A tarefa de aumentar o alcance de comunicação com um veículo aéreo não tripulado (UAV) continua relevante. Este artigo discute métodos para melhorar esse parâmetro. O artigo foi escrito para desenvolvedores e operadores de UAV e é uma continuação de uma série de artigos sobre comunicação com UAVs (para o início da série, consulte .
O que afeta o alcance da comunicação
O alcance de comunicação depende do modem utilizado, antenas, cabos de antena, condições de propagação de ondas de rádio, interferência externa e alguns outros motivos. Para determinar o grau de influência de um determinado parâmetro no alcance de comunicação, considere a equação de alcance
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onde
— alcance de comunicação necessário [metros];
— velocidade da luz no vácuo [m/seg];
— frequência [Hz];
— potência do transmissor do modem [dBm];
— ganho da antena do transmissor [dBi];
— perdas no cabo que liga o modem à antena transmissora [dB];
— ganho da antena do receptor [dBi];
— perdas no cabo que liga o modem à antena receptora [dB];
— sensibilidade do receptor do modem [dBm];
— multiplicador de atenuação, tendo em conta perdas adicionais devido à influência da superfície terrestre, vegetação, atmosfera e outros fatores [dB].
A partir da equação pode-se ver que o intervalo é determinado por:
- o modem utilizado;
- frequência do canal de rádio;
- antenas utilizadas;
- perdas em cabos;
- influência na propagação de ondas de rádio da superfície da Terra, vegetação, atmosfera, edifícios, etc.
A seguir, os parâmetros que influenciam o intervalo são considerados separadamente.
Modem usado
O alcance de comunicação depende apenas de dois parâmetros do modem: potência do transmissor e sensibilidade do receptor , ou melhor, da diferença deles - o orçamento de energia do modem
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Para aumentar o alcance de comunicação é necessário escolher um modem de grande valor . Aumentar por sua vez, é possível aumentando ou reduzindo . Deve-se dar preferência à busca de modems com alta sensibilidade ( tão baixo quanto possível), em vez de aumentar a potência do transmissor . Este assunto é discutido em detalhes no primeiro artigo. .
Além de materiais Vale lembrar que alguns fabricantes, como Microhard , indicam nas especificações de alguns dispositivos não a média, mas a potência de pico do transmissor, que é várias vezes maior que a média e que não pode ser usada para calcular o alcance, pois isso fará com que o alcance calculado exceda em muito o verdadeiro valor. Tais dispositivos incluem, por exemplo, o popular módulo pDDL2450 [,]. Este fato decorre diretamente dos resultados dos testes deste dispositivo realizados para obter a certificação FCC (ver página 58). Os resultados dos testes para dispositivos sem fio certificados pela FCC podem ser visualizados no site da FCC ID inserindo o ID FCC apropriado na barra de pesquisa, que deve estar na etiqueta indicando o tipo de dispositivo. O ID FCC do módulo pDDL2450 é NS916pDDL2450.
Frequência do canal de rádio
Da equação de alcance Segue-se claramente que quanto menor a frequência de operação , maior será o alcance de comunicação . Mas não vamos tirar conclusões precipitadas. O fato é que outros parâmetros incluídos na equação também dependem da frequência. Por exemplo, os ganhos da antena и dependerá da frequência no caso em que as dimensões máximas das antenas fixo, que é exatamente o que acontece na prática. Ganho da antena , expresso em unidades adimensionais (tempos), pode ser expresso em termos da área física da antena como segue
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onde — eficiência de abertura da antena, ou seja, a relação entre a área efetiva da antena e a área física (dependendo do projeto da antena) .
De Fica imediatamente claro que para uma área de antena fixa, o ganho aumenta proporcionalmente ao quadrado da frequência. Vamos substituir в , tendo reescrito anteriormente usando unidades adimensionais para ganhos de antena , , perdas no cabo , e fator de atenuação , e também usando Watts para и em vez de dBm. Então
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onde está o coeficiente é uma constante para dimensões fixas de antena. Assim, nesta situação, o alcance da comunicação é diretamente proporcional à frequência, ou seja, quanto maior a frequência, maior o alcance. Saída. Com dimensões fixas das antenas, o aumento da frequência do link de rádio leva a um aumento no alcance de comunicação, melhorando as propriedades direcionais das antenas. Porém, é preciso ter em mente que à medida que a frequência aumenta, aumenta também a atenuação das ondas de rádio na atmosfera, causadas por gases, chuva, granizo, neve, nevoeiro e nuvens. . Além disso, com o aumento do comprimento do caminho, a atenuação na atmosfera também aumenta. Por esta razão, para cada comprimento de caminho e condições climáticas médias nele, existe um determinado valor máximo da frequência portadora, limitado pelo nível permitido de atenuação do sinal na atmosfera. Deixemos a solução final para a questão da influência da frequência de um canal de rádio no alcance de comunicação para a seção onde será considerada a influência da superfície e da atmosfera terrestre na propagação das ondas de rádio.
Antenas
O alcance de comunicação é determinado por um parâmetro da antena como o ganho (ganho na terminologia inglesa), medido em dBi. O ganho é um parâmetro composto importante porque leva em consideração: (1) a capacidade da antena de focar a energia do transmissor em direção ao receptor em comparação com um radiador isotrópico (daí o índice i em dBi); (2) perdas na própria antena [,]. Para aumentar o alcance de comunicação, você deve selecionar antenas com o maior valor de ganho possível daquelas que são adequadas em termos de parâmetros de peso e tamanho e capacidades do sistema de orientação. A capacidade de uma antena concentrar energia não é dada de graça, mas apenas aumentando as dimensões (abertura) da antena. Por exemplo, quanto maior for a antena receptora, maior será a área que ela será capaz de coletar energia para fornecer à entrada do receptor, e quanto mais energia, mais forte será o sinal recebido, ou seja, o alcance da comunicação aumenta. Assim, deve-se primeiro decidir as dimensões máximas da antena adequadas ao problema que está sendo resolvido e limitar a área de busca por este parâmetro, para depois buscar um modelo específico de antena, focando no ganho máximo. O segundo parâmetro importante da antena para a prática é a largura do feixe [,], medido em graus angulares. Normalmente, a largura do feixe é definida como o ângulo entre duas direções espaciais a partir do centro da antena no qual o ganho da antena é reduzido em 3 dB do máximo para aquela antena. A largura do padrão em azimute e elevação pode variar muito. Este parâmetro está intimamente relacionado às dimensões da antena de acordo com a regra: dimensões maiores - largura de feixe menor. Este parâmetro não está diretamente incluído na equação de alcance, mas é este parâmetro que determina os requisitos para o sistema de orientação de antena da estação terrestre (GS) no UAV, uma vez que o GS, via de regra, utiliza antenas altamente direcionais, pelo menos em casos em que o alcance é maximizado, a comunicação com o UAV é uma prioridade. Na verdade, desde que o sistema de rastreamento NS garanta a precisão angular de apontar a antena para o UAV igual a metade da largura do padrão ou menos, o nível do sinal recebido/emitido não cairá abaixo de 3 dB do máximo. Sob nenhuma circunstância a metade da largura do feixe da antena selecionada deve ser menor que o erro angular do sistema de apontamento da antena NS em azimute ou elevação.
Cabos
Para maximizar o alcance de comunicação, você precisa usar cabos com a menor atenuação linear possível (atenuação ou perda de cabo) em trabalhando frequência do link de rádio NS-UAV. A atenuação linear em um cabo é definida como a relação entre o sinal na saída de um segmento de cabo de 1 m (no sistema métrico) e o sinal na entrada de um segmento de cabo, expressa em dB. Perdas de cabo incluído na equação de intervalo , são determinados multiplicando a atenuação linear pelo comprimento do cabo. Assim, para obter o máximo alcance de comunicação possível, é necessário utilizar cabos com a menor atenuação linear possível e minimizar o comprimento desses cabos. No NS, as unidades de modem devem ser instaladas diretamente no mastro próximo às antenas. No corpo do UAV, o modem deve estar localizado o mais próximo possível das antenas. Também vale a pena verificar a impedância do cabo selecionado. Este parâmetro é medido em Ohms e geralmente é igual a 50 ou 75 Ohms. A impedância do cabo, do conector da antena do modem e do conector da própria antena devem ser iguais.
Impacto da superfície da Terra
Nesta seção veremos a propagação das ondas de rádio sobre uma superfície plana ou marítima. Esta situação ocorre frequentemente na prática de utilização de UAVs. Monitoramento de oleodutos, linhas de energia, culturas agrícolas, muitas operações militares e especiais por UAV - tudo isso é bem descrito por este modelo. A experiência humana pinta-nos um quadro em que a comunicação entre objetos é possível se eles estiverem no campo de visibilidade óptica direta um do outro, caso contrário a comunicação é impossível. No entanto, as ondas de rádio não pertencem à faixa óptica, então a situação com elas é um pouco diferente. A este respeito, é útil para o desenvolvedor e operador de UAV lembrar os dois fatos a seguir.
1. A comunicação na faixa de rádio é possível mesmo na ausência de visibilidade direta entre o NS e o UAV.
2. A influência da superfície subjacente na comunicação com o UAV será sentida mesmo quando não houver objetos na linha óptica NS-UAV.
Para compreender as especificidades da propagação de ondas de rádio perto da superfície da Terra, é útil familiarizar-se com o conceito de uma área significativa de propagação de ondas de rádio. . Na ausência de quaisquer objetos em uma zona significativa de propagação de ondas de rádio, os cálculos de alcance podem ser realizados usando fórmulas para espaço livre, ou seja, в pode ser considerado igual a 0. Se houver objetos na zona essencial, isso não poderá ser feito. Na Fig. 1 no ponto A há um emissor pontual localizado a uma altura acima da superfície da Terra, que emite energia eletromagnética em todas as direções com igual intensidade. No ponto B na altitude existe um receptor para medir a intensidade do campo. Neste modelo, a região essencial de propagação das ondas de rádio é um elipsóide com focos nos pontos A e B.
Arroz. 1. Área significativa de propagação de ondas de rádio
O raio do elipsóide em sua parte “mais espessa” é determinado pela expressão
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De Está claro que depende da frequência inversamente proporcional, menos , quanto mais “grosso” for o elipsóide ( na Fig. 1). Além disso, a “espessura” do elipsóide aumenta com o aumento da distância entre os objetos de comunicação. Para ondas de rádio pode ter um valor bastante impressionante, então quando 10 km Obtemos 2.45 GHz 50÷60 m.
Consideremos agora o objeto opaco representado pelo triângulo cinza na Fig. 1. Influenciará a propagação de ondas de rádio com frequência , uma vez que está localizado em uma zona de propagação significativa e praticamente não terá efeito na propagação de ondas de rádio com frequência . Para ondas de rádio na faixa óptica (luz), o valor é pequeno, portanto a influência da superfície da Terra na propagação da luz não é sentida na prática. Considerando que a superfície da Terra é uma esfera, é fácil entender que com o aumento da distância , a superfície subjacente irá mover-se cada vez mais para a zona de propagação significativa, bloqueando assim o fluxo de energia do ponto A para o ponto B - fim da história, a comunicação com o UAV é interrompida. Outros objetos na rota, como terrenos irregulares, edifícios, florestas, etc., afetarão de forma semelhante as comunicações.
Vejamos agora a Fig. 2 em que um objeto opaco cobre completamente uma área significativa de propagação de uma onda de rádio com frequência , impossibilitando a comunicação nesta frequência. Ao mesmo tempo, a comunicação na frequência também é possível porque parte da energia “salta” sobre o objeto opaco. Quanto mais baixa a frequência, mais além do horizonte óptico a onda de rádio pode se propagar, mantendo uma comunicação estável com o UAV.
Arroz. 2. Cobrindo uma área significativa de propagação de ondas de rádio
O grau de influência da superfície terrestre nas comunicações também depende da altura das antenas и . Quanto maior a altura das antenas, maior a distância que os pontos A e B podem ser afastados sem permitir que objetos ou a superfície subjacente caiam em uma área significativa.
À medida que o objeto ou superfície subjacente se move para uma área significativa, a intensidade do campo no ponto B oscilará , ou seja, será maior ou menor que a intensidade média do campo. Isso ocorre devido à reflexão da energia do objeto. A energia refletida pode ser adicionada no ponto B com a energia principal em fase - então ocorre um aumento na intensidade do campo, ou em antifase - então ocorre um declínio (e bastante profundo) na intensidade do campo. É importante lembrar esse efeito para entender as especificidades da comunicação com os UAVs. A perda de comunicação com o UAV em um determinado alcance pode ser causada por uma diminuição local na intensidade do campo devido a oscilações, ou seja, se você voar mais uma distância, a conexão poderá ser restaurada. A perda final de comunicação ocorrerá somente depois que uma área significativa for completamente bloqueada por objetos ou pela superfície subjacente. A seguir, serão propostos métodos para combater as consequências das oscilações de intensidade de campo.
Fórmulas para calcular o fator de atenuação Ao propagar ondas de rádio sobre a superfície lisa da Terra, elas são bastante complexas, especialmente para distâncias , excedendo o alcance do horizonte óptico . Portanto, para uma análise mais aprofundada do problema, recorreremos à modelagem matemática utilizando o conjunto de programas de computador do autor. Vamos considerar uma tarefa típica de transmissão de vídeo de um UAV para um NS usando um modem 3D Link da empresa Geoscan. Os dados iniciais são os seguintes.
1. Altura de montagem da antena NS: 5 m.
2. Altitude de vôo do UAV: 1000 m.
3. Frequência do link de rádio: 2.45 GHz.
4. Ganho da antena NS: 17 dB.
5. Ganho da antena UAV: 3 dB.
6. Potência do transmissor: +25 dBm (300 mW).
7. Velocidade do canal de vídeo: 4 Mbit/seg.
8. Sensibilidade do receptor no canal de vídeo: −100.4 dBm (para a faixa de frequência ocupada por um sinal de 12 MHz).
9. Substrato: solo seco.
10. Polarização: vertical.
A distância da linha de visão para estes dados iniciais será de 128.8 km. Os resultados do cálculo na forma de potência do sinal na entrada do receptor do modem em dBm são apresentados na Fig. 3.
Arroz. 3. Intensidade do sinal na entrada do receptor do modem 3D Link
A curva azul na Fig. 3 é a potência do sinal na entrada do receptor NS, a linha reta vermelha indica a sensibilidade deste receptor. O eixo X mostra o alcance em km e o eixo Y mostra a potência em dBm. Nos pontos de alcance onde a curva azul fica acima da vermelha, é possível a recepção direta de vídeo do UAV, caso contrário não haverá comunicação. O gráfico mostra que devido às oscilações, a perda de comunicação ocorrerá na faixa de 35.5–35.9 km e ainda na faixa de 55.3–58.6 km. Nesse caso, o desligamento final ocorrerá muito mais longe - após 110.8 km de voo.
Como mencionado acima, quedas na intensidade do campo surgem devido à adição em antifase no local da antena NS do sinal direto e do sinal refletido na superfície da Terra. Você pode se livrar da perda de comunicação no NS devido a falhas cumprindo 2 condições.
1. Utilize um modem no NS com pelo menos dois canais de recepção (diversidade RX), por exemplo 3D Link .
2. Coloque as antenas receptoras no mastro NS diferente altura.
O espaçamento das alturas das antenas receptoras deve ser feito de modo que as quedas na intensidade do campo na localização de uma antena sejam compensadas por níveis superiores à sensibilidade do receptor na localização da outra antena. Na Fig. A Figura 4 mostra o resultado desta abordagem para o caso em que uma antena NS está localizada a uma altura de 5 m (curva sólida azul) e a outra a uma altura de 4 m (curva pontilhada azul).
Arroz. 4. Potência do sinal nas entradas de dois receptores de modem 3D Link de antenas localizadas em alturas diferentes
Da Fig. A Figura 4 mostra claramente a fecundidade deste método. Com efeito, ao longo de toda a distância de voo do UAV, até um alcance de 110.8 km, o sinal na entrada de pelo menos um receptor NS excede o nível de sensibilidade, ou seja, o vídeo da placa não será interrompido durante toda a distância de voo .
O método proposto, no entanto, ajuda a aumentar a confiabilidade do link de rádio UAV→NS apenas, uma vez que a capacidade de instalar antenas em diferentes alturas só está disponível no NS. Não é possível garantir uma separação de altura das antenas de 1 m num UAV. Para aumentar a confiabilidade do link de rádio NS→UAV, as seguintes abordagens podem ser usadas.
1. Alimente o sinal do transmissor NS para a antena que recebe um sinal mais potente do UAV.
2. Use códigos de espaço-tempo, como o código Alamouti .
3. Use tecnologia de formação de feixe de antena com a capacidade de controlar a potência do sinal enviado para cada antena.
O primeiro método está próximo do ideal no problema de comunicação com um UAV. É simples e nele toda a energia do transmissor é direcionada na direção certa - para uma antena localizada de maneira ideal. Por exemplo, a um alcance de 50 km (ver Fig. 4), o sinal do transmissor é alimentado para uma antena suspensa a 5 metros, e a um alcance de 60 km - para uma antena suspensa a 4 metros. Este é o método usado no modem 3D Link . O segundo método não utiliza dados a priori sobre o estado do canal de comunicação UAV→NS (níveis de sinais recebidos nas saídas da antena), portanto divide a energia do transmissor igualmente entre duas antenas, o que inevitavelmente leva a perdas de energia, uma vez que uma das antenas pode estar em uma intensidade de campo de furo. O terceiro método é equivalente ao primeiro em termos de qualidade de comunicação, mas é muito mais difícil de implementar.
Consideremos ainda a questão da influência da frequência das ondas de rádio no alcance de comunicação com o UAV, tendo em conta a influência da superfície subjacente. Foi mostrado acima que aumentar a frequência é benéfico, pois com dimensões fixas das antenas isso leva a um aumento no alcance de comunicação. Contudo, a questão da dependência frequência não foi considerada. De segue-se que a razão dos ganhos das antenas iguais em área e projetadas para operar em frequências и , é igual a
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Para 2450MHz; Obtemos 915 MHz 7.2 (8.5dB). Isso é aproximadamente o que acontece na prática. Vamos comparar, por exemplo, os parâmetros das seguintes antenas da Wireless Instruments:
- WiBOX PA 0809-8V [13] (frequência: 0.83–0.96 GHz; largura de feixe: 70°/70°; ganho: 8 dBi);
- WiBOX PA 24-15 [14] (frequência: 2.3–2.5 GHz; largura de feixe: 30°/30°; ganho: 15 dBi).
É conveniente comparar essas antenas, pois são feitas nas mesmas caixas de 27x27 cm, ou seja, possuem a mesma área. Observe que o ganho da antena difere em 15−8=7 dB, o que está próximo do valor calculado de 8.5 dB. A partir das características das antenas, também fica claro que a largura do padrão da antena para a faixa de 2.3–2.5 GHz (30°/30°) é duas vezes mais estreita que a largura do padrão da antena para a faixa de 0.83–0.96. GHz (70°/70°), ou seja, o ganho de antenas com as mesmas dimensões na verdade aumenta devido à melhoria das propriedades direcionais. Levando em consideração o fato de serem utilizadas 2 antenas na linha de comunicação, a relação será 2∙8.5=17 dB. Assim, com as mesmas dimensões de antena, o orçamento energético de um enlace de rádio com frequência 2450 MHz será 17 dB a mais que o orçamento da linha com frequência 915MHz. No cálculo, também levamos em consideração o fato de que os UAVs, via de regra, utilizam antenas chicote cujas dimensões não são tão críticas quanto as antenas de painel NS consideradas. Portanto, aceitamos os ganhos da antena do UAV para frequências и igual. Aqueles. a diferença nos orçamentos energéticos das linhas será de 8.5 dB e não de 17 dB. Os resultados do cálculo realizado para estes dados iniciais e para a altura de 5 m da antena NS são mostrados na Fig. 5.
Arroz. 5. Potência do sinal na entrada do receptor para links de rádio operando nas frequências 915 e 2450 MHz
Da Fig. 5 mostra claramente que o alcance de comunicação com o aumento da frequência de operação e a mesma área da antena NS aumenta de 96.3 km para um link de rádio com frequência de 915 MHz para 110.8 km para um link com frequência de 2450 MHz . Porém, a linha de 915 MHz possui uma frequência de oscilação menor. Menos oscilações significam menos quedas na intensidade do campo, isto é, menos probabilidade de interromper a comunicação com o UAV ao longo de toda a distância de voo. Talvez seja esse fato que determina a popularidade da faixa de ondas de rádio sub-gigahertz para linhas de comunicação de comando e telemetria com UAVs como a mais confiável. Ao mesmo tempo, ao realizar o conjunto de ações descritas acima para proteção contra oscilações de intensidade de campo, os links de rádio na faixa de gigahertz proporcionam um maior alcance de comunicação, melhorando as propriedades direcionais das antenas.
Da consideração da Fig. 5 podemos também concluir que na zona de sombra (após a marca de 128.8 km) faz sentido diminuir a frequência de operação da linha de comunicação. Na verdade, num ponto de aproximadamente -120 dBm as curvas de potência para frequências и cruzar. Aqueles. Ao usar receptores com sensibilidade melhor que -120 dBm, um link de rádio na frequência de 915 MHz fornecerá um alcance de comunicação mais longo. Neste caso, porém, a largura de banda necessária do link deve ser levada em consideração, uma vez que para um valor de sensibilidade tão alto, a velocidade da informação será muito baixa. Por exemplo, modem 3D Link Embora forneça sensibilidade de até -122 dBm, a taxa agregada (em ambas as direções) de transmissão de informações será de 23 kbit/s, o que, em princípio, é suficiente para a comunicação KTRL com um UAV, mas claramente não é suficiente para transmitir vídeo de um quadro. Assim, a faixa sub-gigahertz, de fato, tem uma ligeira vantagem sobre a faixa gigahertz para KTRL, mas perde claramente em características na hora de organizar as linhas de vídeo.
Ao escolher uma frequência de link de rádio, você também deve levar em consideração a atenuação do sinal à medida que ele se propaga pela atmosfera terrestre. Para links de comunicação NS-UAV, a atenuação na atmosfera é causada por gases, chuva, granizo, neve, neblina e nuvens . Para frequências operacionais de links de rádio inferiores a 6 GHz, a atenuação em gases pode ser desprezada . O enfraquecimento mais severo é observado nas chuvas, principalmente de alta intensidade (aguaceiros). A Tabela 1 mostra os dados por atenuação linear [dB/km] em chuvas de diferentes intensidades para frequências de 3 a 6 GHz.
Tabela 1. Atenuação linear das ondas de rádio [dB/km] em chuvas de diferentes intensidades dependendo da frequência
Frequência [GHz] 3 mm/hora (fraca)
12 mm/hora (moderado)
30 mm/hora (forte)
70 mm/hora (chuva)
3.00
0.3∙10−3
1.4∙10−3
3.6∙10−3
8.7∙10−3
4.00
0.3∙10−2
1.4∙10−2
3.7∙10−2
9.1∙10−2
5.00
0.8∙10−2
3.7∙10−2
10.6∙10−2
28∙10−2
6.00
1.4∙10−2
7.1∙10−2
21∙10−2
57∙10−2
Da mesa 1 segue-se que, por exemplo, a uma frequência de 3 GHz, a atenuação num chuveiro será de cerca de 0.0087 dB/km, o que num percurso de 100 km dará 0.87 dB de atenuação total. À medida que a frequência operacional do link de rádio aumenta, a atenuação na chuva aumenta acentuadamente. Para uma frequência de 4 GHz, a atenuação em um chuveiro no mesmo caminho já será de 9.1 dB, e nas frequências de 5 e 6 GHz - 28 e 57 dB, respectivamente. Neste caso, porém, supõe-se que ocorra chuva com determinada intensidade ao longo de todo o percurso, o que raramente acontece na prática. Porém, ao utilizar VANTs em áreas onde chuvas de alta intensidade são frequentes, recomenda-se selecionar uma frequência de operação do link de rádio abaixo de 3 GHz.
Literatura
1. Smorodinov A.A. Habr. 2019.
2. Kalinin A.I., Cherenkova E.L. Propagação de ondas de rádio e operação de links de rádio. Conexão. Moscou. 1971.
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4.
5.
6.
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8. CA Balanis. Teoria da antena. Análise e projeto. Quarta edição. John Wiley e Filhos. 2016.
9. Artigo da Wikipédia.
10. Artigo da Wikipédia.
11.
12. SM Alamouti. "Uma técnica simples de diversidade de transmissão para comunicações sem fio." Jornal IEEE sobre Áreas Selecionadas em Comunicações. 16(8):1451–1458.
13.
14.
Fonte: habr.com