Redes Sem Fio Zigbee e Técnicas de RF

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Redes de Comunicação Sem Fio Zigbee

Palestrante: André Rasmínio email: [email protected]

PUC

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O que é Zigbee?

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ZigBee® O que é ZigBee?

• Protocolo de comunicação sem fio entre dispostivos eletrônicos baseado no padrão IEEE802.15.4;

• É um conjunto de especificações para redes sem fio capaz de formar uma rede em Malha (Mesh);

• É uma tecnologia de comunicação sem fio utilizada de baixo consumo, baixa potência de operação, baixo custo de implantação;

• Definido pelas companhias que fazem parte da ZigBee Alliance;

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ZigBee® • ZigBee é o nome de um protocolo de

comunicação wireless desenvolvido pela ZigBee Alliance baseado no padrão IEEE 802.15.4.

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Porque utilizar ZigBee? • Baixo consumo de energia; • Segurança AES 128bits; • Confiabilidade de dados; • Baixo custo de implantação; • Forma redes ponto a ponto (P2P), Estrela (Star), árvore

(Cluster-Tree) e Malha (Mesh); • Interoperabilidade entre diversos fabricantes; • Alta Imunidade a Interferência; • Baixa taxa de dados;

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Características ZigBee® Baixo Consumo de Energia

Devido às características de concepção da tecnologia

Zigbee, o consumo de energia é muito baixo; Baterias Comuns do tipo AA podem durar 5 anos se o

dispositivo acordar a cada 1 minuto;

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Características ZigBee® Segurança

• Provê a confidencialidade da informação; • Mantém a integridade e a autenticidade dos dados; • Utiliza Criptografia de 128 bits baseada no AES - Advanced

Encryption Standard;

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Características ZigBee® AES

O AES é um algoritmo de criptografia que pode ser utilizado para proteger dados eletrônicos. O algoritmo do AES é um bloco simétrico que criptografa ou decriptografa a informação. A criptografia torna a informação embaralhada, a decriptogravação torna a informação na forma original. O padrão AES foi derivado do Data Encryption Standard (DES). O AES foi desenvolvido pelo NIST (Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA) em 26 de Novembro de 2001, depois de 5 anos de um processo de padronização. Tornou-se um padrão efetivo em 26 de Maio de 2002. Em 2006, o AES já é um dos algoritmos mais populares usados para criptografia de chave simétrica (http://csrc.nist.gov).

http://csrc.nist.gov/

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Características ZigBee® Baixo Custo de Implantação

O baixo custo de implantação desta tecnologia é uma das

grandes vantagens quando comparada à outras tecnologias sem fio como Bluetooth e Wi-Fi.

Exemplo: • Transceptor Zigbee US$2.48(http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en027752) • Transceptor Wi-Fi US$9.99 (http://www.ti.com/product/cc3000#samplebuy)

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Tipos de redes ZigBee® Redes Ponto a Ponto e Estrela

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Tipos de redes ZigBee® Redes Árvore

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Tipos de redes ZigBee® Redes Malha

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Tipos de Mercados ZigBee® Interoperabilidade entre diversos fabricantes;

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Características ZigBee® Alta Imunidade a Interferência;

• Scanning e Energy Scan - prevê a amostragem do canal, medindo a energia de cada canal e utilizando o de menor energia.

• CSMA/CA é um artifício conhecido como “listen before talk”, o padrão prevê esta funcionalidade e deve ser utilizado para evitar colisões e interferências.

• ACK e Retransmissões - prevê um ACK (acknowledgement )do receptor para cada frame recebido.

• Frequency Agility possibilita a mudança do canal de operação durante a operação da rede.

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Características ZigBee® Scanning e Energy Scan nos 16 canais em 2.4GHz;

2483.5

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

2400 2480 2410 2420 2430 2440 2450 2460 2470

Frequency (MHz)

Channel:

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Baixa taxa de dados; 10,000

1,000

100

10

1

1 10 100 1,000 10,000 100,000

Cellular Technologies GSM, GPRS

WLAN Technologies IEEE802.11

ZigBee IEEE 802.15.4™

Bluetooth

Data Rate (kbps)

Dis

tância

(m

etr

os)

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Padrão IEEE 802.15.4

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Padrão IEEE802.15.4

Define um protocolo e a compatibilidade de interconexão para dispositivos de

comunicação de baixa taxa de dados, baixa potência, baixa complexidade e pequeno

alcance utilizados em WPAN ( wireless personal area network).

É a base das especificações ZigBee, WirelessHART, MiWi e outras especificações.

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IEEE 802.15.4™ Interface Física

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• Rádios operando em 2.4GHz podem atingir taxas de dados mais altas.

• Possuem uma maior faixa de frequencia, proporcionando mais canais de trabalho.

• As redes são mais confinadas por possuírem grande atenuação em obstáculos.

• A antena é reduzida. • Menor consumo de energia. • Interferências principais: Bluetooth e Wi-Fi.

IEEE 802.15.4™ Interface Física 2.4GHz

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16 Canais em 2.4GHz

2483.5

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

2400 2480 2410 2420 2430 2440 2450 2460 2470

Frequency (MHz)

Channel:

5 MHz 3 MHz

Channel Spacing Bandwidth

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Canais IEEE 802.11 (Wi-Fi)

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IEEE 802.15.4 (Zigbee) vs. IEEE 802.11 (Wi-Fi)

2483.5

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

2400 2480 2410 2420 2430 2440 2450 2460 2470

Frequency (MHz)

Channel:

2412

Channel 1

2437

Channel 6

2462

Channel 11

22 MHz

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Para estarem de acordo com a RESOLUÇÃO ANATEL N§ 506/2008 (Radiação Restrita) os equipamentos que utilizam Tecnologia de Espalhamento Espectral devem operar em 902-907,5 MHz, 915-928 MHz, 2400-2483,5MHz

http://sistemas.anatel.gov.br/sgch/Certificado/HomologacaoPNCC.asp?consulta=1&?NumRFGCT=61311





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Camada MAC IEEE Std 802.15.4 É a camada responsável por realizar o controle de acesso ao meio (MAC medium access control):

— Associação e a desassociação de dispositivos — Suporta um dispositivo com segurança AES 128 — Implementa o CSMA-CA para o acesso ao canal — Implementa o socket entre dois dispositivos

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O protocolo Zigbee Elementos da rede Zigbee

PUC

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• Tipos:

– Full Function Devices - FFD

– Reduced Function Devices - RFD

• Funções:

– ZigBee Coordinator FFD

– ZigBee Router FFD

– ZigBee EndDevice RFD

Tipos de Dispositivos e Funções

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• Uma rede Zigbee possui os seguinte dispositivos:

–Coordinator

–Routers

– End Devices

Funções

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ZigBee® Device Coordinator

• Cria a rede

• Permite que outros nós façam parte da rede

• Transceiver sempre alimentado

• Requer grande capacidade de processamento e memória

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ZigBee® Device Router

• Extende a área de cobertura da rede

• Pode ter nós filhos

• Provê caminhos alternativos da informação

• Tranceiver sempre deve estar alimentado

• Requer alta capacidade de processamento e memória

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ZigBee® Device Reduced Funcition End Device

• Pode se comunicar somente com um nó de grau superior

• Pode ser alimentado com bateria

• Requer baixa capacidade de processamento, de energia e de memória

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Exemplo

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Protocolos proprietário

IEEE802.15.4

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Vantagens: - Principais funcionalidades do Zigbee - Todas as funcionalidades e características do

IEEE802.15.4 - Custo zero de licença - Certificação somente do órgão local (Anatel, FCC, ...) - Custo de implementação com processador e memória

reduzido

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Protocolos Proprietários

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Comparação de protocolos

Fractum

MiWi PRO

ZigBee®

Protocolo Proprietário Proprietário

Zigbee

Tamanho da

rede

28 nodes V2

232 nodes V3

Unlimited hops

Large Networks

8K Nodes

64 Coordinators

65 hops

Large Networks

~ 64K Nodes

Unlimited on

Coordinators and

hops

Radio

Support

Ubee/UbeeMAX All Microchip

RF Radios

IEEE 802.15.4

Radio

MCU Support 1 USART

3.3V

PIC18, PIC24,

dsPIC30/33,

PIC32

uC

2kB RAM

64kB Flash

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Comparação de protocolos

Fractum

MiWi PRO

ZigBee®

Code Size <1kB 25KB

64-128KB

RAM

<128Bytes 512Bytes 2KB

Custo Somente do

módulo Somente do

transceptor

$3,500/ano +

testes +

licença do logo

Certificação Local Local Local e Zigbee

Alliance

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Soluções Fractum

IEEE802.15.4

PUC

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Soluções Fractum

UBee

USART uC ou PC

Interrupt

MiWi™

Aplicação

• Não é necessário nenhum conhecimento de RF • Não é necessário nenhum conhecimento da pilha Zigbee ou MiWi • Necessário apenas uma interface USART • Todos os comandos da rede disponíveis em comandos AT e API • Possibilidade de embarcar a sua solução no próprio micro-controlador

do UBee http://fractumrf.com/wireless2.html

ZigBee™

Proprietary

http://fractumrf.com/wireless2.html

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Soluções Fractum - UBeeMAX

• Módulo completo baseado no padrão IEEE 802.15.4

• Fácil utilização através de comandos AT e API.

• Alcance de 1300 metros em visada direta com possibilidade de de habilitar roteadores para aumentar o alcance da rede em modo Mesh.

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Recurso Descrição

Alcance 1300 metros em visada direta

Comandos AT Serial – USART

Comandos API Serial - USART

Entrada e Saídas 10

Conversores A/D 6

Sleep Por pino e periódico

Modo Relatório Periódico

Redes P2P, Star e Mesh

Roteador Sim

Consumo em Tx 23 mA

Consumo em Rx 18 mA

Consumo em Sleep 5 uA

Função Bootloader Update de Firmware

Software de configuração Sim

Modelos PRO

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Soluções Fractum - UBee

• Módulo completo baseado no padrão IEEE 802.15.4

• Fácil utilização através de comandos AT e API.

• Alcance de 250 metros em visada direta com possibilidade de de habilitar roteadores para aumentar o alcance da rede em modo Mesh.

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Recurso Descrição

Alcance 250 metros em visada direta

Comandos AT Serial – USART

Comandos API Serial - USART

Entrada e Saídas 10

Conversores A/D 6

Sleep Por pino e periódico

Modo Relatório Periódico

Redes P2P, Star e Mesh

Roteador Sim

Consumo em Tx 23 mA

Consumo em Rx 18 mA

Consumo em Sleep 5 uA

Função Bootloader Update de Firmware

Software de configuração Sim

Modelos PRO, Wipe, Mini

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Soluções Fractum

• Desenvolvimento de sistema embarcados • Desenvolvimento de antenas • Desenvolvimento de projeto utilizando tecnologia IEEE802.15.4 • Treinamentos

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Wireless Design Partner Microchip

• RF/Antena - serviços relacionados com projeto de RF e projeto de antenas para produtos Microchip;

• ZigBee™ - Soluções utilizando ZigBee stack software em PIC MCUs ; • Wi-Fi™ - Soluções de comunicação Wi-Fi;

• MiWi™ DE - Soluções utilizando o MiWi Development Environment;

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Obrigado!

Contato: Eng. André Rasmínio Tel.: 35-34710019 Email: [email protected] Skype: andre.rasminio

mailto:[email protected]

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Planejamento de Cobertura e Técnicas de RF

Palestrante: Luciano Camilo Alexandre email: [email protected]

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Planejamento de Cobertura em Redes 802.15.4

• Potência do Transmissor • Ganho das Antenas (Relativo a Transmissor e Receptor) • Perda nos alimentadores das antenas (cabos) • Tipos de antenas e suas dimensões • Perda no espaço livre • Perda em obstáculos

Fatores Primários


• Sensibilidade do Receptor • Distância de comunicação a ser alcançada no projeto • Largura de banda disponível • Taxa de transmissão de dados • Protocolos de transmissão • Interferências

Fatores Secundários


Equação Básica

Potência recebida (dBm)= Potência de Transmissão (dBm) + Ganhos (dB) – Perdas (dB)


Tabela de Atenuações Médias

Tipo de Material Atenuação (dB)

Janela de vidro 2 dB

Janela de metal 6 dB

Parede de escritório (divisória) 6 dB

Parede de alvenaria 4 dB

Porta de metal na parede de escritório 12 dB

Parede de tijolos ao lado da porta de metal 3 dB


Fatores que prejudicam o alcance

• Diferença na Polarização das antenas


Medições Realizadas em Campo

Tipos de Terrenos

• Outdoor – Sem obstaculos (módulos na mesma altura) • Outdoor – Comunicação entre edificios • Outdoor – Comunicação com um edificio entre os módulos • Indoor – Ambiente de escritório


Ambiente: Espaço livre • Teste: Alcance/PER/BER • Caracteristica do terreno: Regular • Referência : Terra • Montagem: 1 metro do solo • Orientação de antena: Vertical • Frequência de operação: 2.480 GHz • Canal de operação: 26 • Potência de transmissão: 20 dBm • Sensibilidade: - 95dBm • Antena: PCB (0dBi)

Alcance medido: 750 metros


Ambiente: Espaço livre entre prédios • Teste: Alcance/PER/BER • Caracteristica do terreno: Regular • Referência : Terra • Montagem: 1 metro do solo • Orientação de antena: Vertical • Frequência de operação: 2.480 GHz • Canal de operação: 26 • Potência de transmissão: 20 dBm • Sensibilidade: - 95dBm • Antena: PCB (0dBi)



Ambiente: Espaço livre com 1 prédio entre os módulos • Teste: Alcance/PER/BER • Caracteristica do terreno: Regular • Referência : Terra • Montagem: 1 metro do solo • Orientação de antena: Vertical • Frequência de operação: 2.480 GHz • Canal de operação: 26 • Potência de transmissão: 20 dBm • Sensibilidade: - 95dBm • Antena: PCB (0dBi)



Ambiente: Indoor (Escritório) • Teste: Alcance/PER/BER • Caracteristica do terreno: Indoor • Referência : Terra • Montagem: 1 metro do solo • Orientação de antena: Vertical • Frequência de operação: 2.480 GHz • Canal de operação: 26 • Potência de transmissão: 20 dBm • Sensibilidade: - 95dBm • Antena: PCB (0dBi)


• Medição de Sensibilidade do Receptor Técnicas de RF – Medição

Técnicas de RF – Medição

Técnicas de RF – RSSI

Objetivo do curso

Após o final desta apresentação você estará apto a analisar os seguintes parâmetros sobre antenas:

– Principais parâmetros de uma antena, como projetar e realizar as medições.

– Qual tipo de antena será a melhor escolha para a minha aplicação.

– Como se comportam as antenas em direntes ambientes de operação dos dispositivos.

Introdução rápida nas medições básicas em dispositivos de RF e Microondas

Network Analyzer

Spectrum Analyzer

Smith Chart Tool

Equipamentos


Custo estimado : R$ 45.000,00 ( 3 GHz – 2P)

Equipamentos


network S11 S22

S21

S12

Equipamentos


Este deverá ser o ponto onde devemos colocar nossa ponta de

prova de testes – um cabo semi-rigido de 50 Ohms- deverá ser

soldado para realizarmos a medição da impedância nominal da

antena em teste.


Um cabo de 50 Ohms semi-rigido de boa qualidade deverá ser conectado a antena. Deve-se manter o cuidado de reservar um bom plano de terra para conectar o terra do circuito ao terra do cabo de testes, evitando erros de medição.


Parâmetro S11 Smith = Impedância da antena

Exemplo de medição de impedância de antena

Medições em Antenas

1. Medição de diagramas de irradiação em espaço livre

2. Medição de diagramas de irradiação em Câmaras Anecóicas


1. Medição de diagramas de irradiação em espaço livre

Um local ideal para testes consiste em um local com plano terra condutor perfeito ou infinito, livre de qualquer obstáculo e também que não possua um ambiente eletromagnético ruidoso nas frequências que serão realizados os testes.

Nota: As antenas devem estar ambas nas mesmas polarizações, antenas em

polarizações inversas consistem em testes de XPD(Cross pol ).

Medições em Antenas Estrutura de testes em campo aberto


Uma amostra do sinal recebido na antena em testes


2. Medição utilizando a Câmara Anecóica


Setup de montagem de testes em uma câmara anecóica

Visão interna da câmara

Cortesia: ETS-Lindgren Antennas

Parâmetros das antenas

• Parâmetros das antenas 1. Diagramas de irradiação

2. Largura de banda

3. Impedância

4. Diretividade

5. Efficiência

6. Ganho


1.Diagramas de irradiação

Temos os seguintes diagrama de irradiação a serem medidos e

analisados:

- Co-polar Horizontal

- Co-polar Vertical

- Cross – polar Horizontal

- Cross- polar Vertical


Um diagrama de irradiação real sem distorções somente pode ser

vizualizado se realizarmos os testes em uma câmara anecóica ou em uma área livre (espaço aberto).

Entretanto, cuidadosas simulações eletromagnéticas permite aos desenvolvedores chegarem a diagramas de irradiações muito próximo da realidade.


2 exemplos de diagramas bidimensionais (Polares)

O primeiro de uma simulação e o segundo de uma medição real


• Parmetro das antenas 1. Diagramas de irradiação

2. Largura de banda

3. Impedância

4. Directividade

5. Efficiência

6. Ganho


2.Largura de banda

• A largura de banda são as frequências os quais a

performance da antena cumpre com as especificações de manual.

• A largura de faixa pode ser determinada pela impedância em termos de perda por retorno (S11) ou em VSWR sobre as faixas de frequencias de operação.

Parâmetros das antenas Exemplo de largura de banda definida por S11


Exemplo de largura de banda definida pelo VSWR < 2


• Parâmetro das antenas 1. Diagramas de irradiação

2. Largura de banda

3. Impedância

4. Diretividade

5. Eficiência

6. Ganho

Parâmetros das antenas A impedância


* Ao lado um

exemplo de como

uma antena deve

ser considerada,

como uma rede

de componentes

resistivos e

reativos que

conjutamente

formam uma

estrutura

ressonante na

frequencia de

operação.



2. Largura de banda

3. Impedância

4. Diretividade

5. Eficiência

6. Ganho

Parâmetros das antenas Diretividade



2. Largura de banda

3. Impedância

4. Diretividade

5. Eficiência

6. Ganho

Antenna Parameters

5.Eficiência

Eff = inPower

radPower

.

.

lossRradR

radR

__

_Eff =

A eficiência é dada pelas perda ohmicas e em particular pelas perdas em um

dielétrico não incluindo perdas causadas por descasamentos.

Este é um bom parâmetro para se determinar qual laminado deve ser

utilizado em meu projeto. FR4, PTFE, Teflon e qual condutor é mais

adequado (Cobre, Prata, Ouro)


• Parametro das antenas 1. Diagramas de irradiação

2. Largura de banda

3. Impedância

4. Diretividade

5. Eficiência

6. Ganho


6.Ganho

O ganho de uma antena é dado em dBi, é uma medida que estabelece quanto uma antena irradia em dBs mais que uma antena isotrópica ideal que irradia 360 graus com um ganho nominal de 1.

A ferramenta Smith Chart Download gratuito em

http://www.fritz.dellsperger.net/downloads.htm

Smith Chart Tool

Redes de casamento e técnicas para aumentar a largura de banda em antenas

Trilha em Microstrip

Redes de casamento e técnicas para aumentar a largura de banda em antenas

3. O ponto de alimentação de uma antena tipo F

Guia de seleção de Antenas Antenas Whip

A figura 1 apresenta os diversos

tipos de monopolo que temos no

mercado.

Principais características:

Frequência central: 2450MHz

Largura de banda: > 120MHz

VSWR: 2.5:1 ou menos

Impedância: 50 ohms

Ganhos médios: de 1dBi a 8dBi

Eficiencia: >80%

Diagrama de irradiação: formato

rosquinha ou donut(Figuras 2 e

3)

Figure 1

Figure 2

Figure 3

Guia de seleção de Antenas Antenas Whip

Esta é a configuração de uma antena omni em 2.4 GHz

Guia de seleção de Antenas Antenas Planares

• Frequência central: 2450 MHz

• Largura de banda: 120 MHz

• VSWR: 2.5:1 ou menos

• Ganhos: de 0.5dBi ate 2dBi

• Impedância: 50 ohms or resistive

• Eficiência: >80%

• Diagramas de irradiação: variados de acordo com a estrutura escolhida.

Guia de seleção de Antenas Antenas CHIP

• Frequência Central: 2450MHz

• Largura de Banda: 100MHz – 250MHz

• VSWR: menor que 2.5:1

• Ganho : de -2.0dBi a 3dBi

• Impedância: 50 ohms (o layout da PCB é muito importante)

• Eficiência: de 20% a 70%

• Diagrama de irradiação: varia de acordo com a antena e layout realizado

Uma antena boa para sua correta frequência de operação pode

apresentar ganhos e diagramas de irradiação inadequados

dependendo da sua localização.

Comportamento das Antenas

Aqui um módulo 2.4GHz ZigBee® montando em cima de uma caixa metálica. A antena esta fora da caixa metálica e vemos que o ganho se mantem parecido com a medição do modulo separado da caixa.


Agora o usuário montou seu dispositivo final perto de um

metal condutor. A antena se tornou bem direcional e o seu

ganho caiu para 0.58 dB na maxima direção vista no slide

anterior.

Comportamento das Antenas Vejamos agora o que acontece se o usuário cometer o erro de colocar

a antena dentro da caixa metálica.

Neste caso a caixa metálica é o elemento irradiante e temos um ganho

de -53 dB na direção de maxima irradiação.


Aqui a mesma antena em uma caixa de poliestireno. Não há

praticamente nenhuma perda por inserção e a antena se

mantem com o mesmo comportamento do espaço livre.

O poliestireno tem uma permissividade de 2.1.


Neste caso a demo board não esta na melhor posição para

irradiação do sinal, mas é muito importante analisar o

comportamento do lóbulo nesta situação, se torna uma antena

bem diretiva com um lóbulo agudo.


Para o caso da placa PICDEM Z, a bateria de 9V traz

influências para o diagrama de irradiação da antena. Bem

como nos outros casos a antena se torna bem direcional.


Para o mesmo caso da placa PICDEM Z, colocando a bateria

na horizontal temos uma menor influência do diagrama de

irradiação, o diagrama tende a ser bem direcional com menos

lóbulos secundários.

Exemplos de Antenas

Exemplos de Antenas

F Antena

Exemplos de Antenas

Antena tipo F Invertido

Simulações Eletromagnéticas

Podemos utilizar diversos softwares de simulação de antenas , as simulações aqui apresentadas foram realizadas no HFSS. Você

pode conferir mais exemplos acessando

http://www.ansoft.com/products/hf/hfss/

Existem outros softwares de simulação no mercado como:

http://www.sonnetusa.com/

http://www.zeland.com/ http://eesof.tm.agilent.com/

http://www.cst.com/

http://www.ansoft.com/products/hf/hfss/

http://www.sonnetusa.com/

http://www.zeland.com/

http://www.zeland.com/

http://eesof.tm.agilent.com/

http://eesof.tm.agilent.com/

Referências

• Referencia 1: Broadband Planar Antennas by Zhi Ning Chen and M.W.Chia

• Referencia 2: Planar Antennas for Wireless Communications by Kin-Lu Wong

• Referencia 3: Designing Dual-Band Internal Antennas by Leslie J. Reading, Galtronics Corporation (article published in EDN).

• Referencia 4: Antenna Theory by Constantine A. Balanis

• Referencia 5: Electromagnetic Anechoic Chambers by Leland H. Hemming

Eng. Luciano Camilo Alexandre [email protected] Skype: luciano-camilo

Contato

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Redes Sem Fio Zigbee e Técnicas de RF

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