3. Antena WIMAX
3.1.3. Arranjo planar de N Elementos
Irradiadores individuais podem ser posicionados ao longo de uma grade retangular para formar um arranjo planar. Os arranjos planares fornecem variáveis adicionais as quais podem ser usadas para controlar e formar o diagrama de irradiação do arranjo. Eles são muito versáteis e podem fornecer diagramas mais simétricos e com menores lóbulos secundários [22].
Figura 21: Geometria para um arranjo planar com M x N elementos ao longo dos eixos x e y, respectivamente [22].
onde:
dx e dy – espaçamentos entre os elementos ao longo dos eixos x e y; β x – deslocamentos de fase progressiva entre um elemento e outro ao longo dos eixos x e y. O fator do arranjo para a geometria é dado por:
Equação 26: Cálculo do fator de arranjo.
Para uma amplitude de excitação constante (I1n = Im1 = Io) na entrada do arranjo planar uniforme , tem-se, que o fator do arranjo na forma normalizada pode ser escrito como:
Equação 27: Cálculo do fator de arranjo normalizado.
O lóbulo principal e o grating lobe são localizados em:
Equação 28: Cálculo do lóbulo principal.
Se for desejado ter somente um feixe principal que esteja orientado ao longo de q = q0 e f = f0 a mudança de fase progressiva entre os elementos nos eixos x e y devem ser iguais a:
Equação 29: Cálculo do feixe principal.
onde:
O máximo do lóbulo principal é encontrado, a partir das equações (28) e (29) fazendo-se (n = m = 0). Portanto os ângulos de direção do máximo são dados por:
O máximo do feixe principal do arranjo está orientado ao longo de q0 e f0. Para definir a largura de feixe são escolhidos dois planos: um é o plano de elevação definido pelo ângulo
f = f0 e o outro é o plano perpendicular a ele. As larguras de feixe de meia potência correspondentes de cada um são designadas, respectivamente, por Qh e Yh.
Para um arranjo largo, o máximo está próximo do broadside, o plano de elevação da largura de feixe de meia potência Qh é dada aproximadamente por:
Equação 32: Cálculo do plano de elevação da largura do feixe.
onde:
Θxo - representa a largura de feixe total de meia potência de um arranjo broadside com M elementos dispostos ao longo do eixo x;
Θyo - representa a largura de feixe total de ½ potência de um arranjo broadside com N elementos dispostos ao longo do eixo y;
A largura de feixe de meia potência Yh, ao plano que é perpendicular a elevação f =f0, é dada por:
Equação 33: Cálculo da largura do feixe.
O ângulo sólido WA é dado por:
Equação 35: Cálculo do ângulo sólido de acordo com as equações 32 e 33.
A diretividade do fator do arranjo FA(q ,q ) para os ângulos de orientação do feixe principal q = q0 e f = f0 é dada por:
Equação 36: Cálculo diretividade do fator de arranjo.
A diretividade para um arranjo planar largo, onde as diretividades para os eixos x e y estão próximos a um arranjo broadside, reduz-se para:
Equação 37: Cálculo diretividade do fator para um arranjo planar largo.
Para amplitudes com distribuições mais usuais a diretividade da equação (37) é definida pela equação (35), temos:
3.2. Simulações,fabricantes e equipamentos
existentes
Neste capítulo, serão apresentadas algumas simulações baseadas na revisão bibliográfica contida neste capítulo e também os fabricantes de antenas, seus produtos baseados na tecnologia WIMAX e suas características.
3.2.1. Fabricantes e as antenas disponíveis no mercado
O que se tem até o momento são fabricantes de antenas que anunciam alguns produtos PRÉ-WIMAX, visto que a homologação dos mesmos ainda não ocorreu.
Alguns destes são descritos abaixo:
Wilan
A Wilan é uma empresa canadense e está no mercado com as CPEs outdoor com a família Libra 5800, veja algumas características descritas pelo fabricante:
A família de produtos Libra 5800 utiliza a moderna tecnologia de modulação OFDM e é a primeira solução do mercado pronta para a tecnologia 802.16, mais conhecida como WIMAX. Na verdade a família Libra 5800 já implementa o draft WIMAX (no entanto esse documento,ainda em processo de discussão pelo IEEE, deve sofrer modificações o que será acompanhado por uma futura atualização de software do equipamento).
Vantagens
A primeira característica importante da linha de produtos Libra 5800 é a facilidade de sua instalação: cada equipamento é composto de uma unidade externa (a prova de intempéries) e uma unidade interna (que nada mais é que um injetor de alimentação por Ethernet). Dessa maneira o cabo que deve ser levado da unidade interna para a externa é um cabo Ethernet comum o que facilita a sua instalação quando comparada aos equipamentos que necessitam de cabos coaxiais.
Figura 22: Exemplo de ligação da antena [30].
Por utilizar tecnologia WIMAX o Libra 5800 trabalha tanto com visada direta como sem visada também conhecidas como NLOS. Para aplicações ponto-a-ponto com visada a distância alcançada é de até 60Km, para aplicações NLOS é de até 3 Km. Esse produto abre assim novas oportunidades de negócios e apresenta soluções para problemas que antes requeriam opções muito custosas.
Trabalhando na freqüência de 5,8GHz (que dispensa a necessidade de licenciamento para sua instalação) todos os equipamentos Libra 5800 possuem uma porta Ethernet 10/100 BaseT, suportam VLAN Tagging (802.1q). Com uma banda de 32 Mbps (24Mbps efetivos) e capacitade de controle de banda. Os equipamento Libra 5800 permitem a criação de uma rede de alta performance. Para segurança dos dados trafegados e controle de acesso os rádios Libra 5800 embaralham os dados através de um protocolo proprietário [30].
Modelos
Libra 5800 MP CPE e LCPE
Nas aplicações ponto-multiponto o Libra 5800 MP CPE compõe os pontos remotos, juntamente com o Libra 5800 MP LCPE. Ambos podem coexistir apontados para o mesmo Libra 5800 MP AP. A diferença entre o MP CPE e o LCPE está na antena: o MP CPE já vem com antena de 23dBi integrada enquanto que o LCPE possui conector para antena externa.
Hyperlink Technologies.
A Hyperlink Technologies é uma empresa norte americana e seu CPE é para 2,5 GHz.
NEX-G
A NEX-G é uma empresa de Cingapura, está no mercado com CPEs e também equipamentos para a Estação Base, o nome da família de produtos é HORIZON [34].
Segue algumas especificações da CPE.
Pro-Cell
A Pro-Cell é uma empresa de Taiwan, está no mercado com CPEs. Segue algumas especificações da mesma.
Com estes exemplos podemos analisar algumas características das CPEs outdoor destinadas à tecnologia WIMAX até o momento por estes e outros fabricantes.
O ganho das antenas deve variar entre 15 dBi E 25 dBi aproximadamente.
Os canais devem ter uma largura de banda múltipla de 1,75MHz, até 10,5MHz, geralmente 3,5MHz ou 7MHz;
MTBF (Mean Time Between Failures) de 100.000 horas; Polarização: Vertical ou horizontal;
Relação Frente/Costas: Maior que 30dBi;
VSWR (Voltage Standing Wave Ratio): Menor que 1,5; Impedância: 50 ohms
Outras informações adicionais. As antenas são totalmente imunes à intempérie, suportam ventos de até 200 Km/h e suportam umidade relativa entre 95% e 100%. O cabo da antena deve ter no máximo entre 70m e 100m, dependendo do fabricante e devem ser usados conectores especiais definidos pelos mesmos.
3.2.2. Simulações
Aqui serão apresentadas algumas simulações feitas com a intenção de melhor entender algumas características de propagação LOS e NLOS, de acordo com o que foi apresentado no capítulo 2.
A simulação abaixo feita em 2005/02 com o apoio do LTIG (Laboratório de Tratamento de Imagens e Geoprocessamento) da PUCRS, que simula a linha de visada de uma antena transmissora colocada no topo do prédio 50 da PUCRS, aproximadamente a uma altura de 50m e os receptores variam entre 5 e 10 metros de altura.
Figura 26: Exemplo de linha de visada, analisando o campus da PUCRS.
Outra simulação realizada, foi baseada nas equações apresentadas anteriormente que em forma de um software [27], calcula os coeficientes de um arranjo retangular de antenas de mirofita, base para antenas dos CPEs outdoor WIMAX, que utilizam este processo.
Cabe dizer que esta é uma simulação hipotética baseada em informações obtidas com diversos fabricantes de antenas, supondo alumínio como material para o substrato e uma altura de 0,013 cm.
Figura 27: Simulação realizada para as características de uma antena para CPE outdoor, numa freqüência de 3,5 GHZ [27].
Figura 28: Diagrama de irradiação da antena obtida para a simulação realizada para as características de uma antena para CPE outdoor, numa freqüência de 3,5 GHZ [27].