Análise do Acoplamento de Estruturas Fractais em Antenas ... · Análise do Acoplamento de...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO
Análise do Acoplamento de Estruturas Fractais em Antenas
Monopolo Multi-banda para Comunicações Sem Fio
Edwin Luize Ferreira Barreto
Orientador: Prof. Dr. Laércio Martins de Mendonça
Tese de Doutorado submetida ao
corpo docente da Coordenação do
Programa de Pós-graduação de
Engenharia Elétrica e de
Computação como parte dos
requisitos necessários para obtenção
do título de Doutor.
Número de Ordem PPgEEC: D184
Natal, RN, novembro de 2016
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
B273a Barreto, Edwin Luize Ferreira.
Análise do acoplamento de estruturas fractais em antenas
monopolo multi-banda para comunicação sem fio. / Edwin
Luize Ferreira Barreto. -- Natal, 2016.
77f.: il.
Orientador: Prof. Dr. Laércio Martins de Mendonça.
Tese (Doutorado) – Universidade Federal do Rio Grande do
Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Elétrica e de Computação.
1. Antena de microfita. 2. Remoção parcial do plano de terra.
3. Polarização circular. 4. Razão axial. 5. Banda C e Banda S.
I. Titulo.
Análise do Acoplamento de Estruturas Fractais em Antenas
Monopolo Multi-banda para Comunicações Sem Fio
Edwin Luize Ferreira Barreto
Tese de Doutorado aprovada dia 18 de novembro de 2016 pela banca
examinadora composta pelos seguintes membros:
Dedico este trabalho a Rafaely Pereira da Silva Barreto,
Abigail Heloá da Silva Barreto e
Guilherme Levy da Silva Barreto
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus Pai, Deus Filho e Espirito Santo pela força,
orientação e direção que me dá a cada dia.
A minha Família. Meu Pai Luiz Moreira Barreto, Minha Mãe Francisca Edineide
Ferreira Barreto e minha tia Maria Edi Ferreira
Ao meu Orientador, Prof. Dr. Laércio Martins de Mendonça
A todos do Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Computação.
Resumo
Este trabalho tem como objetivo principal realizar o estudo e análise de diferentes
antenas planares de microfita, através do emprego de geometrias fractais no patch
ressoador e da remoção parcial do plano de terra com acoplamento. Recentes estudos
mostram que as variações nas formas geométricas do patch da antena e do plano de
terra produzem mudanças na distribuição da densidade de corrente da estrutura e
consequentemente nos modos ressonantes e na polarização da antena. No
desenvolvimento desta tese, apresenta-se uma nova antena fractal que utiliza a técnica
de inserção de fendas e aberturas de forma fractal no plano de terra e também
descontinuidades no transformador ¼ de onda na linha de transmissão a fim de
aumentar a largura de banda e alcançar comportamentos específicos em aplicações de
banda de frequência. Emprega-se o substrato FR-4 com dimensões de 85,0 x 85,0 x 1,57
mm³. Além disso, usam-se diferentes modos de casamento de impedância na linha de
alimentação de antena como CPW (Coplanar Wave Guide) e alterações da largura da
linha de transmissão, a fim de obter variação na distribuição de corrente e,
consequentemente, na largura de banda de resposta por impedância para S11 ≤ -10dB
para banda C (3.9 GHz - 6,2 GHz) e banda S (2,0 GHz - 4,0 GHz). Uma análise
comparativa de desempenho para a linha de microfita e CPW foi realizada, obtendo-se
para alguns casos antenas circularmente polarizadas. Boa concordância foi obtida entre
os resultados medidos e simulados.
Palavras-chave: Antena de Microfita, Remoção Parcial do Plano de Terra,
Polarização Circular, Razão Axial, Banda C e Banda S, Comunicação Sem Fio.
Abstract
This work has as main objective to carry out the study and analysis of different
planar microstrip antenna, by employing fractal geometry in the resonator patch and
partial removal of the ground plane with coupling. Recent studies show that variations
in geometric shapes of the antenna and the ground plane generate changes in current
density distribution of the planar structure and consequently the resonant modes and
antenna polarization. In developing this thesis presents a new fractal antenna using the
technique of insertion slots and fractal shaped defects (gaps) in the ground plane and
discontinuities with ¼ wavelength transformer in the transmission line in order to
increase the bandwidth and inserting in the feed line to reach specific behaviors in three
frequency bandwidth applications. We used the FR-4 substrate with dimensions of 85.0
x 85.0 x 1.57 mm³. In addition, we used different modes of impedance matching in line
antenna feed as CPW (Coplanar Wave Guide), to change the width of the transmission
line in order to obtain a variation in the current distribution and hence the response
bandwidth impedance to S11 ≤ -10dB for C band (3.9 GHz - 6.2 GHz) and S band (2.0
GHz - 4.0 GHz). A comparative analysis of cases with microstrip line and CPW was
made, applications in this frequency range require preferably circularly polarized
antennas. Good agreement was obtained between measured and simulated results.
Keywords: Microstrip Antennas, Partial Removal of the Ground Plane, Circular
Polarization, Axial Ratio, C-band and S-band, Wireless Communications.
i
SUMÁRIO
Sumário i
Lista de Figuras iii
Lista de Tabelas vi
Lista de Abreviaturas e Símbolos vii
1. Introdução.......................................................................................
1.1 Motivação....................................................................................
1.2 Estado da arte..............................................................................
1.3 Proposta da Pesquisa e Metodologia...........................................
1
1
1
2
1.4 Organização do Texto................................................................. 3
1.5 Publicações................................................................................. 4
1.5.1 Eventos Científicos......................................................... 4
1.5.2 Periódicos publicados..................................................... 4
2. Antenas Impressas........................................................................... 5
2.1 Antenas de Microfita................................................................... 5
2.2 Linha de Microfita....... ............................................................... 6
2.3 Coplanar Wave Guide (CPW) ...................................................
2.4 Parâmetros em Antenas de Microfita..........................................
2.4.1 Perda de Retorno.............................................................
2.4.2 Casamento de Impedância..............................................
2.4.3 Ganho..............................................................................
2.4.4 Diagrama de Radiação..................................................
2.4.5 Densidade Linear de Corrente.........................................
2.5 Polarização Linear, Circular e Elíptica em Antenas de Microfita
2.6 Conclusão.....................................................................................
8
9
9
10
11
11
12
14
16
ii
3 Fendas e Aberturas no Plano de Terra.............................................. 17
3.1 Geometria Fractal......................................................................... 17
3.2 Transformador de ¼ de Onda........................... ........................... 18
3.3 Fendas no Plano de Terra em Antenas Impressas .......................
3.4 Conclusão....................................................................................
19
22
4 Resultados – Análise e Discussões......................................................
4.1 Evolução dos Casos com Plano de Terra Completo...................
4.2 Evolução dos Casos com Abertura no Plano de Terra..................
4.3 Polarização de Antenas de Microfita..........................................
4.4 Análise de Sensibilidade para Antena de Microfita – Fractal Nível
I..........................................................................................................
4.5 Análise de Sensibilidade para Antena de Microfita – Fractal Nível
II.........................................................................................................
4.6 Análise de Sensibilidade para Antena CPW – Fractal Nível I.....
4.7 Análise de Sensibilidade para Antena CPW – Fractal Nível II.....
4.8 Antenas Construídas e Medidas....................................................
4.9 Resultados Teóricos e Experimentais............................................
4.9.1 Antena CPW – Fractal Nível I..........................................
4.9.2 Antena Por Microfita – Fractal Nível II............................
4.9.3 Antena Por Microfita – Fractal Nível I.............................
4.9.4 Antena CPW – Fractal Nível II ........................................
4.10 Análise da Polarização das Antenas Fabricadas.........................
4.10.1 Antena CPW – Fractal Nível I.........................................
4.10.2 Antena CPW – Fractal Nível II........................................
4.10.3 Antena Por Microfita – Fractal Nível I............................
4.10.4 Antena Por Microfita – Fractal Nível II..........................
4.11 Densidade Linear de Corrente....................................................
23
23
24
26
26
26
28
29
31
33
36
36
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39
41
43
43
44
46
46
47
5 Conclusão ............................................................................................ 49
Referências
APÊNDICES
A Polarização das Antenas Fabricadas
B Impedância das Antenas Fabricadas
51
iii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1: Diagrama de blocos da metodologia de pesquisa utilizada...................... 3
Figura 2.1. Antena Patch de Microfita Comum.......................................................... 5
Figura 2.2. Geometrias do Patch radiante................................................................... 6
Figura 2.3. Linha de Microfita.................................................................................... 7
Figura 2.4. Linha de alimentação CPW...................................................................... 8
Figura 2.5. Exemplo Genérico para Gráfico da Perda de Retorno em Antenas de
Microfita..................................................................................................................... 9
Figura 2.6. Carta de Smith.......................................................................................... 10
Figura 2.7: Representação de Diagramas de Radiação.............................................. 11
Figura 2.8. Dipolo de Meia Onda.............................................................................. 12
Figura 2.9. Antena Yagi de 5 elementos .................................................................... 12
Figura 2.10: Linhas de campos: (a) Linha de Microfita para 50 Ω; (b) Alimentação CPW. 13
Figura 2.11. Densidade Linear de Corrente na Porta de Alimentação:
(a) Linha de Microfita para 50 Ω; (b) Alimentação CPW......................................... 14
Figura 2.12. Razão axial em dB em função da frequência em MHz......................... 15
Figura 2.13: Patch truncado nas extremidades........................................................... 16
Figura 2.14: Razão Axial para o caso da figura 2.13................................................. 16
Figura 3.1. Geometria Fractal Utilizadas em Estruturas Planares de Micro-ondas em Diferentes
Níveis.......................................................................................................................... 17
Figura 3.2. Fenda em dois níveis com abertura de curva fractal no plano de terra...... 18
Figura 3.3. Circuito equivalente para transformador ¼ de onda.................................. 19
Figura 3.4. Abertura Fractal no plano de terra............................................................. 20
Figura 3.5. Diagramas de fendas DGS........................................................................ 20
Figura 3.6. Circuito ressonante em paralelo................................................................ 21
Figura 4.1. Evolução da antena com Plano de terra completo.................................... 23
Figura 4.2. Comparativo da Perda de retorno para os casos da figura 4.1................. 24
Figura 4.3. Evolução da antena com abertura no plano de terra................................. 25
iv
Figura 4.4. Comparativo da Perda de retorno para os casos da figura 4.3................. 25
Figura 4.5. Antena por Linha de Microfita – Fractal Nível I..................................... 26
Figura 4.6. Comparativo da Perda de retorno para análise paramétrica de W2 e L1 – Fractal
Nível I ....................................................................................................................... 27
Figura 4.7. Antena por Linha de Microfita – Fractal Nível II................................... 28
Figura 4.8. Comparativo da Perda de retorno para análise paramétrica de W2 e L1 – Fractal
Nível II...................................................................................................................... 28
Figura 4.9. Antena por CPW – Fractal Nível I......................................................... 29
Figura 4.10. Comparativo da Perda de retorno para análise paramétrica de W2 e L1 – CPW
Fractal Nível I............................................................................................................ 30
Figura 4.11. Antena por CPW – Fractal Nível II....................................................... 31
Figura 4.12. Comparativo da Perda de retorno para análise paramétrica de W2 e L1 – CPW
Fractal Nível II........................................................................................................... 32
Figura 4.13: Antena Fractal no interior da câmara anecóica................................................. 34
Figura 4.14: Setup de medição com computador e analisador de redes................................ 35
Figura 4.15. Antena por Linha de Microfita – Fractal Nível I: W2 = 1,0 mm e L1 = 10,0 mm
................................................................................................................................... 33
Figura 4.16. Antena por Linha de Microfita – Fractal Nível II: W2 = 1,0 mm e L1 = 7,0 mm
.................................................................................................................................. 33
Figura 4.17. Antena CPW – Fractal Nível I: W2 = 1,0 mm e L1 = 7,0 mm............ 34
Figura 4.18. Antena CPW – Fractal Nível II: W2 = 1,5 mm e L1 = 9,0 mm........... 34
Figura 4.19. Comparativo para a perda de retorno medida para os casos construídos... 35
Figura 4.20. Comparativo para a perda de retorno simulada para os casos construídos. 35
Figura 4.21. Comparativo medido/ Simulado - Antena CPW – Fractal Nível I: W2 = 1,0 mm e
L1 = 7,0 mm................................................................................................................. 36
Figura 4.22. Diagrama de radiação plano E e Plano H - Antena CPW – Fractal Nível I: W2 =
1,0 mm e L1 = 7,0 mm.................................................................................................... 37
Figura 4.23. Diagrama de radiação 3D: (a) 2,175 GHz (b) 3,625 GHz......................... 37
Figura 4.24. Distribuição de corrente: (a) 2,175 GHz (b) 3,625 GHz........................... 37
Figura 4.25. Comparativo medido/ Simulado - Antena Microfita – Fractal Nível II: W2 = 1,0
mm e L1 = 7,0 mm.......................................................................................................... 38
Figura 4.26. Diagrama de radiação plano E e Plano H - Antena Microfita – Fractal Nível II: W2
= 1,0 mm e L1 = 7,0 mm................................................................................................. 38
v
Figura 4.27. Diagrama de radiação 3D: (a) 1,975 GHz (b) 3,325 GHz (c) 4,50 GHz......... 39
Figura 4.28. Distribuição de corrente: (a) 1,975 GHz (b) 3,325 GHz (c) 4,50 GHz.......... 39
Figura 4.29. Comparativo medido/ Simulado - Antena Microfita – Fractal Nível I:
W2 = 1,0 mm e L1 = 10,0 mm.......................................................................................... 40
Figura 4.30. Diagrama de radiação plano E e Plano H - Antena Microfita – Fractal Nível I:
W2 = 1,0 mm e L1 = 10,0 mm.......................................................................................... 40
Figura 4.31. Diagrama de radiação 3D: (a) 2,10 GHz (b) 3,75 GHz................................. 40
Figura 4.32 Distribuição de corrente: (a) 2,10 GHz (b) 3,75 GHz................................... 41
Figura 4.33 Comparativo medido/ Simulado - Antena CPW – Fractal Nível II:
W2 = 1,5 mm e L1 = 9,0 mm............................................................................................. 41
Figura 4.34 Diagrama de radiação plano E e Plano H - Antena CPW – Fractal Nível II:
W2 = 1,5 mm e L1 = 9,0 mm............................................................................................. 42
Figura 4.35 Diagrama de radiação 3D: (a) 2,025 GHz; (b) 3,60 GHz; (c) 4,625 GHz........ 42
Figura 4.36. Distribuição de corrente: (a) 2,025 GHz; (b) 3,60 GHz; (c) 4,625 GHz......... 42
Figura 4.37. Figura 50. Detalhe da razão axial para o caso Antena CPW – Fractal Nível I:
W2 = 1,0 mm e L1 = 7,0 mm............................................................................................. 43
Figura 4.38. Figura 51. Detalhe da razão axial ampliado para o caso Antena CPW – Fractal
Nível I: W2 = 1,0 mm e L1 = 7,0 mm.................................................................................. 44
Figura 4.39. Figura 52. Detalhe da razão axial para o caso Antena CPW – Fractal Nível I: W2
= 1,5 mm e L1 = 9,0 mm.............................................................................................. 45
Figura 4.40. Detalhe da razão axial ampliado para o caso Antena CPW – Fractal Nível I:
W2 = 1,5 mm e L1 = 9,0 mm........................................................................................... 45
Figura 4.41. Detalhe da razão axial para o caso Antena Microfita – Fractal Nível I:
W2 = 1,0 mm e L1 = 10,0 mm............................................................................................. 46
Figura 4.42. Detalhe da razão axial para o caso Antena Microfita – Fractal Nível II:
W2 = 1,0 mm e L1 = 7,0 mm............................................................................................. 46
Figura 4.43. Detalhe da razão axial para o caso Antena Microfita – Fractal Nível II:
W2 = 1,0 mm e L1 = 7,0 mm.............................................................................................. 47
Figura 4.44. Comparativo da Densidade Linear para os casos construídos........................ 47
vi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Casos de análise de sensibilidade – Fractal Nível I............................................. 27
Tabela 2. Casos de análise de sensibilidade – Fractal Nível II............................................ 29
Tabela 3. Casos de análise de sensibilidade – CPW Fractal Nível I.................................... 31
Tabela 4. Casos de análise de sensibilidade – CPW Fractal Nível II................................... 32
Tabela 5. Análise dos casos medidos.................................................................................... 36
vii
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
HFSS High Frequency Structure Simulator
FR-4 Designação de material dielétrico de fibra de vidro
BW Largura de banda
εr Permissividade elétrica relativa
ε0 Permissividade elétrica (no vácuo)
μ0 Permeabilidade magnética (no vácuo)
c Velocidade da luz
λo Comprimento de onda guiada no vácuo
B Densidade de Fluxo magnético
D Densidade de Fluxo elétrico
1
Capítulo 1
Introdução
1.1 Motivação
A partir da década de 70 estudos sobre sistemas de comunicações sem fio, sistema
banda larga e comunicações ópticas estão em evidencia e devido ao crescimento de
exigências destes projetos, a engenharia de telecomunicações tem procurado
acompanhar essa expansão e evolução dos dispositivos com projetos de sistemas de alta
frequência com dimensões reduzidas. Neste contexto, os circuitos integrados em
microfita tem contribuído para o aumento de possibilidades de implementação em
comunicações móveis, solucionando problemas e atendendo a determinadas
especificações de projeto em termos de frequência de operação desejada e largura de
banda específica para aplicações em comunicações sem fio [1-3].
Diversos materiais e técnicas têm sido usados na construção dos circuitos integrados
em especial antenas planares de microfita. Alguns materiais utilizados na confecção de
circuitos planares são fibra de vidro, Duroid, materiais cerâmicos, entre outros [4-5].
Novas geometrias do patch e aberturas na estrutura do plano de terra tem sido
estudado. Entre as várias técnicas de alimentação empregadas, uma tem sido bastante
considerada: o guia de onda coplanar (do inglês coplanar waveguide - CPW), que tem o
plano de terra alocado no mesmo plano que o patch radiante [6]. Além disso, muitos
estudos têm sido realizados para a análise da polarização de antenas [7]. Esses estudos
consideram a polarização como função da orientação do vetor campo elétrico na direção
de máxima radiação. Existem três tipos de polarização para o campo elétrico produzido
pela antena: linear, circular e elíptica. É importante destacar que a polarização circular
de antenas acrescenta melhorias no desempenho da transmissão para o nosso caso.
1.2 Estado da Arte
As antenas de microfita têm sido muito aplicadas na faixa de comunicação móvel e
ondas milimétricas. Estudos têm sido realizados no sentido de encontrar novas
2
características de tais dispositivos. Por exemplo, a técnica da posição da estrutura do
plano de terra tem sido explorada por alguns autores, onde encontra-se o estudo
comparativo entre estruturas que contém o plano de terra na parte posterior da antena e
na parte frontal da antena no mesmo plano do elemento patch radiante. Em [8] Kishk,
Ahmed A., et al. usa alimentação CPW e cita que a perda da antena alimentada por esta
técnica é menor que a estrutura alimentada com microfita comum e faz um comparativo
entre esses dois métodos de excitação em termos de aumento na largura de banda e
padrões de radiação.
Em [9] Chen, Jin-Sen. propõe um estudo experimental sobre antena em duas
frequências ressonantes com fendas e aberturas no plano de terra com formato em anel,
onde várias dimensões foram testadas para obtenção de frequências entre 1,34 GHz -
3,11GHz; 1,4GHz e 1,74GHz. O acréscimo de fendas e aberturas no plano de terra com
geometrias simples e fractais tem sido estudado no intuito de modificar as relações de
perda de retorno, frequência de ressonância, distribuição de corrente, largura de banda e
polarização da antena. Em [10] Da Silva, Marcelo Ribeiro, et al. mostra a curva fractal
de Koch para antena monopolo com fenda retangular no plano de terra. Diferentes
níveis fractais foram testados e modificações na largura de banda foi observada.
Em [11] Chen, Wen-Ling, descreve que a impedância da antena juntamente com a
largura de banda pode ser melhorada selecionando o fator de interação e a ordem do
nível fractal em uma fenda tipo Slot.
Em [12] Yoon, JoongHan, usa aberturas com geometrias especificas na estrutura do
plano de terra para alcançar 3 bandas de frequências ressonantes abaixo de -10dB para o
gráfico do coeficiente de reflexão para a faixa de frequência entre 2,4 e 5 GHz.
Em [13] Fan Yang usa como objetivo principal a diversidade na polarização circular
em antenas planares, projeto este mostra recursos para aplicações como redes locais sem
fio, links de satélite e circuitos remotos.
1.3 Proposta da Pesquisa e Metodologia
Este trabalho propõe analisar novas estruturas de antenas de microfita com
características de patch fractal, alimentação CPW, mudança no plano de terra e
polarização circular com aplicações em sistemas de comunicações terrestres e via
satélite.
A metodologia empregada no trabalho consistiu basicamente nas seguintes etapas:
(i) pesquisa bibliográfica; (ii) análise de trabalhos relacionados nos últimos dez anos
3
(além dos trabalhos clássicos); (iii) projeto de proposta de mudanças adequadas nas
estruturas planares a fim de obter aplicações específicas em comunicações sem fio;
(iv) otimização da estrutura proposta através do emprego de software dedicado HFSS;
(v) construção física das estruturas propostas; (vi) medição em laboratório dos
protótipos construídos; (vii) análise comparativa dos resultados simulados e medidos;
(viii) redação de relatórios técnicos da pesquisa desenvolvida; (ix) redação de trabalhos
para eventos científicos nacionais e internacionais; (x) redação da tese.
Na figura 1.1 é apresentado um fluxograma que mostra com detalhes a sequência da
metodologia empregada neste trabalho.
Figura 1.1: Diagrama de blocos da metodologia de pesquisa utilizada.
4
1.4 Organização do Texto
Esta tese de doutorado está organizada em cinco capítulos, os quais são descritos a
seguir. No capítulo 2 são apresentados os principais conceitos de antenas e os seus
parâmetros. O capítulo 3 apresenta algumas das mais utilizadas técnicas em antenas de
microfita para a obtenção de resultados específicos. No capítulo 4 é mostrada a
geometria da antena proposta e análise dos resultados obtidos, enquanto o capítulo 5
apresenta as conclusões e propostas de continuidade da pesquisa.
1.5 Publicações
1.5.1 Eventos Científicos
* CEFC 2014 – Design and Simulation of Fractal Antennas for Dual Band
Application: 2014, Annecy, França.
* ACES 2015 – A New Fractal Antenna Array for Wireless Communications: 2015,
Williamsburg, EUA.
* AP-S/URSI 2016 – A Novel Planar Fractal Antenna with CPW-Feed and Partial
Ground Plane Removal for C-Band and S-Band Applications: 2016, Fajardo, Porto
Rico.
1.5.2 Periódicos
* JMOE – A new triple band microstrip fractal antenna for c-band and s-band
applications. Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic
Applications. Vol. 15, Nº 3, ISSN 2179–1074/ Pág 210 - 224 (2016).
5
Capítulo 2
Antenas Impressas
2.1 Antenas de Microfita
Desde a década de 70 antenas planares estão em evidencia; as chamadas antenas de
microfita tem sido amplamente estudada e analisada para aplicações em sistemas de
comunicações móveis [14]. Seu desempenho, baixo peso e perfil, a facilidade de
integração com outros elementos de circuitos tem chamado a atenção dos pesquisadores
por todo o mundo [15]. Estes dispositivos têm mostrado versatilidade em termos de sua
resposta em frequência, além de aplicações em comunicação sem fio, as antenas de
microfita têm aplicações aeronáuticas e em mísseis teleguiados.
Basicamente, as antenas de microfita são compostas por um substrato dielétrico de
permissividade relativa, εr, e sobre esse substrato tem-se o elemento radiante, chamado
de patch, e o plano de terra comumente localizado na parte posterior da antena. A
Figura 2.1 mostra um exemplo de antena de microfita com patch retangular, onde: L é o
comprimento do patch, W é a largura do patch, r e h são a altura da camada de cobre
condutor e a altura do substrato dielétrico respectivamente.
Figura 2.1: Configuração de uma antena de microfita com patch retangular.
6
CAPÍTULO 2. ANTENAS IMPRESSAS
Existem várias formas geométricas que o elemento radiante pode assumir. Na Figura
2.2, tem-se algumas das formas comumente utilizadas nas pesquisas analisadas.
Figura 2.2: Algumas formas geométricas do patch radiante nas antenas de microfita.
As antenas podem ser alimentadas de diferentes formas e configurações. Neste
trabalho serão analisadas a alimentação por linha de microfita e a por coplanar Wave
Guide (CPW). Diferentes características podem ser apontadas nestes dois tipos de linhas
de transmissão, como por exemplo, o casamento de impedância que pode ser projetado
para antenas com linha de microfita e plano de terra na parte posterior do dispositivo,
assim também como para a alimentação CPW [16 - 17].
2.2 Linha de Microfita
A linha de microfita é uma linha de transmissão planar composta de fitas condutoras
metálicas que são alocadas em substratos dielétricos a fim de guiarem a onda
eletromagnética e em seguida serem radiadas ao espaço livre, funcionando assim como
antenas. Baseada na Teoria de Circuitos, podemos caracterizar as antenas em termos da
sua indutância e capacitância através de circuitos equivalentes. Na Figura 2.3 é
mostrada a estrutura que é largamente utilizada para a linha de transmissão de microfita,
que consiste de uma fita condutora simples com largura w, alocada em um substrato
dielétrico de altura h. Em antenas com a alimentação por linha de microfita pode haver
diferentes valores de w e h de acordo com a especificação de cada projeto. Na parte
posterior do substrato fica alocado o plano de terra de material condutivo. Este por sua
vez pode ter configurações específicas em antenas para cada tipo de projeto [18].
7
CAPÍTULO 2. ANTENAS IMPRESSAS
Figura 2.3: Configuração de uma linha de microfita sobre substrato.
O projeto da linha leva em consideração aspectos como o casamento de impedância.
Para o caso de impedâncias próximas de 50 Ω, pode-se utilizar a equação (1) [19]:
𝑍0~√𝜇𝑟
𝜀𝑟.
𝜇0
𝜀0.
ℎ
𝑤. [1 + 1,735𝜀𝑟
−0,0724. (𝑤
ℎ)−0,836]−1 (1)
Notar que a equação (1) não considera a dependência da altura do condutor t. Para
melhor aproximação deve-se usar a equação (2) descrita em termos de w e considerando
o valor de t como se segue:
𝑤𝑒𝑓𝑓 = 𝑤 +𝑡
𝜋. [ln (
2.ℎ
𝑡) + 1] (2)
Para antenas que tem por alimentação linha de microfita, o cálculo da largura w para
uma impedância Z0 é dada como [20]:
𝑤
ℎ=
2
𝜋[𝛽 − 1 − ln(2. 𝛽 − 1) +
𝜀𝑟−1
2.𝜀𝑟(ln(𝛽 − 1) + 0,39 − (
0,61
𝜀𝑟))] (3)
sendo o fator de fase, 𝛽, dado por:
𝛽 = 377𝜋
2𝑍0√𝜀𝑟 (4)
8
CAPÍTULO 2. ANTENAS IMPRESSAS
2.3 Coplanar Wave Guide (CPW)
Outra forma de alimentação muito utilizada em circuitos planares, inclusive em
antenas de microfita, é a configuração em que o plano de terra está no mesmo plano do
patch radiante, a qual é conhecida como guia de onda coplanar (do inglês coplanar
wave guide - CPW), mostrado na Figura 2.4.
Figura 2.4: Configuração de uma linha de alimentação CPW.
Esta configuração apresenta várias vantagens em relação à alimentação por linha de
microfita, como por exemplo, a energia efetiva pode ser acoplada no substrato. Temos
também para o plano de terra que pode ser prejudicado por causa da indutância entre as
conexões, fraca dispersão, vazamento de baixa radiação, capacidade de controlar de
forma eficaz a impedância característica, além da facilidade de integração com
dispositivos ativos.
Na análise da CPW da figura 2.4, o espaçamento S é determinante na resposta dos
dispositivos [21-23]. Estas estruturas coplanares, geralmente melhoram o desempenho
quando a relação W/H diminui, porque o aumento da borda implica menos energia
acoplada em um substrato potencialmente com perdas.
Da mesma maneira que na seção anterior, a impedância característica para a
configuração CPW é descrita como se segue:
𝑍0 = 𝜂𝐾′(𝑘)
4√𝜀𝑒𝐾(𝑘) (5)
𝑘 = 𝑤/2
𝑤/2+𝑆 (6)
9
CAPÍTULO 2. ANTENAS IMPRESSAS
𝜀𝑒 = 1 +𝜀𝑟−1
2.
𝐾′(𝑘)𝐾(𝑘1)
𝐾(𝑘)𝐾′(𝑘1) (7)
𝑘1 = 𝑆𝑒𝑛ℎ(𝜋𝑤
4𝐻)/𝑆𝑒𝑛ℎ(𝜋
𝑤
2+𝑆
2𝐻) (8)
Usando a função de k definido em (6), temos:
𝐾′(𝑘)
𝐾(𝑘)= (
1
𝜋ln (2
1+√𝑘
1−√𝑘)) (9)
𝐾′(𝑘)
𝐾(𝑘)= (
1
𝜋ln (2
1+√𝑘
1−√𝑘))−1 (10)
Para este caso são considerados os fatores de proporcionalidade K1, chamado de aspect
ratio que é descrita em função da largura da microfita e do acoplamento. Em Garg [53]
é considerado uma CPW com a altura do dielétrico finita, como se segue:
𝑍0 =30𝜋
√𝜀𝑟𝑒
𝐾′(𝑘)
𝐾(𝑘) (11)
𝜀𝑟𝑒 = 1 + 𝑞(𝜀𝑟 − 1) (12)
Onde o fator q é chamado de filling fraction.
2.4 Parâmetros em Antenas de Microfita
Em antenas de microfita é comum dar destaque aos parâmetros que caracterizam a
resposta e o comportamento desses dispositivos.
10
CAPÍTULO 2. ANTENAS IMPRESSAS
2.4.1 Perda de Retorno
O funcionamento em antenas de microfita pode ser aferido através do coeficiente de
reflexão e da perda de retorno, que é considerado como o valor de referência padrão em
-10 dB; nesse valor pode-se afirmar que 90% do sinal foi radiado ao espaço livre e 10%
foi refletido. Assim, o parâmetro S11 é entendido como o parâmetro de espalhamento da
porta 1 de alimentação em relação a ela mesma.
A classificação de frequência em faixa estreita, larga e ultra larga é realizada
considerando o ponto inicial e final em que o gráfico da perda de retorno cruza a linha
de -10 dB, como visto na Figura 2.5 que mostra a largura de banda de 100 MHz na faixa
entre 1,35 e 1,45 GHz. Para este caso, temos a caracterização da faixa estreita.
Figura 2.5: Exemplo genérico para a perda de retorno em antenas de microfita.
Para antenas de microfita com patch retangular, combinações de diferentes modos de
ressonância são esperadas para diferentes tamanhos físicos do patch.
2.4.2 Casamento de Impedância
As expressões para uma linha de transmissão sem perdas podem dadas como:
𝑍𝑧
𝑍0=
1+ɼ𝑧
1−ɼ𝑧 (11)
ɼ𝑧 = ɼ𝐿𝑒−𝑗2𝛽𝑍 (12)
11
CAPÍTULO 2. ANTENAS IMPRESSAS
ɼ𝐿 =𝑍𝑳−𝑍𝟎
𝑍𝑳+𝑍𝟎 (13)
onde Zz é a impedância característica, Z0 é a impedância de entrada e Г é o coeficiente
de reflexão.
A transformação do coeficiente de reflexão Г ao longo da linha é uma rotação, sendo
muito mais simples que a expressão para Z em função de ZL e a tangente (βZ). Por este
motivo é conveniente trabalhar graficamente no plano Rɼz+-jɼz. Desse modo qualquer
valor de impedância normalizada por Z0 pode ser representado dentro de uma região
circular. Graficamente, pode-se fazer isto através da carta de Smith, como visto na
figura 2.6.
Na teoria de circuitos, a impedância Z é representada por um número complexo
Z = R+-jX, onde R é a parte resistiva e X a parte reativa, o ponto Г = -1 corresponde a
resistência zero ou reatância zero e o ponto Г = 1 corresponde a resistência ou reatância
infinita, como mostrado na figura 2.6.
Figura 2.6: Ilustração da carta de Smith.
2.4.3 Ganho
Segundo Balanis [15], o ganho de uma antena é definido como a razão entre a
intensidade de radiação, em uma dada direção, e a intensidade de radiação que seria
obtida se a potência aceita pela antena fosse radiada isotrópicamente.
12
CAPÍTULO 2. ANTENAS IMPRESSAS
Em antenas de microfita, o ganho é em média entre 2 e 6 dBi, considerado baixo
ganho quando comparado com outros tipos de antenas. Assim, o ganho pode ser
definido como o produto da diretividade (D) pela eficiência de radiação (ηr):
𝐺 = 𝜂𝑟 𝐷 (14)
2.4.4 Diagrama de radiação
O diagrama de radiação é definido como a representação gráfica das propriedades de
radiação da antena em função das coordenadas espaciais.
Os diagramas podem ser apresentados por representação polar e usando diagramas
em coordenadas retangulares.
Figura 2.7: Representação de Diagramas de Radiação.
Um lóbulo de radiação é uma parte do diagrama de radiação delimitado por regiões
de relativa baixa intensidade de radiação. Os lóbulos podem ser classificados como
maior ou principal lateral ou posterior. Na Figura 2.7, 2.8 e 2.9 são apresentados alguns
diagramas de radiação de algumas estruturas usuais. Interessante é coletar o plano E e H
dos padrões de radiação nas frequências de operação das antenas [24], onde o plano
13
CAPÍTULO 2. ANTENAS IMPRESSAS
elétrico para θ = 90° e o plano magnético para φ = 0°. Existem diferentes padrões de
radiação para antenas como: Padrão toroidal, omnidirecional em Slot antena, e padrão
direcional.
Figura 2.8: Dipolo de Meia Onda [24].
Figura 2.9: Antena Yagi de 5 elementos. [24].
2.4.5 Densidade Linear de Corrente
Para iniciar este tópico é preciso introduzir a teoria de campos para a densidade
linear de corrente, ao final deste tópico é apresentada a aplicação direta da teoria
apresentada com exemplos de antenas planares com alimentação em microfita e CPW.
No capítulo de resultados será apresentado este tópico de densidade linear nas
antenas construídas e simuladas através da distribuição de corrente.
Para campos EM estáticos, temos:
𝛻×𝑯 = 𝑱 (15)
𝛻. (𝛻×𝑯) = 0 𝛻. 𝑱 = 𝟎 (16)
14
CAPÍTULO 2. ANTENAS IMPRESSAS
onde 𝛻, 𝑯 e 𝑱 representa o operador nabla, o campo magnético e a densidade linear de
corrente elétrica, respectivamente.
Pela continuidade da corrente, tem-se:
𝛻. 𝑱 = −𝜕𝜌𝑣
𝜕𝑡 (17)
Para campos variantes no tempo:
𝛻×𝑯 = 𝑱 + 𝑱𝑫 (18)
𝛻×𝑯 = 𝑱 +𝝏𝑫
𝝏𝒕 (19)
Quando a densidade J cruza uma superfície S a corrente I é obtida pela integração do
produto escalar entre J e dS:
𝑑𝐼 = 𝑱. 𝒅𝑺 𝐼 = ∫ 𝑱. 𝑑𝑆 (20)
Em algumas situações, a corrente é confinada na superfície do condutor. Essas
correntes superficiais em (A/m) tem sentido que corresponde ao sentido de circulação
da corrente e módulo correspondente a corrente elétrica por unidade de comprimento
transversal que circula pela superfície, Js (A/m) [25].
Em geral a corrente fluindo através de um contorno c situado sobre a superfície onde
as cargas se movem é obtido por:
𝐼 = ∫ 𝑱𝒔. 𝑑𝑙, onde 𝑱 = 𝜎. 𝑬 (21)
Na Figura 2.10 é mostrada as linhas de campos para uma antena com linha de
microfita e CPW, enquanto que na Figura 2.11 tem-se a aplicação direta da teoria
apresentada anteriormente, onde é apresentado o gráfico para a distribuição de
densidade de corrente coletada na porta de alimentação para os casos de antenas por
linha de microfita e por CPW. Observa-se uma maior concentração próximo ao gap de
dimensão S.
Figura 2.10: Linhas de campos: (a) Linha de microfita para 50 Ω; (b) Alimentação CPW.
15
CAPÍTULO 2. ANTENAS IMPRESSAS
Figura 2.11: Densidade linear de corrente na porta de Alimentação: (a) Linha de microfita para 50 Ω;
(b) Alimentação CPW.
2.5 Polarização de Ondas
Por definição, a polarização de uma onda eletromagnética é o plano no qual se
encontra a componente elétrica desta onda. Toda onda eletromagnética é composta de
dois campos, o elétrico e o magnético, sempre situados em planos ortogonais (planos
fisicamente a 900 graus), e variando em fase (00 grau). Estes campos se propagam em
qualquer material isolante (dielétrico) com uma velocidade de propagação, cujo vetor
está a 90 graus dos vetores campo elétrico e magnético.
2.5.1 Polarização Linear
A polarização linear tem como características principais, a direção de oscilação se
mantem fixa, o módulo e o sentido do campo elétrico mudam no tempo. A polarização
linear é produzida quando o vetor que descreve o campo elétrico em dado ponto do
espaço como uma função do tempo e está mantido em uma mesma direção.
2.5.2 Polarização Circular
Uma característica da polarização circular é que muda o sentido de rotação quando
refletida por um plano condutor, como por exemplo, refletores planos ou parabólicos,
reflexão lunar, etc. Na onda linearmente polarizada, muda somente a fase (inversão ou
180 graus), quando refletida. Outra característica da polarização circular é a razão axial,
que é a relação das amplitudes dos vetores no plano X pelo plano Y. Num círculo
perfeito, esta relação é 1, ou 0 dB. Relação axial diferente de 0 dB significa que a
polarização não é perfeitamente circular, mas elíptica.
16
CAPÍTULO 2. ANTENAS IMPRESSAS
A combinação de duas ondas linearmente polarizadas, uma vertical e outra
horizontal, de mesma amplitude e eletricamente defasadas de 90 graus, resulta em uma
onda circularmente polarizada.
2.5.3 Polarização Elíptica
A polarização elíptica é a polarização da radiação eletromagnética, de modo que a
ponta do vetor de campo elétrico descreve uma elipse em qualquer plano fixo que se
cruze e seja normal à direção de propagação. Uma onda polarizada elipticamente pode
se decompor em duas ondas linearmente polarizadas em quadratura de fase, com seus
planos de polarização em ângulo reto entre si. Como o campo elétrico pode girar no
sentido horário ou anti-horário à medida que se propaga, as ondas elipticamente
polarizadas exibem assimetria.
2.5.4 Polarização em Antenas de Microfita
Em geral, as antenas patch de microfita são linearmente polarizadas, mas elas podem
ser projetadas para gerar polarização circular usando algumas técnicas. Em geral as
técnicas de polarização circular são dependentes do número de alimentadores ou da
forma do patch da antena. Nesta tese, abordaremos a polarização produzida através da
técnica da inserção de fendas e aberturas. É importante destacar que cada técnica tem
suas vantagens e desvantagens em termos da razão axial da largura de banda e da
complexidade do projeto da antena ou da fabricação da antena.
Antenas de microfita usualmente são designadas para operação em modo único
(modo dominante) com radiação polarizada linearmente. Em algumas aplicações de
comunicações via satélite, a polarização circular é requerida por causa da intensidade
tanto para transmitir como para receber [26]. A razão axial é geralmente usada para
especificar a qualidade de ondas circularmente polarizadas.
Figura 2.12: Razão axial em dB em função da frequência em MHz.
17
CAPÍTULO 2. ANTENAS IMPRESSAS
A fim de ilustrar a polarização em antenas de microfita, apresentamos o gráfico da
Figura 2.12, que mostra a razão axial (dB) versus frequência (MHz). Facilmente,
consegue-se determinar a largura da banda da polarização circular para -3 dB da razão
axial [27, 28]. Vários estudos têm sido elaborados de forma a melhorar ou modificar a
forma de polarização de antenas de microfita implementando: fenda cruzada com lados
diferentes [29,30], fenda em Y [31] fendas de diferentes formas de fendas no plano de
terra. Uma vantagem da polarização circular é não ser afetada pela rotação de Faraday
em ondas que atravessam a atmosfera e ou a ionosfera, principalmente em
comunicações via satélite, ao trafegar pela ionosfera, a onda eletromagnética sofre uma
rotação nos vetores de campo elétrico e magnético, alterando a polarização da onda.
Outra vantagem é que não é necessário ajustar a polarização das antenas (posição em
torno do eixo de propagação) como acontece com antenas linearmente polarizadas.
Várias técnicas têm sido usadas na obtenção de ondas polarizadas circularmente entre as
quais pode-se citar: alimentação múltipla em 90º (cruzada), uso de diodos de alta
frequência para reconfiguração.
A Figura 2.13, mostra um patch truncado com fendas, em [32] aberturas na estrutura
do plano de terra e o formato do patch fractais podem produzir modos polarizados
circularmente. Forma muito usada em projetos de circuitos integrados em micro-ondas.
Figura 2.13: Patch truncado nas extremidades [32].
A figura 2.14 mostra as características da razão axial do patch da figura 2.13. Nesse
caso, a mudança do comprimento da linha de microfita fornece excitação de fase de 90°
e para o comprimento que fornece excitação de fase de 85,8°.
18
CAPÍTULO 2. ANTENAS IMPRESSAS
Figura 2.14: Razão Axial para o caso da figura 2.13 [32].
Neste trabalho com a inserção de fendas e aberturas na estrutura do plano de terra de
forma específica e diferentes níveis fractais, pode-se verificar mudanças nas
características da polarização da antena através da análise da largura de faixa na razão
axial em 3 dB.
2.6 Conclusão
Neste capítulo, foi realizado um estudo analítico sobre dispositivos planares em
microfita, os tipos de alimentação e os parâmetros relacionados à análise do
comportamento das antenas de microfita, como sendo parte determinante para o
entendimento dos resultados apresentados no capítulo 4 deste trabalho.
No capítulo 3 a seguir serão analisadas técnicas e efeitos para o emprego de
transformador ¼ de onda e aberturas na estrutura do plano de terra, além de descrição
da polarização circular empregada nas antenas aqui desenvolvidas.
19
CAPÍTULO 3
Fendas e Aberturas no Plano de Terra
3.1 Geometria Fractal
A geometria fractal é uma ferramenta que descreve, analisa e modela as formas
encontradas na natureza [33]. Estas formas têm sido amplamente utilizadas para projeto
e confecção de antenas impressas, onde seus formatos particulares melhoram o
desempenho de tais dispositivos em termos de resposta e tamanho. A miniaturização
dos circuitos é um dos problemas alvo dos projetistas, principalmente na área de
engenharia de circuitos planares em micro-ondas, em alguns casos são necessárias
antenas com área efetiva reduzida, o qual o uso de formas fractais tem contribuído neste
sentido, através de propriedades como a auto similaridade [34 - 37].
Na Figura 3.1 são apresentadas algumas formas mais usadas em antenas de
microfita. Neste trabalho foi usada a forma fractal que respondem a curva da ilha de
Minkowisk para o nível I e II.
Figura 3.1: Geometrias fractais usadas em estruturas planares de micro-ondas com diferentes níveis.
20
CAPÍTULO 3. FENDAS E ABERTURAS NO PLANO DE TERRA
Os diferentes níveis podem ser implementados em antenas de microfita para testes
em diferentes frequências de operação, como visto na Figura 3.2. Fendas de formato
fractal no plano de terra têm sido amplamente estudadas para melhorar a largura de
banda, controle da frequência de ressonância, desempenho de ganho e diagrama de
radiação direcionada em um dado sentido. A distribuição de corrente sofre efeitos
específicos nos cantos de cada forma.
Figura 3.2: Fenda em dois níveis com abertura de curva fractal no plano de terra.
3.2 Transformadores de ¼ onda
Transformadores de ¼ de onda são comumente usados para casar duas seções de
linha de transmissão, como a linha de microfita, que apresentam diferentes impedâncias
características. O princípio essencial envolvido no transformador de ¼ de onda é
facilmente explicado ao considerar o problema da correspondência de uma linha de
transmissão de impedância característica Z1 a uma pura carga resistiva da impedância
ZL como Ilustrado na Figura 3.3. Se uma seção intermediária de linha de transmissão
com impedância característica Z2 e um quarto de comprimento de onda longa é
conectado entre a principal linha e da carga, a impedância de carga efetiva apresentada à
linha principal é [38-41]:
𝑍 = 𝑍2𝑍𝐿+𝑗𝑍2𝑇𝑎𝑛(𝛽𝜆/4)
𝑍2+𝑗𝑍𝐿𝑇𝑎𝑛(𝛽𝜆/4)=
𝑍22
𝑍𝐿 (21)
21
CAPÍTULO 3. FENDAS E ABERTURAS NO PLANO DE TERRA
onde a constante de fase β pode ser dada como:
𝛽𝑙 = 2𝜋𝑓𝑙/𝑐 (22)
Figura 3.3: Circuito equivalente para transformador ¼ de onda.
3.3 Fendas no Plano de Terra em Antenas Impressas
As fendas (slots) inseridas no plano de terra tem grande aplicação em antenas
planares de microfita, pois modificam seu desempenho e resposta em termos de
frequência de operação e casamento de impedância. Além disso, provocam mudanças
no circuito equivalente do dispositivo. Diversos formatos e geometria para estes
defeitos (aberturas) inseridos no plano de terra têm sido pesquisados. Principais
melhorias alcançadas com a inserção de fendas: (i) aumento na largura de banda, (ii)
mudança no tipo de polarização da antena, (iii) diagrama de radiação, (iv) distribuição
de corrente, (v) controle da frequência de ressonância [42].
Na Figura 3.4 é mostrado um tipo de fenda no plano de terra com a utilização do
floco de neve de Koch na segunda interação. Recentemente, tem havido um interesse
crescente no uso de DGS (Defect Ground Structure) para melhorias de desempenho de
antenas de microfita e arranjos.
As formas podem variar desde simples fendas até estruturas mais complexas com
recortes de formato fractal. Devido seu comportamento ressonante, os defeitos
(aberturas) podem ser comparado com um circuito LC paralelo [43-46].
22
CAPÍTULO 3. FENDAS E ABERTURAS NO PLANO DE TERRA
Figura 3.4: Abertura Fractal no plano de terra.
Os estudos mostram que um aumento na largura de banda da antena, mediante
variação nas interações e como esperado, a frequência ressonante da antena ranhura
diminui com o aumento do número de iterações. Mesmo que o perímetro do slot
aumente por um fator de 33% em cada iteração, a mudança na frequência ressonante
não segue a mesma ordem. Observa-se que a geometria fractal Koch melhora a
correspondência em as frequências mais baixas, juntamente com realce para a largura de
banda da antena.
A vantagem de colocar fendas nos mais diferentes formatos em estruturas planares
como antenas de microfita é de que são produzidos diagramas de radiação bidirecional e
unidirecional com banda larga.
Na Figura 3.5 é observado um exemplo de DGS aplicado à circuito de micro-ondas:
Figura 3.5: Ilustração de diagramas de fendas DGS.
23
CAPÍTULO 3. FENDAS E ABERTURAS NO PLANO DE TERRA
Vários formatos para cada unidade de abertura no plano de terra podem ser
impressos em antenas. O circuito equivalente para cada unidade de defeito representa
uma associação em paralelo de uma indutância e uma capacitância, como visto na
Figura 3.6.
Figura 3.6: Circuito ressonante em paralelo.
O circuito do filtro LC em paralelo resulta em uma impedância equivalente em
quadratura (defasado de 90º) dado por:
𝑍𝑒𝑞 =𝜔2𝐿𝐶
(𝜔𝐿 −1
𝜔𝐶)
que consequentemente mostra a influência direta do valor da reatância indutiva e
capacitiva do circuito, bem como a velocidade angular ω do sinal da fonte.
3.4 Conclusão
Neste capítulo foram discutidos tópicos relevantes sobre técnicas e métodos
aplicados em estruturas planares, circuitos em micro-ondas em especial antenas planares
de microfita. Isto pode proporcionar uma diversidade em termos dos parâmetros de
circuitos planares, como polarização circular, aumento da largura de banda. O
entendimento destes assuntos subsidiará o próximo capítulo que trará resultados das
antenas estudadas.
24
CAPÍTULO 4
RESULTADOS: ANÁLISE E DISCUSSÕES
4.1 Evolução dos Casos com Plano de Terra Completo
Inicialmente foram realizados casos considerando antenas com patch retangular de
dimensões W = 15 mm; L = 13,34 mm e com plano de terra completo como visto na
figura 4.1 (a), a largura da linha de microfita para um casamento em 50 Ω foi
W1 = 3 mm. Neste caso o primeiro modo ressonante se deu em torno da frequência de
10 GHz, mostrando assim que a antena está descasada para aplicações na faixa de
frequência de interesse (1GHz – 6GHz). A possibilidade de redução da frequência de
ressonância se deu com a aplicação de fatores de escala L/3; L/4; W/3; W/4 para o patch
segundo a curva semelhante a ilha de Minkowisk [47]. Essa técnica apresentada na
figura 4.1 (b) fez com que a frequência de ressonância apresentasse um deslocamento
para a esquerda de 15,45%. Inserindo uma descontinuidade na linha como um
transformador de ¼ de onda de dimensões L1 = 10 mm e W2 = 1,0 mm, observa-se que
surge de mais uma banda ressonante na faixa de 4 GHz, conforme visto na figura 4.2.
Figura 4.1: Evolução da antena com Plano de terra completo.
Apesar destas regiões na banda de WLAN estarem bem definidas foi requerido como
objetivo do estudo, frequências de trabalho entre 1 GHz e 6 GHz. Em vários estudos
tem-se como objetivo o controle da frequência, com a consequente redução da mesma
até chegar a frequência de projeto desejada.
25
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
Figura 4.2: Comparativo da Perda de retorno para os casos da figura 4.1.
4.2 Evolução dos Casos com Aberturas no Plano de Terra
Neste sentido foram feitos acréscimos de fendas e defeitos (aberturas) no plano de
terra, foi considerado como ponto de partida a estrutura vista na figura 4.3 (a) que é a
mesma vista na figura 4.1 (c).
A resposta em termos de coeficiente de reflexão é apresentada na figura 4.4, onde
se tem a resposta para o caso com plano de terra completo sem defeitos com frequências
em 4 GHz e 8 GHz. Na figura 4.3 (b) foi inserido um defeito (fenda) de formato
retangular de dimensões Wg = 40 mm e Lg = 45 mm, o qual fez com que algumas
bandas ficassem suprimidas e com ressonância em apenas uma banda, em torno de 6,5
GHz. Na sequência, na figura 4.3 (c) foi colocado os mesmos fatores de escala Lg/3;
Lg/4; Wg/3; Wg/4 no defeito da estrutura do plano de terra, com isso tem-se a redução da
frequência de operação para 2,1 GHz e 3,7 GHz, existe a eminência de ressonância de
uma terceira banda em 5GHz, caracterizando para a estrutura final vista na figura 4.3 (c)
um comportamento ressonante em 3 bandas. A largura de banda manteve-se
basicamente em faixa estreita, faixas estas até 200 MHz.
-25
-20
-15
-10
-5
0
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12
S11 (
dB
)
Frequência (GHz)
Comparativo - Plano de Terra Completo
Patch Retângular Patch Fractal Fractal com 1/4 onda
26
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
Figura 4.3: Evolução da antena com aberturas no plano de terra.
Figura 4.4: Comparativo da Perda de retorno para os casos da figura 4.3.
A análise de sensibilidade é muito bem aceita nestes tipos de estudos, pois o
comportamento da antena pode variar sensivelmente em várias dimensões. Observar
teoricamente o estudo paramétrico de dimensões particulares da antena mostra detalhes
e características antes não percebidas, diversos trabalhos trazem a análise de
sensibilidade ou estudo paramétrico das suas estruturas [48-51].
A viabilidade da diversidade nos parâmetros e na construção físicas das antenas se dá
a partir deste ponto. Em que diferentes níveis fractais, defeitos na estrutura do plano de
terra e a utilização de CPW para a geometria proposta oferecem diferentes respostas
para a análise que se segue, inclusive diversidade na polarização.
-25
-20
-15
-10
-5
0
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12
S11(d
B)
Frequência (GHz)
Comparativo - Fendas no Plano de Terra
Sem Defeito Defeito Retangular Defeito Fractal
27
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
Nas subseções seguintes é apresentada uma análise de sensibilidade considerando
pares de variações das dimensões W2 e L1 em busca de resposta ótima em termos de
frequência de ressonância desejada e da largura de banda acima de 200 MHz. Para isso
foram considerados 4 casos com tipos de alimentação diferentes (linha de microfita e
CPW) e 2 níveis fractais para o patch radiante e para os defeitos e fendas do plano de
terra. Considerando o modelo de antena final vista em 4.3 (c). Aplicações evidenciadas
para a estrutura vista em 4.3 (c) Wi-Fi 802.11, 2G – 3G GSM, CDMA, UMTS. Além de
aplicações nas bandas C e S, usado na comunicação com satélites e radares.
4.3 Polarização de Antenas de Microfita
Foi simulada a razão axial em 3 dB para cada antena construída. A razão axial foi
gerada com o uso do Ansoft HFSS para cada frequência de ressonância, na seção 4.10 as
frequências em que não aparece o gráfico da razão axial é devido a esta ter registrados
valores acima de 3 dB, não caracterizando assim a polarização circular e sim linear.
Mostrando assim que as antenas propostas têm diversidade na polarização.
A polarização circular está garantida se a razão axial estiver abaixo de 3 dB na faixa
de frequência ressonante abaixo de -10 dB de perda de retorno. A largura de banda na
razão axial também pode ser obtida.
4.4 Análise de Sensibilidade para Antena de Microfita – Fractal Nível I
Figura 4.5: Antena por Linha de Microfita – Fractal Nível I
Na figura 4.5 é apresentada a primeira estrutura testada. A linha de alimentação é de
microfita e com defeito fractal chamado aqui de fractal nível I, no plano de terra no
detalhe o defeito com mesmo formato do elemento patch radiante. Foram testados cinco
28
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
casos de variação de L1 e W2, usando o passo 0,5 mm para valores de L1 e W2,
considerando valores maiores e menores para o caso inicial (W2 = 1,0 mm e L1 = 10
mm) como visto na figura 4.6, onde se tem comportamento dual band (W2 = 2,0 mm e
L1 = 10 mm) e comportamento tri band (W2 = 0,5 mm e L1 = 5 mm). O controle da
frequência está garantido como visto na tabela 1, assim como também o ganho em cada
frequência. Pela tabela 1, a largura de banda ficou acima de 200MHz na maioria dos
casos. O acréscimo na largura de banda na faixa de frequência entre 3GHz e 4GHz foi
de 91,8 %. Propiciando assim diversidade na largura de faixa e frequência de operação
para aplicação em faixas atribuídas pela ANATEL como SMP, STFC e etc.
Figura 4.6: Comparativo da Perda de retorno para análise paramétrica de W2 e L1 – Fractal Nível I
Tabela 1. Casos de análise de sensibilidade – Fractal Nível I
CASO Frequência (F0) GHz Largura de Banda (MHz) Ganho (dB)
W2=0,5mm
L1=5mm
1,77
3,27
4,92
502,1
400,3
125,7
3,97
4,11
4,36
W2=1,0mm
L1=7mm
2,07
3,55
4,92
88,8
529,0
153,7
3,64
5,39
5,09
W2=1,0mm
L1=10mm
2,1
3,76
202,5
551,3
3,81
4,16
W2=1,5mm
L1=9mm
3,75
4,97
607,6
161,6
4,88
4,83
W2=2,0mm
L1=10mm
3,95
5,05
767,8
228,8
4,78
4,97
-30
-20
-10
0
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
S11
(dB
)
Frequência (GHz)
Comparativo - Perda de Retorno - Microfita I
W2 = 0,5 mm; L1 = 5 mm W2 = 1,0 mm; L1 = 7,0 mm
W2 = 1,0 mm; L1 = 10 mm W2 = 1,5 mm; L1 = 9 mm
W2 = 2,0 mm; L1 = 10 mm
29
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
4.5 Análise de Sensibilidade para Antena de Microfita – Fractal Nível II
Figura 4.7: Antena por Linha de Microfita – Fractal Nível II
No caso apresentado na figura 4.7 a linha de alimentação continua a ser de microfita,
mas agora com defeito fractal chamado de nível II no plano de terra. Com fatores de
escala específicos. De maneira similar, existiram casos com 2 e 3 bandas ressonantes.
Na tabela 2 tem-se com detalhes de frequência, largura de banda e ganho para os pares
testados. Da mesma maneira, na faixa de 3 a 4 GHz observou-se um aumento de
88,89% na largura de banda, como visto na tabela 2.
Figura 4.8: Comparativo da Perda de retorno para análise paramétrica de W2 e L1 – Fractal Nível II
-25
-20
-15
-10
-5
0
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
S11
(dB
)
Frequência (GHz)
Comparativo - Perda de Retorno - Microfita II
W2 = 0,5 mm; L1 = 5,0 mm W2 = 1,0 mm; L1 = 7,0 mm
W2 = 1,0 mm; L1 = 10,0 mm W2 = 1,5 mm; L1 = 9,0 mm
W2 = 2,0 mm; L1 = 10 mm
30
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
Tabela 2. Casos de análise de sensibilidade – Fractal Nível II
CASO Frequência (F0) GHz Largura de Banda (MHz) Ganho (dB)
W2=0,5mm
L1=5mm
1,75
3,17
4,50
440,3
279,1
49,1
3,96
4,16
4,58
W2=1,0mm
L1=7mm
1,97
3,32
4,50
234,1
386,3
92,0
3,44
4,56
4,26
W2=1,0mm
L1=10mm
1,97
3,52
4,60
224,4
379,3
69,1
3,82
3,83
3,74
W2=1,5mm
L1=9mm
3,55
4,65
491,2
110,7
4,48
3,92
W2=2,0mm
L1=10mm
3,60
4,57
527,2
98,0
4,37
3,82
4.6 Análise de Sensibilidade para Antena CPW – Fractal Nível I
Figura 4.9: Antena por CPW – Fractal Nível I
No caso visto na figura 4.9, a configuração proposta foi a coplanar wave guide
(CPW), onde o plano de terra fica no mesmo plano do elemento radiante, separado da
linha de alimentação por um gap de dimensão g. Esta configuração apresenta algumas
31
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
vantagens em relação a microfita comum. Da mesma maneira que no caso 4.4
(Microfita fractal nível I) foi feito a análise de sensibilidade para os pares de W2 e L1.
As mesmas dimensões foram utilizadas para o estudo, agora com geometria CPW. Um
comportamento análogo ao caso 4.4 foi observado, o que já era esperado, como visto na
figura 4.10.
Figura 4.10: Comparativo da Perda de retorno para análise paramétrica de W2 e L1 – CPW Fractal Nível I
Como percebido pela tabela 3, o caso W2 = 2,0 mm e L1 = 10 mm apresentou a maior
largura de banda na faixa de 3 a 4 GHz o que representa um aumento de
aproximadamente 129,96% em relação ao caso W2 = 0,5 mm e L1 = 5,0 mm.
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
S11
(d
B)
Frequência (GHz)
Comparativo - CPW I
W2 =0,5 mm; L1 = 5 mm W2 = 1,0 mm; L1 = 7 mm
W2 = 1,0 mm; L1 = 10 mm W2 = 1,5 mm; L1 = 9 mm
W2 = 2,0 mm; L1 = 10 mm
32
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
Tabela 3. Casos de análise de sensibilidade – CPW Fractal Nível I
CASO Frequência (F0) GHz Largura de Banda (MHz) Ganho (dB)
W2=0,5mm
L1=5mm
1,82
2,17
3,40
209,1
91,9
304,4
1,01
1,50
3,95
W2=1,0mm
L1=7mm
2,17
3,62
420,4
404,4
0,0351
4,15
W2=1,0mm
L1=10mm
2,17
3,85
5,02
368,7
440,0
38,30
0,504
4,15
4,35
W2=1,5mm
L1=9mm
2,17
3,90
4,97
189,2
528,5
112,5
0,607
4,21
4,64
W2=2,0mm
L1=10mm
2,15
3,97
5,07
101,2
700,0
211,8
0,667
4,25
4,83
4.7 Análise de Sensibilidade para Antena CPW – Fractal Nível II
Figura 4.11: Antena por CPW – Fractal Nível II
Na figura 4.11 tem-se o caso coplanar (CPW) com defeito no plano de terra fractal
nível II. No gráfico da figura 4.12 pode-se verificar que as frequências ressonantes com
menor perda de retorno se concentraram em 1,5 – 2,0 GHz e 4,5 – 5 GHz.
33
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
Figura 4.12: Comparativo da Perda de retorno para análise paramétrica de W2 e L1 – CPW Fractal Nível
II.
Como visto na tabela 4, a maior largura de banda foi de 356,8 MHz para W2 = 1,0
mm e L1 = 7,0 mm e o maior ganho foi 4,081 dB para o caso W2 = 2,0 mm e L1 = 10,0
mm.
Tabela 4. Casos de análise de sensibilidade – CPW Fractal Nível II
CASO Frequência (F0) GHz Largura de Banda (MHz) Ganho (dB)
W2=0,5mm
L1=5mm
1,80
2,07
3,27
202,5
94,4
200,0
0,886
-1,26
3,72
W2=1,0mm
L1=7mm
2,05
3,45
4,57
356,8
209,5
55,7
-0,359
3,89
3,05
W2=1,0mm
L1=10mm
1,95
4,62
305,3
91,8
1,11
3,06
W2=1,5mm
L1=9mm
2,02
3,60
4,62
222,6
195,5
107,0
0,0842
4,038
3,038
W2=2,0mm
L1=10mm
2,02
3,62
4,65
104,9
275,0
116,2
0,319
4,081
3,044
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
S11
(d
B)
Frequência (GHz)
Comparativo - CPW II
W2 = 0,5 mm; L1 = 5 mm W2 = 1,0 mm; L1 = 7 mm
W2= 1,0 mm; L1 = 10,0 mm W2 = 1,5 mm; L1 = 9,0 mm
W2 = 2,0 mm; L1 = 10 mm
34
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
4.8 Antenas Construídas e Medidas
Para validar os resultados teóricos e apresentados anteriormente, foram construídas 4
antenas para experimentar os 2 tipos de alimentação e os 2 tipos de defeito fractais em
diferentes níveis no plano de terra. O processo de fabricação das antenas envolveu 3
etapas: a) elaboração do layout da geometria; b) Confecção de máscara adesiva; c)
Imersão das placas de fibra de vidro com faces condutivas em solução de percloreto de
ferro. A medição foi realizada usando um analisador vetorial de redes, colocando cada
antena no interior de uma câmara anecóica, como visto na figura 4.13. Para redução de
efeitos espúrios de fontes externas de rádio frequência. Com o auxílio de um
computador foram extraídos os respectivos gráficos de perda de retorno de cada
protótipo de antena, visto na figura 4.14.
Conforme visto nas figuras 4.15, 4.16, 4.17 e 4.18 as antenas foram fabricadas e os
valores de W2 e L1 foram escolhidos das tabelas 1, 2, 3 e 4 respectivamente, os valores
de W2 e L1 que foram escolhidos apresentaram largura de banda em faixa larga e
mostraram um bom ganho em dB.
Figura 4.13: Antena Fractal no interior da câmara anecóica.
35
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
Figura 4.14: Setup de medição com computador e analisador de redes.
Figura 4.15: Antena por Linha de Microfita – Fractal Nível I: W2 = 1,0 mm e L1 = 10,0 mm
Figura 4.16: Antena por Linha de Microfita – Fractal Nível II: W2 = 1,0 mm e L1 = 7,0 mm
36
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
Figura 4.17: Antena CPW – Fractal Nível I: W2 = 1,0 mm e L1 = 7,0 mm
Figura 4.18: Antena CPW – Fractal Nível II: W2 = 1,5 mm e L1 = 9,0 mm
Nas figuras 4.19 e 4.20 são mostradas as análises comparativas para os resultados
medidos e simulados respectivamente, estes valores de W2 e L1 foram escolhidos a
partir dos resultados das tabelas 1, 2, 3, 4 que retornaram valores de largura de banda e
ganho em níveis desejados. Pode-se verificar que as resposta em frequência para o
mesmo nível fractal são próximas em termos da frequência central, a mudança do nível
fractal já traz mudanças nos modos ressonantes caracterizando comportamentos em 2
bandas para W2 = 1,0 mm e L1 = 7,0 mm (Microfita nível II) e 3 bandas para W2 = 1,5
mm e L1 = 9,0 mm (CPW nível II). O aumento na largura de faixa foi também
observado.
37
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
Figura 4.19: Comparativo para a perda de retorno medida para os casos construídos.
Figura 4.20: Comparativo para a perda de retorno simulada para os casos construídos.
No comparativo para os casos testados apresentou-se um sensível deslocamento na
frequência de operação, basicamente nas mesmas faixas de frequência. A tabela 5
apresenta valores coletados a partir do gráfico da figura 4.19.
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
S11
(d
B)
Frequência (GHz)
W2 = 1,0 mm e L1 = 10 mm Microfita nível I
W2 = 1,0 mm e L1 =7,0 mm Microfita nível II
W2 = 1,0 mm e L1 = 7,0 mm CPW nível I
W2 = 1,5 mm e L1 = 9,0 mm - CPW nível II
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
S11
(d
B)
Frequencia (GHz)
W2 = 1,0 mm e L1 = 10,0 mm - Microfita Nível I
W2 = 1,0 mm e L1 = 7 mm Microfita Nível II
W2 = 1,0 mm e L1 = 7 mm - CPW Nível I
W2 = 1,5 mm e L1 = 9,0 mm - CPW Nível II
38
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
Tabela 5. Análise dos casos medidos
F01 (GHz) S11 (dB) F02 (GHz) S11 (dB) F03 (GHz) S11 (dB)
2,1 -15 3,6 -18 5,2 -13
2,0 -15 3,3 -23 4,7 -17
1,9 -39 3,5 -23 5,1 -17
1,8 -18 3,6 -18 4,7 -23
4.9 Resultados Teóricos e Experimentais
A partir deste ponto do trabalho é apresentado com maiores detalhes as
características das antenas construídas como comparativo da perda de retorno para
resultados medidos e simulados, diagrama de radiação, ganho na frequência com menor
perda de retorno, distribuição de corrente em A/m e polarização da antena.
4.9.1 Antena CPW – Fractal Nível I
A figura 4.21 mostra o gráfico da perda de retorno, o comparativo entre resultados
medidos e simulados. Neste caso foi construída a antena com pares W2 = 1,0 mm e L1 =
7,0 mm para configuração CPW e com defeito fractal nível I no plano de terra.
Figura 4.21: Comparativo Medido/ Simulado - Antena CPW – Fractal Nível I: W2 = 1,0 mm e L1 = 7,0
mm
-40-37-34-31-28-25-22-19-16-13-10
-7-4-1
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
S11
(dB
)
Frequência (GHz)
Simulado Medido
39
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
A figura 4.22 mostra os padrões de radiação para as frequências 2,175 GHz e 3,625
GHz para o plano E (plano ZX) e o plano H (ZY). Apresentando radiação
predominantemente omnidirecional. Boa performance de radiação foram obtidas para
cada caso na faixa de frequências analisadas.
Figura 4.22: Diagrama de radiação planos E e H - Antena CPW – Fractal Nível I: W2 = 1 mm e L1 = 7
mm.
As figuras 4.23 e 4.24 mostram respectivamente os diagramas de radiação e a
distribuição de corrente que apresentou maior concentração nos cantos dos recortes de
formato fractal.
(a) (b)
Figura 4.23: Diagrama de radiação 3D: (a) 2,175 GHz (b) 3,625 GHz.
(a) (b)
Figura 4.24: Distribuição de corrente: (a) 2,175 GHz (b) 3,625 GHz
40
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
4.9.2 Antena Por Microfita – Fractal Nível II
A figura 4.25 mostra o gráfico da perda de retorno, o comparativo entre resultados
medidos e simulados. Neste caso foi construída a antena com pares W2 = 1,0 mm e L1 =
7,0 mm para configuração por microfita e com defeito fractal nível II no plano de terra.
A mesma apresenta 3 regiões de frequência de ressonância, mostrando uma boa
concordância entre os resultados teóricos e experimentais, apresentando uma diferença
menor que 10 % na faixa entre 4,5 GHz e 5 GHz.
Figura 4.25: Comparativo Medido/Simulado - Antena Microfita – Fractal Nível II: W2 = 1 mm e L1 = 7
mm.
A figura 4.26 mostra os padrões de radiação para as frequências 1,975 GHz; 3,325
GHz e 4,50 GHz para o plano E (plano ZX) e o plano H (ZY). Lóbulos para este caso
mais direcional. Observa-se que a medida que a frequência aumenta o diagrama de
radiação indica sinal radiando em ambos os lados, com formato direcional.
Figura 4.26: Diagrama de radiação plano E e Plano H - Antena Microfita – Fractal Nível II: W2 = 1,0 mm
e L1 = 7,0 mm.
-25
-20
-15
-10
-5
0
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
S1
1 (
dB
)
Frequência (GHz)
Medido Simulado
41
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
As figuras 4.27 e 4.28 mostram respectivamente os diagramas de radiação e a
distribuição de corrente que apresentou maior concentração nos cantos dos recortes de
formato fractal. Neste caso os diagramas nas frequências de ressonâncias
acompanhando bem ao caso visto no plano E e H.
(a) (b) (c)
Figura 4.27: Diagrama de radiação 3D: (a) 1,975 GHz (b) 3,325 GHz (c) 4,50 GHz.
(a) (b) (c)
Figura 4.28: Distribuição de corrente: (a) 1,975 GHz (b) 3,325 GHz (c) 4,50 GHz.
4.9.3 Antena Por Microfita – Fractal Nível I
A figura 4.29 mostra o gráfico da perda de retorno, o comparativo entre resultados
medidos e simulados. Neste caso foi construída a antena com pares W2 = 1,0 mm e L1 =
10,0 mm para configuração por microfita e com defeito fractal nível II no plano de terra.
Para este caso percebe-se um comportamento em 3 bandas de frequências ressonantes.
A banda na região de 5 GHz para a curva simulada ficou um pouco acima de -10dB mas
bem próximo, sendo validada pela medição realizada na sequencia curva em azul na
figura 4.29.
42
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
Figura 4.29: Comparativo Medido/ Simulado - Antena Microfita – Fractal Nível I: W2 = 1,0 mm e L1 = 10,0 mm.
A figura 4.30 mostra os padrões de radiação para as frequências 2,10 GHz; 3,75 GHz
para o plano E (plano ZX) e o plano H (ZY). Da mesma forma a medida que a
frequência aumenta o diagrama de radiação fica com formato direcional.
Figura 4.30: Diagrama de radiação plano E e Plano H - Antena Microfita – Fractal Nível I: W2 = 1,0 mm
e L1 = 10,0 mm.
(a) (b)
Figura 4.31: Diagrama de radiação 3D: (a) 2,10 GHz (b) 3,75 GHz.
-24-22-20-18-16-14-12-10
-8-6-4-20
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
S11
(dB
)
Frequência (GHz)
Simulado
Medido
43
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
(a) (b)
Figura 4.32: Distribuição de corrente: (a) 2,10 GHz (b) 3,75 GHz.
4.9.4 Antena CPW – Fractal Nível II
A figura 4.33 mostra o gráfico da perda de retorno, o comparativo entre resultados
medidos e simulados. Neste caso foi construída a antena com pares W2 = 1,5 mm e L1 =
9,0 mm para configuração CPW e com defeito fractal nível II no plano de terra.
Para este caso percebe-se um comportamento em 3 bandas de frequências
ressonantes. A banda na região de 3,5 GHz para a curva simulada ficou um pouco
abaixo de -10dB, sendo validada pela medição realizada na sequencia curva em azul na
figura 4.33.
Figura 4.33: Comparativo Medido/ Simulado - Antena CPW – Fractal Nível II: W2 = 1,5 mm e
L1 = 9,0 mm.
-34-30
-26
-22
-18
-14
-10
-6
-2
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
S11
(dB
)
Frequência (GHz)
Simulado Medido
44
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
A figura 4.34 mostra os padrões de radiação para as frequências 2,025 GHz; 3,60
GHz e 4,625 GHz para o plano E (plano ZX) e o plano H (ZY). Observa-se que a
medida que a frequência aumenta o diagrama de radiação indica sinal radiando em
ambos os lados, com formato direcional.
Figura 4.34: Diagrama de radiação plano E e Plano H - Antena CPW – Fractal Nível II: W2 = 1,5 mm e
L1 = 9,0 mm.
(a) (b) (c)
Figura 4.35: Diagrama de radiação 3D: (a) 2,025 GHz; (b) 3,60 GHz; (c) 4,625 GHz.
(a) (b) (c)
Figura 4.36: Distribuição de corrente: (a) 2,025 GHz; (b) 3,60 GHz; (c) 4,625 GHz.
45
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
4.10 Análise da Polarização das Antenas Fabricadas
A inserção de fendas e defeitos na estrutura de antenas de microfita tem efeito direto
nos modos ressonantes e na radiação de ondas polarizadas circularmente [52]. Bem
como a mudança da estrutura usando o conceito de CPW nessas estruturas de
comunicação móvel. O que é proposto nesta seção é a análise da razão axial para as
antenas construídas, casos apresentados na seção anterior.
A diferença entre RHCP e LHCP se mostra pela observação do sentido de rotação do
vetor campo elétrico. A partir deste ponto foram analisadas a razão axial das antenas
construídas, considerando o desempenho satisfatório de radiação que foram obtidas para
cada estado de polarização RHCP. Nesse sentido observa-se alterações nas
características de propagação das antenas analisadas, como se segue:
4.10.1 Antena CPW – Fractal Nível I
O gráfico mostrado na figura 4.37 mostra a razão axial, para frequências ressonantes
que tiveram -10dB de perda de retorno, pois só há a evidencia de ondas circularmente
polarizadas se forem obtidos razão axial abaixo de 3 dB nas frequências com perda de
retorno abaixo de -10dB. Aqui o caso analisado foi a antena CPW com formato fractal
no nível I com W2 = 1,0 mm e L1 =7,0 mm.
Figura 4.37: Razão axial para o caso Antena CPW – Fractal Nível I: W2 = 1,0 mm e L1 = 7,0 mm.
46
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
As demais frequências ressonantes não apresentaram sensibilidade de razão axial
abaixo de 3 dB. Por se tratar de 3 faixas ressonantes pode-se concluir que 2 faixas
apresentam polarização linear (2 GHz; 3,5 GHz) e a faixa entre 4,5 GHz e 5 GHz
polarização circular eminente.
Figura 4.38: Razão axial ampliado para o caso Antena CPW – Fractal Nível I: W2 = 1,0 mm e L1
= 7,0 mm.
A figura 4.38 revela que a largura de banda de 40 MHz para a região de 3 dB de
razão axial, mas para se afirmar que esta antena está polarizada circularmente nesta
faixa de frequência é necessário que haja ressonância também na perda de retorno
abaixo de -10 dB para a mesma faixa ressonante, o que não acontece neste caso, estando
a antena polarizada linearmente.
4.10.2 Antena CPW – Fractal Nível II
Da mesma forma o gráfico da figura 4.39 mostra a razão axial, para frequências
ressonantes que tiveram -10dB de perda de retorno, pois só há a evidencia de ondas
circularmente polarizadas se forem obtidos razão axial abaixo de 3 dB nas frequências
com perda de retorno abaixo de -10dB. Para o caso analisado da antena CPW com
formato fractal no nível II com W2 = 1,5 mm e L1 =9,0 mm.
0
3
6
9
12
4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5 5,1
Raz
ão A
xial
(d
B)
Frequência (GHz)
CPW Nível I
47
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
Figura 4.39: Razão axial para o caso Antena CPW – Fractal Nível II: W2 = 1,5 mm e L1 = 9,0 mm.
Figura 4.40: Razão axial ampliado para o caso Antena CPW – Fractal Nível II: W2 = 1,5 mm e L1 = 9,0
mm.
A figura 4.40 revela que a largura de banda de 31,25 MHz para a região de 3 dB de
razão axial, próximo a frequência de 4,7 GHz, para este caso há ressonância para perda
de retorno para a faixa considerada, podendo assim afirmar que a antena está polarizada
circularmente para este caso nesta faixa de frequência.
0
3
6
9
12
4 4,25 4,5 4,75 5
Raz
ão A
xial
(d
B)
Frequência (GHz)
CPW - Nível II
48
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
4.10.3 Antena Por Microfita – Fractal Nível I
Figura 4.41: Razão axial para o caso Antena Microfita – Fractal Nível I: W2 = 1,0 mm e L1 = 10,0 mm.
A figura 4.41 mostra que a curva da razão axial ficou acima de 3 dB, desta forma não
registra a polarização circular para este caso. Antena esta está linearmente polarizada.
4.10.4 Antena Por Microfita – Fractal Nível II
Figura 4.42: Razão axial para o caso Antena Microfita – Fractal Nível II: W2 = 1,0 mm e
L1 = 7,0 mm.
49
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
Figura 4.43: Razão axial para o caso Antena Microfita – Fractal Nível II: W2 = 1,0 mm e L1 = 7,0 mm.
Da mesma forma o gráfico da figura 4.42 mostra a razão axial, para frequências
ressonantes que tiveram -10dB de perda de retorno.
Na figura 4.43 revela que a largura de banda de 31,25 MHz para a região de 3 dB de
razão axial na faixa de 3 GHz, para este caso há ressonância para perda de retorno para
a faixa considerada, podendo assim afirmar que a antena está polarizada circularmente
para este caso nesta faixa de frequência. Para a largura de banda em 3 dB para 3,7 GHz
não apresenta ressonância para a perda de retorno, não caracterizando a polarização
circular para segunda faixa de frequência.
Na figura 4.44 e 4.45 é mostrado um gráfico comparativo da razão axial para as
estruturas construídas CPW I; CPW II; Microfita nível I e Microfita nível II
respectivamente. A alteração nas fendas da estrutura do plano de terra afeta diretamente
a razão axial em relação a faixa de frequência, oferecendo um aprofundamento na razão
axial para valores próximo à 3dB.
0
3
6
9
2,5 2,75 3 3,25 3,5 3,75 4
Raz
ão A
xial
(d
B)
Frequência (GHz)
Microfita - Nivel II
Microfita - Nivel II
50
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
Figura 4.44: Comparativo da razão axial para CPW I e CPW II
Figura 4.44: Comparativo da razão axial para CPW I e CPW II
4.11 Densidade Linear de Corrente
Figura 4.46: Comparativo da Densidade Linear para os casos construídos.
0
3
6
9
12
15
18
21
1 2 3 4 5 6Raz
ão A
xial
(d
B)
Frequência (GHz)
CPW I CPW II
0
3
6
9
12
15
18
21
1 2 3 4 5 6
Raz
ão A
xial
(d
B)
Frequência (GHz)
Microfita I Microfita II
0,00E+00
5,00E+01
1,00E+02
1,50E+02
2,00E+02
2,50E+02
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
De
nsi
dad
e L
ine
ar d
e C
orr
en
te
(A/m
)
Frequência (GHz)
Microfita - Nível I CPW - Nível I CPW - Nível II Microfita - Nível II
51
CAPÍTULO 4. RESULTADOS – ANÁLISE E DISCUSSÕES.
A figura 4.46 mostra o gráfico comparativo da densidade linear de corrente para as
antenas construídas. Esses dados foram coletados nas simulações no HFSS no decorrer
da faixa de frequência de 1 – 5 GHz, onde se concentrou as ressonâncias em termos de
coeficiente de reflexão. Devido a configuração CPW ter o plano de terra no mesmo
plano do elemento radiante, a concentração de campos fica mais evidenciada nesta
configuração, nitidamente mostrada no gráfico, onde na região de 3,5 GHz o aumento
de campos no comparativo entre o menor valor para o caso por linha de microfita e
fractal nível I e o maior valor para o caso por CPW e fractal nível II foi de
aproximadamente 300 %.
52
CAPÍTULO 5
CONCLUSÃO
Este trabalho apresentou uma nova antena impressa com banda tripla com
alimentação por linha de microfita e CPW. A antena fractal proposta foi projetada,
otimizada e fabricada para a faixa de frequência entre 1 GHz – 6 GHz, além de
aplicações em radares meteorológicos e satélite de comunicações na frequência de 5,0
GHz. Através da análise dos resultados, a antena opera de forma eficiente para as faixas
entre 2,0 GHz e 5,5 GHz para os níveis I e II propostos. Os diferentes níveis fractais
aplicados a aberturas e fendas na estrutura do plano de terra provocam mudanças na
frequência de operação do dispositivo, além da largura de banda, diagramas de radiação
específicos e alteração na polarização. A configuração CPW mostra vantagens em
relação a microfita comum.
Na operação em frequência a perda de retorno observada foi inferior a -10 dB e a
razão axial obtida foi de 3 dB para os casos testados no intervalo entre 4 GHz e 5 GHz,
quando foi observada que a antena estava polarizada circularmente. Observou-se
também que o caso com o nível fractal II, apresentou 31.25 MHz de largura de banda na
região de 3 dB para a razão axial na faixa da frequência de ressonância, o que indica
operação em polarização circular. Assim, pode-se dizer que existe uma diversidade na
polarização das antenas testadas através da utilização de técnicas que tem sido
intensamente aplicada em circuitos em ondas milimétricas. Em relação à inserção de
fendas em diferentes níveis fractal, foi verificado variação da frequência de ressonância,
aumento do número de aplicações alocadas no espectro, condições e padrões de
radiações específicos, possibilidade de diversidade na polarização das antenas,
diversidade em usar a configuração CPW para atender especificações de projeto.
Aplicou-se a técnica de remoção parcial do plano de terra e observou-se que com
isto pode-se controlar a distribuição de corrente no patch e consequentemente a
frequência de ressonância da antena. Conseguiu-se estabelecer os limites para as
dimensões físicas das antenas aplicando o conceito de coplanar wave guide (CPW), para
evidenciar diferentes formas de polarização. As mudanças efetuadas nos defeitos na
53
estrutura do plano de terra, a alimentação CPW e dimensões específicas do circuito da
antena tem consequência direta nas características de propagação da antena.
A antena fractal proposta certamente poderá ser forte candidata para aplicações em
sistemas de comunicações sem fio nas bandas C e S.
Como continuidade deste trabalho, deseja-se desenvolver os seguintes pontos:
(i) análise de novas estruturas planares; (ii) emprego de técnicas numéricas
computacionais de otimização, como ANN, RNA, etc; (iii) emprego de novos materiais
como substratos cerâmicos, metamateriais, ferritas, etc; (iv) estudo de antenas
eletricamente pequenas para aplicações em 5G e tecnologia de telecomunicação MIMO.
54
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[53] GARG, Ramesh. Microstrip antenna design handbook. Artech house, 2001.
58
APÊNDICE A
POLARIZAÇÃO DAS ANTENAS FABRICADAS
A seguir estão descritos a razão axial para cada antena fabricada: Para o caso da
antena fractal nível I com linha de microfita não há evidencia de ondas polarizadas
circularmente. O índice em 3 decibéis para razão axial não foi atingido na faixa de
frequência proposta. Mostrando assim que esta antena está polarizada linearmente,
figura 1.
Apêndice A Figura 1. Razão axial para o caso Antena Microfita – Fractal Nível I: W2 = 1,0 mm e L1 =
10,0 mm.
Na figura 2 revela que a largura de banda de 31,25 MHz para a região de 3 dB de
razão axial na faixa de 3 GHz, para este caso há ressonância para perda de retorno para
a faixa considerada, podendo assim afirmar que a antena está polarizada circularmente
para este caso nesta faixa de frequência. Deve-se também ser observado o índice de
perda de retorno abaixo -10 dB, para aferir o funcionamento das antenas.
59
Apêndice A Figura 2. Razão axial para o caso Antena Microfita – Fractal Nível II: W2 = 1,0 mm e
L1 = 7,0 mm.
O gráfico mostrado na figura 3 mostra a razão axial, para frequências ressonantes
que tiveram -10dB de perda de retorno, pois só há a evidencia de ondas circularmente
polarizadas se forem obtidos razão axial abaixo de 3 dB nas frequências com perda de
retorno abaixo de -10dB.
Da mesma forma o gráfico da figura 4 mostra a razão axial, para frequências
ressonantes que tiveram -10dB de perda de retorno, pois só há a evidencia de ondas
circularmente polarizadas se forem obtidos razão axial abaixo de 3 dB nas frequências
com perda de retorno abaixo de -10dB.
60
Apêndice A Figura 3. Razão axial para o caso Antena CPW – Fractal Nível I: W2 = 1,0 mm e L1 = 7,0
mm.
Apêndice A Figura 4. Razão axial para o caso Antena CPW Fractal Nível II: W2 = 1,5 mm e L1 = 9,0 mm.
61
APÊNDICE B
IMPEDÂNCIA DAS ANTENAS FABRICADAS
Apêndice B Fig. 1
A impedância de um circuito, neste caso um circuito em micro-ondas é representado
por um número complexo onde a parte real deste número é a parte resistiva e a parte
imaginária é a parte reativa devido as capacitâncias e indutâncias no circuito. Este anexo
é dedicado a apresentar a curvas de impedância para os casos da evolução inicial da
geometria estudada, mostrando assim a evolução do casamento de impedância na linha
de transmissão da antena.
62
Apêndice B Fig. 2
Apêndice B Fig. 3
63
Apêndice B Fig. 4