Aranha FG, Nogueira ECP- Dispositivo de movimentação para traçar diagramas de radiação de antenas

TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO

OUTUBRO/2011

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

ENGENHARIA ELÉTRICA- ÊNFASE ELETRÔNICA

D

ISPOSITIVO DE MOVIMENTAÇÃO PARA TRAÇAR DIAGRAMAS DE RADIAÇÃO

DE ANTENAS

Fernando Graziani Aranha

Orientador: Engenheiro Carlos Pereira Nogueira Externo

Resumo - Este documento apresenta a elaboração de um dispositivo de movimentação para traçar diagrama de radiação de antenas. É apresentado um modelo envolvendo uma linguagem de progra-mação, C++, e um ambiente de prograprogra-mação, Lab-view. [5]

Palavras-Chaves: Diagrama de radiação, Labview, micro-controlador, antena.

I

–

I

O diagrama de radiação é a representação gráfica do ganho de uma antena num determinado plano. Na prá-tica, dois deles são mais usuais: o diagrama de radia-ção horizontal (azimute, ou plano E) e o vertical (ele-vação, ou plano H). [1] [2][3][4]

Para traçar o diagrama de radiação de uma antena, alguns procedimentos básicos devem ser adotados:

• A antena configurada para transmissão deve ser conectada ao gerador, e a antena recepto-raé conectada a um medidor de sinal (como mostrado na figura 1), para medir os valores de níveis RF (rádio frequência) na frequên-cia escolhida.

• Instala-se aantena de transmissão em campo distanteem relação à antena receptora. • Depois de tomadas as medidas para evitar

in-terações com o meio, como por exemplo, certificar que não há nenhum sinal interfe-rente na faixa de frequência utilizada ou se não há nenhuma reflexão, inicia-se o proces-so de levantamento do diagrama.

• Gira-se antena receptora de forma a descre-ver um círculo em torno de seu eixo, paran-do em intervalos regulares de acorparan-do com o seu ganho.

• Realiza-se à medida do campo irradiado de forma a obter um gráfico retangular. Os re-sultados devem ser anotados em valores

ab-solutos, ou em valores relativos ao seu má-ximo.

Fig.1 – Montagem para traçar um diagrama de radiação.

Para o levantamento do diagrama de radiação no cam-po de antenas é imcam-portante estabelecer a cam-polarização do campo irradiado, podendo ser, vertical ou horizon-tal.

Para a visualização do diagrama da antena é utilizado um analisador de espectro. Este é um instrumento uti-lizado para conhecer as componentes espectrais de um sinal de RF, onde se mede a amplitude (no caso potên-cia), em função da frequência.

O SPAN é uma função do analisador de espectro que permite ao usuário definir a faixa de frequência que é visualizada na tela.

Uma configuração que também pode ser utilizada é o 0 (ZERO) SPAN, onde modifica-se o analisador de espectro para funcionar como um receptor sintoniza-do. A importância desta função é a visualização e cap-tura de variações na potência recebida pela antena. Nessa condição o analisador de espectros torna-se um osciloscópio que registra um nível CC em função do tempo. Isso é possível pelo fato de na condição de 0 (ZERO) SPAN o analisador se tornar um demodulador de AM (amplitude modulada), que detectando uma portadora pura (sem modulação) resulta num nível CC proporcional a intensidade do sinal recebido na ante-na. Gerador de sinais Medidor de sinais Antena Transmissora Antena Receptora

II

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O

Este trabalho tem por objetivo criar um campo de an-tena automatizado, onde à anan-tena realize um giro em torno de seu próprio eixo de 360° (azimute) e que tra-ce seu diagrama de radiação. Para tal funcionalidade escolheu-se intervalos de 1°, pois atende a precisão necessária para traçar o diagrama de uma antena de até 60 cm de diâmetro. A antena percorre a distância cor-respondente a este ângulo, logo após ela para, e é exe-cutada a captura do valor máximo de potência medida no analisador de espectro e depois continua à rotação. Este procedimento será repetido, até a antena comple-tar o seu giro. Assim ao final da rotação tem-se uma tabela de pontos com os valores máximos de intensi-dade (em dBm) para cada ângulo da antena. Com estes valores conseguem-se traçar, dois tipos de diagramas de radiação: retangular (muito usado para antenas de feixe estreito) e o polar (mais utilizado para antenas de feixe largo).[1] [2] [3] [4]

Também é realizado outro tipo de teste, o 0 (ZERO) SPAM. Nessa modalidade, à antena executa um giro de 30º contínuos e ao final, são salvos os valores cap-turados do analisador de espectro. São realizados 12 vezes a fim de completar uma volta. Esse teste tem um tempo de execução bastante reduzido, pois a antena para apenas 12 vezes, porém não apresenta a mesma precisão em relação ao o teste pontual, pois os valores de ângulo serão interpolados para relacionar com cada ponto de amplitude.

III

–

M

III.1 – Estrutura do campo de antenas

O campo de antenas tem como premissa o controle da antena receptora. Para obter a precisão requerida utili-zou-se um motor trifásico conectado a um redutor de 40 para 1, ou seja, o motor precisa realizar 40 voltas para o eixo do redutor completar um giro. Este sistema pode ser visualizado na figura 2.

Para controlar esse motor, utilizou-se um inversor de frequência, que é operado de duas formas: manual-mente (através da IHM – interface homem máquina – como pode ser visto na figura 3) e remotamente (atrvés de bornes que deverão ser interconectados de a-cordo com o comando desejado, como pode ser visua-lizado na figura 4). Observa-se na figura 4 que, se fechar à chave S1 o motor ligará e se abri-la o motor desligará. Já para a chave S2 tem-se o controle de sen-tido de giro e assim por diante.

conectando os bornes 4 e 6 do inversor de frequência, ou seja, será correspondente a chave S2 da figura 4. No sistema montado tem-se a opção de ligar ou desli-gar o motor e também inverter seu sentido de rotação.

Fig.2 – Sistema de redução de velocidade e po-sição do encoder

Fig.3 – IHM do inversor de frequência.

Fig.4 – Bornes para o controle remoto do inversor de frequência.

O micro-controlador utiliza uma interface serial para comunicar-se com o programa Labview no computa-dor. Este envia comandos para o micro-controlador que interpreta ligando ou desligando os seus bits de

que corresponde a chave S1 da figura 3. Seguindo esta lógica pode-se também inverter o sentido de giro do motor.

O projeto utiliza também um encoder incremental com uma precisão de 1800 pulsos por rotação (figura 5), ou seja, a cada 0.2º o encoder envia dois pulsos para o micro-controlador através de duas saídas diferentes, “A phase” e “B phase” (figura 6). Estes pulsos serão defasados de 90º, positivos ou negativos dependendo de qual sentido for a rotação do motor.

Fig.5 – Encoder incremental.

Fig.6 – Sinais de saída do encoder.

O encoder é conectado em baixo do eixo do redutor, portanto tem-se a visualização real do ângulo presente da antena, esta conexão é visualizada na figura 2. Para melhor compreender a estrutura do campo de antenas como um todo, apresenta-se um diagrama em blocos na figura 7.

III.2 – Microcontrolador

O micro-controlador interpreta o sentido de rotação, incrementando ou decrementando uma variável e enviando-a via serial para o computador. Assim, con-segue-se obter o valor do ângulo no qual a antena en-contra-se presente. Tem-se dois modos em sua lógica:

• Modo manual: Pode-se movimentar a antena livremente a fim de ajustá-la para o início do

teste. O micro-controlador envia o valor do ângulo da antena, toda vez que esta se movi-mentar a 0,2º.

Fig.7 – Estrutura do Campo de Antenas.

• Modo automático: O micro-controlador conta 5 pulsos do encoder e desliga sua saída a fim de parar o motor, depois é enviado o valor do ângulo para o computador. Assim este saberá quando a antena terminou o seu giro de 1º. Para ilustrar com mais precisão, como foi montada a lógica do micro-controlador tem-se o fluxograma re-presentado na figura 8.

III.3 – Labview para teste pontual

O programa Labview estabelece dois tipos de comuni-cação: GPIB (General Purpose Interface Bus) [6], com o analisador de espectro e o gerador, e serial, com o micro-controlador. Tem-se duas abas principais: Con-figuração e Medida. A primeira traz a funcionalidade de controlar a antena, assim consegue-se apontá-la como desejado. Também se pode controlar os dois equipamentos, modificando as características necessá-rias, por exemplo, frequência de leitura, frequência do gerador de RF, amplitude, tempo de varredura, etc. Para o funcionamento automático, na aba de configu-ração, o programa disponibiliza uma interface de fácil entendimento para o usuário. Onde se deve entrar com as 5 frequências, nas quais se deseja testar a antena. Será então formado, durante o teste 5 gráficos, como pode ser visto na figura 9. Assim consegue-se analisar o diagrama de radiação da antena e verificar se o mesmo contém alguma característica indesejada antes do teste ser completado.

Redutor do Motor Motor Trifásico antena Encoder Inversor de frequência Circuito de Relés Microcon-trolador Compu-tador Analisador de Espectro Gerador de Frequência

Fig.8 – Fluxograma da Lógica do Micro-controlador.

Fig.10 – Fluxograma da lógica do Labview para teste pontual

Além disso, também existe à opção de salvar todos os pontos obtidos em uma planilha do Excel. Onde existirá a possibilidade de trabalhar posteriormente os resultados obtidos.

A figura 10 exemplifica um fluxograma da lógica construída para traçar o diagrama de radiação da antena.

Ao começar o teste automático o Labview envia o caractere Z via serial, assim é acionado o modo automático do micro-controlador. Logo após é en-viado um comando para ligar o motor. Enquanto a antena percorre a distância relativa à 1º, o Labview entra em uma rotina de espera por um dado que será enviado via serial pelo micro-controlador. Assim que, a antena se movimentar a 1º o Labview recebe o valor do ângulo atual da antena e o salva. Logo após tem se uma sub-rotina denominada “Lógica de captura de pontos”, no qual são realizadas as medi-das necessárias.

Esta sub-rotina de captura de pontos consiste basi-camente em ir modificando a frequência gerada e a frequência que será lida no espectro. Por exemplo, quando se configura o gerador para uma frequência de 1000 MHz, no analisador de espectro é configu-rada uma frequência inicial de 950 MHz e uma fre-quência final de 1050 MHz, assim tem-se a porta-dora do sinal no centro da tela. Logo após é dado um comando para efetuar a leitura da potência má-xima do sinal. Esta sub-rotina é feita para as cinco freqüências que se deseja testar a antena. A figura 11 representa o fluxograma da lógica de captura de pontos.

Quando acabar de ser processada esta sub-rotina o Labview verifica se o ângulo informado pelo mi-crocontrolador é menor do que -180º. Como o teste

começa em 180º, quando ele for menor que -180º a antena percorreu uma volta completa. Caso contrá-rio é ligado novamente à rotação da antena e as medidas se repetirão.

Quando a antena terminar sua rotação completa, o usuário tem a opção de escolher se os resultados obtidos deverão ser salvos em uma planilha do Ex-cel. Esta, por sua vez, já está pré-configurada para gerar os gráficos automaticamente, dos valores que nela forem adicionados. Lembrar que esta planilha deve ser indicada anteriormente para o programa.

III.4 – Programa no Labview para teste em 0 (ZERO) SPAN

A fim de realizar um teste mais rápido, porém não tanto preciso quanto ao teste pontual, foi criado um teste em 0 (ZERO) SPAN.

Para efetuar este teste criou-se outro programa tanto no Labview quanto no micro-controlador, estes terão quase a mesma estrutura, porém com algumas peculiaridades.

No programa do micro-controlador a única diferen-ça é o modo automático, que ao invés de esperar 5 pulsos do encoder e parar o motor, o programa es-perará 150 pulsos, ou seja, a antena irá percorrer 30º completos antes de parar.

Fig.11 – Fluxograma da sub-rotina para captura das amplitudes máximas de cada freqüência

No programa do Labview executou-se poucas mu-danças na aba de configuração. O usuário deve

en-trar com o valor da frequência central, que é a mesma que está sendo emitida pela antena trans-missora e um SPAN de 10MHz, assim pode-se vi-sualizar a portadora do sinal que está sendo trans-mitido. Logo após deve ser reduzido o SPAN para 0 Hz, com isto o analisador de espectro mostrará ape-nas a frequência desejada (demodulada) e ao invés de visualizar uma portadora, tem-se um traço ao longo da tela (nível CC) determinando a potência que está sendo recebida pela antena receptora. O próximo passo é entrar com o tempo de varredura que o analisador de espectro necessita para varrer toda a tela, este tempo deve ser o mesmo que a an-tena leva para girar 30º. Para determiná-lo basta medi-lo, com um cronômetro. Assim garantir-se-á que o analisador de espectro capturará todos os pontos que a antena estiver recebendo durante sua rotação.

A figura 12 mostra a tela de medida para o progra-ma em 0 (ZERO) SPAN. Observa-se apenas um gráfico presente, pois neste teste é realizada uma frequência de cada vez.

Após apontar a antena para o local desejado e reali-zar os procedimentos descritos anteriormente men-cionados, deve se habilitar o começo do teste. Este tem uma lógica similar ao do teste pontual, como pode ser visto no fluxograma mostrado na figura 13.

A cada 30º, o Labview apresenta os pontos capta-dos do espectro na parte referente ao gráfico da aba de medida (figura 12), assim o usuário poderá visu-alizar o diagrama de radiação sendo gerado durante o teste. Ao final do teste, também é fornecido ao usuário a opção de salvar os pontos em uma plani-lha no Excel, onde tem-se as mesmas funcionalida-des do teste pontual.

IV.

R

Para realizar um teste prático de transmissão e re-cepção, utilizou-se duas antenas DRG (Double Ri-gid Guide), mostrada na figura 14, uma para trans-mitir o sinal e outra para receber. Na antena recep-tora foi ligado um analisador de espectros HP e na antena transmissora foi ligado um gerador de sinais. Com esta estrutura rodaram-se os dois tipos de tes-te, pontual e 0 (ZERO) SPAN. Apresentam-se os resultados obtidos nas figuras 15 e 16, respectiva-mente.

Vale ressaltar que os resultados mostrados na figura 15 e 16 representam apenas os valores absolutos medidos no analisador de espectro, constituindo o diagrama de radiação. Para se obter os valores cor-respondente aos parâmetros da antena, tais como ganho, feixe de meia potência, etc o diagrama obti-do é normalizaobti-do e submetiobti-do a rotinas de cálculos específicos.

V.

C

Os procedimentos tradicionais de medidas de ante-na, sem qualquer tipo de automação, consistem em movimentar a antena, manualmente, em intervalos regulares e registrar a potência do sinal. Uma vez coletado os dados, serão inseridos numa carta polar ou retangular, ficando então evidente que o registro dos pontos automático economiza tempo. Outra grande vantagem da automação do sistema é a pos-sibilidade de registrar a potência do sinal, em inter-valos muitos menores que 1º o que será objeto de trabalhos subsequentes.

Fig.13 – Fluxograma da lógica do Labview para testes em 0 SPAM.

Fig.14 – Antena DRG

O serviço realizado pelo campo de antenas produzido neste artigo é muito escasso no Brasil, ou seja, poucas empresas conseguem fornecer este tipo de serviço. Assim este trabalho mostra uma idéia inovadora, de baixo custo e com alta precisão de medida para reali-zar testes, tanto de homologação quanto de aceitação de antenas. Assim podem-se apresentar ao mercado, alternativas para teste em antenas, visto que há grande procura para tal serviço. Poder-se-á criar um mercado mais competitivo, reduzindo-se o preço do serviço e elevando a qualidade.

O produto apresentou algumas limitações, pois o mo-tor muitas vezes não conseguia parar na hora devida, e assim ocorria uma rotação maior que 1º. Porém mes-mo apresentando esta limitação, o produto mes-mostrou um resultado satisfatório. Considerando que a antena gire mais que 1º, o encoder irá captar esta diferença e será informado o ângulo correto para o Labview.

Estas limitações estão relacionadas à velocidade de giro da antena. O projeto continuará sendo aperfeiçoa-do, onde pretende-se aumentar o redutor e consequen-temente diminuir a velocidade de rotação, fazendo com que a inércia de parar o motor seja menor. Tam-bém deseja-se implementar malhas de controle para garantir que a antena percorra a distância desejada.

VI.

A

Primeiramente desejo agradecer ao meu orientador do projeto, Carlos Pereira Nogueira, que me ajudou, a-conselhou e incentivou em todos os momentos. Gosta-ria de agradecer também a todos que fizeram parte do projeto, tanto na parte mecânica quanto nos testes rea-lizados dentro e fora da empresa.

Fig.15 – Resultados no Excel para teste pontual Diagrama de Radiação DRG -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 -1 8 0 -1 6 7 -1 5 4 -1 4 1 -1 2 8 -1 1 5 -1 0 2 -8 9 -7 7 -6 4 -5 1 -3 8 -2 5 -1 2 1 .0 8 1 4 2 6 .9 3 9 .9 5 2 .8 6 5 .7 7 8 .7 9 1 .6 1 0 5 1 1 7 1 3 0 1 4 3 1 5 6 1 6 9 Ângulo (º) P o tê n ci a ( d B i)

Figura 16 – Diagrama de Irradiação da antena DRG

E por último a empresa Beta Telecom Consultores que acreditou na potencialidade do projeto até o fim e in- vestiu para que este conseguisse chegar a sua conclu-são.

R

[1] Hollis, J.S.; et all.; "Microwave antenna measurements". Scientific Atlanta, 1985.

[2] Ribeiro, J.A.J.; "Teoria de antenas". Inatel, CE-DETEC. Santa Rita do Sapucaí, 1992.

[3] Esteves, L.C.; "Antenas, teoria básica e aplica-ções".Mc Graw Hill. São Paulo. 1980.

[4] Kraus, J.D.; "Antennas". Mc Graw-Hill, New York, 1950.

[5] Travis,J.: “LabVIEW for everyone”. National In-truments, Prentice Hall, Upper Saddle River,NJ. 1997. [6] Regazzi,R.D. ; et all: “Soluções práticas de instru-mentação e automação”. PUC Rio de Janeiro, 2005.

B

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Fernando Graziani Aranha

Nasceu em São Paulo (SP), em 1988. Estudou em São José dos Campos e itajubá, tendo recebido o título de Técnico em Eletro-técnica na Escola de Técnicos Everardo Passos (E-TEP) em São José dos Campos. Ingressou na Univer-sidade Federal de Itajubá (UNIFEI) em 2007, depois