ESTUDO DE IMPLEMENTAÇÃO DE ANTENAS DIRECIONAIS...

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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 - 2013 TREVISAN DE SOUZA, V. L.; VAROTTI, J. L. G.; RIBEIRO, G. P.; NOCHI, M. K. 07/12/2013 Relatório referente ao projeto feito para a disciplina EFB-601 (Introdução à Engenharia) – Módulo Elétrica no ano de 2013.

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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 - 2013

TREVISAN DE SOUZA, V. L.; VAROTTI, J. L. G.; RIBEIRO, G. P.; NOCHI, M. K.

07/12/2013

Relatório referente ao projeto feito para a disciplina EFB-601 (Introdução à Engenharia) – Módulo Elétrica no ano de 2013.

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Relatório Final INTENG - Elétrica 1

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, 2007) explica de forma rápida a teoria das antenas.

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Relatório Final INTENG - Elétrica 2

As antenas que utilizamos seguem o padrão IEEE 802.11, 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

802.11, que aborda os padrões 802.11, 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 artigo4 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 10º 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

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<http://www.metageek.net/products/inssider/>. 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 <http://www.wireshark.org/>) 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:

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Relatório Final INTENG - Elétrica 4

√(

)

(

)

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 2,412 8 2,447

2 2,417 9 2,452

3 2,422 10 2,457

4 2,427 11 2,462

5 2,432 12 2,467

6 2,437 13 2,472

7 2,442

A antena ficou dimensionada conforme o Esquema 1.

Esquema 1 – Dimensionamento da cantenna para o canal 6

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Relatório Final INTENG - Elétrica 5

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-05 Ps(w) 2,51189E-05

Gs 12 Gs 12

Pt -53 Pt -53

Pt(w) 5,01187E-06 Pt(w) 5,01187E-06

Gt 7 dBi Gt 5 dBi

Também criamos os diagramas de radiação da cantenna nas duas polarizações com potência

recebida medida a cada 10º. As informações foram colocadas numa planilha do Excel que

gerou os diagramas polar e retangular, conforme os Gráficos 1, 2, 3 e 4.

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Gráfico 1 – Diagrama de radiação polar da cantenna –

Polarização Vertical

Gráfico 2 – Diagrama de radiação polar da cantenna –

Polarização Horizontal

-25

-20

-15

-10

-5

00

10 2030

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140150

160170180

190200210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320330

340350

-25

-20

-15

-10

-5

00

1020

3040

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140150

160170

180190

200210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320330

340350

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Gráfico 3 – Diagrama de radiação cartesiano da cantenna – Polarização Vertical

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.

-33

-30

-27

-24

-21

-18

-15

-12

-9

-6

-3

0

-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180

Po

tên

cia

(d

Bm

)

Ângulo (Graus)

-18

-15

-12

-9

-6

-3

0

-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180

Po

tên

cia

(d

Bm

)

Ângulo (graus)

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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

(m)

Potência (-dBm)

Controle Cantenna

0 34 21

5 50 50

10 50 50

15 50 50

20 50 50

25 60 55

30 60 60

35 60 50

40 60 60

45 70 60

50 70 60

55 60 60

60 60 55

65 60 50

70 60 50

75 60 50

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

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

0

10

20

30

40

50

60

70

80

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

P(-

dB

m) Controle

Cantenna

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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

71 0 -27 -27 0,345 0,345

93 22 -50 -50 0,068 0,295

130 59 -70 -66 0,315 0,236

143 72 -60 -61 0,118 0,184

164 93 -80 -80 0,043 0,188

206 135 -86 -87 0,049 0,094

Gráfico 6 – Comparação da potência do sinal em função da distância

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 22 59 72 93 135

Controle

Cantenna

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Relatório Final INTENG - Elétrica 1

0

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, 2006, Syngress

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0 22 59 72 93 135

Controle

Cantenna

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1

2. Institute of Electrical and Electronic Engineers. STD 802.11-2012. Disponível em:

<http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.11-2012.html> . Acesso em 2/11/2012

3. Campista, M. E. M. “Propagação e antenas aplicadas ao IEEE 802.11”, 2003,

GTA – UFRJ, Disponível em:

<http://www.gta.ufrj.br/seminarios/semin2003_1/miguel/index.html> Acesso em

07/08/2012.

4. Junior, W. P. C. “Propagação em guias de onda”. Disponível em:

<http://www.grucad.ufsc.br/walter/guias_de_onda.pdf> Acesso em 14/11/2012

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.