1. INTRODUÇÃO
5.4 SIMULAÇÃO DO ENLACE E DIFICULDADES ENCONTRADAS
Com o intuito de realizar as simulações no segmento de parede e implementar o repetidor supra estudado, iniciou-se a sequência de simulações do enlace a começar pelo enlace do espaço livre representado da Figura 22 no início deste capítulo. Na sequência foi inserida no centro desse enlace uma parede de espessura de 15 cm, onde cada face da parede deve está a 0,50 m de distância da antena de transmissão e de recepção respectivamente. A parede de espessura de 15 cm projetada ao centro do enlace foi um segmento de parede tipo sandwich, cujas dimensões são de 50 cm x 55 cm. O setup de simulação dessa situação pode ser melhor compreendido por meio da Figura 41, a qual ilustra o que se objetiva fazer na prática.
Figura 41 – Enlace com o segmento de parede sandwich. Fonte: autores
Algumas tentativas de rodar a simulação mostraram-se impossíveis devido a elevada carga computacional que acarreta um objeto (segmento de parede sandwich) nas dimensões supracitadas, somado ao elevado nível de complexidade exigida pelo software HFSS quando se necessita malhar interfaces (objeto com materiais distintos). Mesmo a máquina que comporta o software (HFSS utilizado para essa simulação) tendo 64 Gigabytes de memória RAM, a mesma apresentou falta de memória para malhar e efetuar uma simulação dessa grandeza. Sendo assim, com base na teoria de
r efetivo (também conhecidacomo meio efetivo) calculou-se o
r efetivo desse segmento de parede por meio das dimensõesconhecidas de cada interface, sendo o
r do concreto de 7, e a tangente de perda de 0,03conforme se observa nos gráficos das Figuras 5 e 11 da referência (McGRAW-Jr, 2015) e o
rdo isopor de 1,01 e tangente de perda de 0,001, valor esse caracterizado por membros do grupo LEMAC/FEEC/UNICAMP com o qual tem-se estreita colaboração de trabalho. Os cálculos de
r efetivo resultaramem um valor 4 e tangente de perda de 0,03, tendo assim umsegmento de meio homogêneo.
Ainda mantendo as dimensões do segmento de parede, porém agora de material homogêneo, não foi possível efetuar a simulação, tendo o software acusado falta de memória. Nessa situação, visando obter as mínimas dimensões possíveis da parede para realizar uma simulação confiável, recorreu-se à teoria da zona de Fresnel descrita nesse trabalho na revisão bibliográfica. Com base nessa teoria e adotando a distância de 50 cm, da antena transmissora até o segmento de parede, trabalhando na Banda X, foi calculado o raio de iluminação da primeira zona de Fresnel para a pior condição (menor frequência, ou seja, onde se obtém o maior raio de iluminação). O cálculo mostrou que para uma frequência de 8,0 GHz o raio de
iluminação é inferior a 10 cm, resultando em uma iluminação inferior a 20 cm diâmetro. Já pelo cálculo de focalização da antena (por meio dos pontos de -3 dB) a projeção da iluminação na parede exige um diâmetro de 22 cm.
A partir desses resultados tomou-se a decisão de utilizar um domínio computacional constituído por um segmento de parede de dimensões reduzidas referente ao segmento real a ser usado nas medições, sendo a dimensão do segmento de parede simulado de 30 x 30 cm de comprimento e altura, que já é maior que o exigido por ambos os cálculos supracitados. Embora a antena concentre sua maior radiação na região central do segmento de parede, com dimensões já determinadas, para evitar que radiação de ângulos maiores ao angulo de -3 dB interfiram nos resultados, foi colocado um cinturão de material altamente condutivo nas bordas do segmento de parede. Desta maneira a parede foi rodeada de um cinturão de material PEC (perfect condut eletric) com largura de 10 cm (ver Figura 41, o PEC destacado na cor preta). É importante destacar que a inserção desse material não representa uma carga computacional adicional apreciável, já que o campo elétrico no interior de um material PEC é zero por definição.
Por outro lado, levando em conta que o segmento de parede equivalente é homogêneo e que não muda sua seção transversal ao longo da direção de propagação não é necessário calcular ou simular a atenuação para uma espessura de 15 cm, basta simular para uma espessura de 1 cm o valor da atenuação introduzida pelo segmento de parede e logo multiplicar pela espessura total da parede. Sendo assim o setup de simulação ficou reduzido às seguintes dimensões e características de materiais:
r efetivo de 4, tangente de perda de 0,03,segmento de parede de 30 x 30 cm, cinturão de PEC de 10 cm e espessura de parede de 1 cm. Visualmente o enlace ficou como mostra a Figura 42.
Figura 42 – Enlace simulado com parede de 1 cm de espessura e escudo Fonte: autores
Na sequência, após ter realizado a simulação para o enlace supracitado, instalou- se o par de antenas na parede, configurando-se um repetidor passivo de antenas na parede (Figura 43).
Figura 43 – Enlace com repetidor Fonte: autores
RESULTADOS E DISCUSSÃO DE SIMULAÇÃO
A Figura 44 apresenta a comparação da atenuação simulada do enlace do espaço livre versus o enlace obstruído com a parede sandwich de espessura de 1 cm (curva em preto) versus o enlace obstruído pela mesma parede, porém agora com o repetidor passivo de antenas cornetas, inserido na mesma (curva em vermelho).
Figura 44 – Comparação da atenuação da parede sem e com repetidor Fonte: autores
Nessa simulação observou-se claramente um ganho de pouco mais de 1 dB, o que é um resultado expressivo (equivale a um aumento de 25 por cento no nível de sinal), lembrando que um aumento de +3 dB equivale a duplicar a potência de sinal. Outra simulação realizada foi avaliar a evolução do campo elétrico na linha de visada entre a antena transmissora e a antena receptora. O resultado em vista geral e em zoom é oferecido na Figura 45, observa-se o papel do repetidor incorporando ganho ao campo elétrico quando atravessa o repetidor (cor vermelha).
Figura 45 – Evolução do campo elétrico E na linha de visada Fonte: autores
Ao realizar um zoom (Figura 46) observa se na chegada ao receptor, o campo mais intenso corresponde ao link de espaço livre (cor azul) e o menos intenso (cor preta) ao link obstruído pela parede.
Figura 46 – Zoom da evolução do campo elétrico próximo a posição x=1,00 (ponto final do enlace) Fonte: autores
Observe como o repetidor de cornetas melhora o nível do campo recebido no receptor na posição de distância normalizada x=1 (ponto final do enlace). Essas simulações serviram como estimulo a continuidade do trabalho, passando para as realizações experimentais, tendo em vista que as simulações indicam que o repetidor passivo situado através da parede poderia melhorar o nível de sinal recebido, ou dito de outra forma, o
PARTE EXPERIMENTAL
Para uma melhor compreensão e organização da parte prática foi discriminado a seguir os ensaios a serem realizados, na seqüência os materiais utilizados para a realização dos mesmos e posteriormente o método utilizado.
1. Medição de perda de retorno, da largura de banda e do ganho de potência da antena receptora (Rx) antena esta proveniente de um kit de micro-ondas do laboratório da Faculdade de Tecnologia da UNICAMP, aqui referenciada como antena corneta cinza, comparando-a com o desempenho individual da antena Transmissora (Tx), pois esta última é uma antena comercial de marca conceituada, cujos parâmetros são conhecidos e que serviu como padrão de comparação em várias medições desse trabalho.
2. Medição da Potência Recebida (Pr) no domínio da frequência de dois enlaces de espaço livre. Nesses enlaces as antenas Tx e Rx encontram-se de frente uma para outra, centralizadas entre si e a uma distância de 1,15 m ou de 1,49 m de espaçamento. O comportamento do enlace de espaço livre para a distância de 1,15 m foi a base da comparação quando o repetidor utilizado foi de antenas planares (antenas 2D). Já o enlace de espaço livre para a distância de 1,49 m foi também medido servindo como base de comparação quando o repetidor utilizado foi constituído por antenas cornetas (antenas 3D), tendo em vista o comprimento das mesmas.
3. Medição da Potência Recebida (Pr) no domínio da frequência para os enlaces obstruídos. No ponto médio da distância de 1,15 m entre as antenas Tx e Rx foi colocada uma parede de bloco de concreto e posteriormente nessa mesma posição foi colocado um segmento de parede sandwich. O mesmo experimento se repetiu para a distância de 1,49 m.
4. Medição da perda de retorno, da largura de banda e do ganho de potência de cada uma das antenas que foram projetadas e construídas como parte dessa tese:
o Dois Arranjos Planares (2D) com a associação de 4 antenas patch em cada um, os quais foram projetados e desenvolvidos durante esta pesquisa, são aqui referenciados como arranjo 1 e arranjo 2.
o Antena corneta (3D) cor verde, para cuja parte metálica interna foi utilizada tinta condutiva metálica prata, antena referenciada como “corneta verde _ prata”;
o Antena corneta (3D) cor verde, para cuja parte metálica interna foi utilizada fita condutiva metálica de cobre, antena referenciada como “corneta verde_ cobre”;
As duas antenas cornetas verdes compõem um repetidor passivo (3D), bem como os dois arranjos planares compõem outro repetidor passivo (2D). Ambos repetidores foram instalados nas paredes para avaliar seu efeito na diminuição da atenuação da parede.