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.
EFB 601 - INTENG
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.
EFB 601 - INTENG
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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Relatório Final INTENG - Elétrica 3
<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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Relatório Final INTENG - Elétrica 6
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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Relatório Final INTENG - Elétrica 9
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
EFB 601 - INTENG
Relatório Final INTENG - Elétrica 1
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.
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