brunorobertofranciscatto tcc 2010,02

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE ENGENHARIA ELTRICA E INFORMTICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA LABORATRIO DE ELETROMAGNETISMO E MICROONDAS APLICADOS

TRABALHO DE CONCLUSO DE CURSO

Desenvolvimento de uma antena diretiva para aplicaes

DSRC em 5.8GHz

Aluno: Bruno Roberto Franciscatto

Professor orientador: Rmulo Raimundo Maranho do Valle

Campina Grande - PB, Novembro 2010

Desenvolvimento de uma antena diretiva para aplicaes DSRC em 5.8GHz

Bruno Roberto FRANCISCATTO TCC Novembro-2010 Pag. 2

Desenvolvimento de uma antena diretiva para aplicaes

DSRC em 5.8GHz

Trabalho de Concluso do Curso de Engenharia Eltrica

da Universidade Federal de Campina Grande, em

cumprimento parcial s exigncias para obteno do

Grau de Engenheiro Eletricista.

___________________________ ___________________________

Bruno Roberto Franciscatto Rmulo Raimundo Maranho do Valle

ALUNO PROFESSOR ORIENTADOR

Campina Grande PB

Novembro de 2010



AGRADECIMENTOS

Inicialmente agradeo a Deus por tudo que me proporciona na vida.

minha me e meu pai, os quais amo muito, pelo exemplo de vida e famlia

bem como pelo apoio dado durante toda graduao. minha irm por tudo

que me ajudou at hoje. Aos amigos que direta ou indiretamente

contriburam para o meu xito na graduao. Ao Professor Rmulo Raimundo

Maranho do Valle, orientador, professor, um muito obrigado pela dedicao

e ajuda. Meus agradecimentos tambm aos amigos do Programa de Ensino

Tutorial de Engenharia Eltrica (PET-Eltrica), programa este que sempre me

abriu portas ao longo da graduao. E finalmente, agradeo a todos que me

ajudaram direta ou indiretamente para o desenvolvimento deste projeto.

MUITO OBRIGADO!



RESUMO

DSRC (Dedicated Short Range Communications) uma tecnologia de comunicao de mdia e

baixa velocidade, o que garante a segurana pblica ou transaes privadas entre as antenas nas

estradas e veculos ou entre os veculos. DSRC pretende ser um complemento comunicao celular,

fornecendo taxas de dados muito altas.

Atualmente, o sistema DSRC tem padres e protocolos bem estabelecidos na Europa e tambm

em pases como a EUA, Brasil, Japo e Coria. No entanto ainda existem barreiras tecnolgicas a

serem vencidas.

A antena desenvolvida neste projeto ser utilizada em aplicaes do sistema DSRC Free-flow,

do ingls fluxo livre. Neste sistema, a comunicao ocorre entre uma antena implantada em uma

plataforma area e um Identificador (OBU) colocado dentro do veiculo colado no pra-brisa. A idia

deste sistema eliminar as barreiras existentes nos pedgios, de maneira a facilitar o fluxo e controle

de veculos. O motorista no precisar parar o veiculo para pagar o pedgio, ao passar por baixo destas

plataformas. Automaticamente os dados do veiculo sero checados e o valor do pedgio debitado em

sua conta bancria de forma segura e eficiente.

Existem vrias razes para o sucesso da tecnologia DSRC na cobrana de pedgio; entre elas

est a opo por um recurso de comunicao que j mostrou ser muito segura e que interage com

outras tecnologias. Se forem comparados os custos de implantao, a tecnologia DSRC tambm

demonstra ser a mais econmica, porque o tag (etiqueta eletrnica que faz a transmisso de dados

entre o veculo e os sensores que efetuaro a cobrana) tem produo barata e poder de transmisso de

5,8 GHz.



Sumrio

AGRADECIMENTOS ........................................................................................................................................................... 3

RESUMO ................................................................................................................................................................................. 4

1) Introduo ................................................................................................................................................................... 7

2) Objetivo ........................................................................................................................................................................ 7

3) Metodologia ................................................................................................................................................................ 8

4) Estudo bibliogrfico ................................................................................................................................................ 8

4.1) Diferentes geometrias de antenas ................................................................................................................... 9

4.1.1) Geometria Fractal.................................................................................................................................. 9

4.1.2) Antena planar (patch) quadrada .............................................................................................. 12

4.1.3) Yagi-UDA ................................................................................................................................................ 12

4.1.4) Antena dipolo espiral de Archimedes ........................................................................................ 13

4.1.5) Antena helicoidal ................................................................................................................................ 15

4.1.6) Antena Rhombic .............................................................................................................................. 15

4.1.7) Antena Fenda ....................................................................................................................................... 16

4.2) Arranjo de antenas ........................................................................................................................................... 17

4.3) Antenas diretivas .............................................................................................................................................. 18

4.4) Sistema DSRC ..................................................................................................................................................... 18

5) Projeto da antena .................................................................................................................................................. 20

5.1) Arranjo de antenas ...................................................................................................................................... 25

5.2) Divisor de potncia ..................................................................................................................................... 26

5.3) Arranjo de uma antena com quatro elementos alimentada por um divisor de potncia

(1x4)........................................................................................................................................................................................30

6) Concluso .................................................................................................................................................................. 32

7) Referncias bibliogrficas .................................................................................................................................. 33



Tabela de figuras Figura 1: Metodologia do projeto de concluso de curso ....................................................................... 8

Figura 2: Forma fractal de uma raio e Figura 3: Forma fractal de um terreno ....................................... 9

Figura 4: Forma fractal do romanesco e Figura 5: Forma fractal de uma folha .................................... 10

Figura 6: Forma fractal de uma planta e Figura 7: Forma fractal de um nautilus ................................ 10

Figura 8: Forma fractal de um pavo .................................................................................................... 10

Figura 9: Sierpinski Carpert e Figura 10: Sierpinski Gasket .................................................................... 11

Figura 11: Heighway's Dragon............................................................................................................... 11

Figura 12: Koch Island Snowflake e Figura 13 : Durer's pentagons ..................................................... 11

Figura 14 : Antena Yagi-UDA ................................................................................................................. 13

Figura 15 : Antenne Diple Archimde spirale ...................................................................................... 14

Figura 16: Geometria do dipolo de Archimedes espiral ......................................................................... 14

Figura 17: antena helicoidal .................................................................................................................. 15

Figura 18: formao do diagrama de irradiao da antena rhombique ............................................... 16

Figura 19 : Quatro guias irradiantes alimentados por um guia transversal ......................................... 17

Figura 20 : arranjo de antenas do tipo Yagi .......................................................................................... 17

Figura 21: arranjo de antenas do tipo planar ........................................................................................ 18

Figura 22: Sistema free-flow de uma ou mais vias .......................................................................... 19

Figura 23: Sistema free-flow de vrias vias ..................................................................................... 20

Figura 24 : Esquema de uma Yagi clssica de 3 elementos ................................................................... 21

Figura 25: esquema de uma antena Yagi modificada primeira camada ............................................ 22

Figura 26: esquema de uma antena Yagi modificada segunda camada ............................................ 22

Figura 27 : Geometria da Yagi com os dipolos opostos e dois diretores coplanares ............................. 23

Figura 28 : Especificaes do substrato utilizado .................................................................................. 24

Figura 29: Resultado da simulao dos parmetros S1,1 da Yagi com os dipolos opostos e dois

diretores coplanares .............................................................................................................................. 24

Figura 30: Resultado da simulao do diagrama de irradiao da Yagi com os dipolos opostos e dois

diretores coplanares .............................................................................................................................. 25

Figura 31: Arranjo de antenas: pontos 1 e 2 ......................................................................................... 25

Figura 32 : Divisor de potncia do tipo 1x2 (uma entrada com duas sadas) ........................................ 27

Figura 33: Divisor de Wilkinson juno 3 acessos ............................................................................. 27

Figura 34 : Divisor de potncia 1x4 proposto ........................................................................................ 28

Figura 35 : Parmetros do divisor de potncia 1x4 proposto ................................................................ 29

Figura 36 : Resultados das simulaes do mdulo dos parmetros S do divisor de potncia ............... 29

Figura 37 : Resultados das simulaes da fase dos parmetros S do divisor de potncia .................... 30

Figura 38: Arranjo de antena com 4 elementos e um divisor de potncia 1x4 vista frontal .............. 30

Figura 39: Arranjo de antena com 4 elementos e um divisor de potncia 1x4 vista traseira ............. 31

Figura 40: Resultados da simulao dos parmetros S1,1 do arranjo de antenas com 4 elementos e

um divisor de potncia .......................................................................................................................... 31

Figura 41: Resultados da simulao do diagrama de irradiao do arranjo de antenas com 4

elementos e um divisor de potncia ...................................................................................................... 32



1) Introduo DSRC (Dedicated Short Range Communications) uma tecnologia de comunicao de mdia e

baixa velocidade, o que garante a segurana pblica ou transaes privadas entre as antenas nas

estradas e veculos ou entre os veculos. DSRC pretende ser um complemento comunicao celular,

fornecendo taxas de dados muito altas.

Atualmente, o sistema DSRC tem padres e protocolos bem estabelecidos na Europa e tambm

em pases como a EUA, Brasil, Japo e Coria. No entanto, ainda existem barreiras tecnolgicas a

serem vencidas.

As aplicaes potenciais da tecnologia DSRC para segurana pblica e gesto do trfego so:

Sistema de pedgio de barreira-livres (free-flow)

Reduo do risco coliso entre veculos

Inspeo de segurana dos veculos

O sinal de prioridade de trnsito ou de veculo de emergncia

Pagamento eletrnico do estacionamento

Facilitao do processo de inspees de segurana

Informaes sobre congestionamentos.

Aviso de interseco da auto-estrada ferroviria.

A antena desenvolvida neste projeto ser utilizada em aplicaes do sistema DSRC Free-flow,

do ingls Fluxo livre. Neste sistema a comunicao ocorre entre uma antena implantada em uma

plataforma area e um Identificador (OBU) colocado dentro do veiculo colado no pra-brisa. A idia

deste sistema eliminar as barreiras existentes nos pedgios, de maneira a facilitar o fluxo e controle

de veculos. O motorista no precisar parar o veiculo para pagar o pedgio, ao passar por baixo destas

plataformas. Automaticamente os dados do veculo sero checados e o valor do pedgio debitado em

sua conta bancria.

Existem vrias razes para o sucesso da tecnologia DSRC na cobrana de pedgio; entre elas

est a opo por um recurso de comunicao que j mostrou ser muito segura e que interage com

outras tecnologias. Se forem comparados os custos de implantao, a tecnologia DSRC tambm

demonstra ser a mais econmica, porque o tag (etiqueta eletrnica que faz a transmisso de dados

entre o veculo e os sensores que efetuaro a cobrana) tem produo barata e poder de transmisso de

5,8 GHz.

2) Objetivo Neste projeto temos como objetivo o estudo e desenvolvimento de uma antena diretiva para a

aplicao DSRC em 5.8GHz. Deve-se fazer uso de tcnicas de desenvolvimento de antenas j

existentes, no entanto acrescentando diferenciais para que possamos obter uma antena diretiva, de

grande ganho e se possvel de pequeno porte para esta faixa de freqncia.



A antena desenvolvida neste projeto ser utilizada para aplicaes de pedgio do tipo Free-flow

(Fluxo livre), onde as antenas so colocadas em plataformas areas, sobre as rodovias permitindo a

deteco automtica da passagem do veiculo.

3) Metodologia Inicialmente foi feito um estudo bibliogrfico da tecnologia DSRC. Em seguida foram

estudados diferentes tcnicas de desenvolvimento de antenas possveis de serem utilizadas para a

aplicao em questo.

Uma vez estabelecida a tcnica de desenvolvimento da antena, foi escolhido o software de

simulao (CST), para criar a antena solicitada, aplicando o estudo bibliogrfico realizado.

Com o objetivo alcanado em nvel de simulao, foi discutida, junto ao professor orientador do

projeto, a possibilidade de fabricao e testes da antena simulada.

Figura 1: Metodologia do projeto de concluso de curso

4) Estudo bibliogrfico Visto que a antena solicitada para este projeto necessita de caractersticas muito especficas,

como uma diretividade elevada, grande ganho e de pequeno porte, logo se fez necessrio a realizao

Estudo bibliografico:

Sistema DSRC

Diferentes tcnicas de desenvolvimento de antenas

Escolha da geometria da antena

Simulaes (Software CST)

Possibilidade de fabricao da antena projetada



de uma ampla pesquisa bibliogrfica para encontrar diferentes geometrias de antenas que nos

permitisse desempenho adequado para o projeto.

A pesquisa bibliogrfica foi dividida em:

Diferentes geometrias de antenas

Antenas diretivas

Arranjo de antenas

Sistema DSRC

4.1) Diferentes geometrias de antenas

4.1.1) Geometria Fractal Fractais foram definidos inicialmente por Benot Mandelbrot, em 1975, visando classificar as

estruturas cujas dimenses no eram inteiros. A geometria fractal fornece um padro geomtrico nico

que ocorre na natureza. Ele pode ser usado para descrever diferentes formas, por exemplo: plantas das

rvores, terreno irregular, descargas eltricas atmosfricas, alguns crustceos, etc. Fractais so formas

geomtricas que podem ser encontrados na natureza (Figuras 2-8). Estas geometrias foram geralmente

classificadas como amorfas, mas Mandelbrot descobriu que algumas caractersticas especiais podem

ser encontradas.

Figura 2: Forma fractal de uma raio Figura 3: Forma fractal de um terreno



Figura 4: Forma fractal do romanesco Figura 5: Forma fractal de uma folha

Figura 6: Forma fractal de uma planta Figura 7: Forma fractal de um nautilus

Figura 8: Forma fractal de um pavo

(Fonte: http://biologyblog.wordpress.com ; http://webecoist.com)

H muitas vantagens em usar a geometria fractal como ferramenta para o desenvolvimento de

antenas, por exemplo:

Reduo do tamanho fsico;

Comportamento multi-banda (multiband);
http://webecoist.com/



O ganho e largura de banda podem ser otimizados.

Tratando-se do uso da geometria fractal no desenvolvimento de antenas existem diversas

geometrias que se mostraram teis, a exemplo das Figuras 9-13:

Figura 9: Sierpinski Carpert Figura 10: Sierpinski Gasket

Figura 11: Heighway's Dragon

Figura 12: Koch Island -Snowflake. Figura 13 : Durer's pentagons
http://ecademy.agnesscott.edu/~lriddle/ifs/ksnow/ksnow.htmhttp://ecademy.agnesscott.edu/~lriddle/ifs/pentagon/Durer.htm



4.1.2) Antena patch quadrada A antena patch (em Ingls) uma antena plana, onde o elemento irradiante uma superfcie

condutora que pode ser quadrada, separada do plano de massa por um dieltrico.

Este tipo de antena pode ser utilizada para aplicaes de um nico elemento irradiante ou um

arranjo de antenas. Como aplicaes, podemos citar: redes Wi-Fi, rdio amador e profissional,

navegao area, vigilncia ou de satlites de observao da Terra.

As antenas planares tm muitas vantagens em comparao com antenas de microondas convencionais

e suas aplicaes cobrem a ampla faixa de freqncia de 100 MHz a 100 GHz.

Algumas de suas vantagens:

So leves, compactas

Fabricao de baixo custo, produo em srie possvel;

Polarizao circular e linear

Compatibilidade com circuitos hbridos e MMIC (Monolithic Microwave

Integrated Circuit];

No entanto, antenas planares tambm tm limitaes comparadas as antenas tradicionais:

Largura de banda baixa, muitas vezes associada a problemas de tolerncia

(geomtrica e fsica)

Ganho geralmente baixo (6 dB)

Suportam apenas baixas potncias (100 W)

Perda de radiao via ondas de superfcie.

Estas limitaes so conhecidas desde muitos anos atrs, mas um progresso considervel tem

sido feito para melhorar a desempenho da antena patch. Em particular, a sua largura de banda pode

aumentar at 70% usando uma configurao de mltiplas camadas e o ganho pode aumentar at 30%

aplicando um arranjo de antenas.

4.1.3) Yagi-UDA A antena Yagi-Uda ou Yagi (nomeado aps seus inventores, Hidetsugu Yagi e Shintaro UDA)

uma antena de elementos parasitas utilizada em sistemas de HF ou UHF. Mecanicamente simples de

implementar, amplamente utilizada na TV, em ligaes de ponto ponto e por radioamadores. Foi

inventada pouco antes da Segunda Guerra Mundial quando era utilizada para aplicaes com radares.

Uma antena Yagi pode ser comparada a uma antena principal de um arranjo de antenas cujos

outros elementos do sistema so alimentados por induo mtua. Se o espaamento e comprimento

dos braos da antena yagi so projetados de forma correta, o diagrama de irradiao e o ganho so

equivalentes a um arranjo de antenas.



Uma antena Yagi-Uda formada por um elemento alimentado (geralmente um simples dipolo

ou um trombone") e um ou mais elementos isolados (de hastes de metal simples) e no

alimentados. Estes elementos so chamados de elementos "parasitas". A corrente eltrica flui atravs

do elemento de radiao alimentado produzindo um campo eletromagntico que induz correntes nos

outros elementos parasitas. A corrente induzida nos elementos parasitas, por sua vez produz mais

campos de radiao que induz a corrente em outros elementos, inclusive o elemento alimentado.

Finalmente, a corrente que flui em cada elemento o resultado da interao entre todos os

elementos. Esta corrente depende da sua posio e suas dimenses. O campo eletromagntico

irradiado pela antena numa dada direo ser a soma dos campos de radiao por cada elemento. Esta

soma complicada pelo fato de que a amplitude e a fase da corrente que flui em cada elemento serem

diferentes.

Figura 14 : Antena Yagi-UDA

4.1.4) Antena dipolo espiral de Archimedes A espiral de Arquimedes datada da dcada de 1950 e desenvolveu-se rapidamente a partir do

final dos anos 1970, acompanhando o desenvolvimento de deteco e localizao de sinais

wireless. Devido sua polarizao circular e um baixo custo, essas antenas desempenham um papel

importante em muitas reas, tais como servios de satlite [17] e a comunicao UWB [18]. A antena

espiral de Arquimedes apresenta um diagrama de irradiao bem direcional, uma impedncia

caracterstica e polarizao circular. Pode-se escolher facilmente os parmetros da antena. O tamanho

da antena espiral de Arquimedes determinado pelo comprimento de onda da menor freqncia de

trabalho.



Figura 15 : Antenne Diple Archimde spirale

O elemento irradiante pode ser constitudo de um ou dois eixos de hlices simples ou dupla. A

antena dupla hlice tem caractersticas melhores que a antena nica.

Sua banda tem limitaes devido ao seu tamanho. O sentido de polarizao do campo irradiado pela

antena corresponde ao sentido de deslocao da onda ao longo dos braos. Pode ser uma radiao

bidirecional, ou radiao unilateral se ela est associada com um refletor plano ou cavidade. Quanto a

espiral logartmica, a zona de radiao , substancialmente, de um crculo de dimetro / 4, onde

duas correntes adjacentes esto em fase. Para correntes em fases opostas, o campo correspondente no

produz qualquer radiao.

Figura 16: Geometria do dipolo de Archimedes espiral

A largura da banda desse tipo de antena pode ser definida a partir da seguinte frmula [45]:

1

2

Onde:

c = velocidade da luz no vcuo

= frenquencia mais baixa da banda passante

= frenquencia mais alta da banda passante



= permissividade relativa

4.1.5) Antena helicoidal Antena Helicoidal deve seu nome ao fato de que ela apresenta uma irradiao principalmente

sobre o seu eixo de enrolamento. Foi descrita pela primeira vez em 1947 por John Daniel Kraus, um

U. S. Amador. As dimenses do espiral determina a freqncia de trabalho da antena, produzindo uma

polarizao circular. Estas antenas so utilizadas para comunicaes do tipo mvel, bem como para as

comunicaes espaciais, quando a orientao relativa do transmissor e receptor desconhecida ou

varivel. Seu tamanho proibitivo em HF e abaixo, logo elas so usadas em sistemas VHF ao SHF.

Figura 17: antena helicoidal

Encontramos na literatura vrias frmulas para calcular o ganho da antena helicoidal de acordo

com o nmero de voltas. O ganho freqentemente calculado com base no comprimento do boom

expressa em funo de lambda [19].

3

onde:

G : ganho em dBi

d : dimetro do circulo do espiral (em )

N : nmero de espiras (em )

p : passo entre as espiras (em )

4.1.6) Antena Rhombic uma antena composta de radiadores long-wire formando os lados de um losango. O circuito

desta antena normalmente tem no final uma impedncia. Os lados do losango e o ngulo entre os lados

so projetados para dar a diretividade pretendida. Este tipo de antena caracterizado pela facilidade de



se obter uma polarizao circular. Esta antena consiste de quatro elementos dispostos em forma de

paraleleppedo e terminados por uma adaptao de impedncia (ver figura 18).

Figura 18: formao do diagrama de irradiao da antena rhombique

A impedncia de entrada de aproximadamente 650-700 , a diretividade varia 20-90 dB e

ganho de potncia, devido s perdas em R, varia 15-60 dB.

Se o rendimento baixo (-5 dB a -30 dB), a largura de banda grande, uma vez que a antena no

est bem adaptada! A antena rhombic permite o funcionamento satisfatrio de 3-30 MHz utilizado

para ligaes de ondas curtas.

4.1.7) Antena Fenda Uma antena fenda pode ser constituda em uma ou mais guias com ranhuras retangulares. Os

guias podem ser colocados juntos por sua pequena parte, ou montados por espaadores quando as

faixas esto dispostas no lado curto do guia. Cada guia alimentado por uma rvore de distribuio

composta por engates interligados por pontos dos guias.

A antena fenda caracterizada pelo seu desenvolvimento vertical e horizontal em forma de ngulo, ou

guia de ondas com fendas de tamanho e localizao dos elementos que so funes da freqncia. A

onda emitida diretamente pelas frestas do guia e forma um padro de interferncia em fendas de

Young com um forte ganho na direo perpendicular ao seu comprimento, se o espaamento das

aberturas um mltiplo do comprimento de onda utilizado. Temos, assim, uma antena direcional, cujo

padro de transmisso menos preciso do que uma antena parablica, mas muito mais barata e

robusta.



Figura 19 : Quatro guias irradiantes alimentados por um guia transversal

4.2) Arranjo de antenas Um arranjo de antenas um conjunto de antenas separadas que podem ser alimentadas em

fase. Isso quer dizer que a fase da corrente entre cada par de antenas fixa. O campo eletromagntico

produzido por uma rede de antenas a soma vetorial dos campos produzidos por cada elemento. Ao

escolher o espaamento adequado entre os elementos e fase da corrente que flui em cada um, pode-se

mudar a direo do feixe principal do diagrama de irradiao por meio de interferncia construtiva em

certas direes e interferncia destrutiva em outras direes. Pela combinao de um deslocador de

fase em cada fonte primria, podemos obter a agilidade do feixe necessrio para certas aplicaes

(radar, satlite de comunicaes endereadas...).

H uma grande variedade de arranjos:

Elementos regulares (os elementos ou antenas so dispostos com um passo constante)

linear: os elementos so alinhados em uma linha

circular: os elementos so dispostos em um crculo

superfcie: os elementos so dispostos em um plano, esfera, cilindro ou outra superfcie.

volume: os elementos so distribudos dentro de um volume (uma esfera, por exemplo)

Figura 20 : arranjo de antenas do tipo Yagi



Figura 21: arranjo de antenas do tipo planar

4.3) Antenas diretivas O campo de aplicaes sem fio est experimentando um forte crescimento em suas necessidades

de antenas diretivas. Estes tipos de antenas so muito teis em vrias aplicaes: transporte rodovirio,

aplicaes mdicas, sistemas de rastreamento de pessoas, carros e produtos... A grande vantagem a

possibilidade de um padro de radiao muito consistente na direo de propagao necessria para a

aplicao.

Por analogia com a luz, pode-se comparar uma antena diretiva com um projetor de luz, que

concentra a energia em um feixe estreito. Isso melhora o ganho da antena, concentrando a energia

irradiada no lbulo principal, o que implica que, do ponto de vista geral, uma antena diretiva tambm

uma antena de alto ganho.

4.4) Sistema DSRC A antena desenvolvida no mbito deste projeto faz parte do sistema DSRC (Dedicated Short

Range Communications). Esta tecnologia tem como aplicao comunicaes de mdio e baixo fluxo,

dentro da segurana pblica ou transaes privadas entre as antenas na rua e veculos ou entre os

veculos. DSRC pretende ser um complemento para comunicaes celulares, proporcionando altas

taxas de dados nos casos em que a minimizao da latncia na ligao e isolamento de reas de

pequenos municpios so importantes.

Em outubro de 1999, a Federal Communications Commission (FCC), atribuiu aos Estados

Unidos, 75 MHz de espectro na faixa 5,9 GHz para DSRC a ser utilizado pelo transporte

inteligente. Por outro lado, na Europa, em agosto de 2008, o European Telecommunications

Standards Institute (ETSI) destinou 30 MHz de espectro na faixa 5,9 GHz para os STI. No Brasil

temos a faixa de 5,8 GHz alocada para aplicaes do sistema DSRC. A deciso de utilizao de

freqncias na faixa de 5.8 GHz devido ao ambiente de espectro e suas caractersticas de



propagao, que so adaptadas a ambientes de veculos rodovirios - as ondas de propagao nesta

faixa de freqncia podem fornecer comunicaes em banda larga atravs de longas distncias (at

1000 metros), se tivermos uma condio climtica favorvel.

As aplicaes potenciais da tecnologia DSRC para segurana pblica e gesto do trfego so:

O sistema de pedgio de barreira-livres (free-flow)

Preveno de coliso entre veculos

Inspeo de segurana dos veculos

O sinal de prioridade de trnsito ou de veculo de emergncia

Pagamento eletrnico do estacionamento

Facilitao do processo de inspees de segurana

Informaes sobre congestionamentos.

Aviso de interseco da auto-estrada ferroviria.

Fonte : https://www.mhi.co.jp/en/products/pdf/dsrc.pdf

Figura 22: Sistema free-flow de uma ou mais vias
https://www.mhi.co.jp/en/products/pdf/dsrc.pdf



Figura 23: Sistema free-flow de vrias vias

Esta nova tecnologia vem complementar os diversos sistemas de rodovias existentes, para

permitir que o motorista tenha mais conforto e segurana. Na Tabela 1, h a comparao entre o

DSRC e outros sistemas de comunicao sem fio.

DSRC FM RADIO Celular Satlite

Distncia 1000 m Centenas de

Km

Km Milhares de

Km

Date rate 6 27 mbps >10 kbps

Hoje >10kbps

Futuro 2-3 mbps

Diretividade Na direo do sinal rea rea rea

*Custo (por bit) No existe No existe $ $$$

Tabela 1 : comparao do sistema DSRC com os outros sistemas de comunicao sem fio

*O custo por bit o montante para cada bit enviado/recebido durante a comunicao DSRC.

5) Projeto da antena No retrospecto da literatura e as simulaes de vrios tipos de antenas, a equipe do projeto, em

comum acordo, decidiu que a geometria adotada seria antenas YAGI-UDA (4.1.3), pois tem uma

diretividade alta. A antena pode ser fabricada em PCB, o ganho da antena pode ser aumentado,

adicionando elementos "diretores", o mdulo bsico pode ser instalado em arranjo de antenas, para

variar o lbulo principal e o ganho global.

Mais precisamente esta antena possui:



Um elemento emissor (radiador)

Um refletor

Elementos diretores

Figura 24 : Esquema de uma Yagi clssica de 3 elementos

Tomando como referncia a fase da corrente do elemento emissor, o comportamento do

elemento parasita depende da distncia entre os dois elementos e das dimenses fsicas do elemento

parasita. Um mtodo para aumentar o ganho a adio de mais diretores. Para todos os elementos

diretores adicionais, deve-se subtrair o coeficiente 0.005 (Figura 24). Tradicionalmente, as antenas

Yagi so projetadas usando antenas dipolo de fio ou PCB. Em 1991, Huang apresentou um projeto da

antena Yagi sobre microfita [42].

Recentemente, diversas configuraes da antena Yagi foram propostas [43], [44], [45].

Para este projeto uma antena inovadora foi desenvolvida: a Yagi com os dipolos opostos e dois

diretores coplanares, onde um brao do dipolo e dois diretores so impressos em um lado do substrato

(primeira camada). Do outro lado do substrato (segunda camada) temos o segundo brao do dipolo e o

refletor, que neste caso um plano de massa truncado (Figura 25 e Figura 26).



Figura 25: esquema de uma antena Yagi modificada primeira camada

Figura 26: esquema de uma antena Yagi modificada segunda camada

Os dois braos do dipolo esto localizados em lados opostos do substrato, um dos quais

alimentado pela linha de alimentao microfita 50, enquanto o outro alimentado pela linha

microfita que vem do plano de massa truncado.

Directeurs

Elment rayonnant



Figura 27 : Geometria da Yagi com os dipolos opostos e dois diretores coplanares

O brao do dipolo da primeira camada alimentado por uma linha coplanar (CPS). O papel da

seo de ys transformar a impedncia de entrada de 50, originria da linha microfita de

alimentao em uma linha estreita w1. Durante o processo de design, o comprimento de cada brao do

dipolo X1 inicialmente definido como um quarto de onda /4 da freqncia central. O comprimento

do diretor X2 escolhido perto do valor de X1, normalmente 0.95*/4. A distncia entre o brao do

dipolo e o plano de massa d2 est perto de /4, a distncia entre o brao do dipolo e primeiro diretor

d1 inferior a /4. Normalmente, a dimenso w2 designada para ser mais larga ou to larga quanto a

do brao w1 para assegurar um acoplamento forte, no entanto isso impe um limite na largura da faixa

de impedncia. Para o segundo elemento diretor, o procedimento deve ser tal qual o primeiro diretor.

A margem Y entre o segundo diretor e o fim do substrato tem uma forte influncia sobre as perdas de

retorno ("return-loss) e conseqentemente, a largura de banda de impedncia.

Por outro lado, aumentando a largura do substrato W, haver um plano de massa truncado

maior, conseqentemente um melhor refletor. Assim, h tambm um compromisso entre a superfcie

da antena e o diagrama de irradiao.

A partir dos parmetros previamente determinados, estes foram utilizados para o

desenvolvimento da antena no software de simulao. As simulaes so feitas no software CST . O

substrato utilizado foi o ROGERS RO4003 com uma espessura de 0.8mm. Suas especificaes so

descritas na Figura 28:



Figura 28 : Especificaes do substrato utilizado

Tomando-se como parmetros iniciais os valores mostrados na Figura 27, uma otimizao foi

realizada para adaptar a antena 5.8GHz, obtendo-se como parmetros finais:

Parmetro Valor (mm) Parmetro Valor (mm)

Y 20,1 X1 8,5

W 28 X2 6

ys 7 X3 4

yg 6 w1 1,5

ws 2 w2 1,2

d1 5,35 w3 1,1

d2 11,75

Tabela 2 : parmetros de uma Yagi com os dipolos opostos e dois diretores coplanares

Uma vez bem determinados todos os parmetros, a simulao final apresentou os seguintes

resultados:

Figura 29: Resultado da simulao dos parmetros S1,1 da Yagi com os dipolos opostos e dois diretores coplanares



Figura 30: Resultado da simulao do diagrama de irradiao da Yagi com os dipolos opostos e dois diretores coplanares

Aps a anlise dos resultados, observou-se que uma nica clula da antena Yagi 5,8 GHz tem

um ganho interessante (8,3 dB), mas insuficiente para a aplicao desejada, pois requer-se uma antena

com um ganho prximo de 17 dB. Ento, para satisfazer esta demanda, o ganho foi ampliado com um

mtodo conhecido, denominado arranjo de antenas.

5.1) Arranjo de antenas O projeto de um arranjo de antenas atende demanda de uma antena altamente diretiva e um

alto ganho. Os elementos da antena podem ser montados em redes de uma ou duas dimenses,

aumentando o ganho e diretividade. O diagrama de irradiao de um arranjo de antenas pode ser

modulado por mudana de fase e amplitude de excitaes individuais.

Considerando o caso de duas antenas semelhantes espaadas a uma distncia fixa e alimentadas

em fase (ou seja, a defasagem entre as correntes zero), figura 31.

Figura 31: Arranjo de antenas: pontos 1 e 2

Calculado o campo eltrico E produzido por este par de antenas a uma distncia

particularmente grande em relao fonte de energia (Figura 31). A distncia particularmente grande

em relao ao comprimento de onda, logo o ngulo o mesmo para ambas as antenas e o campo

produzido por cada uma ser tambm o mesmo. Mas se a amplitude a mesma, a fase ser diferente,



pois a antena 2 est mais prxima do ponto de medio que a antena 1. O campo produzido pela

Antena 2 vai chegar alguns segundos antes que o campo produzido pela antena 1. Ou seja, o campo

produzido pela antena 2 vai estar em avano de fase:

Equao 4

Uma vez que ambos os campos so paralelos, a soma de vetores reduzida soma das amplitudes,

mas tendo em conta a mudana de fase:

Equao 5

Como a fase do campo eltrico recebido irrelevante e s a amplitude importante, apenas o mdulo

ser avaliado:

Equao 6

fcil ver que o campo eltrico mximo e igual a duas vezes o campo produzido por cada

uma das duas antenas. Isso lgico, porque, para as duas emisses que viajam a mesma distncia

devem chegar em fase.

Aps discusso com o professor orientador do projeto em relao importncia que o ganho da

antena deve ter para a nossa aplicao, decidimos criar um arranjo de antenas com 4 elementos. No

entanto, para implementar esta configurao, tivemos que desenvolver um divisor de potncia.

5.2) Divisor de potncia Para projetar um arranjo de antenas, devem-se considerar os seguintes parmetros definidos nas

especificaes do projeto:

Um lbulo de irradiao altamente diretivo

Um diagrama de irradiao com certa inclinao

O ngulo de abertura do diagrama de radiao nas direes horizontal e vertical



Para cumprir todos estes requisitos, deve-se criar um divisor de potncia (Figura 32), que

permitir manipular o sinal em mdulo e fase, o qual ser enviado a todas as clulas que compe o

conjunto de antenas. Normalmente o mdulo o mesmo em cada sada do divisor, mas a fase o

parmetro mais importante, pois a partir de uma mudana de fase em cada sada do divisor, pode-se

obter:

Uma radiao diagrama de irradiao inclinado

Lbulo altamente direcional

Um determinado ngulo de abertura.

Figura 32 : Divisor de potncia do tipo 1x2 (uma entrada com duas sadas)

De fato, esse tipo especfico de divisor de potncia recebe o nome de divisor de Wilkinson. Para

se ter uma otimizao de espao fsico de ocupao do substrato, pode-se projet-lo com linhas de

diferentes impedncias caractersticas:

Figura 33: Divisor de Wilkinson juno 3 acessos

Sada 1 Sada 2

Entrada 1



e

No plano B :

et

No plano A :

et

Logo : et

Para um arranjo com uma antena com quatro clulas, precisamos de um divisor de potncia do

tipo 1x4 (uma entrada e quatro sadas). Durante o desenvolvimento do divisor, deve-se garantir que

teremos 50 de impedncia de entrada, e na sada do divisor devemos ter o mesmo valor 50, pois a

nossa Yagi foi projetada para uma excitao 50 .

Assim, partir da formulao matemtica do divisor de potncia, ns comeamos a projetar um

divisor do tipo 1x4 (uma entrada e quatro sadas):

Figura 34 : Divisor de potncia 1x4 proposto



Figura 35 : Parmetros do divisor de potncia 1x4 proposto

Para o nosso projeto, devemos ter o mesmo sinal 5.8GHz em fase e mdulo em cada sada do

divisor de potncia, conseqentemente permitindo uma adio construtiva dos diagramas de irradiao

de cada clula (antena) para obter o diagrama final desejado.

Em nossas simulaes, temos como porta de entrada o nmero 1 e como portas de sada: 2, 3, 4, 5.

As Figuras 36 e 37 mostram os resultados da simulao do divisor de potncia proposto.

Figura 36 : Resultados das simulaes do mdulo dos parmetros S do divisor de potncia

Pode ser observado na Figura 36 que os mdulos dos parmetros S de transmisso so muito

prximos a um valor fixo, isso significa que a potncia "P" injetada na entrada (porta 1), ser

compartilhada por cada sada (portas 2, 3, 4, 5) de forma igual, logo haver um sinal de "P / 4" em

cada sada do divisor.



Figura 37 : Resultados das simulaes da fase dos parmetros S do divisor de potncia

Pode ser observado na Figura 37 que as fases dos parmetros de transmisso S esto prximas

de um valor fixo. A divergncia entre alguns valores aceitvel para a nossa aplicao.

5.3) Arranjo de uma antena com quatro elementos alimentado por um divisor de potncia (1x4)

Uma vez projetado o divisor de potncia e a clula da antena Yagi, resta realizar o elo de

ligao entre elas e verificar os resultados da simulao:

85 mm

152 mm

Figura 38: Arranjo de antena com 4 elementos e um divisor de potncia 1x4 vista frontal



Figura 39: Arranjo de antena com 4 elementos e um divisor de potncia 1x4 vista traseira

Figura 40: Resultados da simulao dos parmetros S1,1 do arranjo de antenas com 4 elementos e um divisor de potncia



Figura 41: Resultados da simulao do diagrama de irradiao do arranjo de antenas com 4 elementos e um divisor de potncia

Podemos observar nos resultados da simulao, que conseguimos criar uma antena com um alto

desempenho, um retorno de perdas (return-loss) de -28dB 5,8 GHz, um ganho de 11,05 dB e

acima de tudo um timo valor do parmetro de eficincia total, -0.3 dB (sabendo que a referncia

0dB).

6) Concluso

Este projeto teve como ponto de partida um estudo terico dos diferentes tipos de antenas

objetivando satisfazer a necessidade atual de antenas inovadoras para as comunicaes sem fio, mais

especificadamente para as aplicaes DSRC, onde h a necessidade de antenas diretivas, com alto

ganho e miniaturizadas.

A geometria utilizada como base para o desenvolvimento da antena neste projeto foi a YAGI-

UDA, pelas seguintes razes: apresenta uma diretividade muito alta; facilidade de fabricao em PCB;

possibilidade de aumento do ganho da antena, com a adio de elementos "diretores.

Uma vez projetada a clula Yagi 5.8GHz, um arranjo de quatro antenas Yagi foi construdo

para aumentar o ganho e diretividade do sistema. Um divisor de potncia foi desenvolvido para dividir

o sinal de entrada do arranjo em quatro sinais de mesmo modulo e fase para alimentar as clulas das

antenas Yagi.

Como resultado final do desenvolvimento da antena, obtivemos uma perda de retorno (return-

loss) de -28dB 5,8 GHz, um ganho de 11,05 dB e acima de tudo um timo valor do parmetro de

eficincia total, -0.3 dB (sabendo que a referncia 0dB).



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