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TCC: Estudo de Desempenho de Antenas para Cobertura Wi-Fi em Ambientes Fechados

Discente: Kemilly Barbosa Ataídes

Orientador: Renan Alves

Título: Estudo de Desempenho de Antenas para cobertura Wi-Fi em ambientes fechados

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O TCC da graduada Kemilly Barbosa Ataídes, do curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações, pela UFU no campus Patos de Minas, propõe a estudar o desempenho de três antenas comumente utilizadas para cobertura Wi-Fi em ambientes fechados operando nas frequências de 2,4 GHz, sendo elas Monopolo, Helicoidal e IFA. Em cada uma delas foram analisados os parâmetros de impedância de entrada, largura de banda, diagramas de irradiação e valores de ganho. Para tal, os estudos foram realizados no simulador ANSYS HFSS (High Frequency Structural Simulator) a partir de simulações baseadas no método dos elementos finitos.


INTRODUÇÃO


A rede sem fio (wireless) permite a conexão entre dispositivos sem a necessidade de cabos, sendo transmitida por meio de frequências de rádio e infravermelhos. Essa técnica funciona por intermédio de aparelhos conhecidos como roteadores, que são responsáveis por receber o sinal, decodificá-lo e emiti-lo a partir de uma antena (CITTÀ TELECOM, 2016).

Uma antena pode ser definida como um conversor de sinais, onde um sinal elétrico em um meio confinado é convertido em onda eletromagnética e vice-versa, sendo o seu primeiro modelo apresentado pelo físico alemão Heinrich Hertz em 1886 (RIBEIRO, 2012). As antenas de roteadores Wi-Fi podem ser divididas em duas classes: antenas de uso interno acopladas ao circuito (que não ficam expostas fora da carcaça do roteador) e antenas externas.

As antenas acopladas são um atrativo para redução de dimensões, entretanto, normalmente seu desempenho é inferior às antenas externas. O Wi-Fi é dividido em alguns padrões de comunicação, que são capazes de operar em frequências próximas a 2,4 GHz e 5 GHz (COLDBACH, 2019). Dessa forma, os roteadores devem possuir um conjunto de antenas (com elementos para atender cada faixa) ou antenas com ao menos duas bandas de operação.

Com o uso cada vez mais expressivo da Internet sem fio, nota-se a necessidade de que as redes atendam esse segmento e ofereçam bom desempenho de transmissão para satisfazer a necessidade dos usuários. Uma boa transmissão de sinal Wi-Fi pode ser influenciada por vários fatores, sendo: localização do roteador, frequência de operação, interferências do ambiente e de outros dispositivos, potência de transmissão e as antenas. Por isso, se tratando de redes Wi-Fi em ambientes fechados, nota-se a extrema importância de se ter um dimensionamento correto da rede e principalmente a escolha adequada de qual antena utilizar para cada projeto, pois isso afetará o desempenho final.


PROJETO E ANÁLISE DA ANTENA MONOPOLO


Essa antena e sua imagem formam um dipolo equivalente alimentado no centro, ou seja, o monopolo vertical é considerado um dos “braços” desse dipolo. Ao alimentar um monopolo, uma tensão é aplicada entre seu terminal e o plano condutor. Isso significa que, para a mesma corrente de entrada, apenas metade da tensão de um dipolo simétrico é necessária.


PROJETO E ANÁLISE DA ANTENA HELICOIDAL


Ela é um irradiados filamentar feita basicamente por um condutor em forma de hélice, com diâmetro 2R. Esse condutor pode ser feito de fio de cobre ou outro material condutor. Seu funcionamento depende da relação entre o comprimento de cada espira e a separação entre elas, em relação ao comprimento de onda.

PROJETO E ANÁLISE DA ANTENA IFA


Uma antena F Invertida Planar (IFA), consiste em um irradiador planar projetado em placa de circuito impresso. A geometria é formada por duas camadas de material condutor separadas por um laminado dielétrico. Na camada superior tem-se a antena de fato, como fator de F, e na parte inferior um plano terra.


RESULTADOS


Foram apresentados resultados de simulação dos parâmetros de impedância e de irradiação de três antenas comumente utilizadas em roteadores Wi-Fi. Além disso, após os estudos definiu-se as dimensões finais de cada antena que levassem ao melhor funcionamento da faixa de frequência no entorno de 2.4 GHz. Assim, foi possível também quantificar a relação entre os valores de dimensões das antenas.

Na Tabela abaixo tem-se o estudo comparativo entre as três antenas analisadas. É importante destacar que os modelos finais foram otimizados e tem como métrica principal a operação centrada em 2,4 GHz. Desse modo, cada uma das antenas com vantagens e desvantagens.

A antena monopolo apresenta a maior banda, porém o maior volume (calculado a partir das medidas de largura, comprimento do plano de terra e comprimento da antena). A antena helicoidal apresenta diagrama de irradiação perfeitamente onidirecional, porém a menor banda. A antena IFA apresenta o menor volume, porém o digrama não onidirecional. Desse modo, não é justo dizer qual a melhor para essa aplicação, mas sim apresentar as vantagens e desvantagens que pode levar a escolha para determinada aplicação.


CONCLUSÃO E CONTRIBUIÇÃO


Este trabalho de conclusão apresentou um estudo comparativo entre três antenas comumente utilizadas para roteadores Wi-Fi, atuando na faixa de frequências no entorno de 2,4 GHz. Para tal, realizou-se um conjunto de estudos em cada antena, tendo como objetivo apresentar vantagens e desvantagens de cada modelo.

Para melhor compreensão do trabalho como um todo, cada capítulo trouxe conceitos específicos. Apresentou-se nos Conceitos Introdutórios, as motivações, objetivos e justificativas para o desenvolvimento do trabalho. No Referencial Teórico discorreu-se com a teoria básica de antenas de redes Wi-Fi, para assim fundamentar o desenvolvimento. Em Materiais e Métodos foi descrito os recursos de desenvolvimento do trabalho de conclusão de curso, bem como as etapas para o desenvolvimento, citando o simulador que utilizado. Em Resultados e Discussões foram apresentados os estudos sobre cada uma das três antenas, destacando e comparando as características observadas.

Com as informações apresentadas pode se concluir que foram atendidos os critérios esperados para o trabalho de conclusão de curso. Assim, tem-se um estudo comparativo que pode indicar qual dessas três antenas pode ser vista com mais vantajosa para uma aplicação específica do Wi-Fi.

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