O que são antenas de estação base? Um guia completo

Nos sistemas de telecomunicações modernos, a antena da estação de base destaca-se como um componente inegável e crucial para facilitar a nossa comunicação quotidiana, desde chamadas de voz a transferências de dados de alta velocidade. As antenas da estação de base desempenham um papel fundamental nos sistemas de comunicações sem fios, permitindo a transmissão e a receção de sinais entre as estações de base e os dispositivos móveis.

As antenas de estação base são também conhecidas como antenas de local de célula e antenas celulares, e são normalmente montadas numa torre ou num telhado e ligadas a uma estação base através de cabos coaxiais. As antenas da estação de base estão disponíveis em diferentes formas e tamanhos e podem ser antenas omnidireccionais ou antenas direcionais. A frequência de funcionamento, a área de cobertura, o alcance e outros parâmetros de desempenho podem variar consoante a antena da estação de base escolhida para uma rede específica.

Diferentes sistemas de comunicação utilizarão diferentes antenas de estação de base, como as antenas de estação de base GMRS (General Mobile Radio Service), geralmente utilizadas para sistemas de comunicação bidirecional para aplicações pessoais e de emergência, as antenas de estação de base CB (Citizens Band) geralmente utilizadas para sistemas de rádio pessoais e comerciais de curto alcance, antenas de estação de base VHF (Very High Frequency), utilizadas exclusivamente para sistemas de comunicações marítimas, aeronáuticas e de segurança pública e antenas de estação de base UHF (Ultra High Frequency), utilizadas exclusivamente para comunicações móveis, sistemas militares e sistemas de radiodifusão, etc.

Este artigo fornece uma perspetiva completa sobre as antenas para estações de base, desde os princípios de funcionamento, aplicações, pormenores de instalação e manutenção e tudo o resto.

Como é que as antenas das estações de base funcionam?

As antenas da estação de base funcionam através da transmissão e receção de ondas electromagnéticas. Quando os utilizadores acedem à rede para fazer chamadas ou transferir dados, os sinais são enviados para a estação de base mais próxima, onde a antena da estação de base converte o sinal recebido numa corrente eléctrica que é amplificada antes de ser enviada para o equipamento da estação de base. Dentro do equipamento da estação de base, o sinal será processado para estabelecer a ligação e permitir a chamada ou o acesso aos recursos da Internet. Por outro lado, quando uma antena de estação de base pretende enviar sinais aos utilizadores, a antena converte a corrente eléctrica numa onda electromagnética e transmite-a.

A antena da estação de base irradia os sinais em direcções específicas com base no seu padrão de radiação e a área de cobertura também será determinada pela direccionalidade da antena da estação de base. Geralmente, estas antenas da estação de base são montadas em torres ou em telhados para atingir a área de cobertura desejada e minimizar as interferências. Isto assegura a máxima intensidade e qualidade do sinal. Em geral, as antenas da estação de base desempenham a função de converter sinais eléctricos em ondas electromagnéticas e vice-versa, facilitando assim a ligação entre a estação de base e os dispositivos dos utilizadores.

Tipos de antenas de estações de base

Como já foi referido, as antenas da estação de base são um componente essencial para assegurar uma conetividade sem descontinuidades nos sistemas de comunicações que são utilizados diariamente pelos consumidores. Existem vários tipos de antenas de estação de base que podem ser utilizados com base nos requisitos específicos de uma rede. Alguns dos tipos de antenas de estação de base mais commutilizados são discutidos brevemente a seguir.

• Antenas omnidireccionais em fibra de vidro

As antenas omnidireccionais de fibra de vidro para estações de base transmitem e recebem sinais igualmente em todas as direcções. São utilizadas em redes em que os consumidores podem estar localizados em qualquer direção numa área circular em torno da antena. Normalmente, estas antenas são utilizadas em zonas urbanas de baixa densidade ou em zonas rurais onde a direção dos utilizadores é desconhecida ou onde as direcções podem mudar em todas as direcções. As antenas de estação de base omnidireccionais têm uma grande área de cobertura, uma vez que podem transmitir e receber sinais em 360 graus, mas o seu ganho é baixo e, por conseguinte, a intensidade do sinal é inferior e o alcance é mais curto. O revestimento exterior em fibra de vidro garante que estas antenas podem ser convenientemente utilizadas em aplicações exteriores, uma vez que são resistentes à maioria das condições climatéricas.

• Antenas de sector

As antenas de estação de base do tipo sector irradiam sinais numa direção específica no plano horizontal. A área de cobertura destas antenas situa-se normalmente entre 60 graus e 120 graus, mas pode ir mais longe. Devido à sua direccionalidade, as antenas de estação de base de sector têm um ganho comparativamente mais elevado. Por conseguinte, têm um ganho elevado e, consequentemente, uma melhor intensidade de sinal e distâncias ou alcances de radiação mais longos. As antenas de estação de base de sector são ideais para a instalação de redes sem fios em zonas urbanas de elevada densidade. Estas antenas podem ser combinadas para formar antenas multi-sectoriais, de modo a melhorar a área de cobertura.

• Antenas Yagi-Uda:

As antenas Yagi são antenas altamente direcionais e são ideais para serem utilizadas como antenas de estação de base. As antenas Yagi são constituídas por um elemento dipolo numa estrutura longa semelhante a uma lança e por vários elementos parasitas que são fixados em ambos os lados da estrutura da lança para melhorar a radiação numa direção. Devido à elevada direccionalidade das antenas Yagi, são ideais para configurar redes que requerem que a área de cobertura se estenda ao longo de uma grande distância, mas numa área pequena e concentrada. Como as antenas Yagi são altamente direcionais e têm um elevado ganho de antena numa direção específica, são mais resistentes à interferência de outros dispositivos ou obstruções no ambiente. Estas antenas são geralmente adequadas para sistemas de comunicação de longa distância e redes sem fios em zonas rurais ou suburbanas.

• Antenas parabólicas:

As antenas parabólicas são utilizadas como antenas de estação de base, uma vez que têm a capacidade de focar os sinais numa direção específica e têm uma elevada direccionalidade. Estas antenas são ideais para sistemas de comunicação de longo alcance, para ligações ponto-a-ponto entre estações de base e para comunicação via satélite. A forma parabólica permite que estas antenas gerem um feixe de sinal forte, estreito e focado numa direção fixa e, por conseguinte, podem facilitar taxas de dados elevadas com um mínimo de interferências.

• Antenas dipolo:

As antenas dipolo são uma das antenas mais simples e amplamente utilizadas. Podem ser utilizadas como antenas de estação de base e consistem geralmente em dois elementos condutores separados no centro por um material isolante. A fonte de sinal é fornecida ao centro da antena e, em seguida, a tensão e a corrente fornecidas pelos dois elementos condutores geram sinais electromagnéticos que são irradiados para o exterior da antena. As antenas dipolo são omnidireccionais, pelo que podem ser utilizadas em estações de base que necessitem de transmitir ou receber sinais igualmente em todas as direcções. As antenas dipolo VHF e UHF podem ser utilizadas em estações de base para estabelecer conetividade para aplicações de segurança pública, zonas costeiras, industriais e de comunicação pública.

Diferentes bandas de frequência utilizadas

As antenas das estações de base são um componente fundamental dos sistemas de comunicação que utilizamos no dia a dia. Assim, o desempenho destas antenas pode ter um impacto significativo na qualidade do sistema de commelecomunicações e na experiência do utilizador. Com base nas diferentes aplicações e casos de utilização, podem ser necessárias antenas de diferentes frequências. Algumas das frequências mais utilizadas nas antenas das estações de base são apresentadas a seguir.

700 MHz: Esta frequência é utilizada para redes LTE (Long Term Evolution) e pode proporcionar uma boa cobertura e capacidade.

900 MHz: Esta frequência é geralmente utilizada para as redes GSM (Global System for Mobile Communications) e oferece uma boa cobertura, mas débitos de dados inferiores aos das frequências mais elevadas.

1800 MHz: Esta frequência é também geralmente utilizada para as redes GSM, mas, ao contrário da frequência 900 MHz, oferece débitos de dados mais elevados, mas com uma cobertura reduzida.

2100 MHz: Esta frequência é geralmente utilizada para as redes Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) e oferece débitos de dados mais elevados, mas com uma cobertura limitada.

2600 MHz: Esta frequência é outra frequência utilizada nas redes LTE e proporciona taxas de dados muito elevadas, mas à medida que a frequência aumenta, a área de cobertura fica ainda mais limitada.

3500 MHz: Esta frequência é geralmente utilizada nas redes 5G modernas e oferece taxas de dados elevadas, mas com uma cobertura limitada.

5800 MHz: Esta frequência é utilizada para redes Wi-Fi e oferece taxas de dados elevadas, mas com comprimentos de onda mais curtos, são mais adequadas para comunicações de curto alcance.

Assim, como se pode ver, a gama de frequências de funcionamento de uma antena de estação de base deve ser cuidadosamente escolhida com base nos requisitos da aplicação, optimizando as taxas de dados, o alcance da transmissão e a área de cobertura.

Tecnologias de antenas MIMO e de formação de feixes

As tecnologias MIMO e de formação de feixes tornaram-se uma parte crucial dos sistemas de rede modernos. As antenas da estação de base podem ser utilizadas na configuração MIMO, em que o número de transmissores e receptores será aumentado na rede e poderá enviar e receber sinais no mesmo canal em simultâneo, aumentando assim a capacidade sem sacrificar o espetro.

Na formação de feixes, várias antenas enviam os mesmos dados através de vários fluxos. No entanto, devido à diferente colocação e localização da antena, em determinados pontos os sinais coincidem, melhorando a intensidade do sinal e, noutras áreas, podem enfraquecer o sinal. Colocando estrategicamente as antenas da estação de base de modo a otimizar as diferenças de fase, a intensidade global do sinal da transmissão pode ser melhorada.

Para que são utilizadas as antenas das estações de base?

Conforme destacado ao longo deste artigo, as antenas da estação rádio-base são extremamente importantes nos sistemas de communicação. De seguida, são apresentados alguns dos casos de utilização mais comuns das antenas de estação de base.

Redes de comunicação sem fios (por exemplo, redes celulares como 2G, 3G, 4G, 5G)

As antenas da estação de base desempenham um papel importante no estabelecimento da conetividade sem fios entre os dispositivos do utilizador final, como telemóveis ou tablets, e a infraestrutura de rede nas redes celulares. Dentro da área de cobertura da antena da estação de base, esta recebe e transmite sinais entre os dispositivos dos utilizadores e as estações de base da rede sem fios. As diferentes gerações de redes celulares 2G, 3G, 4G ou 5G utilizam antenas de estações de base que funcionam em diferentes bandas de frequência para transmitir e receber sinais que transportam voz, dados, texto, etc. Geralmente, as redes 2G (GSM) utilizam bandas de baixa frequência, como 900 MHz e 1800 MHz, as redes 3G (UMTS) funcionam geralmente em frequências mais elevadas, como 2100 MHz, as redes 4G (LTE) utilizam uma vasta gama de frequências, como 700 MHz, 1800 MHz e 2600 MHz, enquanto as redes 5G podem utilizar uma gama ainda mais vasta de frequências, desde sub-1 GHz (banda baixa) a frequências mais elevadas, como a banda média (3.5 GHz) e até frequências de ondas milimétricas (24 GHz e superiores). As redes celulares 5G exigem taxas de dados mais rápidas e conetividade de qualidade e, por isso, essas redes utilizam antenas de estação de base que funcionam com tecnologias mais recentes, como MIMO (Multiple Input Multiple Output) e beamforming.

Cobertura do sinal

As antenas da estação de base são o principal componente para fornecer cobertura de sinal numa rede sem fios. A área de cobertura depende do tipo de antena utilizada e dos parâmetros de desempenho da antena, como a frequência, o ganho, a polarização, etc. Para obter a área de cobertura optimizada de uma antena de estação de base, esta deve ser colocada cuidadosa e estrategicamente, de modo a minimizar a interferência de outros dispositivos circundantes, bem como as condições ambientais. Para garantir uma conetividade perfeita para os utilizadores quando se deslocam, geralmente as antenas da estação de base são colocadas de modo a que as áreas de cobertura das duas antenas próximas se sobreponham ligeiramente. A área de cobertura do sinal de uma antena de estação de base pode variar de um subúrbio a grandes cidades ou grandes zonas rurais. Tanto as antenas omnidireccionais como as antenas direcionais podem ser utilizadas como antenas de estação de base, sendo que a cobertura do sinal de uma antena omnidirecional será feita em todas as direcções de forma igual, ao passo que, se for utilizada uma antena direcional, como uma antena parabólica ou uma antena de sector, a cobertura do sinal será orientada para uma direção específica. Se forem utilizadas antenas direcionais, estas podem ser utilizadas numa rede que vise diferentes sectores ou direcções, de modo a obter uma maior cobertura de sinal.

Ligações de Backhaul

A ligação entre uma estação de base e a rede central que liga várias estações de base é conhecida como ligação backhaul. As conexões de backhaul podem ser com ou sem fio. As antenas da estação rádio-base desempenham um papel fundamental nas conexões de backhaul, estabelecendo as conexões ponto a ponto entre as estações rádio-base ou entre as estações rádio-base e a rede principal. Isto é extremamente útil, especialmente em locais onde não é viável instalar infra-estruturas com fios. As antenas altamente direcionais são adequadas para ligações backhaul, uma vez que podem garantir que as ligações são estabelecidas de forma segura, mesmo a longas distâncias e através de qualquer interferência que possa ocorrer.

Radiodifusão (sinais de rádio FM e de televisão)

Outro caso de utilização importante das antenas de estação de base é a transmissão de sinais de rádio e televisão FM. Na radiodifusão FM, geralmente a antena da estação de base transmite sinais de rádio em todas as direcções como uma antena omnidirecional, de modo a que todos os aparelhos de todas as direcções, numa região específica, possam ligar-se e receber os sinais de ondas de rádio. Na radiodifusão televisiva, do mesmo modo, os canais ou conteúdos televisivos serão transmitidos aos utilizadores através da antena da estação de base. Juntamente com as frequências de funcionamento commapenas utilizadas para as antenas de estação de base, a difusão de sinais de televisão pode exigir antenas de estação de base das gamas VHF e UHF. As antenas da estação de base para radiodifusão FM e televisão devem ser optimizadas para transmitir sinais em todas as direcções sem sacrificar o alcance/distância da transmissão.

Comunicações de emergência e segurança pública Co1TP14

As antenas de estação de base podem também ser utilizadas em sistemas de comunicação de emergência e de segurança pública, tais como sistemas de resposta a catástrofes naturais, acidentes, bases militares, etc. As antenas de estação de base são utilizadas nestes sistemas de resposta a emergências, uma vez que podem proporcionar uma conetividade estável e fiável com uma elevada intensidade e qualidade de sinal. Estas antenas são amplamente utilizadas por socorristas, equipas médicas, equipas militares, etc. A comunicação fiável e estável permite uma coordenação adequada entre os utilizadores para garantir que uma emergência ou ameaça seja tratada de forma segura e inteligente. As antenas de estação de base também são normalmente utilizadas em sistemas de alerta e aviso para notificar eficazmente os utilizadores dentro de uma área de cobertura específica para garantir a segurança pública.  

Papel nas redes celulares

As antenas das estações de base são os elementos mais importantes das redes celulares. São utilizadas para a transmissão e receção de sinais em todas as gerações de redes celulares, de 2G a 5G e mais além. Cada geração de rede celular utiliza uma tecnologia diferente, como GSM com 2G, WCDMA com 3G, WiMax e LTE com 4G e MIMO e tecnologia de ondas milimétricas com 5G. Cada uma destas tecnologias pode ser estabelecida utilizando antenas de estação de base com diferentes frequências de funcionamento.

À medida que as gerações de redes celulares evoluem, também melhoram as tecnologias e as normas utilizadas com elas. À medida que as tecnologias se desenvolvem rapidamente, espera-se das redes celulares melhores velocidades, melhores débitos de dados, melhor qualidade de sinal e um melhor desempenho global. Por conseguinte, as antenas das estações de base desempenham um papel fundamental para garantir uma comunicação estável e fiável nas redes celulares e oferecer aos utilizadores uma experiência sem falhas durante as chamadas de voz, as mensagens de texto, o streaming, etc.

Juntamente com as caraterísticas de desempenho, a área de cobertura de uma rede celular também será determinada com base no tipo de antena da estação de base utilizada. Se a radiação do sinal é para todas as direcções, como acontece com as antenas omnidireccionais, ou se é um feixe focado, como acontece com as antenas direcionais, e o alcance da transmissão serão todos afectados pela antena da estação de base escolhida para estabelecer a rede celular. Por conseguinte, é importante prestar muita atenção ao selecionar uma antena de estação de base para uma rede celular de qualquer geração.

O que são antenas de estação de base de banda dupla VHF/UHF?

As antenas de estação de base de banda dupla têm a capacidade de funcionar em duas bandas ou frequências separadas. Podem funcionar numa banda de frequência ou em ambas as bandas de frequência em simultâneo, com base nos requisitos dos dispositivos dos utilizadores na rede. A gama VHF é geralmente considerada entre 30 e 300 MHz, enquanto a gama UHF é considerada entre 300 MHz e 3 GHz. Nestas antenas de estação de base de banda dupla, têm a capacidade de utilizar ambas as bandas de frequência, tornando-as assim muito mais versáteis para uma vasta gama de aplicações.

O que são antenas de estação de base CB?

As antenas da estação de base da Banda do Cidadão são normalmente utilizadas para comunicações de curta a média distância e funcionam geralmente na gama de frequências de 26,965 MHz a 27,405 MHz. Estas antenas podem ser omnidireccionais ou direcionais e estão disponíveis numa variedade de formas e tamanhos. As antenas da estação de base CB são especificamente concebidas para assegurar uma transmissão e receção eficazes dos sinais de rádio CB, de modo a proporcionar uma comunicação consistente, fiável e de alta qualidade entre os dispositivos de rádio CB.

Impacto no desempenho da rede

A antena é provavelmente o fator que mais contribui para determinar o desempenho de uma rede. As antenas da estação de base também têm um enorme impacto no desempenho global da rede, pois têm geralmente um ganho mais elevado em comparação com outros tipos de antenas e, por conseguinte, podem transmitir a distâncias mais longas e a melhores velocidades e taxas de dados mais elevadas. As antenas da estação de base são normalmente concebidas para fornecer sinais de alta qualidade com o mínimo de interferências e ruído. Estas antenas podem ajudar a garantir uma ligação estável e fiável.

Uma vez que as antenas de estação de base estão disponíveis em todos os tipos, proporcionam a flexibilidade de utilizar uma antena com base nas necessidades de uma rede específica e de otimizar a cobertura e a intensidade do sinal em cada rede. Além disso, as antenas de estação de base são concebidas para permitir a ligação simultânea de uma grande quantidade de utilizadores, o que as torna ideais para utilização em situações de elevada densidade populacional ou de utilização intensiva da rede. As antenas da estação de base são duráveis e capazes de suportar até mesmo condições climatéricas adversas, pelo que é possível garantir uma conetividade fiável e estável e o desempenho da rede, independentemente de quaisquer condições climatéricas extremas.

De um modo geral, as antenas das estações de base desempenham um papel importante no fornecimento de conetividade sem fios de alta qualidade e no desempenho da rede.

Colocação da antena da estação de base

A colocação de uma antena de estação de base é extremamente importante para obter o melhor desempenho da mesma. A localização da antena deve ser escolhida de modo a que tenha o mínimo de interferência de quaisquer outras antenas ou dispositivos circundantes, bem como de quaisquer obstruções físicas significativas.

Também é importante prestar atenção às condições climatéricas do ambiente de funcionamento. Nas zonas urbanas, com elevada densidade populacional, as antenas geralmente direcionais com um ganho relativamente baixo e uma largura de feixe horizontal estreita são ideais para minimizar as interferências. Nas zonas rurais, com menor volume de tráfego, são utilizadas antenas direcionais ou omnidireccionais de ganho elevado, uma vez que a cobertura é uma preocupação importante.

Manutenção de antenas

A manutenção das antenas da estação de base é fundamental para garantir que as antenas funcionam de forma óptima. Isto é importante para fornecer aos utilizadores finais um sistema de comunicações fiável e estável. As antenas das estações de base requerem controlos regulares para garantir a manutenção dos seus parâmetros de desempenho. A manutenção de rotina deve incluir inspecções visuais, limpeza e testes do sistema de antena.

Considerações sobre os custos

Ao selecionar uma antena de estação de base, o custo é uma consideração fundamental. É importante considerar os custos globais que podem estar envolvidos durante a instalação inicial, bem como a manutenção a longo prazo. O custo efetivo dependerá do tipo de antena escolhido e das suas caraterísticas de desempenho. No entanto, é importante ter em atenção o equilíbrio entre o montante gasto e o nível de desempenho obtido com a antena da estação de base na rede.

Conclusão

Este artigo apresentou uma visão geral abrangente das antenas de estação de base, destacando o seu funcionamento, os diferentes tipos e modelos disponíveis, as tecnologias mais recentes envolvidas e alguns dos casos de utilização mais comuns. As antenas de estação de base são fundamentais para o estabelecimento de redes celulares e este artigo aborda as diferentes gerações de redes celulares, as principais tecnologias em cada geração e a forma como diferentes antenas de estação de base com diferentes frequências podem ser utilizadas para cumprir os requisitos de uma rede.

O artigo também abordou alguns dos factores a considerar ao selecionar uma antena, como a colocação, a manutenção e o custo. De um modo geral, um conhecimento profundo das antenas da estação de base, do seu funcionamento e da vasta gama de opções disponíveis permitir-nos-á obter o melhor desempenho da antena para uma rede.