1

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE – UFRN

CENTRO DE TECNOLOGIA – CT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE COMUNICAÇÕES – DCO

CURSO DE ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES – CETEL

Investigação de ganho de antena de microfita com elementos refletores

Paulo Cezar Martins Veiga

Orientador – Prof. Dr. Hertz Wilton de Castro Lins

Natal, 2019

2

Paulo Cezar Martins Veiga

Investigação de ganho de antena de microfita com elementos refletores

Trabalho de Curso submetido à

Universidade Federal do Rio

Grande do Norte como parte dos

requisitos, necessários à

obtenção do Grau de

Engenheiro de

Telecomunicações sob a

orientação do Professor Dr.

Hertz Wilton de Castro Lins.

Natal, 2019

3

AGRADECIMENTOS

Agradeço a toda a minha família especialmente aos meus pais que batalharam

muito para me oferecer uma educação de qualidade e sempre tiveram uma palavra de

incentivo, por me ensinarem valores importantes e contribuírem para a minha educação.

Quero agradecer á minha esposa e ao meu filho pela compreensão nos momentos em que

permaneci distante e ocupado nos últimos meses. Muito obrigado especial ao meu

orientador Prof. Dr. Hertz e aos professores, que acompanharam a minha jornada

acadêmica de perto e deram apoio em sala de aula e no laboratório, agradeço a dedicação

e confiança para chegar ao final do curso de Engenharia de Telecomunicações em uma

das melhores universidade do país. Aos meus amigos que diretamente ou indiretamente

ajudaram, torceram e vibraram com mais essa conquista, meu muito obrigado.

4

RESUMO

Nesta monografia são apresentados alguns métodos para melhorar o ganho de antenas

de microfita. Estas são constituídas por duas placas paralelas, um plano de terra e um

plano chamado de ‘patch’ (elemento irradiador) com um elemento dielétrico entre

elas chamado substrato. Usada principalmente na faixa de micro-ondas (0,3 GHz a

300 GHz), tem como principais vantagens o baixo custo, tamanho pequeno, é fácil

de simular e montar, mas tem como a principal desvantagem de apresentar baixo

ganho. Surgindo assim o interesse na pesquisa de técnicas para o melhoramento de

ganho para antenas de microfita que podem ser usadas tanto em aplicações

comerciais, militares e mais recentemente na área de saúde. As técnicas para

melhorar o ganho em antenas de microfita foram simuladas no software HFSS, os

dados gerados pelas simulações foram analisados após a criação de um Dataset para

então escolher qual a melhor técnica que deveria ser usada na antena proposta. A

antena foi fabricada, medida e os resultados foram comparados com os simulados. O

estudo da correlação mostrou a influência das variações da entrada com os

parâmetros de saída.

Palavras chave: Antena de microfita, Técnicas para aumentar ganho, Correlação.

5

ABSTRACT

In this monograph are presented some methods to improve the gain of microtrip antennas,

these consist of two parallel plates, a plane of land and a plane called a patch with a

dielectric element between them called substrate, mainly used in the microwave range

(0.3 GHz to 300 GHz), has as main advantages the low cost, small size, is easy to simulate

and assemble, but has as main disadvantage of presenting low gain, hence the interest in

the research arose techniques for improving gain for microtrip antennas that can be used

both in commercial, military and more recently in health applications. The techniques to

improve the gain in microtrip antennas were simulated in HFSS software, the data

generated by the simulations were analyzed after the creation of a Dataset to then choose

which technique should be used in the proposed antenna, the antenna was assembled,

measured and the results were compared with the simulated, the correlation study showed

the influence of input variations with output parameters.

Keywords: Microstrip Antenna, Techniques for Increasing Gain, Correlation.

6

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Antena proposta para o estudo das técnicas de ganho.................................16

Figura 2 – Antena com elementos parasitas na parte superior e inferior......................17

Figura 3 – Boxplot (Diagrama de caixa) ......................................................................20

Figura 4 – Protótipo para medições..............................................................................21

Figura 5 – Medição do coeficiente de reflexão (S11) no laboratório...........................21

Figura 6 – Coeficiente de reflexão (S11) medida no laboratório .................................22

Figura 7 – Coeficiente de reflexão (S11) simulada no HFSS.......................................22

Figura 8 – Carta de Smith simulada no HFSS..............................................................23

Figura 9 – Ganho simulado no HFSS...........................................................................24

Figura 10 – Carta de Smith medida no laboratório.......................................................25

Figura 11 – Gráfico com coeficiente de reflexão (S11) simulada e medida.................25

7

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Artigos para estudo das técnicas ...................................................................... 13

Tabela 2. Legenda da classificação de métodos .............................................................. 14

Tabela 3. Referências do ganho dos artigos selecionados ............................................... 15

Tabela 4: Medidas da antena que apresentaram maior ganho ......................................... 18

Tabela 5: Mapa de correlação .......................................................................................... 19

8

LISTA DE SIGLAS

dB – Decibel

dBi – Decibel Isotrópico

HFSS – High-Frequency Structure Simulator

CAPES – Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

MEC – Ministério da Educação

UFRN – Universidade Federal do Rio Grande do Norte

TCC – Trabalho de Conclusão de Curso

CA – Cellular Automata

EBG – Eletromagnetic Band Gap

GHz – Gigahertz

LTCC – Low Temperature Co-fired Ceramic

FR4 – Flame Retardant 4

SMA – SubMiniature A

S11 – Perda de retorno

9

SUMÁRIO

1. Introdução ............................................................................................................................. 10

2. Métodos ................................................................................................................................. 10

3. Desenvolvimento ................................................................................................................... 11

3.1 Analisar os artigos selecionados .................................................................................. 11

3.2 Primeiras simulações no HFSS ..................................................................................... 11

3.2.1 As técnicas com os melhores ganhos....................................................................12

3.2.2 Combinação das 3 técnicas....................................................................................12

3.3. Tabelas ......................................................................................................................... 12

4. Investigação .......................................................................................................................... 16

4.1 Explorações no espaço de busca...................................................................................16

4.2 Adição de elementos parasitas......................................................................................17

5. Correlação...............................................................................................................................18

5.1 Mapa de correlação......................................................................................................19

5.2 Boxplot (Diagrama de caixa) .......................................................................................19

6. Resultados..............................................................................................................................20

6.1 Características da antena..............................................................................................20

6.2 Setup de medição .........................................................................................................21

6.3. Simulações .................................................................................................................. 22

6.4. Carta de Smith e coeficiente de relexão ...................................................................... 24

6.5. Comparação entre resultados medidos e simulados. ................................................... 25

7. Conclusão .............................................................................................................................. 26

8. Referências .......................................................................................................................... 266

10

1. Introdução

Nesta monografia são apresentados alguns métodos para melhorar o ganho de antenas

de microfita que são uma das maiores inovações no estudo de antenas. Estas são

constituídas por duas placas paralelas, um plano de terra e um plano chamado de ‘patch’

(elemento irradiador) com um elemento dielétrico entre elas chamado substrato, usada

principalmente na faixa de micro-ondas (0,3 GHz a 300 GHz),(Ladhar et al., 2015).

As antenas de microfita são indispensáveis em qualquer sistema de comunicação e

tem como principais vantagens o baixo custo, tamanho pequeno, é fácil de simular e

fabricar, mas tem como a principal desvantagem de apresentar baixo ganho. Surgindo

assim o interesse na pesquisa de técnicas para o melhoramento de ganho para antenas de

microfita que podem ser usadas tanto em aplicações comerciais, militares e mais

recentemente na área de saúde, (Hong et al., 2013).

A análise dos dados através da correlação mostra as melhores decisões paraotimizar

o ganho da antena proposta para esse estudo pode aumentar significativamente assim

podemos analisar qual variável de entrada terá maior influência nos parâmetros de saída.

Portanto torna-se possível aumentar o ganho ou a largura de banda da antena sem

degradar outros parâmetros importantes. Esta análise de dados pode ser aplicada para

resolver problemas em diferentes áreas de atuação.

A antena foi simulada, fabricada e medido no laboratório. Observou-se a melhora

significativa do ganho da antena e o surgimento de uma nova frequência de ressonância

que aumenta as suas aplicações.

Na seção 2 descreve pesquisa de algumas técnicas que melhoram o ganho da antena

de microfita. A seção 3 mostra o desenvolvimento do trabalho. A seção 4 descreve

investigação dos parâmetros da antena e a seção 5 descreve a correlação. As seções 6 e 7

mostram os resultados e a conclusão respectivamente.

2. Métodos

A pesquisa começou em março de 2018 inicialmente na base de dados do portal de

periódicos CAPES/MEC com os termos de busca “enhancement”, “gain”, “antenna”,

“microstrip”, apenas em descritores em inglês. A pesquisa no portal da CAPES

11

direcionou as seguintes bases de dados: ieeexplore.ieee.org; sciencedirect.com;

googleacademico.com; onlinelibrary.willey.com; webofscience.com; link.springer.com.

A soma de todos os documentos encontrados entre artigos, teses e dissertações foi de

17.162 para o período de publicação de 2015 até 2018, no entanto documentos anteriores

a este período foram incluídos no estudo.

3. Desenvolvimento

3.1 Analisar os artigos selecionados

Nesta etapa a leitura de cada artigo foi realizada e as técnicas foram adaptadas

para simulação da antena. Algumas técnicas não foram aplicadas porque alguns artigos

não informaram o tipo de material utilizado nas camadas do patch, outros apresentavam

formas irregulares dificultando a simulação, por exemplo. Analisar cada técnica

individualmente é um trabalho que requer muito tempo e torna-se importante porque a

melhora de um parâmetro frequentemente é acompanhada da degradação de outro

parâmetro, tornando necessário encontrar equilíbrio entre eles.

3.2 Primeiras simulações no HFSS e resultados iniciais

Após cumprir a etapa da pesquisa para a identificação de técnicas para melhorar

o ganho de antenas de microfita, o próximo passo foi utilizá-las para a simulação de uma

antena proposta no software HFSS v17.2 e assim verificar o ganho apresentado e se

manteve a frequência de ressonância.

Inicialmente a antena apresentava um ganho de 6 dB, a frequência de ressonância

em 2,15 GHz, o return loss de -29,03 dB e uma largura de banda de 0,1777 GHz, o

objetivo era melhorar esse valor e várias simulações foram realizadas com algumas

apresentando valor menor que o inicial.

12

3.2.1 As técnicas com os melhores ganhos

O artigo A COMPACT HIGH GAIN MICROSTRIP ANTENNA FOR

WIRELESS APPLICATIONS que apresenta cortes no plano de terra da antena,

apresentou um ganho de 6,40 dB que representa um aumento de 6,66 % sendo o maior

simulado. O artigo GAIN ENHANCEMENT OF MICROSTRIP PATCH ANTENNA

BY USING COMPLEMENTARY EBG GEOMETRIES que faz cortes redondos no

patch radiante da antena apresentou um ganho de 6,20 dB que representa um aumento de

3,43 % sendo o segundo maior simulado. O artigo HIGHER ORDER MODE

EXCITATION FOR HIGH GAIN MICROSTRIP PATCH ANTENNA que acrescenta

duas figuras geométricas fractais do tipo estrela no patch radiante da antena apresentou

um ganho de 6,06 dB que representa um aumento de 0,96 % sendo o terceiro maior

simulado, a frequência de ressonância foi mantida nas 3 simulações.

3.2.2 Combinação das 3 técnicas

A combinação das 3 técnicas também foi simulada, a primeira ocorreu entre o

artigo que apresenta corte no plano de terra e o artigo que faz cortes redondos no patch

irradiante da antena essa combinação apresentou um ganho de 6,48 dB que representa um

aumento de 8,11 %. A segunda combinação de técnicas ocorreu entre o artigo que

acrescenta duas figuras geométricas fractais do tipo estrela com o artigo que faz cortes

redondos no patch radiante da antena apresentando um ganho de 6,16 dB que representa

um aumento de 2,81 % e a terceira combinação simulada entre o artigo que acrescenta

duas figuras geométricas fractais do tipo estrela com o artigo que apresenta corte no plano

de terra apresentou ganho de 6,27 dB que representa um aumento de 4,59 %.

3.3 Tabelas

Selecionou-se 13 artigos para criar a Tabela 1 com ganho apresentado, o autor e o

ano de publicação, eficiência em porcentagem, viabilidade de construção, frequência de

13

ressonância antes e depois da aplicação do método. Essa parte de leitura e análise dos

artigos é muito importante porque poucos artigos apresentam todas as informações

necessárias para o estudo. É muito importante que apresentem as comparações entre antes

e depois da aplicação da técnica e a comparação entre a medição na simulação e na

montagem da antena.

N AUTOR/ANO G T M E V FA FD

1 LADHAR et al., 2015 11 dB Fractal de formato irregular

cellular-automata(ca) 1 450% Regular

3,1 E 10,6

GHZ

3,1 E 10,6

GHZ

2 FALLAH-RAD;

SHAFAI, 2008 8,3 dB

Antena embutida em meio

dielétrico 2 13.33% Regular

Não é

indicado

Não é

indicado

3

GNANAGURUNAT

HAN; SELVAN,

2012

40% ATÉ 50%

Estrutura bandgap (EBG)

complementar circular e

quadrada

3 45% Boa 8 GHZ 8 GHZ

4 KHAN; IHSAN, 2014 10,21 dB Excitação de ordem superior,

mudanças geométricas 4 34.29% Boa

2,5 GHZ; 7 GHZ E

16 GHZ

16 GHZ

5 AZARI, 2011 9,5 dB Geometria fractal ortogonal 1 950% Regular Não é

indicado

10 GHZ

Até 50 GHZ

6 HONG et al., 2013 3,52 dB Geometria fractal com

polarização circular 1 134.67% Regular

Não é

indicado 2 GHZ

7 ATTACHI; SALEH;

BOUZOUAD, 2017 9 dB Camadas de Metamaterial 5 123.28% Regular 43,5 GHZ 43,5 GHZ

8 GAO; CAI; ZHU, 2016

2,2 dB Metamaterial de permissibilidade negativa

5 34.42% Regular

4,33 GHZ

Até 5,56

GHZ

5,2 GHZ

Até 6,75

GHZ

9 PARK et al., 2010 6,5 dB Estrutura bandgap (EBG)

circular e camada de ar 2,3 83.07% Regular 3,08 GHZ

2,96 GHZ Até 3,25

GHZ

10 GANGWAR; DAS;

YADAVA, 2017 7,6 dB

Metamaterial ressoador com

anel dividido 2,5 114.63% Regular 5,9 GHZ

4,5 GHZ

Até 7 GHZ

11 KENARI;

MOGHADASI, 2014 3,96 dB Metamateriais 5 865.85% Regular

Não é

indicado

2,25 Até

4,7 GHZ

12 MANDAL;

SARKAR, 2013 7,2 dB

Cortes no plano do solo e

polarizada circularmente 2,4 44% Bom 5,2 GHZ

3 GHZ E

5,2 GHZ

13 MEKKI et al., 2015 9,5 dB Camada refletora 2,3 131% Bom Não é

indicado 2,45 GH

N número do artigo, G ganho final apresentado pelo artigo, T técnica apresentada para melhorar o ganho, M classificação dos métodos

utilizados conforme tabela 2, E eficiência apresentada percentualmente, V viabilidade de construção da antena, FA frequência de ressonância apresentada antes da aplicação da técnica, FD frequência de ressonância apresentada depois da aplicação da técnica.

Tabela 1: Artigos para estudo das técnicas

Alguns artigos apresentam mais de um método para melhorar o ganho da antena,

a eficiência de ganho com o objetivo de priorizar os artigos na parte de simulação, a

viabilidade de simulação e construção da antena tendo em vista que alguns artigos

apresentam, por exemplo, formas incomuns ou materiais difíceis de encontrar para a

14

construção da antena, as duas últimas colunas são a frequência de ressonância antes da

aplicação da técnica que aumenta o ganho e frequência de ressonância e após a aplicação

da técnica mostrando se ocorreu alguma mudança significativa.

A primeira coluna classifica os artigos de 1 até 13, a segunda coluna contém o

nome do autor e o ano de publicação do artigo utilizado no estudo e a terceira coluna

apresenta o ganho em dB comparando com o radiador isotrópico, as colunas seguintes

mostram a técnica para melhorar o ganho, a numeração de cada classificação dos métodos

que está legendado na Tabela 2.

LEGENDA DA CLASSIFICAÇÃO DE MÉTODOS

1-FRACTAL

2-CAMADAS

3- ESTRUTURAS PERIÓDICAS

4-TIPOS GEOMETRICOS

5-METAMATERIAL

Tabela 2: legenda da classificação de métodos

Cada método apresenta uma solução diferente para melhorar o ganho da antena

de microfita. A geometria fractal tem formas semelhantes e podem ser subdivididas em

partes que são uma cópia de tamanho reduzido do todo, têm formas complicadas e

irregulares que aumentam a largura de banda e a radiação efetiva de antenas(Azari, 2011).

O método de estruturas periódicas acrescenta diferentes formas complementares a antena

impedindo as ondas eletromagnéticas de superfície irradiarem em uma determinada banda

de frequência melhorando o padrão de radiação na frequência de transmissão e

consequentemente o ganho da antena(Gnanagurunathan; Selvan, 2012).

Os metamateriais são produzidos artificialmente e possuem características físicas que

não são encontradas na natureza, aumentando a permissividade de um substrato é possível

melhorar a diretividade e o ganho de uma antena de microfita(Gangwar; Das; Yadava,

2017). Os tipos geométricos têm comportamento parecido com os fractais sem a

necessidade das partes reduzidas. Projetando essas geometrias aumentamos as ondas de

superfície em determinadas frequências aumentando assim o ganho da antena(Khan;

Ihsan, 2014). O método de camadas aumenta o ganho devido ao aumento na área de

radiação e a distribuição de corrente de fase ao longo das bordas radiantes(Khan; Ihsan,

2014).

15

A tabela 3 foi criada somente com as referências, (Chang; Jiang, 2009), (Gonzalo;

De Maagt; Sorolla, 1999), (Fallah-Rad; Shafai, 2003), (Attia et al., 2013), (Jackson;

Alexopoulos, 1985), (Ju et al., 2009), (Boutayeb; Denidni, 2007), (Yiren Wang; Chieh;

Anh-Vu Pham, 2011), (Liu; Wang; Zeng, 2013), (Sheng Ye et al., 2012), (Guha;

Banerjee; Kumar, 2012), (Perron; Denidni; Sebak, 2009), (Fazal; Khan; Ihsan, 2012),

(Hsieh; Lee, 2000), (Nasimuddin; Esselle; Verma, 2005), (Quan Li; Zhongxiang Shen,

2002) voltadas para o ganho da antena de cada artigo selecionado, contendo o número

dos artigos de cada referência, autor e ano, ganho, método para melhorar o ganho,

deixando de fora as referências que tratam de outros assuntos para a construção da antena.

A Tabela 3 mostra as referências dos 13 artigos selecionados inicialmente que estão

relacionados ao ganho, a primeira coluna mostra o número do artigo da Tabela 1, as

colunas seguintes contêm o nome do autor e ano de publicação do artigo, o ganho

apresentado e a técnica usada para aumentar o ganho.

N AUTOR/ANO G T

6 CHANG; JIANG, 2009 9,3 DB Antena polarizada e fractal

3 GONZALO; DE MAAGT; SOROLLA, 1999 10 DB Substrato fotônico

3 FALLAH-RAD; SHAFAI, 2003 3,4 DB Estruturas periódicas eletromagnéticas (EBG)

10 ATTIA et al., 2013 3,4 DB Substrato com índice de elevação elevado

10, 9, 4 JACKSON; ALEXOPOULOS, 1985 6 DB Substrato dielétrico

10 JU et al., 2009 5 DB Substrato de Metamaterial

9 BOUTAYEB; DENIDNI, 2007 2,9 DB Substrato cristal

8 YIREN WANG; CHIEH; ANH-VU PHAM,

2011 4,57 DB Substrato de polímero de cristal líquido

8 LIU; WANG; ZENG, 2013 1,5 DB Metamaterial de permeabilidade negativa em substrato cerâmico

8 SHENG YE et al., 2012 34,1 DB Arranjos de antenas

4 GUHA; BANERJEE; KUMAR, 2012 8 DB Ressoador dielétrico cilíndrico

4 PERRON; DENIDNI; SEBAK, 2009 11,9 DB Ressonador dielétrico híbrido

4 FAZAL; KHAN; IHSAN, 2012 9,44 DB Fractal

12 HSIEH; LEE, 2000 18,5 DB Dupla estrutura

12 NASIMUDDIN; ESSELLE; VERMA, 2005 4,2 DB Polarização circular

12 QUAN LI; ZHONGXIANG SHEN, 2002 6,1 DB Estrutura invertida, o substrato está invertido

N número do artigo, G ganho apresentado pelo artigo, T técnica apresentada para melhorar o ganho

Tabela 3: referências do ganho dos artigos selecionados

Cada artigo da Tabela 1 apresenta as referências de muitos assuntos voltados para a

justificativa do trabalho. A Tabela 3 apresenta apenas as referências voltadas ao ganho da

16

antena, sendo utilizada para trazer a teoria das técnicas e assim justificar o uso de cada

técnica que será aplicada na antena de microfita.

4. Investigação

4.1 Explorações no espaço de busca

Três parâmetros da antena, mostrada na Figura 1, foram mudadas para observar os

efeitos causados no ganho, frequência de ressonância, return loss e largura de banda, um

dataset foi criado com 135 resultados dessas simulações.

(a)

(b)

Figura 1: Antena proposta para o estudo das técnicas de ganho. Vista

superior(a) e vista inferior(b)

17

Inicialmente as variações foram 0,5 mm e encontramos o maior valor do ganho sendo

6,82 dB que representa 13,66 % a mais que o valor inicial, a frequência de ressonância de

2,2 GHz, o return loss de -18,61 dB e uma largura de banda de 0,14 GHz.

Ocorreu a mudança do material da antena para FR4 por ser o material encontrado no

laboratório para confecção da antena pesquisada. Com a essa mudança o maior ganho

encontrado que tinha sido de 6,82 dB caiu para 5,10 dB, tal queda ocorreu por que a

permissibilidade saiu de 2,17 com o Arlon CuClad 217 para 4,4 com o FR4_epoxy

influenciando assim diretamente o ganho da antena. Outras técnicas que aumentassem o

ganho da antena foram pesquisadas e simuladas, a primeira delas foi acrescentar

elementos parasitas (Mekki et al., 2015) afastados 2 mm da parte superior da antena, na

simulação chamado DS, e inferior da antena, na simulação chamado de DI, em formato

retangular mostrado na Figura 2. Inserindo 3 dessas formas com tamanho de 8mm X

30mm conseguimos melhorar o ganho que chegou a 5,95 dB, uma frequência de

ressonância em 2,15 GHz e return loss de -17,64 dB, um detalhe importante foi o

surgimento de uma nova frequência de ressonância em 3,95 GHz com return loss de -

16,66 dB.

(a) (b)

Figura 2: Antena com elementos parasitas na parte superior e inferior. Vista

superior(a) e vista lateral(b)

4.2 Adição de elementos parasitas

18

Observando o primeiro dataset chegou-se à conclusão que dois parâmetros têm maior

influência sobre o ganho, nomeados de R2 e R3 mostrado na Figura 2. Um novo dataset

foi gerado desprezando o valor de R1 e acrescentando o valor da distância superior (DS)

e distância inferior (DI) dos parasitas em relação a antena, R2 e R3 com 81 resultados,

tabela 7 mostra os melhores resultados encontrados para o ganho.

Tabela 4: Medidas da antena que apresentaram maior ganho

Para escolher os valores para fabricação da antena no laboratório o maior return

loss foi considerado e influenciou diretamente na escolha das medidas para R3=3,0 mm,

R2=-10 mm, DS=2,5 mm e DI=-1,5mm.

5. Correlação

Com duas ou mais variáveis além das medidas individuais, também é de interesse

conhecer se elas têm algum relacionamento entre si, isto é, se valores altos (baixos) de

uma das variáveis implicam em valores altos (ou baixos) da outra variável, esse

relacionamento é conhecido como correlação. O número que mede esse relacionamento

é chamado de coeficiente de correlação, pode variar de –1,00 a + 1,00, com um coeficiente

de +1, indicando uma correlação linear positiva perfeita e um coeficiente de correlação

de –1, indica correlação linear perfeita negativa. Uma correlação de +1 ou –1 é raramente

observado. O mais comum é que o coeficiente fique situado no intervalo entre estes dois

valores. Um coeficiente de correlação “0”, significa que não existe um relacionamento

linear entre as duas variáveis,(VIALI, [s.d.]).

19

5.1 Mapa de correlação

Os valores do dataset foram usados para observar a correlação entre as variações de

tamanho da antena com os parâmetros desejados. Os valores do dataset foram utilizados

nos softwares python, pandas, numpy, matplotlib para gerar a tabela de correlação

mostrada na Tabela 5 e o boxplot mostrado na Figura 3. Podemos observar na tabela de

correlação que a variável DS tem a maior correlação com o ganho da antena, isso mostra

que as mudanças realizadas nos valores de DS terão maior influência no ganho final. Se

a intenção é mudar a Frequência de Ressonância 1 (FR1) as variações feitas em DS terão

mais efeitos, já no return loss 1 (RL1) as variações em DI terão maior influência que as

outras variáveis de entrada, variando o valor de R3 terá melhor efeito no Bandwidth

(WB1).

Tabela 5: Mapa de correlação

5.2 Boxplot

O boxplot ou diagrama de caixa é uma ferramenta gráfica que permite visualizar a

distribuição e valores discrepantes dos dados, fornecendo assim um meio complementar

para desenvolver uma perspectiva sobre o caráter dos dados. Além disso, o boxplot

também é uma disposição gráfica comparativa. Falando estatisticamente que a variável

de entrada DI tem comprimento de caldas de distribuição maior que R3 e DS, a dispersão

da correlação é praticamente a mesma entre DS, DI e R3, pois o tamanho das caixas é

20

visualmente igual, pela posição das caixas observamos correlação positiva em R3 e DI

enquanto DS correlação negativa. Por fim a linha vermelha indica que a mediana de R3,

DS e DI estão próximas de correlação nula.

Figura 3: Boxplot

6. Resultados

6.1 Características da antena

Usando o substrato FR4 com permissividade de 4,4 a antena proposta foi fabricada

no laboratório de antenas localizado no centro tecnológico da UFRN. Primeiramente, os

adesivos com as medidas da antena foram impressos em uma gráfica particular, o passo

seguinte foi fixar os adesivos no FR4 cortado no tamanho da antena e fazer a corrosão

usando Percloreto de Ferro, o próximo passo foi soldar a conector SMA para alimentação

da antena e por último fixar as camadas parasitas na parte superior e inferior da antena

usando espaçadores de polímero Politetrafluoretileno conhecido como teflon, esses

espaçadores causam poucas interferências nas medições e foram colados na superfície da

antena, o resultado final da antena pronta para as medições é mostrado na Figura 4.

21

Figura 4: Protótipo para medições

6.2 Setup

As medições da antena foram feitas no laboratório de antenas da Instituto Federal da

Paraíba (IFPB), foram medidos o coeficiente de reflexão (S11) mostrado nas Figuras 5 e

6, a carta de Smith mostrada na Figura 10.

Figura 5: Medição do coeficiente de reflexão (S11) no laboratório

22

Figura 6: Coeficiente de reflexão (S11) medida no laboratório

6.3 Simulações

As simulações feitas no software HFSS que gerou o S11 simulado mostrado na

Figura 7, a carta de Smith na Figura 8 e na Figura 9 é mostrado o ganho simulado no

HFSS.

Figura 7: Coeficiente de reflexão (S11) simulada no HFSS

23

Devido à utilização de conectores do tipo SMA com impedância característica de 50,

deve-se encontrar um ponto no patch onde a impedância de entrada seja equivalente à

impedância do conector, otimizando o coeficiente de reflexão da antena. As diferenças

encontras entre a carta de Smith simulada na Figura 8 e medida, apresentada na Figura

10 são devido a solda do conector SMA e a distância de aproximadamente 1 mm dele

para o substrato da antena.

Figura 8: Carta de Smith simulada no HFSS

O diagrama de radiação de uma antena pode ser definido como uma função

matemática ou representação gráfica das propriedades de radiação de uma antena em

função de coordenadas espaciais. A determinação do padrão de radiação de uma antena é

feita a partir da força medida em campos distantes em relação à antena. A Figura 9 mostra

a representação gráficas para análise do padrão de radiação da antena simulada no HFSS,

sendo possível obter o ganho simulado que corresponde a 6,25 dB.

A leitura do diagrama de radiação permite a obtenção de parâmetros importantes para

caracterizar a aplicabilidade de uma antena. Através dele é possível conhecer a

diretividade, analisando o lóbulo principal e a formação de lóbulos laterais e traseiros.

24

Figura 9: Ganho simulado no HFSS

6.4 Carta de Smith

A carta de Smith é uma ferramenta gráfica de auxílio à resolução de problemas

em linhas de transmissão desenvolvida em 1939 por P. Smith nos laboratórios da Bell

Telephone. Entre outros métodos de análise de impedância e coeficientes de reflexão, ela

é a mais conhecida e utilizada. Além disso, o uso da carta de Smith é de suma importância

para o projeto de antenas de microfita, pois com a análise dos parâmetros fornecidos por

ela, torna-se possível a otimização do casamento de impedância entre a carga e a linha de

transmissão.

25

Figura 10: Carta de Smith medida no laboratório

6.5 Comparação entre simulado e medido

Usando o software MatLab foi possível fazer a comparação entre os gráficos do

S11 medido e simulado, gerando o gráfico da Figura 11, sendo possível observar a

semelhança entre as curvas simulada e medida. Algumas diferenças são devidas as perdas

na fabricação da antena como solda do conector e o alinhamento entre as placas com os

elementos parasitas. Ao observar o gráfico da Figura 11 a simulação apresentou as

frequências de ressonâncias em 2,2 e 3,5 GHz enquanto na medição os valores foram

aproximadamente 2,5 e 3,5 GHz, os valores do S11 simulados são -23,46 e -16,73 dB

enquanto os medidos são aproximadamente -17 e -14 dB.

Figura 11: Gráfico com coeficiente de reflexão (S11) simulada e medida

26

7. Conclusão

Neste trabalho foram investigadas técnicas para a melhoria de ganho da antena de

microfita proposta, o estudo passou por etapas teóricas desde a pesquisa de artigos com

técnicas que melhoram o ganho, criação de um dataset, estudo da correlação, simulações

no HFSS e MatLab e na etapa prática a construção da antena ajudou a tornar o trabalho

completo.

Com os resultados das simulações do software HFSS construiu o dataset, enquanto

os softwares python, pandas, numpy, matplotlib forneceram os mapas de correlação e o

boxplot mostrando a eficiência de uma investigação, comprovando que o estudo da

correlação foi utilizado para identificar a sensibilidade das variáveis em função dos

parâmetros. Existem muitos métodos para aumentar o ganho da antena. Alguns métodos

foram estudados neste trabalho e aplicados na antena proposta que teve o ganho final

maior e o surgimento de uma frequência ressonância que amplia as suas aplicações.

8. Referências

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