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O advento das novas tecnologias sem fio que vem de maneira crescente tornando cada vez mais conectados todos os dispositivos, com simplicidade e praticidade, sem o incomodo de cabos e conexões, tornando-se um motivador do crescente interesse no estudo de sistemas e métodos de transmissão de dados via radiofrequência.

O domínio da radiação de ondas eletromagnéticas abre a porta para uma gama de possibilidades, provavelmente nunca imagináveis pelo grande físico e matemático escocês James Clerk Maxwell, que em 1873, em prosseguimento aos trabalhos de outros importantes nomes da física e da matemática, como Michael Faraday, Carl Friedrich Gauss e André-Marie Ampère que abriram a porta para os avanços da física moderna e a viabilização da atual tecnologia.

Conhecer e projetar antenas assim como conhecer o seu padrão de radiação é de suma importância. O estudo de antenas radiantes e da propagação de ondas eletromagnéticas em diversos meios apresentou uma evolução acentuada nos últimos anos, com o surgimento de antenas de tamanhos reduzidos voltadas para dispositivos móveis, como celulares, notebooks, tablets, entre outros, assim como a busca por padrões e normas organizadoras que buscam a compatibilidade entre esses dispositivos.

Entre muitas das necessidades, o estudo do padrão de radiação de uma antena é algo que se torna desafiador, devido à complexidade, conhecer o diagrama de radiação de uma antena se torna uma maneira de aumentar a eficiência dos dispositivos tornando-os adequados as aplicações que se pretende desenvolver, a fim de obter a máxima eficiência dos sistemas. Esta tarefa, entretanto nem sempre é fácil e barata. Neste trabalho busca-se uma alternativa de baixo custo, voltada para antenas tipo planares, operando dentro da banda ISM 2,4 GHz.

Motivação

Quando se fala de radiação de ondas eletromagnéticas refere-se a um contexto complexo com alto grau de estudo e evolução ao longo da história. Desde o advento da descoberta das ondas eletromagnéticas e seus primeiros experimentos, como exemplo, os trabalhos pioneiros do padre brasileiro Roberto Landell de Moura, que nunca recebeu os créditos pelos seus feitos, a despeito de ter promovido a primeira transmissão sonora via onda eletromagnética em meados de 1892 [1].

Com os novos métodos e tecnologias de transmissão de dados sem a utilização de fios, o domínio dos conceitos físicos que regem a propagação de ondas eletromagnéticas e sua interação com objetos ao nosso redor, tornou-se essencial para evolução e maturação dos produtos tecnológicos wireless. Conhecer e desenvolver antenas voltadas para aplicação especifica tornou-se um fator primordial dentro de um projeto, com especial interesse nas antenas planares, na busca de uma continua redução de tamanho e peso, e um aprimoramento em seu aumento de largura de banda em transmissões de curtas e longas distâncias.

O perfil de radiação destas antenas é primordial para determinadas aplicações, e pretende-se através desse trabalho desenvolver um protótipo capaz de obter, com aceitável grau de confiabilidade, o diagrama de radiação de antenas planares desenvolvidas para utilização dentro da faixa de frequência ISM 2.4 GHz licenciada pela ANATEL (Agencia Nacional de Telecomunicações) no Brasil, produzindo assim uma ferramenta no auxilio ao desenvolvimento de novas antenas planares.

Justificativa

Para o desenvolvimento do presente trabalho foi necessário o domínio de diversas matérias relacionadas com curso de formação de um Engenheiro em Telecomunicações, sendo as principais; Eletrônica Analógica, Eletrônica Digital, Linguagem de Programação, Linhas de Transmissão, Eletromagnetismo, Sistema de Controle e Antenas & Propagação.

Como maior justificativa ao presente trabalho, tem-se o fato do atual número de dispositivos projetados para operação dentro da banda ISM 2,4GHz, e a popularização e massificação das redes WLAN (Wireless Local Areia Network), onde basicamente todos os dispositivos tem um fator tecnológico em comum, a engenharia de antenas 2,4GHz embarcadas.

Após a padronização e certificação das redes WLAN pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) em 1995, e da criação da WI-FI Alliance, em 2003, um número crescente de redes foi se instalando ao longo do mundo [2].

Atualmente tem-se uma nova associação das redes WI-FI - como são popularmente mais conhecida as WLAN’s - com a telefonia Móvel Celular. O WI-FI representando uma solução para suprir a necessidade de demanda de conteúdo como, vídeos, fotos e áudio, que sempre foi uma deficiência para as operadoras. Existe uma tendência acentuada na adoção de redes WI-FI como um aliado das redes 3G e 4G (Redes de Quarta geração), como parte fundamental da implantação das redes LTE (Long Term Evolution), formam o chamado de HetNet (Heterogeneous Network), que introduz o conceito de microcélulas de WI-FI atuando na ultima milha de dados das redes de telefonia móvel [3]. Na figura 1 podemos ver uma exemplificação do conceito de HetNet, e sua função de agregação nas células de celular.

Figura 1: Conceito Micro Células HetNet

O refinamento e a atualização das antenas agregadas aos dispositivos que atenderam a esta necessidade tecnológica crescente é, de fato, uma das justificativas ao presente trabalho.

Objetivos

Realizou-se neste trabalho o desenvolvimento de um sistema capaz de levantar o padrão de radiação (Diagrama de radiação) de antenas planares dentro da faixa ISM (Industrial, Scientific and Medical) 2,4 GHz, através de um protótipo de baixo custo. Uma vez que testes e ensaios profissionais são limitados a grandes empresas e centros tecnológicos específicos, tornando inacessível ao âmbito acadêmico de diversas instituições.

Buscou-se, contudo, uma solução de baixo custo que possa funcionar em ambientes não controlados (ensaios fora de câmaras anecóicas) e obter um resultado aproximado ao real padrão de radiação de antenas planares.

Foram objetivos específicos:

• Projetar e construir um sintonizador de frequência para um módulo oscilador de RF dentro da faixa de transmissão ISM 2,4 GHz.
• Projetar e construir um medidor de potência para faixa de frequência ISM 2,4GHz.
• Projetar e desenvolver um software capaz de interagir com a parte de hardware, coletando os dados relevantes a construção gráfica do diagrama de radiação.
• Comparar através de métodos computacionais os resultados obtidos na prática, usando o software de simulações pelo método de diferenças finitas FDTD.
• Obter um protótipo final capaz de operar como uma ferramenta de auxilio a novos desenvolvimentos de antenas planares na faixa ISM 2,4GHz.

Tutoriais

Este tutorial parte I apresenta inicialmente os materiais e métodos utilizados neste trabalho, a seguir apresenta as características intrínsecas das antenas e os seus diagramas de radiação, e finaliza com as considerações sobre o espectro de frequência ISM.

O tutorial parte II apresentará inicialmente o projeto do Medidor de Diagrama de Radiação proposto, a seguir apresentará o projeto de hardware do transmissor, e finalizará apresentando o projeto de hardware do receptor e da PCI.

O tutorial parte III apresentará inicialmente o projeto de Software, detalhando sua programação e a linguagem utilizada, a seguir apresentará o projeto de acondicionamento mecânico do protótipo, e os os testes e simulações efetuadas com o protótipo. Apresentará ainda os resultados obtidos através do protótipo e os resultados obtidos através de uma simulação computacional pelo método FDTD. Finalizará apresentando a conclusão do trabalho, e os possíveis melhoramentos futuros.