Projeto de um conjunto de antenas retransmissoras ARTIGO para ORIGINAL sistemas / ORIGINAL microcelulares ARTICLE Projeto de um conjunto de antenas retransmissoras para sistemas microcelulares Project of a set of retransmitter antennas for microcellular systems Fábio Renan Durand * * Doutorando em Engenharia Elétrica (UNICAMP). Mestre em Engenharia Elétrica (USP-São Carlos). Docente do Curso de Engenharia Elétrica/Telecomunicações da Universidade Norte do Paraná (UNOPAR). e-mail: <fabio.durand@unopar.br> Resumo Este trabalho propõe a realização do projeto e análise de um retransmissor passivo para sistemas microcelulares. Este restransmissor passivo é composto de uma antena Yagi-Uda acoplada a uma antena Monopolo. O objetivo da utilização do retransmissor passivo é eliminar as áreas de sombra, ou seja, sem cobertura de sinal em microcélulas (Raio < 1000 m). Verificou-se que a antena Yagi-Uda projetada e otimizada com 5 elementos apresenta um bom ganho (10,6 db) e este ganho é mantido constante numa ampla faixa de frequências. Foi implementado e caracterizado um protótipo que apresentou um bom desempenho. Observou-se também que a diferença entre as impedâncias de entrada das antenas não é elevada, visto que o módulo do coeficiente de reflexão do acoplamento entre as antenas ficou próximo a 0,1. Portanto, não será necessária a utilização de redes de casamento de impedância. Palavras-chave: Sistemas Microcelulares. Retransmissor Passivo. Antena Yagi- Uda. Antena Monopolo. Abstract This work presents results of the project and analysis of A passive re-transmitter for microcellular systems. The passive re-transmitter consists in both a Yagi- Uda and a Monopole antenna. The implemented prototype device showed good results. The designed Yagi-Uda antenna presented 10,6 db gain for a wide range of frequency of cellular system and the matching of impedance is appropriate for these types of antennas, mainly because the reflection coefficient was near of 0,1. Therefore applying matching networks was not necessary. Key words: Microcellular systems. Passive re-transmitter. Yagi-Uda antenna. Monopole antenna. 1 Introdução A utilização de sistemas móveis celulares está se expandindo constantemente e já está agregada ao cotidiano de milhares de usuários (PRASAD; MOHR; KONHAUSER, 2000). Portanto, é natural que empresas e centros de pesquisa busquem otimizar sua utilização para fornecer uma grande quantidade de facilidades e novos serviços para os usuários (ITU, 2001). Desta forma, várias tecnologias estão sendo propostas e uma tecnologia que está apresentando excelente desempenho é a tecnologia de sistemas microcelulares (FARUQUE, 1996). Nestes sistemas, cada antena transmissora/receptora cobre um raio máximo de 1000 metros. Esta solução é altamente disseminada para cobertura de sinal em áreas urbanas com alta densidade de terminais móveis e sua aplicação está sendo largamente empregada em comunicações móveis prediais, principalmente em áreas comerciais. Além disso, este sistema fornece uma elevada largura de banda para transmissão de informação (HANZO; CHERRIMAN; KUAN, 2000). Considera-se também que a evolução dos sistemas móveis celulares aponta na direção de uma nova gama de serviços para os usuários, como a internet móvel. Portanto, estes novos serviços exigem a confiabilidade do sistema móvel celular e requerem elevada largura de banda para transmissão de uma grande quantidade de informação (348 kbps a 2 Mbps) (PRASAD; MOHR; KONHAUSER, 2000). Desta forma, a tecnologia das microcélulas está evoluindo e já pode fornecer uma taxa de transmissão que chega até 2 Mbps para ambientes internos que utilizam sistemas de telefonia móvel de 3 a Geração. Por outro lado, uma das principais dificuldades encontradas pelas operadoras de telefonia móvel celular é o atendimento de usuários localizados em áreas de sombra, ou seja, sem a cobertura de sinal (ANNABEL, 2000). Uma vez que, a propagação do sinal eletromagnético em ambientes móveis terrestres está sujeito à degradação devido às perdas. Os principais tipos de perdas são: perdas em espaço livre, que são perdas que ocorrem devido à distância entre o transmissor e receptor; perdas por sombreamento, que ocorrem em função do relevo do terreno e obstrução de sinal; e finalmente, perdas por propagação em multipercursos, que ocorrem em função da variação do trajeto que o sinal apresenta antes de alcançar seu destino. Portanto, em sistemas móveis celulares se DURAND, F. R. / UNOPAR Cient., Ciênc. Exatas Tecnol., Londrina, v. 2/3, n. 1, p. 75-80, nov. 2003/2004 75
observa a variação do sinal recebido em função da localização geográfica do aparelho receptor. Este efeito é verificado em ambientes urbanos densos onde o sinal eletromagnético pode sofrer fortes perdas, causando falha na comunicação. Os locais onde ocorrem falhas de sinal são denominados zonas de sombra e uma forma de contornar este efeito é realizar o redirecionamento do sinal para estas regiões. Uma forma de realizar este redirecionamento é a utilização de retransmissores passivos. Portanto, neste trabalho é proposto e projetado um sistema de antenas atuando como um retransmissor passivo para sistemas microcelulares. Este sistema consiste de uma antena Yagi-Uda (STUTZMAN; THIELE, 1998) em conjunto com uma antena Monopolo (BALANIS, 1997), como ilustra a Figura 1. Este retransmissor tem como objetivo solucionar dois problemas dos atuais sistemas móveis celulares. Sendo o primeiro, o redirecionamento do sinal para áreas de sombra e o segundo, a cobertura de sinal numa microcélula. Esta solução apresenta maior viabilidade econômica em comparação com a instalação de uma Estação Rádio Base (ERB) para fazer a cobertura da área de sombra. No retransmissor passivo proposto neste trabalho, a função da antena Yagi-Uda consiste em captar o baixo sinal da ERB mais próxima à área de sombra e alimentar a antena monopolo que irá distribuir o sinal igualmente no perímetro da microcélula. O funcionamento no sentido inverso também deve ocorrer, ou seja, o retransmissor passivo terá que captar o sinal na microcélula por meio da antena monopolo e enviar este sinal através da antena Yagi- Uda até a ERB mais próxima. Observe na Figura 1 que a antena Yagi-Uda e a antena Monopolo não estão posicionados costa-a-costa, assim sua aplicação é indicada em casos onde a Yagi- Uda estaria localizada na região externa de um edifício e a antena Monopolo estaria posicionada na região interna evitando interferência eletromagnética entre as atenas. A seguir ilustra-se os elementos teóricos considerados no projeto e análise do retransmissor passivo. Figura 1. Retransmissor Passivo Proposto Antena Yagi-Uda acoplada a uma antena Monopolo. 2 Fundamentos Teóricos O retransmissor passivo proposto neste trabalho consiste de uma antena Yagi-Uda acoplada via cabo coaxial (~ 10 cm) a uma antena monopolo, como ilustra a Figura 1. Portanto, para realizar o projeto deste retransmissor deve ser realizado o projeto de cada uma das antenas que o compõe. Nesta seção será realizada uma breve introdução teórica de cada uma das antenas bem como a realização do seu projeto. 2.1 Antena Yagi-Uda A antena Yagi-Uda foi proposta em 1926 no Japão por S. Uda e H. Yagi (ESTEVES, 1980). Esta antena consiste essencialmente em um dipolo alimentador e vários elementos parasitas em curto colocados segundo a direção de máxima radiação desejada. Na Figura 1 pode-se identificar uma antena Yagi-Uda, que é composta de um excitador, vários diretores e um refletor. Estes elementos destinam-se, respectivamente, a excitar a onda eletromagnética, dirigi-la na direção de máxima radiação desejada e refleti-la também na direção preferencial. Esta antena é muito empregada nas frequências de VHF e UHF (KRAUS, 1993) e também é utilizada na operação de sistemas móveis celular, Antena Yagi-Uda Diâmetro dos Elementos 0,028λ Espaçamento Entre Elementos (λ) Refletor Alimentador D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 D 8 D 9 Alimentador D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 D 8 D 9 D 10 0,15 0,124 0,186 0,192 0,238 0,296 0,296 0,296 0,296 0,296 0,296 Comprimento dos Elementos (λ) Refletor Alimentador D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 D 8 D 9 D 10 0,506 0,478 0,452 0,443 0,434 0,425 0,42 0,409 0,4 0,392 0,384 0,377 Quadro 1. Dados do Projeto da Antena Yagi-Uda. 76 DURAND, F. R. / UNOPAR Cient., Ciênc. Exatas Tecnol., Londrina, v. 2/3, n. 1, p. 75-80, nov. 2003/2004
pois apresenta um ganho relativamente alto (JOHNSON; JASIK, 1993). O projeto da antena Yagi empregada neste trabalho foi baseado em tabelas obtidas em (BALANIS, 1997) e (ESTEVES, 1980). O Quadro 1 ilustra as especificações da antena Yagi-Uda que pode ser adequada ao número de elementos em função da especificação do projeto. 2.2 Antena Monopolo A antena Monopolo consiste de uma antena dipolo dividido ao meio no seu centro de alimentação. Esta antena utiliza o plano terra para simular o funcionamento de um dipolo, porém sua diretividade é o dobro do dipolo e sua impedância de entrada é metade. O comprimento de Monopolo largamente empregado em sistemas de comunicação é l/4. A antena Monopolo apresenta a característica de possuir o diagrama de irradiação horizontal omnidirecional, ou seja, irradia a mesma intensidade de sinal em todas as direções do plano horizontal. Para a antena monopolo possuir uma largura de banda que possa atender toda a faixa das bandas A e B do sistema móvel celular ( 70 MHz ) é necessário que seu diâmetro seja elevado quando comparado ao comprimento de onda de operação (FARUQUE, 1996). O projeto da antena monopolo é extremamente simples. Para dimensioná-la, basta determinar a comprimento de onda central de operação (l) e dividir este valor por quatro. A análise da antena monopolo não será detalhada neste trabalho em virtude de sua simplicidade e de seus resultados já serem largamente conhecidos na literatura. Recomenda-se para maiores informações (ESTEVES, 1980) e (BALANIS, 1997). 3 Metodologia de Análise A análise de desempenho do retransmissor passivo projetado neste trabalho é realizada por meio de medidas em laboratório e simulações computacionais. As medidas de laboratório são utilizadas para a obtenção dos diagramas de irradiação das antenas que compõem o retransmissor passivo e as simulações computacionais são utilizadas para verificar o acoplamento e o casamento de impedância entre as antenas. As medidas de laboratório foram realizadas utilizando o conjunto Antenna Training and Measuring System (8092) de antenas da empresa Labvolt (www.labvolt.com). O esquema utilizado para realizar a caracterização das antenas é ilustrado na Figura 2 e consiste de um transmissor onde se emprega uma antena Yagi-Uda, que é utilizada em função de sua diretividade para incidir energia eletromagnética na antena instalada no receptor. Por outro lado, o receptor é composto por um suporte giratório com varredura de 360 o para a obtenção do diagrama de irradiação da antena receptora. Este receptor também possui um sistema para realizar a interface com computador, assim o sinal recebido é enviado para o computador para a formação do diagrama de irradiação. O estudo do acoplamento e casamento de impedância entre as antenas foi realizado por meio de simulações utilizando o software Quickyagi 4.0 (www.raibeam.com). Este software caracteriza-se por ser muito preciso e robusto na simulação de desempenho de antenas Yagi- Uda. 4 Resultados Após a realização do projeto de cada antena que compõe o retransmissor passivo é necessária a verificação de seu desempenho. A antena Yagi-Uda utilizada no retransmissor passivo consiste de uma antena de 5 elementos projetada para a freqüência de 840 MHz. O Quadro 2 ilustra as dimensões desta antena. O início desta análise é ilustrado na Figura 3, onde se observa os diagramas de irradiação horizontal e vertical da antena Yagi-Uda. Observe na Figura 3 que a relação-frente costa, que ilustra a quantidade de energia eletromagnética que é refletida para a região traseira da antena, não é muito boa. Entretanto, no retransmissor passivo analisado neste trabalho a conexão entre a antena Yagi-Uda e antena Monopolo não é realizada por posicionamento costa-acosta, assim este efeito não causara interferência no sinal irradiado ou recebido pela antena Monopolo. A antena Monopolo utilizada possui comprimento de 17,85 cm e diâmetro de 1 cm, a caracterização desta antena é ilustrada na Figura 4 por meio dos diagramas de irradiação vertical e horizontal. Por meio da Figura 4 verifica-se que a antena Monopolo possui um diagrama de irradiação ominidirecional, ou seja, no plano horizontal irradia e recebe sinal igualmente em todas as direções e possui um diagrama mais diretivo no plano vertical. Por meio desta figura também verifica-se que não ocorre interferência eletromagnética entre as antenas. Após a caracterização dos diagramas de irradiação das antenas que compõem o retransmissor passivo projetado e analisado neste trabalho é preciso analisar a variação do ganho da antena Yagi-Uda da variação da Figura 2. Esquema utilizado na caracterização das antenas que compõem o retransmissor passivo. DURAND, F. R. / UNOPAR Cient., Ciênc. Exatas Tecnol., Londrina, v. 2/3, n. 1, p. 75-80, nov. 2003/2004 77
Espaçamento Entre Elementos (cm) Antena Yagi-Uda Diâmetro dos Elementos 1 cm Refletor - Alimentador Alimentador - D 1 D 1 - D 2 D 2 - D 3 D 3 - D 4 D 4 - D 5 5,35 4,42 6,24 6,85 8,4 10,57 Comprimento dos Elementos (cm) Refletor Alimentador D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 18,07 17,39 16,14 15,81 15,50 15,17 15,00 Quadro 2. Dados do Projeto da Antena Yagi-Uda. Figura 3. Diagramas de Irradiação Horizontal e Vertical da antena Yagi-Uda. Figura 4. Diagramas de Irradiação Horizontal e Vertical da antena Monopolo 78 DURAND, F. R. / UNOPAR Cient., Ciênc. Exatas Tecnol., Londrina, v. 2/3, n. 1, p. 75-80, nov. 2003/2004
freqüência, este estudo é realizado por meio de simulações com o software Quickyagi 4.0 e é ilustrado na Figura 5. Nesta figura verifica-se que o ganho em função da variação da frequência apresenta uma curva constante próxima ao valor de 11,6 dbi. Portanto, nesta faixa de frequência a antena Yagi-Uda apresentará comportamento muito próximo à frequência central de 840 MHz e o funcionamento do dispositivo será adequado nesta faixa de frequência. meio de simulações com o software Quickyagi 4.0 e ilustrado na Figura 6. Estas impedâncias também podem ser calculadas por meio das formulações descritas em (BALANIS,1997). Analisando a Figura 6, observe que tanto a resistência quanto a reatância destas antenas apresentam valores próximos. Porém, uma análise mais precisa pode ser realizada por meio da verificação da variação do módulo do coeficiente de reflexão em função da frequência. Esta análise é ilustrada na Figura 7 e observa-se que o valor deste coeficiente permanece próximo do valor de 0,1 ao longo de uma faixa de 10 MHz em torno da frequência central de 840 MHz. Portanto, não é necessária a utilização de redes de casamento para efetuar o casamento de impedância e desta forma o dispositivo pode apresentar um menor custo. Figura 5. Ganho (db) em função da variação da frequência (MHz). Após a obtenção dos diagramas de irradiação das antenas Yagi-Yda e Monopolo é preciso verificar o desempenho destas antenas em conjunto em função de seu acoplamento como um refletor passivo. Outra característica que deve ser analisada cuidadosamente nesta configuração de retransmissores é o casamento de impedância de entrada das antenas (SARTORI, 1999), pois em virtude de apresentarem geometria e distribuição de corrente distinta, elas podem apresentar valores de impedância muito diferentes. Desta forma seria necessário o acoplamento por meio de uma rede de casamento de impedância. O estudo das impedâncias de entrada apresentadas pelas antenas é realizado por Figura 7. Módulo do coeficiente de reflexão em função da variação da frequência. 5 Conclusões Neste trabalho foi projetado e analisado um retransmissor passivo para sistemas microcelulares. Este retransmissor passivo é composto de uma antena Yagi- Uda acoplada a uma antena Monopolo. Observou-se que Figura 6. Impedância em função da variação da frequência. (a) Resistência e (b) Reatância. DURAND, F. R. / UNOPAR Cient., Ciênc. Exatas Tecnol., Londrina, v. 2/3, n. 1, p. 75-80, nov. 2003/2004 79
a antena Yagi-Uda projetada apresenta ganho constante em uma ampla faixa de frequência e o acoplamento entre as antenas apresenta pequeno coeficiente de reflexão, portanto, não é necessária a utilização de redes de casamento de impedância para efetuar o acoplamento entre as antenas. De uma forma global os resultados obtidos em laboratório e as simulações do dispositivo apresentaram bons resultados. Agradecimentos O autor agradece o suporte financeiro fornecido ao desenvolvimento deste trabalho por parte da Universidade Norte do Paraná UNOPAR. Referências ANNABEL, D. Z. O guia essencial para telecomunicações. Rio de Janeiro: Campus, 2000. BALANIS, C. A. Antenna theory analysis and design. New York: John Wiley & Sons, 1997. ESTEVES, L. C. Antenas: teoria básica e aplicações. São Paulo: McGraw-Hill, 1980. FARUQUE, S. Cellular mobile systems engineering. London: Artech House, 1996. HANZO, L.; CHERRIMAN, P.; KUAN, E. Interactive cellular and cordless video telephony: state-of-the-art system design principles and expected performance. Proceedings of the IEEE, v. 88, n. 9, p. 1388-1413, Sept. 2000. ITU. What is IMT-2000? The road to IMT-2000. Disponível em: <http://www.itu.int>. Acesso em: fev. 2001. JOHNSON, R. C.; JASIK, H. Antenna engineering handbook. 3 rd ed. New York: McGraw-Hill, 1993. KRAUS, J. Antennas. New York: McGraw-Hill, 1993. SARTORI, J. Linhas de transmissão e carta de Smith. São Carlos: Editora EESC-USP, 1999. PRASAD, R.; MOHR, W.; KONHAUSER, W. Third generation mobile communication systems. London: Artech House, 2000. STUTZMAN, W. L.; THIELE, G. A. Antenna theory and design. 2 nd ed. New York: John Wiley & Sons, 1998. 80 DURAND, F. R. / UNOPAR Cient., Ciênc. Exatas Tecnol., Londrina, v. 2/3, n. 1, p. 75-80, nov. 2003/2004