3.5 Design de arranjo em série de antenas patch retangular
3.5.2 Arranjo com oito elementos
45
-150 -100 -50 0 50 100 150
Theta [deg]
-20 -10 0 10
Diretividade [dB]
plano =0°
plano =90°
(a) Diretividade em 2D. (b) Ganho em 3D.
Figura 32 – Diretividade e ganho do arranjo de 4 elementos. Fonte: Elaborado pelo autor.
46
60 65 70 75 80 85 90 95
Frequência [GHz]
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0
|S 11| [dB] 120 m
130 m 135 m 140 m 150 m 160 m 165 m 170 m
(a) Coeficiente de reflexão.
60 65 70 75 80 85 90 95
Frequência [GHz]
-60 -40 -20 0 20 40 60 80
Z []
(b) Impedância de entrada.
Figura 34 – Parametrização do comprimento da CPW de alimentação do arranjo. Fonte: Elaborado pelo autor.
Também foi realizada a parametrização da largura da mesma linha de alimentação dos oito elementos, para definir o melhor valor. A análise feita foi dos valores que já vem sendo utilizados, para afunilar ao máximo os resultados encontrados. Com passos de 8µmfoi executado o programa para fazer a varredura de 90µmaté 120µm, e os resultados encontrados estão ilustrados na Figura 35.
Pela análise dos resultados ilustrada na Figura 35a, é fácil notar que em alguns valores o coeficiente de reflexão alcança uma intensidade muito interessante, com valores abaixo dos -50dB, porém com um pequeno deslocamento na frequência de operação requirida para esse projeto.
47
60 65 70 75 80 85 90 95
Frequência [GHz]
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
|S 11| [dB]
0,3mm 0,32mm 0,34mm 0,36mm 0,38mm 0,4mm
(a) Coeficiente de reflexão.
60 65 70 75 80 85 90 95
Frequência [GHz]
-50 0 50 100
Z []
(b) Impedância de entrada.
Figura 35 – Parametrização da largura da CPW de alimentação do arranjo. Fonte: Elaborado pelo autor.
Com isso feito, foi possível definir os melhores valores para o arranjo, e coletados os gráficos finais do coeficiente de reflexão e da impedância de entrada mostrados a seguir. É possível ver que o arranjo possui um coeficiente de reflexão|S11|=-24,76dB exatamente na frequência dos 79GHz.
48
60 65 70 75 80 85 90 95 100
Frequência [GHz]
-50 -40 -30 -20 -10 0
|S 11| [dB]
(a) Coeficiente de reflexão.
60 65 70 75 80 85 90 95 100
Frequência [GHz]
-40 -20 0 20 40 60 80
Z []
parte real parte imaginária
(b) Impedância de entrada.
Figura 36 – Parâmetros finais do arranjo de 8 elementos. Fonte: Elaborado pelo autor.
O ganho da antena alcançou o valor de 6.3dBi como mostra o diagrama visto na Figura 37a. Com relação a diretividade da antena, foi anexado o resultado do diagrama retangular para os valores de phi = 0o e ϕ = 90o, e nota-se que alcançou um total de -13dB na frequência de ressonância dos 79GHz.
49
-150 -100 -50 0 50 100 150
Theta [deg]
-40 -30 -20 -10 0 10 20
Ganho [dB]
plano =0°
plano =90°
(a) Ganho da antena comϕ= 0° e 90°.
(b) Ganho 3D.
Figura 37 – Diagramas do ganho do arranjo em 2D e 3D. Fonte: Elaborado pelo autor.
Por fim, tem-se o gráfico da diretividade na Figura 38a, que mostra a diretividade da antena pela frequência. Observa-se que na frequência central de 79GHz, a antena possui uma diretividade de aproximadamente 20dB, que aumenta um pouco conforme se desloca a frequência para a casa dos 80GHz. Já em outras frequências nota-se que a intensidade do feixe diminui bastante. A Figura 38b ilustra essa mesma diretividade para três diferentes valores de frequência, sendo que as linhas correspondentes aos 76GHz e 82GHz não estão centralizadas igual para a frequência de operação desejada de 79GHz, que possui a melhor diretividade para o projeto.
50
76 77 78 79 80 81 82
Frequência [GHz]
17 18 19 20 21
Diretividade [dB]
(a) Diretividade pela frequência.
-150 -100 -50 0 50 100 150
Theta [deg]
-50 -40 -30 -20 -10 0 10
Diretividade [dB]
76GHz 79GHz 82GHz
(b) Diretividade da antena com análise paramétrica em 3 frequências.
Figura 38 – Diretividade da antena pela frequência de operação. Fonte: Elaborado pelo autor.
51
4 CONCLUSÃO
O estudo realizado nesse trabalho abrange uma variedade de temas da atualidade co-relacionados ao uso da tecnologia de ondas milimétricas, mais precisamente em suas vantagens para aplicações em sensores de alta precisão em sistemas de radar automotivo. O aumento notável na demanda e investimento de concessionarias de veículos, bem como as novas legislações e requisitos para as montadoras de veículos, mostra o quanto esse tema é importante e muito promissor.
Com o foco na parte de projeto da antena do sistema, esse trabalho levanta uma série de temas que envolvem a teoria por trás do funcionamento e projeção de antenaspatchdemicrostrip, como seus métodos de análise e modos de transmissão. E também toda a parte prática dodesignde um dispositivo para esse tipo de aplicação.
Através do uso do software Ansys HFSS, foi possível projetar arranjos de dois, quatro, e oito elementos radiantes, afim de visualizar e compreender suas características e funcionamento, desde a parte da alimentação do dispositivo afim de gerar o sinal na frequência de operação desejada até a parte de analise paramétrica de solução e melhora do desempenho e eficacia do arranjo, por meio do coeficiente de reflexão gerado, bem como a impedância de casamento dos elementos.
Analisando outros parâmetros da antena, como seu ganho e diretividade, foi possível observar que existe uma relação com a quantidade de elementos radiantes no arranjo. Como visto nas Figura 22 27b, Figura 32, Figura 37 notamos um aumento considerável na diretividade da antena, de aproximadamente 3dB por elemento acrescentado, também é possível ver que a propagação dos feixes emitidos pelo arranjo aumenta sua diretividade com relação aos lóbulos laterais que são criados conforme são adicionados mais elementos radiantes na antena.
Além disso, o trabalho ilustra um fenômeno interessante que foi observado através das simulações e desenvolvimento da antena. Foi notado que conforme são adicionados novos elementos ao arranjo, ocorre um aumento no número de frequências de ressonância, se analisarmos o circuito da antena, podemos ver afirmar que a cada elemento novo inserido é o equivalente a um aumento na ordem do circuito ressonante, aumentando um indutor e um capacitor, e consequentemente teremos novos pontos de ressonância surgindo. Então, pelas análises dos gráficos do coeficiente de reflexão|S11|e da impedância de entrada Z com um só elemento, vemos que a antena opera apenas na frequência de ressonância, como o esperado. Porém, ao se analisar o gráfico do mesmo parâmetro para a antena patchcom 2 elementos, notamos que passa a aparecer uma outra frequência ressonante, onde a antena também consegue transmitir. E conforme o número de elementos aumenta, mais frequências dessas aparecem, como podemos notar nas Figuras 26a, Figura 31, Figura 36. No arranjo com oito elementos onde chegamos ao total de oito frequências de ressonância, vemos que a banda de operação da antena é bastante ampla chegando a aproximadamente 30GHz com intensidade do coeficiente de reflexão abaixo dos -10dB.
Esse fenômeno observado não possui muitas informações claras na literatura revisada para esse trabalho, podendo ser tratado com maior foco um estudo das causas e maneiras de controlar esses efeitos ressonantes, e entender o comportamento por trás da aplicação desse tipo de tecnologia.