Antena de Onda Vazada para Aplicações Indoor na Faixa de Ondas Milimétricas

R. A. Santos Laboratório WOCA

Instituto Nacional de Telecomunicações - INATEL Santa Rita do Sapucaí, Brasil

renans@gee.inatel.br

Arismar Cerqueira S. Jr Laboratório WOCA

Instituto Nacional de Telecomunicações - INATEL Santa Rita do Sapucaí, Brasil

arismar@inatel.br

Resumo—Este trabalho apresenta um modelo potencial de

antena onidirecional de alto ganho para aplicações em picocélulas

na faixa ondas milimétricas. A antena foi projetada a partir dos

conceitos de antenas de ondas vazadas utilizando hastes dielétricas

e tomando como base as propriedades eletromagnéticas de um

tarugo de teflon comercial, que futuramente será empregado na

fabricação da antena proposta. Resultados numéricos

demonstram diagrama onidirecional com ganho de 12dBi para a

faixa de 28GHz.

Palavras-chave—Antenas, Antena de onda vazada, ondas

milimétricas e onidirecional.

I. INTRODUÇÃO

O uso de equipamentos eletrônicos, como tablets e smartphones, para comunicações pessoais leva cada vez mais ao aumento da quantidade de tráfego de dados em redes de comunicações móveis. Tecnologias como Wi-Fi e LTE (Long Term Evolution) permitem que os usuários fiquem sempre conectados à Internet. Atualmente, com as bandas do espectro limitadas, as operadoras móveis são desafiadas a entregar aplicações multimídia de alta qualidade e baixa latência para um crescente número de usuários. O espectro licenciado atual está intensamente congestionado e o aumento da largura de banda para proporcionar maior tráfego por utilizador torna-se impraticável. Como alternativa para enfrentar esta barreira, alguns autores têm apresentado estudos sobre o uso das faixas de frequências potenciais em ondas milimétricas, tais como a 28 e 38GHz [1,2].

Para frequências mais elevadas, onde as perdas são maiores, são necessárias células menores como as picocélulas ou fentocélulas [3]. Desta forma, para cobertura indoor em ondas milimétricas é necessário um modelo de cobertura com célula onidirecional de alto ganho. Para atender estas especificações, em termos de elementos irradiadores, na literatura é possível encontrar algumas configurações de antenas parabólicas duplo-refletoras que apresentam alto ganho e diagrama de irradiação onidirecional [4,5]. Entretanto, tais antenas são muito complexas do ponto de vista de construção, além de serem muito grandes, com dimensões que podem assumir 20X20�2 [5].

O presente trabalho propõe uma forma alternativa de antena que atenda o requisito de um diagrama de irradiação onidirecional com alto ganho. Para tal, foi empregado o conceito de antena de onda vazada utilizando hastes dielétricas [6], utilizando as características eletromagnéticas do tarugo de teflon comercial apresentado na Fig. 1. A antena onda vazada

onidirecional (OLWA – Omnidirectional Leaky-Wave Antenna) apresentada possui diagrama onidirecional no plano horizontal para a banda de 28GHz com 12dBi de ganho.

II. ANTENA DE ONDAS VAZADAS ONIDIRECIONAL

É necessário que a estrutura seja circularmente simétrica e alimentada por um modo TE01 ou TM01 para se obter um digrama de irradiação onidirecional[6]. Desta forma, como mostrado em um corte do plano xz na Fig. 1, a antena é formada por um cilindro dielétrico de politetrafluoretileno (PTFE) com �r=2,2, sustentando um conjunto de anéis metálicos igualmente espaçados, o que garante a estrutura ser circularmente simétrica. Um conector K, com o vivo posicionado na direção z, alimenta uma corneta cônica convencional e polariza o campo elétrico de modo normal à base do conector, garantindo o modo de operação TM01. Além disso, o PTFE preenche a corneta e se estende no interior do guia formando uma transição casadora com formato cônico.

(a) corte no plano xz.

(b) Largura e espaçamento dos aneis.

(c) Corneta cônica preenchida de PTFE.

(d) Tarugo de teflon comercial..

Fig. 1. Antena de onda vazada onidirecional.

Os anéis periódicos fixados na haste dielétrica provocam uma perturbação na onda eletromagnética guiada. Com isso, a antena se comporta como uma antena de onda vazada através da qual a energia é gradativamente irradiada para o espaço livre [7]. Desta forma, ao ajustar o espaçamento d entre os anéis chega-se em um diagrama de irradiação onidirecional no plano xy.

Como projeto da estrutura, inicialmente dimensionou-se uma corneta cônica para operar no modo fundamental com frequência central de 28GHz, usando um guia de ondas circular com diâmetro Rguia=4,17mm. O diâmetro da boca da corneta Rcorneta é determinado em função da diretividade [8]:

2/ 2

5,13 cornetaRD

� �= � �λ� �

(1)

Para tal, considerou-se o ganho de 10dBi admitindo a eficiência de irradiação �=1. Desta forma, chegou-se a Rcorneta�15mm. Por fim, fixou-se o comprimento da corneta em Lcorneta=15mm.

O próximo passo foi preencher a corneta de PTFE e inserir o conector K como fonte de alimentação, como mostrado na Fig. 1. Então, estudou-se o cone dielétrico no interior da corneta, tendo como base os trabalhos de Clarricoats [9], Lier [10] e Rolland [11]. Este elemento tem fundamental importância para a fixação de toda a estrutura não metálica e tem influência direta no casamento de impedância da antena. Para tal, fixou-se o comprimento do vivo do conector K que se estende no interior do guia em 1,5mm e a base do cone dielétrico em bcone=�g/2=3,6mm. Visando melhorar o coeficiente de reflexão S11, variou-se o comprimento do cone Lcone via simulação numérica. Conforme ilustrado na Fig. 2 o melhor resultado se deu para Lcone=8mm, através do qual garantiu-se que S11=-30dB em 27,5GHz.

Fig. 2. Analise do Lcone na corneta TM01 preenchida de PTFE.

A Fig. 3 apresenta a irradiação da corneta preenchida com PTFE alimentada no modo TM01 para a frequência de 28GHz. A curva contínua vermelha representa o plano xz, onde nota-se o comportamento no modo TM01, que provoca um nulo na direção z. Este nulo é importante, afinal deseja-se que o mínimo possível de energia seja refletida de volta à corneta, não comprometendo o S11. A curva preta pontilhada representa o plano yz, por meio da qual é possível identificar a simetria da irradiação da antena, o que garante que todas as partes da antena serão igualmente iluminadas, o que leva ao digrama onidirecional.

Para uma antena de onda vazada com elementos excitados espaçados de um período d, a direção onde se tem o ponto de máxima irradiação � é expressa por [12]

1

0 0

2cos

k k d

β πθ − � �

= −� �� �

(2)

onde � é a constante de propagação ao longo da haste dielétrica cilíndrica e ko é o número de onda do espaço livre. Desta forma, o valor de �, que é medido de z para y, é dependente da periodicidade dos anéis e das características eletromagnéticas do dielétrico, que influenciam diretamente o valor de �.

O comprimento total da parte irradiante da estrutura L está diretamente relacionado com a eficiência de irradiação � e com a constante de atenuação �, que modela a diminuição da energia da onda guiada na estrutura [13]

( )1

ln 12

L ηα

= − − (2)

Então, para minimizar o comprimento da antena, mantendo uma boa eficiência de irradiação, deseja-se que o parâmetro � seja grande. O valor de � é maximizado quando não existe folga entre os anéis e o cilindro dielétrico [7]. Outro fato importante a ser destacado é a escolha do PTFE por ser um dielétrico com baixa constante dielétrica, que produz baixo fator de mérito Q [14], e que apresenta boa sustentação mecânica a estrutura. O diâmetro do dielétrico foi dimensionado para ser o mesmo da boca da corneta cônica, tendo em vista a estabilidade física da antena. Para prova de conceito, a Fig. 4 apresenta o estudo da folga (Fanel) entre os anéis e o dielétrico para a OLWA com apenas o anel 1. A partir disso, com o anel encostado no dielétrico, tem-se o maior valor para o fator de atenuação (�=0,2198dB/mm), mantendo ainda �>0,975.

Fig. 3. Diagrama de irradiação da corneta TM01 preenchida de PTFE em 28GHz.

Partindo de (1), para que a máxima irradiação ocorra para �=90º, é necessário que d=10,71mm. Para garantir a maximização de �, s foi dimensionado para 0,6d com base nos estudos de Iwasaki [7]. O número de anéis foi determinado por meio de simulações numéricas, fazendo uso do método dos elementos finitos, no ANSYS HFSS, onde foi estudado qual configuração implicaria em maior parte da energia irradiada para �=90º com menor níveis de lobos secundários. Conforme

ilustrado no diagrama de irradiação em coordenadas retangulares na Fig. 5 e na Tabela 1, a medida que o número de anéis foi aumentado, a soma dos campos irradiados pela ressonância de cada anel concentra a máxima irradiação para �=90º, destacando-se o fato que a partir de oito anéis a irradiação já passa a se situar na direção horizontal. Com treze anéis tem-se o número ótimo, no qual o ganho máximo é de 10,8dBi e a relação entre o lobo principal e lobo secundário de 7,2dB. A partir de treze anéis, devido a quantidade da energia já ser pequena no fim da antena, não se tem uma melhora no desempenho. Sendo assim, acrescentar anéis só acarretaria no aumento do comprimento da antena.

(a) Constante de atenuação na OLWA com um anel em função de Fanel.

(b) Eficiência de irradiação na OLWA com um anel em função de Fanel.

Fig. 4. Analise da Fanel para a OLWA.

TABELA 1. Analise do número de anéis no ganho da antena

Número de anéis

Ganho máximo [dBi]

Relação lobo principal e lobo secundários [dB]

2 8,93 8,85

4 7,25 3,30

8 8,55 2,92

13 10,84 7,24

14 10,10 7,96

Para a configuração com treze anéis, tem-se ainda um considerável nível de lobos secundários próximo ao fim da antena, no entono de �=30º. Para minimizar esse problema, foi adicionado um refletor a uma distância dr=�g/4 do último anel. Esta distância foi escolhida baseando-se em conceitos de antenas de ondas vazadas [15], onde a distância �g/4 representa um curto

circuito em linhas de transmissão. O diâmetro do refletor foi estudado via software, onde inicialmente o refletor foi dimensionado para o mesmo diâmetro do cilindro dielétrico Rrefletor=Rcorneta. Como apresentado na Tabela 2 e Fig. 6, somente com a adição do refletor com o diâmetro igual ao dielétrico a relação entre o lobo principal e os lobos secundários subiu para 10,58dB, uma melhora de mais de 3dB. Ao aumentar o diâmetro, chegou-se à um valor ótimo onde Rrefletor=23mm, no qual ganho máximo é 12,2dBi e a relação entre o lobo principal e lobo secundário de 12,6dB.

Fig. 5. Impacto do número de anéis no diagrama de irradiação.

TABELA 2. Analise da influência do Rrefletor no diagrama irradiado.

Rrefletor [mm] Ganho máximo

[dBi] Relação lobo principal e lobo

secundários [dB]

Sem Rrefletor 10,84 7,24

Rcorneta 10,85 10,58

20 11,48 11,22

23 12,24 12,60

26 11,31 11,84

30 11,34 11,32

Fig. 6. Analise da influência do Rrefletor no diagrama irradiado em 28GHz.

III. ANALISE NUMERICA DA ANTENA DE ONDAS VAZADAS

ONIDIRECIONAL

O passo seguinte foi avaliar o desempenho da antena em função da resposta em frequência e do diagrama irradiado usando o ANSYS HFSS. A Fig. 7 apresenta o coeficiente de reflexão (S11) simulado para o modelo final da OWLA, através

do qual é possível quantificar a banda de operação, compreendida para a faixa de frequências na qual S11 � -10dB, como sendo de 27,65 a 28,43GHz, o que implica em uma banda fracionária de 2,82%. A Fig. 8 ilustra o comportamento da irradiação para a frequência de 28GHz sobreposta à estrutura da antena, onde é possível observar o ganho máximo de 12,2dBi e que a máxima irradiação ocorre no plano xy. Na Fig. 9 apresenta-se o comportamento da irradiação da antena observado apenas um hemisfério (0 � � � 180º), no qual fica claro a boa relação entre o lobo principal e os lobos secundários, que é maior que 12dB. Na Fig. 10 é ilustrado o diagrama de irradiação em coordenadas polares para o plano xy, onde existe o comportamento quase onidirecional da antena. A variação da irradiação em xy é de apenas 0,88dB, o que representa um bom resultado em termos de diagrama onidirecional e possibilita que a antena opere praticamente de igual modo em todos os setores em uma cobertura indoor em ondas milimétricas.

Por fim, outro ponto a ser destacado é a comparação de dimensões entre a OLWA e outras antenas que apresentam diagrama onidirecional com alto ganho. O comprimento total da antena é de 155mm, do conector ao refletor, e se for considerado o maior diâmetro da estrutura, que é o do refletor Rrefletor=23mm, chega-se em uma área total de 14,47x2,14�2, considerando a antena como um cilindro. Desta forma, a OLWA é bem menor que outras antenas presentes na literatura [5].

Fig. 7. Coeficiente de reflexão da antena de onda vazada onidirecional.

Fig. 8. Diagrama de irradiação da antena de onda vazada onidirecional.

Fig. 9. Diagrama de irradiação da antena de onda vazada onidirecional no plano yz.

Fig. 10. Diagrama de irradiação da antena de onda vazada onidirecional no plano xy.

IV. CONCLUSÕES

Este artigo apresentou uma proposta e uma análise numérica de uma antena de ondas vazadas composta por uma haste dielétrica envolta por treze anéis metálicos, excitada por uma corneta cônica operando no modo TM01. Os resultados das simulações numéricas comprovam o desempenho da estrutura que opera na banda de 27,65 a 28,43GHz, com diagrama quase onidirecional. Em 28GHz, a variação do diagrama no plano xy é de apenas 0,88dB e o ganho máximo de 12,2dBi, o que qualifica a OLWA para cobertura onidirecional. Pelas características apresentadas, a estrutura é vista como uma solução potencial para ser empregada em picocélulas de ambientes indoor nas novas tecnologias de telefonia móvel celular, incluindo redes 5G. Como trabalhos futuros, visa-se a construção de um protótipo e a caracterização da estrutura em termos de resposta em frequência e diagramas de irradiação.

AGRADECIMENTOS

Este trabalho foi parcialmente financiado pela Finep/Funttel No. 01.14.0231.00, sob o projeto Centro de Referência em Radiocomunicações (CRR) do Instituto Nacional de Telecomunicações (Inatel), Brasil. Os autores também agradecem o apoio financeiro do CNPq, CAPES, MCTI e FAPEMIG e apoio técnico da Anritsu, Keysight e ESSS-ANSYS.

REFERENCIAS

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