lucas resumo expandido 21 eaic v.submetido

ANAIS DO 21º EAIC / 2º EAITI| ISSN - 1676-0018 | www.eaic.uem.br

Universidade Estadual de Maringá | 9 a 11 de outubro de 2012| Maringá –PR

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DESENVOLVIMENTO DE UM CÓDIGO EM AMBIENTE MATLAB PARA ANÁLISE RÁPIDA DE ANTENAS DE MICROFITA SIMPLES ATRAVÉS DE

MODELOS NUMÉRICOS

Lucas Santos Pereira (PIBIC/CNPq-UNIPAMPA), Marcos Vinicio Thomas Heckler (Orientador), e-mail: [email protected],

[email protected].

Universidade Federal do Pampa - UNIPAMPA/Engenharia Elétrica/Campus Alegrete, RS.

Engenharias/Telecomunicações

Palavras-chave: antenas de microfita, modelos numéricos, código em ambiente MATLAB.

Resumo: O presente trabalho apresenta os resultados obtidos com um código desenvolvido em ambiente MATLAB para análise rápida e projeto de antenas de microfita simples. O código em questão modela antenas de microfita retangulares alimentadas via prova coaxial utilizando dois modelos numéricos: o modelo da linha de transmissão e o modelo da cavidade ressonante. O programa desenvolvido foi validado através da comparação dos seus resultados com os pacotes comerciais de análise eletromagnética Ansoft DESIGNER e HFSS, resultando em excelente concordância em termos de dimensões da microfita e campos elétricos irradiados. Introdução

Devido à necessidade de transmitir informações a longas distâncias via comunicação sem fio (wireless), muitos estudos vêm aperfeiçoando técnicas de análise, projeto e construção de antenas. Dentre tantas geometrias, as antenas que mais despertaram interesse dos grupos de pesquisa em todo o mundo são as antenas de microfita, as quais têm sido aprimoradas ao longo dos últimos anos em aplicações onde se deseja, principalmente, um dispositivo irradiador de pequeno porte, baixo peso e custo, alto desempenho e ainda um bom perfil aerodinâmico para aplicações aeroespaciais [1]. Devido à sua grande versatilidade, este trabalho visa ao estudo de modelos numéricos rápidos para a análise e projeto de geometrias retangulares. Uma



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das técnicas mais simples e rápidas de análise e síntese deste tipo de irradiador é o modelo da linha de transmissão (LT), que se baseia na modelagem de antenas de microfita com geometria retangular como uma seção de linha de transmissão em microfita [2]. Outra técnica numérica para análise rápida de antenas é o modelo da cavidade ressonante, que consiste na modelagem da região interna da antena como uma cavidade delimitada por paredes magnéticas e elétricas, podendo apresentar diversos modos de ressonância. Esse método pode ser combinado com duas estratégias para o cálculo dos campos eletromagnéticos irradiados: modelo com duas fendas irradiantes e o modelo da corrente elétrica superficial. Este último consiste em substituir a antena por uma distribuição de corrente superficial que se estabelece no elemento irradiador (patch), levando em conta uma interface ar-substrato através da função de Green da estrutura [3].

Materiais e métodos

No início do trabalho, uma revisão bibliográfica dos modelos da LT e cavidade ressonante foi realizada. Em seguida, procedeu-se à codificação dessas técnicas em ambiente MATLAB. Para validar os códigos desenvolvidos, os resultados obtidos foram comparados com resultados obtidos com os pacotes comerciais de análise eletromagnética Ansoft HFSS e Ansoft DESIGNER.

Resultados e Discussão Para ilustrar o emprego do código desenvolvido, considerou-se uma antena construída a partir do substrato dielétrico FR4 com espessura h= 1,5mm, constante dielétrica Ɛr= 4,4, tangente de perdas tanδ = 0,01. A antena foi projetada para operação em fr= 2,4GHz e considerando alimentação via cabo coaxial com diâmetro do condutor central de 1,12mm e 50Ω de impedância característica (Zpr). As dimensões do patch obtidas após o processo de síntese pelo modelo da linha de transmissão implementado em MATLAB são apresentadas na Tabela 1, sendo L o comprimento ressonante e W a largura do irradiador, e X0 a posição da prova em relação à borda do patch. Tabela 1– Resultados obtidos e validados para síntese da antena

Software W (mm) L (mm) X0 (mm)

LT-MATLAB 38,086 29,478 10,163



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HFSS 37,50 28,67 7,01

DESIGNER 37,90 28,90 11,75

As Figuras 1 e 2 apresentam os campos elétricos irradiados normalizados no plano E e H, respectivamente, para os modelos abordados. Como referência para validação, foram plotados também os resultados obtidos via Ansoft DESIGNER.

Figura 1 – Diagramas de irradiação dos campos elétricos irradiados para os modelos da

cavidade ressonante e sua validação via Ansoft DESIGNER – Plano E.

Figura 2 – Diagramas de irradiação dos campos elétricos irradiados para os modelos da

cavidade ressonante e sua validação via Ansoft DESIGNER – PlanoH.



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Conclusões Após a análise dos resultados, fica visível que o código desenvolvido apresenta boa concordância com as previsões do pacote comercial Ansoft em termos de diagramas de irradiação e dimensões da antena. As dimensões apresentaram desvio máximo de 2,82% entre os valores obtidos e validados via HFSS e 2,04% para os valores obtidos e validados via DESIGNER, enquanto que a posição da prova coaxial apresentou desvio de 35,95% comparado ao HFSS e 7,34% comparado ao DESIGNER. Estes desvios se devem às aproximações feitas pelo método da LT, como o fato de que se considera a impedância de entrada puramente resistiva devido à antena operar em sua frequência de ressonância. Além disso, os modelos estudados consideram um plano de terra infinito, o que não ocorre com o pacote Ansoft HFSS. Os diagramas de irradiação apresentaram resultados muito satisfatórios, pois foi observada concordância quase perfeita com os resultados obtidos com o pacote Ansoft DESIGNER utilizado como referência. Deve-se ressaltar que o tempo computacional gasto com a ferramenta desenvolvida foi 30 vezes menor que o tempo gasto pelos pacotes comerciais. Fato que é de extrema relevância para o estudo de redes planares de antenas de microfita compostas de vários elementos. Agradecimentos Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo suporte financeiro parcial ao projeto. Referências [1] VASCONCELOS, Cristhianne de Fátima Linhares. Desenvolvimento de uma antena de microfita com patch em anel utilizando materiais Ferrimagnéticos e Metamateriais. Tese de Doutorado. Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN). [2] BALANIS, Constantine A. Antenna Theory – Analysis and Design.2ª Ed., John Wiley& Sons, INC. [3] GARG R., BHARTIA P., BAHL I. and ITTIPIBOON A. Microstrip Antenna Design Handbook. Artech House, London, 2001.

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