ESCOLA DE ENGENHARIA MAUÁ INSTITUTO MAUÁ DE TECNOLOGIA TREVISAN DE SOUZA, V. L.; VAROTTI, J. L. G.; RIBEIRO, G. P.; NOCHI, M. K.

Transcrição

1 ESCOLA DE ENGENHARIA MAUÁ INSTITUTO MAUÁ DE TECNOLOGIA ESTUDO DE IMPLEMENTAÇÃO DE ANTENAS DIRECIONAIS ESTILO CANTENNA EM APLICAÇÕES EXTERNAS Projeto premiado de Introdução à Engenharia Elétrica/Eletrônica TREVISAN DE SOUZA, V. L.; VAROTTI, J. L. G.; RIBEIRO, G. P.; NOCHI, M. K. 7/12/213 Relatório referente ao projeto feito para a disciplina EFB-61 (Introdução à Engenharia) Módulo Elétrica no ano de 213.

2 EFB 61 - INTENG ESTUDO DE IMPLEMENTAÇÃO DE ANTENAS DIRECIONAIS ESTILO CANTENNA EM APLICAÇÕES EXTERNAS Gustavo Pedreño Ribeiro João Lucas Genoveze Varotti Maurício Kenji Nochi Vinícius Luis Trevisan de Souza Escola de Engenharia Mauá Grupo 3, Turma 3 e Equipe 1 Prof. Everson Denis Resumo: O objetivo deste relatório é a apresentação dos experimentos de implementação de antenas direcionais estilo cantenna em comparação com antenas omnidirecionais para a tecnologia Wi-Fi 2,4GHz. Foram feitos testes comparativos de transmissão e repetição de sinal. A antena foi otimizada priorizando o alcance em linha de visada direta para aplicações em ambiente externo. Palavras-chave: Cantenna, Wireless, Wi-Fi, Antenas, Internet. 1. INTRODUÇÃO Em aplicações de comunicação sem fio um problema recorrente é a limitação do alcance das antenas. Uma área de cobertura maior implica numa redução da distância de alcance, causando perdas de dados, atenuação de sinal e outros fatores que prejudicam a comunicação de acordo com a distância em que o usuário se encontra do ponto de acesso, por isso, em casos específicos que necessitam de distâncias maiores um feixe estreito e direcionado é uma solução mais adequada. Tratando-se desses casos, desenvolvemos uma antena de baixo custo que direciona a energia eletromagnética de forma a alcançar maiores distâncias, embora sua área de cobertura seja limitada ao feixe. A antena foi feita em forma de lata com um monopolo, configurando uma antena direcional. Essa forma de antena é popularmente conhecida como cantenna. Com ela, fizemos testes de implementação em ambiente externo usando-a como transmissora e para repetição de sinal. Os resultados mostraram que a nossa antena teve um desempenho melhor do que as antenas convencionais nos testes realizados. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA As antenas são transmissores e receptores de sinal que funcionam pela propagação de ondas eletromagnéticas. Dessa forma, estão sujeitas a atenuação, impedância, interferência e outros fenômenos de natureza eletromagnética e ondulatória. O capítulo 2 do livro¹ WarDriving & Wireless Penetration Testing (Syngress, 27) explica de forma rápida a teoria das antenas. Relatório Final INTENG - Elétrica 1

3 EFB 61 - INTENG As antenas que utilizamos seguem o padrão IEEE 82.11, que especifica antenas para comunicação de máquinas automáticas fixas, portáteis ou móveis. Informações sobre o padrão podem ser encontradas no site² da IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). O Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Rio de Janeiro publicou o seminário³ de seu aluno Miguel Elias Mitre Campista sobre Propagação e antenas aplicadas ao IEEE 82.11, que aborda os padrões 82.11, as antenas para o padrão e as formas de propagação. Nossa antena trabalha como um guia de onda, um tubo condutor preenchido com material dielétrico (o ar) que transmite energia eletromagnética em ondas. O Prof. Dr. Walter Pereira Carpes Junior disponibilizou no site do GRUCAD (Grupo de Concepção e Análise de Dispositivos Eletromagnéticos da Universidade Federal de Santa Catarina) um artigo 4 que trata da propagação em Guias de Onda. 3. MATERIAIS E MÉTODOS A antena (Figura 1) foi feita com um cano de alumínio de 73mm de diâmetro, fechado em uma das extremidades e uma abertura na face onde um conector tipo N foi colocado com um monopolo de cobre. Figura 1 - Cantenna Para determinar, colocamos duas antenas yagi uma de frente para a outra e apoiadas em tripés à mesma altura com uma distância de 2m entre as extremidades das antenas. Conectando um gerador de frequência em uma e um analisador de espectro na outra e estando ambos os equipamentos configurados para trabalhar com 2,437GHz (canal 6) e 1mW, medimos a potência recebida no analisador. Repetimos o procedimento com nossa antena ligada ao analisador de espectro e calculamos seu ganho quando polarizada verticalmente ou horizontalmente. Além do ganho, criamos os diagramas de radiação da cantenna, usando a mesma preparação do procedimento anterior e um transferidor de solo para determinar a potência recebida pela nossa antena a cada 1º polarizada verticalmente e horizontalmente. De posse dessas informações, realizamos os testes de transmissão e de repetição de sinal. Em ambos os testes utilizamos um notebook com compensação de ganho. No teste de transmissão posicionamos a cantenna conectada a um roteador em um dos tripés no começo de um corredor de 75m. Percorremos o corredor com um notebook e marcamos a potência do sinal a cada 5m medida pelo software InSSIDer Relatório Final INTENG - Elétrica 2

4 EFB 61 - INTENG < Num primeiro momento a transmissão foi feita por uma antena omnidirecional de 2,2dBi como controle e depois repetimos o teste com nossa antena. No teste de repetição colocamos uma outra cantenna ligada em um roteador conectado à internet como transmissora (Figura 2) e utilizamos um outro roteador como repetidor de sinal. Posicionamos os equipamentos em linha de visada direta a uma distância de 71m um do outro e medimos a qualidade do sinal (com o software InSSider) e a taxa de transmissão (com o software WireShark < em pontos de distância conhecida. Figura 2 Teste de Retransmissão O teste foi feito em duas etapas: primeiro um teste de controle com uma antena cantenna transmitindo o sinal para uma antena omnidirecional de 2,2dBi no roteador repetidor e outra antena omnidirecional como retransmissora. Num segundo momento utilizamos duas cantennas em linha de visada direta entre a transmissora e a repetidora, de modo a melhorar o desempenho da comunicação entre os roteadores. Como retransmissora, utilizamos também uma antena omnidirecional. As medições foram realizadas em âmbito real, desconsiderando a linha de visada direta entre o ponto de acesso e o notebook. O local escolhido foi o próprio campus, sem considerar as fontes de interferência e atenuação do ambiente, justamente para verificar o funcionamento do sistema em situações cotidianas. 4. DADOS E RESULTADOS O cálculo das dimensões e posicionamento dos componentes da cantenna foi feito segundo as Equações abaixo: Relatório Final INTENG - Elétrica 3

5 EFB 61 - INTENG ( ) ( ) Onde e são, respectivamente, a frequência mínima e máxima de operação da antena [GHz], é a frequência do canal [GHz], é a velocidade da luz no vácuo [mm/s], é o diâmetro da lata [mm], é o comprimento de onda da luz no vácuo [mm], é o comprimento de onda máximo para que se obtenha a frequência mínima de operação da antena e é o comprimento de onda do guia de onda [mm]. O comprimento da cantenna deve ser. A frequência de cada canal está representada na Tabela 1 Tabela 1 - Frequência dos canais para wireless 2,4GHz Canal Freq GHz Canal Freq GHz 1 2, , , , , , , , , , , , ,442 A antena ficou dimensionada conforme o Esquema 1. Esquema 1 Dimensionamento da cantenna para o canal 6 Relatório Final INTENG - Elétrica 4

6 EFB 61 - INTENG Como uma antena otimizada para o canal 1 teria aproximadamente 1,8m de comprimento, preferimos trabalhar com o canal 6 (2,437GHz) pois, além de ser um canal comum, a antena não seria tão grande. A lata serve como um guia de onda, conduzindo o sinal eletromagnético por sua superfície. Dessa forma, quanto melhor a condutibilidade do material empregado, menor a perda de sinal. Imperfeições, rugosidades e amassados podem prejudicar muito o sinal, portanto, deve-se escolher uma lata o mais lisa possível. Com o equipamento pronto fizemos o cálculo do ganho comparando nossa antena com uma yagi de ganho conhecido, segundo a Equação (N). ( ) Onde é a potência da antena de referência medida em dbi, é a potência da antena de referência em watts, é a potência da cantenna medida em dbi, é a potência da cantenna em watts, é o ganho da antena de referência, em dbi e é o ganho da cantenna, em dbi. As informações foram incluídas na Tabela 2 e, com ela, obtivemos os valores de ganho de 7dBi quando polarizada na vertical e de 5dBi quando polarizada horizontalmente. Tabela 2 Cálculo dos ganhos Polarização Vertical Polarização Horizontal Ps -48 Ps -46 Ps(w) 1,58489E-5 Ps(w) 2,51189E-5 Gs 12 Gs 12 Pt -53 Pt -53 Pt(w) 5,1187E-6 Pt(w) 5,1187E-6 Gt 7 dbi Gt 5 dbi Também criamos os diagramas de radiação da cantenna nas duas polarizações com potência recebida medida a cada 1º. As informações foram colocadas numa planilha do Excel que gerou os diagramas polar e retangular, conforme os Gráficos 1, 2, 3 e 4. Relatório Final INTENG - Elétrica 5

7 EFB 61 - INTENG Gráfico 1 Diagrama de radiação polar da cantenna Polarização Vertical Gráfico 2 Diagrama de radiação polar da cantenna Polarização Horizontal Relatório Final INTENG - Elétrica 6

8 Potência (dbm) Potência (dbm) EFB 61 - INTENG Ângulo (Graus) Gráfico 3 Diagrama de radiação cartesiano da cantenna Polarização Vertical Ângulo (graus) Gráfico 4 Diagrama de radiação cartesiano da cantenna Polarização Horizontal Após determinar as características da antena, realizamos os testes de transmissão e repetição de sinal. Relatório Final INTENG - Elétrica 7

9 P(-dBm) EFB 61 - INTENG Fizemos o teste de transmissão comparando nossa antena a uma antena convencional de controle. As informações estão na Tabela 3 que relaciona a potência recebida do sinal com a distância entre o utilizador e o ponto de acesso. Tabela 3 Potência do sinal em função da distância Distância Potência (-dbm) (m) Controle Cantenna A partir da Tabela 3, geramos o Gráfico 5, que compara as duas antenas. Gráfico 5 Comparação entre potência do sinal em função da distância das duas antenas Controle Cantenna No teste de repetição de sinal comparamos duas situações de comunicação sem fio entre os roteadores, utilizando num primeiro momento uma antena de controle e depois a cantenna. Os Relatório Final INTENG - Elétrica 8

10 EFB 61 - INTENG dados geraram a Tabela 4 e os Gráficos 6 e 7 que comparam a potência do sinal e a velocidade de transmissão na repetição em função da distância em linha reta entre o usuário e o ponto de acesso. Tabela 4 - Potência do sinal e velocidade de transmissão na repetição em função da distância. Distância do AP Distância do repetidor Potência do sinal (dbm) Velocidade de transmissão (Mb/s) Controle Cantenna Controle Cantenna ,345, ,68, ,315, ,118, ,43, ,49, Controle Cantenna Gráfico 6 Comparação da potência do sinal em função da distância Relatório Final INTENG - Elétrica 9

11 EFB 61 - INTENG,4,35,3,25,2,15 Controle Cantenna,1, Gráfico 7 Comparação da velocidade de transmissão em função da distância Nos gráficos a distância é medida em metros [m], a potência do sinal em dbm e a velocidade de transmissão em megabits por segundo [Mb/s] 5. CONCLUSÕES Com os dados obtidos, verifica-se que a cantenna obteve bons valores de ganho e, comparando com as antenas omnidirecionais, seu desempenho foi melhor nos testes realizados. No teste de transmissão, mesmo utilizando um laptop com controle de ganho para a comunicação com a antena, a cantenna mostrou um desempenho igual ou maior que a antena omnidirecional comum em todos os pontos onde a medição foi realizada e um desempenho significativamente melhor com distâncias maiores, atingindo o objetivo de implementação em áreas externas de longa distância. No teste de repetição o desempenho da cantenna voltou a ser maior, ainda que as variáveis do ambiente tenham influenciado muito a medição. A perda de pacotes ao fazer a repetição com cantennas foi significativamente menor e isso refletiu na velocidade do sinal, mais uma vez atingindo o objetivo. Como o teste de repetição foi realizado em um ambiente não controlado, seu resultado mostra que o sistema funcionaria em situações cotidianas, onde estão presentes fontes de interferência, atenuação e outros fatores prejudiciais para o sinal. Dessa forma verifica-se que, para as aplicações estudadas, a cantenna é uma escolha mais eficiente do que as antenas omnidirecionais de mercado. REFERÊNCIAS 1. Hurley, C; Rogers, R; Thornton, F; Connely, D; Baker, B; Wardriving and Wireless Penetration Testing, Chapter 2, 26, Syngress Relatório Final INTENG - Elétrica 1

12 EFB 61 - INTENG 2. Institute of Electrical and Electronic Engineers. STD Disponível em: < Acesso em 2/11/ Campista, M. E. M. Propagação e antenas aplicadas ao IEEE 82.11, 23, GTA UFRJ, Disponível em: < Acesso em 7/8/ Junior, W. P. C. Propagação em guias de onda. Disponível em: < Acesso em 14/11/212 IMPLEMENTATION STUDY FOR DIRECTIONAL ANTENNAS CANTENNA STYLE IN EXTERNAL APPLICATIONS Abstract: This report s objective is to present the experiment of implementation of directional antennas cantenna style comparing to omnidirectional antennas for Wi-Fi 2,4GHz technology. Comparative transmission and repetition tests were made. The antenna was optimized for maxing the line-of-sight range in external applications. Key-words: Cantenna, Wireless, Wi-Fi, Antennas, Internet. Relatório Final INTENG - Elétrica 1 1