto de uso prático. Os resultados foram obtidos em termos do parâmetro de perdas da antena. Observou-se ainda, uma largura de banda de aproximadamente 30%, mesmo com o comprometimento das limitações do equipamento (freqüência máxima de medição em 2,5 GHz). Todavia, em relação a uma proposta de trabalhos futuro, estes resultados podem ser melhorados e outro protótipo poderá ser confeccionado para que se verifique a abordagem didática. Referências J. F. Almeida, Física Aplicada, Belém: IESAM, (em fase de editoração (2006)). Y. Rikuta and R. Kohno, Planar Monopole Antenna with Dual Frequency for UWB System, IEEE Antennas and Porpag. Magazine, T. Taniguchi and T. Kobayashi, An Omni directional and Low-VSWR Antenna for Ultra-Wideband Wireless Systems, Radio and Wireless Cont. pp , Aug N. P. Agrawall, G. Kumar and K. P. Ray, Wide-Band Planar Monopole Antennas, IEEE Antennas Propagat., vol.46, no.2, pp , Feb H. Schantz, The Art and Science of Ultrawideband Antennas, Boston, Artech Hause, A. C. Balanis, Antenna Theory: Analyzes and Design, New York: Adilson and Wesley,

8 Antena Dipolo Planar: Teste seu Entendimento 1. Considerando uma antena do tipo plana, qual é um dos seus parâmetros que pode ser modificado pelo aumento da sua superfície efetiva? Aumento da tensão efetiva. Aumento da largura de banda. Aumento da potência transmitida. Aumento do alcance. 2. No contexto do projeto, como foram colocados os dipolos em relação ao plano de terra? Paralelos. Oblíquos, num ângulo de 30 graus. Perpendiculares. No mesmo plano, ao lado do plano de terra. 3. Qual foi a finalidade dos parafusos de ajuste utilizados na antena confeccionada? Elevar ou abaixar o plano da antena, para aumentar a potência para uma dada freqüência especificada. Elevar ou abaixar o plano da antena, para aumentar o alcance para uma dada freqüência especificada. Elevar ou abaixar o plano da antena, para aumentar a relação frente-costa para uma dada freqüência especificada. Elevar ou abaixar o plano da antena, para fazer o casamento de impedância para uma dada freqüência especificada. 8

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