Redução de Dimensionamento de Antenas de Microfita
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XXV SIMPÓSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAÇÕES - SBrT 2007, 03-06 DE SETEMBRO DE 2007, RECIFE, PE Resumo—A proposta deste trabalho é apresentar um estudo sobre os efeitos de ranhuras em antenas de microfita. A finalidade é a redução do dimensionamento da antena. Diversas geometrias são apresentadas. Estes resultados são importantes quando se deseja operar com dispositivos miniaturizados. A antena está sujeita à limitações impostas pelos cortes em limites aceitáveis de aprofundamento. Apresenta-se uma antena composta de quatro fendas as quais foram projetadas visando essas limitações de profundidade. Todos os resultados mostrados foram simulados pelo método FDTD. Palavras-Chave— FDTD, Antena de microfita. Abstract— The proposal of this work is to present a study on the effect of grooves in microstrip antennas. The purpose is the antenna sizing reduction. Diverse configurations are presented. These results are important to operate with miniatured devices. The antenna is subjects to the limitations imposed for the cuts in acceptable limits of deepening. A composed antenna of four cracks is presented which had been projected aiming at these limitations of depth. All the shown results had been simulated by FDTD method. Index Terms—FDTD, Microstrip antenna. I. INTRODUÇÃO A finalidade deste trabalho é apresentar um estudo sobre antenas de microfita retangulares feitas com cortes laterais. Este aspecto é de extrema importância quando se deseja operar com dispositivos miniaturizados em freqüências mais baixas. Para isto, um projeto de diversas formas de geometrias é apresentado e em cada caso é feito a verificação e a comparação de suas relações de perdas. Pretende-se, dessa maneira, observar o melhor ou o pior desempenho do irradiador especificado. Dessa forma, tem-se como referência uma antena conhecida na literatura [1] e a partir disso são feitos os cortes que representam as diversas modificações em sua geometria. Para isto, os resultados a serem mostrados serão simulados pelo método FDTD [2-3]. II. MODELO PARA SIMULAÇÃO POR FDTD Para as simulações por FDTD, o patch da antena tem dimensões de 12,45 mm x 16,00 mm e a linha de alimentação têm 2,46 mm de largura por 8,00 mm de comprimento, como mostrado na Fig.1. Para efeito de discretização da estrutura, considerou-se ∆x = 0,3891mm, ∆y= 0,4000 mm e ∆z = 0,1588 mm. Assim, o patch retangular foi definido por uma malha de 32∆x x 40∆y, a linha de fita por 6∆x x 20∆y e a espessura do substrato foi modelada com 5∆z. De modo a atender a condição de Courant a discretização no tempo foi feita tal que ∆t = 0,441 ps. Fig. 1. Ilustração geométrica da antena proposta. Como fonte de excitação, considerou-se um pulso Gaussiano com largura de banda de 30 GHz, o que fixa a duração do pulso em torno de uma T= 16,0 ps, e um atraso de 3T foi considerado. Vale ressaltar que os dados obtidos para o cálculo das perdas de retorno foram coletados na linha de fita e a uma distância de L = λ/2 do patch, para os dois casos. Para estes casos, também se considerou, a impedância característica da linha de alimentação é de 50Ω. O substrato usado foi simulado para a constante dielétrica ter valor ε r = 2,2 (Duroid) e tem espessura de 0,794 mm. Para a condição de contorno de trucagem do método numérico, usou-se a técnica de camadas absorvente UPML (Uniaxial Perfect Matched Layer) [4]. A interface de separação entre a microfita e a UPML, posicionada acima da microfita, é de cinco células e, lateralmente, por quatro células das bordas do patch. III. RESULTADOS OBTIDOS Os resultados deste trabalho são mostrados em termos de simulações por FDTD. O modelo usado é o mesmo mostrado Redução de Dimensionamento de Antenas de Microfita Dionísio Raony Ribeiro, Filipe Vieira, George Waner, Leonardo Oliveira e José Felipe Almeida D.R.Ribeiro F. S Vieira, G. Waner, L. F. Oliveira e J. F. Almeida, Instituto de Estudos Superiores da Amazônia– IESAM, Belém do Pará, Brasil, E-mail: [email protected], [email protected] 12,45mm z x y 2,49mm 0,794mm ε=2,2 16,00 mm
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Resumo—A proposta deste trabalho é apresentar um estudo sobre os efeitos de ranhuras em antenas de microfita. A finalidade é a redução do dimensionamento da antena. Diversas geometrias são apresentadas. Estes resultados são importantes quando se deseja operar com dispositivos miniaturizados. A antena está sujeita à limitações impostas pelos cortes em limitesaceitáveis de aprofundamento. Apresenta-se uma antena composta de quatro fendas as quais foram projetadas visando essas limitações de profundidade. Todos os resultados mostrados foram simulados pelo método FDTD.
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XXV SIMPÓSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAÇÕES - SBrT 2007, 03-06 DE SETEMBRO DE 2007, RECIFE, PE
Resumo—A proposta deste trabalho é apresentar um estudo
sobre os efeitos de ranhuras em antenas de microfita. A finalidade é a redução do dimensionamento da antena. Diversas geometrias são apresentadas. Estes resultados são importantes quando se deseja operar com dispositivos miniaturizados. A antena está sujeita à limitações impostas pelos cortes em limites aceitáveis de aprofundamento. Apresenta-se uma antena composta de quatro fendas as quais foram projetadas visando essas limitações de profundidade. Todos os resultados mostrados foram simulados pelo método FDTD.
Palavras-Chave— FDTD, Antena de microfita.
Abstract— The proposal of this work is to present a study on the effect of grooves in microstrip antennas. The purpose is the antenna sizing reduction. Diverse configurations are presented. These results are important to operate with miniatured devices. The antenna is subjects to the limitations imposed for the cuts in acceptable limits of deepening. A composed antenna of four cracks is presented which had been projected aiming at these limitations of depth. All the shown results had been simulated by FDTD method.
Index Terms—FDTD, Microstrip antenna.
I. INTRODUÇÃO
A finalidade deste trabalho é apresentar um estudo sobre antenas de microfita retangulares feitas com cortes laterais. Este aspecto é de extrema importância quando se deseja operar com dispositivos miniaturizados em freqüências mais baixas. Para isto, um projeto de diversas formas de geometrias é apresentado e em cada caso é feito a verificação e a comparação de suas relações de perdas. Pretende-se, dessa maneira, observar o melhor ou o pior desempenho do irradiador especificado. Dessa forma, tem-se como referência uma antena conhecida na literatura [1] e a partir disso são feitos os cortes que representam as diversas modificações em sua geometria. Para isto, os resultados a serem mostrados serão simulados pelo método FDTD [2-3].
II. MODELO PARA SIMULAÇÃO POR FDTD
Para as simulações por FDTD, o patch da antena tem dimensões de 12,45 mm x 16,00 mm e a linha de alimentação têm 2,46 mm de largura por 8,00 mm de comprimento, como mostrado na Fig.1. Para efeito de discretização da estrutura, considerou-se ∆x = 0,3891mm, ∆y= 0,4000 mm e ∆z = 0,1588 mm. Assim, o patch retangular foi definido por uma malha de 32∆x x 40∆y, a linha de fita por 6∆x x 20∆y e a espessura do substrato foi modelada com 5∆z. De modo a atender a condição de Courant a discretização no tempo foi feita tal que ∆t = 0,441 ps. Fig. 1. Ilustração geométrica da antena proposta.
Como fonte de excitação, considerou-se um pulso Gaussiano com largura de banda de 30 GHz, o que fixa a duração do pulso em torno de uma T= 16,0 ps, e um atraso de 3T foi considerado. Vale ressaltar que os dados obtidos para o cálculo das perdas de retorno foram coletados na linha de fita e a uma distância de L = λ/2 do patch, para os dois casos. Para estes casos, também se considerou, a impedância característica da linha de alimentação é de 50Ω. O substrato usado foi simulado para a constante dielétrica ter valor εr = 2,2 (Duroid) e tem espessura de 0,794 mm. Para a condição de contorno de trucagem do método numérico, usou-se a técnica de camadas absorvente UPML (Uniaxial Perfect Matched Layer) [4]. A interface de separação entre a microfita e a UPML, posicionada acima da microfita, é de cinco células e, lateralmente, por quatro células das bordas do patch.
III. RESULTADOS OBTIDOS
Os resultados deste trabalho são mostrados em termos de simulações por FDTD. O modelo usado é o mesmo mostrado
Redução de Dimensionamento de Antenas de Microfita
Dionísio Raony Ribeiro, Filipe Vieira, George Waner, Leonardo Oliveira e José Felipe Almeida
D.R.Ribeiro F. S Vieira, G. Waner, L. F. Oliveira e J. F. Almeida, Instituto de Estudos Superiores da Amazônia– IESAM, Belém do Pará, Brasil, E-mail: [email protected], [email protected]
12,45mm
z
x
y
2,49mm
0,794mm ε=2,2
16,00 mm
XXV SIMPÓSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAÇÕES - SBrT 2007, 03-06 DE SETEMBRO DE 2007, RECIFE, PE
na Fig.1, porém com a linha de alimentação posicionada no centro do patch [5] – a qual será usada como referência. Para isto, a antena foi modelada usando-se vários cortes na parte lateral do Patch. Estes cortes foram feitos (Fig.2 e 3), inicialmente, com uma largura fixada em 1,6mm (4∆y), na parte central da lateral de cada antena, e com profundidades variando, em células FDTD, por 2∆x, 4∆x, 6∆x e 8∆x até ser feita a separação (gap) de uma das extremidades da antena – a qual é oposta à linha de alimentação. Vale mencionar que a finalidade disto é observar as modificações na sua freqüência de ressonância devido às ranhuras feitas lateralmente na antena de referência. Em cada caso apresentado, nas figuras a seguir, as amostras são verificadas em termos do coeficiente de perdas (|S11|) em dB.
Fig. 2. Gráfico de Perdas devido à variação do corte na antena de referência, partindo de um único lado.
Fig. 3. Gráfico de Perdas devido à variação de um corte na antena de referência, partido pelas duas laterais.
Por fim, na Fig. 4 é mostrado um resultado do efeito
causado, sobre a freqüência de operação da antena, quando 4 ranhuras são feitas simetricamente nas laterais da antena de referência.
Fig. 4. Gráfico de Perdas devido à variação do corte na antena de referência, com dois cortes laterais.
IV. CONCLUSÕES Nos estudos mostrados, observou-se que as alterações de
corte estão sujeitas à limitações que se mantém dentro de um aspecto aceitável. Por exemplo, foi observado que o extremo de aprofundamento de uma fenda (gap) provoca um comprometimento nos modos de ressonância dessas antenas – da mesma forma que o pouco aprofundamento. A partir disso foi apresentada uma antena com quatro fendas as quais foram projetadas visando essa limitação, ou seja, dentro dos limites ideais de profundidade. Cada uma das fendas foi dimensionada com 4∆x de profundidade e 4∆y de abertura. Em conseqüência disto, a antena evidenciou seu primeiro modo de ressonância, na ordem de 5 Ghz.
V. Referências
[1] D. M. Sheen, S. M. Ali, and M. D. Abouzahra, and J. A. Kong,
“Application of the Three-Dimensional Finite Difference Time-Domain Method to the Analysis of Planar Microstrip Circuits,” IEEE, Trans. Microwave Theory Tech., vol. 38, pp. 849-857, 1990.
[2] K. S. Yee, “Numerical Solution of Initial Boundary Value Problems Involving Maxwell´s Equations in Isotropic Media,” IEEE Trans. Antennas and Propagat., vol. 14, 302-307, 1966.
[3] J. F. Almeida, Análise Fotônica em Estrutura de Microfita Planar Usando o Método FDTD com Processamento Paralelo, UFPa: tese de doutorado, 2004.
[4] A. Taflove, Finite Difference Time Domain Methods for eletrodynamic Analysis. New York: Artech, 1998.
[5] J. F. Almeida, R. O. Santos, C. L. da S. S. Sobrinho, J. S. Araújo, “Efeito da Posição da Linha de Alimentação sobre a Impedância de uma Antena de Microfita Usando o Método FDTD com Processamento Paralelo,” V Congresso Brasileiro de Eletromagnetismo - CBMag, Gramado-RS, 2002.
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Freqüência (GHz)
referência 4 del_x 6 del_x 8 del_x gap
