análise do acoplamento de estruturas fractais em antenas ... · análise do acoplamento de...

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

38

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


Tabela 2. Casos de análise de sensibilidade – Fractal Nível II


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


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


Tabela 3. Casos de análise de sensibilidade – CPW Fractal Nível I


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


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


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


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


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


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


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


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


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


4.9.2 Antena Por Microfita – Fractal Nível II



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


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



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


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


(a) (b)

Figura 4.32: Distribuição de corrente: (a) 2,10 GHz (b) 3,75 GHz.

4.9.4 Antena CPW – Fractal Nível II



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


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


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


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


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


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


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


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

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e C

orr

en

te

(A/m

)

Frequência (GHz)

Microfita - Nível I CPW - Nível I CPW - Nível II Microfita - Nível II

51


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

REFERÊNCIAS

[1] Sharma, Ajay Kumar, B. V. R. Reddy, and Ashok Mittal. "Slot loaded microstrip

patch antenna for WLAN and WiMax applications." Computational Intelligence &

Communication Technology (CICT), 2015 IEEE International Conference on. IEEE,

2015.

[2] Jung, Chang Won, and Franco De Flaviis. "A dual-band antenna for WLAN

applications by double rectangular patch with 4-bridges." Antennas and Propagation

Society International Symposium, 2004. IEEE. Vol. 4. IEEE, 2004.

[3] Liu, Wen-Chung, Chao-Ming Wu, and Yang Dai. "Design of triple-frequency

microstrip-fed monopole antenna using defected ground structure." Antennas and

Propagation, IEEE Transactions on 59.7 (2011): 2457-2463.

[4] Araújo, J. H., et al. "Simulation and measurement of inset‐fed microstrip patch

antennas on BiNbO4 substrates." Microwave and Optical Technology Letters 52.5

(2010): 1034-1036.

[5] de Medeiros, J. L. G., et al. "Investigation on ZPT ceramics applied as dielectric

resonator antenna for ultra wideband systems." Microwave and Optical Technology

Letters 55.6 (2013): 1352-1355.

[6] Si, Li-Ming, and Xin Lv. "CPW-FED multi-band omni-directional planar microstrip

antenna using composite metamaterial resonators for wireless communications."

Progress In Electromagnetics Research 83 (2008): 133-146.

[7] Boti, M., L. Dussopt, and J-M. Laheurte. "Circularly polarised antenna with

switchable polarisation sense." Electronics Letters 36.18 (2000): 1518-1519.

[8] Kishk, Ahmed A., et al. "Microstrip line and CPW FED ultra wideband slot

antennas with U-shaped tuning stub and reflector." Progress In Electromagnetics

Research 56 (2006): 163-182.

[9] Chen, Jin-Sen. "Dual-frequency annular-ring slot antennas fed by CPW feed and

microstrip line feed." Antennas and Propagation, IEEE Transactions on53.1 (2005):

569-573.

[10] Da Silva, Marcelo Ribeiro, et al. "A new configuration of planar monopole quasi-

fractal antenna for wireless communications." Digests of the 2010 14th Biennial IEEE

Conference on Electromagnetic Field Computation. 2010.

[11] Chen, Wen-Ling, Guang-Ming Wang, and Chen-Xin Zhang. "Bandwidth

enhancement of a microstrip-line-fed printed wide-slot antenna with a fractal-shaped

slot." Antennas and Propagation, IEEE Transactions on 57.7 (2009): 2176-2179.

55

REFERÊNCIAS

[12] Yoon, JoongHan. "Fabrication and measurement of modified spiral-patch antenna

for use as a triple-band (2.4 GHz/5GHz) antenna." Microwave and optical technology

letters 48.7 (2006): 1275-1279.

[13] Yang, Fan, and Yahya Rahmat-Samii. "A reconfigurable patch antenna using

switchable slots for circular polarization diversity." IEEE Microwave and Wireless

Components Letters 12.3 (2002): 96-98.

[14] Guha, Debatosh, Manotosh Biswas, and Yahia MM Antar. "Microstrip patch

antenna with defected ground structure for cross polarization suppression." IEEE

Antennas and Wireless Propagation Letters 4.1 (2005): 455-458.

[15] Balanis, Constantine A. Teoria Das Antenas: Análise E Síntese. Volume 2 . Grupo

Gen-LTC, 2000.

[16] Dastranj, Aliakbar, and Habibollah Abiri. "Bandwidth enhancement of printed E-

shaped slot antennas fed by CPW and microstrip line." Antennas and Propagation, IEEE

Transactions on 58.4 (2010): 1402-1407.

[17] Lin, Xian-Chang, and Cheng-Chieh Yu. "A dual-band CPW-fed inductive slot-

monopole hybrid antenna." Antennas and Propagation, IEEE Transactions on56.1

(2008): 282-285.

[18] Collin, Robert E. Foundations for microwave engineering. John Wiley & Sons,

2007.

[19] Lee, Thomas H. Planar microwave engineering: a practical guide to theory,

measurement, and circuits. Vol. 1. Cambridge University Press, 2004.

[20] Pozar, David M. Microwave engineering. John Wiley & Sons, 2009.

[21] Lin, Y. C., and K. J. Hung. "Design of dual-band slot antenna with double T-match

stubs." Electronics Letters 42.8 (2006): 1.

[22] Tehrani, Hooman, Tae-Yeoul Yun, and Kai Chang. "A multi-frequency microstrip-

fed shorted square ring slot line antenna." Antennas and Propagation Society

International Symposium, 1999. IEEE. Vol. 2. IEEE, 1999.

[23] Bhobe, Alpesh U., et al. "Wide-band slot antennas with CPW feed lines: Hybrid

and log-periodic designs." Antennas and Propagation, IEEE Transactions on 52.10

(2004): 2545-2554.

[24] Chen, Horng-Dean, Hua-Ming Chen, and W. S. Chen. "Planar CPW-fed sleeve

monopole antenna for ultra-wideband operation." IEE PROCEEDINGS

MICROWAVES ANTENNAS AND PROPAGATION 152.6 (2005): 491.

[25] Bastos, João Pedro Assumpção. Eletromagnetismo para engenharia: estática e

quase-estática. Ed. da UFSC, 2004.

56

REFERÊNCIAS

[26] Chang, Fa-Shian, Kin-Lu Wong, and Tzung-Wern Chiou. "Low-cost broadband

circularly polarized patch antenna." Antennas and Propagation, IEEE Transactions

on 51.10 (2003): 3006-3009.

[27] Wong, Kin-Lu. Compact and broadband microstrip antennas. Vol. 168. John Wiley

& Sons, 2004.

[28] Hu, C-H., et al. "Reconfigurable microstrip antenna with polarisation diversity and

frequency agility." Electronics Letters 43.24 (2007): 1329-1330.

[29] Iwasaki, Hisao. "A circularly polarized small-size microstrip antenna with a cross

slot." Antennas and Propagation, IEEE Transactions on 44.10 (1996): 1399-1401.

[30] Lu, Jui-Han, Chia-Luan Tang, and Kin-Lu Wong. "Single-feed slotted equilateral-

triangular microstrip antenna for circular polarization." Antennas and Propagation,

IEEE Transactions on 47.7 (1999): 1174-1178.

[31] Yang, Kai‐Ping, Kin‐Lu Wong, and Jui‐Han Lu. "Compact circularly polarized

triangular microstrip antenna with y‐shaped slot." Microwave and Optical Technology

Letters 20.1 (1999): 31-34.

[32] Sun, Li, et al. Axial Ratio Bandwidth of a Circularly Polarized Microstrip Antenna.

INTECH Open Access Publisher, 2013.

[33] Janos, Michel. Geometria fractal. Ciencia Moderna, 2008.

[34] Al-Nuaimi, Mustafa K. Taher. "Design of new miniaturized fractal microstrip line

fed printed slot antenna." Internet Communications (BCFIC Riga), 2011 Baltic

Congress on Future. IEEE, 2011.

[35] Chen, Wen-Ling, Guang-Ming Wang, and Chen-Xin Zhang. "Small-size microstrip

patch antennas combining Koch and Sierpinski fractal-shapes."Antennas and Wireless

Propagation Letters, IEEE 7 (2008): 738-741.

[36] Bin Younas, A., Zubair Ahmed, and Mojeeb Bin Ihsan. "A new high-directivity

fractal antenna based on the Modified Koch Snowflake geometry." Microwave

Conference Proceedings (APMC), 2010 Asia-Pacific. IEEE, 2010.

[37] Tsachtsiris, G., et al. "A reduced size fractal rectangular curve patch

antenna." Electromagnetic Compatibility, 2003. EMC'03. 2003 IEEE International

Symposium on. Vol. 2. IEEE, 2003.

[38] Dorf, Richard C., ed. The electrical engineering handbook. CRC press, 1997.

[39] Misra, Devendra. Radio-frequency and microwave communication circuits:

analysis and design. John Wiley & Sons, 2004.

[40] Gajera, Halappa R., C. N. Anoop, and M. M. Naik. "G, Archana S. P, Nandini R,

Pushpitha BK, Ravi Kumar MD,“The Microstrip Fed Rectangular Microstrip Patch

Antenna (RMPA) with Defected Ground Plane for HIPERLAN/1,”."International

Journal of Electronics & Communication Technology, IJECT 2.3 (2011).

57

REFERÊNCIAS

[41] Singh, Manoj, Ananjan Basu, and S. K. Koul. "Circular patch antenna with quarter

wave transformer feed for wireless communication." India Conference, 2006 Annual

IEEE. IEEE, 2006.

[42] Yang, Xue-Xia, et al. "A polarization reconfigurable patch antenna with loop slots

on the ground plane." IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters 11 (2012): 69-

72.

[43] Design of Very Low Return Loss, Rectangular Microstrip Patch Antenna for

Cellular and Mobile Communication; International Journal of Electronics and Electrical

Engineering Vol. 1, No. 3, September, 2013.

[44] Arya, Ashwini Kumar, Amalendu Patnaik, and Machavaram Venkata Kartikeyan.

"Microstrip patch antenna with skew-F shaped DGS for dual band operation." Progress

In Electromagnetics Research M 19 (2011): 147-160.

[45] Liu, H., Z. Li, and X. Sun. "Compact defected ground structure in microstrip

technology." Electronics Letters 41.3 (2005): 1.

[46] Mandal, Mrinal Kanti, and Subrata Sanyal. "A novel defected ground structure for

planar circuits." IEEE Microwave and Wireless Components Letters 16.2 (2006): 93-95.

[47] Mandelbrot, Benoit B. Fractals. John Wiley & Sons, Inc., 1977.

[48] Bakariya, Pritam S., Santanu Dwari, and Manas Sarkar. "Triple band notch UWB

printed monopole antenna with enhanced bandwidth." AEU-International Journal of

Electronics and Communications 69.1 (2015): 26-30.

[49] Shi, Ya Wei, Ling Xiong, and Meng Gang Chen. "Compact Triple-Band Monopole

Antenna for WLAN/WiMAX-Band USB Dongle Applications." ETRI Journal 37.1

(2015): 21-25.

[50] Barreto, E. L., A. G. d’Assunção, and L. M. Mendonça. "A New Fractal Antenna

Array for Wireless Communications." Applied Computational Electromagnetics

(ACES), 2015 31st International Review of Progress in. IEEE, 2015.

[51] Mendonca, Laercio Martins, and Barreto, E. L. "A New Triple Band Microstrip

Fractal Antenna for C-band and S-band Applications." Journal of Microwaves,

Optoelectronics and Electromagnetic Applications (JMOe) 15.3 (2016): 210-224.

[52] Vasudevan, K. "hexagonal circularly polarized patch antenna for rfid applications."

International Journal on Cybernetics & Informatics (IJCI) Vol. 5, No. 2, April 2016.

[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

análise do acoplamento de estruturas fractais em antenas ... · análise do acoplamento de...

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