Modelamento da antena com dupla polariza¸c˜ ao

Como ponto de partida para a implanta¸c˜ao da segunda polariza¸c˜ao na estrutura de-senvolvida at´e o momento, foi utilizada como base a t´ecnica mencionada por Mccrmick e Zaghloul (2016). A antena projetada e descrita na Se¸c˜ao 4.3.3 tem como principal ele-mento uma estrutura monopolo planar. Portanto, como forma de tentar obter o m´aximo de isolamento entre os “ports” da antena, foi inserido uma segunda antena monopolo planar na estrutura, de modo que os pontos de alimenta¸c˜ao da estrutura ficassem a uma difere¸ca de 90^◦.

Por quest˜oes de geometria, a segunda antena monopolo planar foi posicionada arbitra-riamente no centro do elemento irradiador principal da antena com elementos parasitas

A Figura 81 ilustra a estrutura completa com as duas antenas e as Figuras 82 e 83 os resultados em rela¸c˜ao a perda de retorno de cada antena.

Figura 81: Estrutura completa com as duas antenas.

Figura 82: Influˆencia da segunda antena monopolo planar na perda de retorno da antena com elementos parasitas.

Figura 83: Perda de retorno inicial da segunda antena monopolo planar.

A Figura 82 apresenta o efeito causado na perda de retorno da antena com elementos parasitas devido `a inser¸c˜ao da segunda antena monopolo planar. Nota-se que a curvaS11

sofreu altera¸c˜oes consider´aveis, ficando fora dos padr˜oes de frequˆencia e banda estabele-cidos inicialmente. Al´em disso, analisando a Figura 83, nota-se que a perda de retorno da segunda antena monopolo planar, S22, apresentou duas frequˆencias de ressonˆancia. A primeira aparecendo na faixa de VHF alto e a segunda na faixa de UHF.

Como a antena com elementos parasitas ser´a projetada para suprir a maior banda na faixa de UHF, a segunda frequˆencia de ressonˆancia da segunda antena monopolo planar n˜ao foi estudada. Por esse motivo, foi definido como crit´erio de projeto que essa antena ser´a modelada para cobrir a faixa de VHF alto.

Com base nessas ideias, cada parˆametro da estrutura foi sendo alterado individual-mente e analisado sua influˆencia na largura de banda e na carta de Smith. O primeiro parˆametro geom´etrico estudado foi o comprimento do elemento irradiador das antenas e os resultados est˜ao ilustrados pelas Figuras 84, 85, 86 e 87.

Figura 84: Influˆencia do comprimento do elemento irradiador na largura de banda da antena com elementos parasitas.

Figura 85: Influˆencia do comprimento do elemento irradiador na largura de banda da antena com elementos parasitas pela carta de Smith.

Figura 86: Influˆencia do comprimento do elemento irradiador na largura de banda da segunda antena monopolo planar.

Figura 87: Influˆencia do comprimento do elemento irradiador na largura de banda da segunda antena monopolo planar pela carta de Smith.

As Figuras 84 e 86 apresentam a influˆencia do comprimento do elemento irradiador na largura de banda de ambas antenas, entre os valores geom´etricos 200 at´e 280 mm. Nesse caso foi verificado que `a medida que o comprimento do elemento irradiador aumenta, a largura de banda de ambas as antenas tamb´em tende a aumentar. Al´em desse fato,

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e poss´ıvel notar o deslocamento da frequˆencia ressonante da segunda antena monopolo planar para mais pr´oximo do centro da faixa de VHF alto. Dentre o range de valores simulados, o valor H = 280 mm foi o que apresentou a maior largura de banda e ficou mais pr´oximo do centro da carta de ambas antenas, conforme pode ser observado nas Figuras 85 e 87, e por esse motivo foi fixado para as pr´oximas simula¸c˜oes.

A pr´oxima an´alise verifica a influˆencia do plano terra da segunda antena monopolo planar na largura de banda. Essa simula¸c˜ao foi realizada variando-se o comprimento do plano terra de 200 at´e 300 mm e os resultados est˜ao apresentados nas Figuras 88, 89, 90 e 91.

Figura 88: Influˆencia do plano terra da segunda antena monopolo planar na largura de banda da antena com elementos parasitas.

Figura 89: Influˆencia do plano terra da segunda antena monopolo planar na largura de banda da antena com elementos parasitas pela carta de Smith.

Figura 90: Influˆencia do plano terra da segunda antena monopolo planar em sua largura de banda.

Figura 91: Influˆencia do plano terra da segunda antena monopolo planar em sua largura de banda pela carta de Smith.

Conforme pode ser observado atrav´es da Figura 88, o plano terra da segunda antena monopolo planar n˜ao causa grandes impactos na largura de banda da antena com ele-mentos parasitas. Esse fato tamb´em pode ser comprovado ao analisar a carta de Smith, Figura 89, onde praticamente todos os valores se encontram pr´oximos ao centro da carta.

Ao analisar a Figura 90, foi poss´ıvel notar que para valores de plano terra abaixo de 220 mm a segunda antena monopolo planar apresenta resultados acima do limiar de interesse de perda de retorno, ou seja, S11 > - 10 dB. Dessa forma, a utiliza¸c˜ao desses valores se torna invi´avel. Ao verificar o efeito dos valores na carta de Smith, Figura 91, foi observado que o valor de plano terra igual a 300 mm´e o valor que se aproxima mais do centro da carta. Al´em desse fato, esse valor resultou numa maior largura de banda e proximidade da frequˆencia de ressonˆancia do centro da faixa de VHF alto. Por esses motivos, esse valor foi fixado para a realiza¸c˜ao das simula¸c˜oes finais desta estrutura.

A Figura 92 exibe a estrutura completa com suas dimens˜oes geom´etricas finais, as Figuras 93 e 94 apresentam a perda de retorno de cada antena e a Figura 95 ilustra a perda de retorno completa da estrutura.

Figura 92: Estrutura final proposta com seus parˆametros geom´etricos.

Dimens˜oes finais da antena monopolo planar com elementos parasitas:

• Antena planar: L planar 1 = 280 mm,W planar = 110mm ep = 1 mm;

• Dimens˜oes do plano terra quadrado: Lgp 1 = 190x190 mm²;

• Elementos parasitas: L parasitic element = 100mm, W planar = 110 mm;

• Distˆancia dos elementos parasitas at´e o elemento irradiador: 55 mm;

Dimens˜oes finais da segunda antena monopolo planar:

• Antena planar: L planar 2 = 280 mm,W planar = 110mm ep = 1 mm;

• Dimens˜oes do plano terra quadrado: Lgp 2 = 300x300 mm²;

• Altura: H = 80 mm;

Figura 93: Largura de banda obtida BW = 0,39059 GHz da antena monopolo planar com elementos parasitas.

Figura 94: Largura de banda obtida BW = 0,040561 GHz da segunda antena monopolo planar.

Figura 95: Perda de retorno completa da estrutura.

Analisando a perda de retorno final referente a antena monopolo planar com elementos parasitas, Figura 83, nota-se que foi poss´ıvel cobrir uma largura de banda de aproxima-damente BW = 390,59 MHz na faixa de UHF. Al´em desse fator, essa antena apresentou valores de fi = 312,87 MHz, fc = 546 MHz e fs = 703,46 MHz dentro dos crit´erios de projeto estabelecidos, resultando numa porcentagem de banda fracion´aria F BW = 71,5

%. Valor bem acima do limite m´ınimo de porcentagem para cobertura dessa faixa.

A Figura 94 ilustra a perda de retorno final referente a segunda antena monopolo planar. Para essa antena nota-se que foi poss´ıvel atingir valores de fi = 151,57 MHz, fc = 171 MHz e fs = 192,13 MHz, al´em de uma largura de banda BW = 40,561 MHz.

Percebe-se que o valor encontrado da fi ficou abaixo do valor da frequˆencia inicial da faixa de VHF alto, que ´e respectivamente 174 MHz, e o valor encontrado da fs ficou pr´oximo ao limite m´aximo da banda que vale 216 MHz. Comprovando sua cobertura nessa faixa especificamente.

A Figura 95 apresenta uma vis˜ao completa da perda de retorno da estrutura proposta.

As curvas nas cores verde e azul representam a potˆencia transferida entre os pontos de alimenta¸c˜ao da antena. No caso doS a potˆencia transferida doport 1 para oport 2 e o

S1,2 a potˆencia transferida do port2 para oport 1 respectivamente. Nota-se que ambos os ports apresentam valores elevados de isola¸c˜ao, na faixa de UHF valores que variam entre 11 at´e 20 dB, e na faixa de VHF alto valores de 4 at´e 6 dB dentro da faixa de interesse.

Desta forma, isso prova que ambas as antenas podem ser utilizadas num mesmo espa¸co f´ısico com a garantia de poucas possibilidades de interferˆencia entre elas.

A Tabela 4 compara a antena proposta com dupla polariza¸c˜ao com as estruturas anteriores. A nova antena proposta ´e capaz de cobrir a banda de UHF (banda fracion´aria da ordem de 52 %) com uma banda fracion´aria de 71,5 % e cobrir a banda de VHF alto (banda fracion´aria da ordem de 22 %) com uma banda fracion´aria de 23,7 %. Al´em desse fato, essa estrutura apresenta a vantagem de poder ser facilmente constru´ıda e possuir uma caracter´ıstica desej´avel que ´e o seu baixo perfil met´alico (menor custo de material e menor peso).

Tabela 4: Comparativo de desempenho das antenas anteriores com a antena proposta com dupla polariza¸c˜ao (frequˆencias em GHz).

fi fc fs BW F BW (%) Monopolo filamentar 0,492 0,543 0,610 0,117 21,5

Monopolo cil´ındrica 0,486 0,549 0,631 0,145 26,4

Monopolo planar 0,499 0,570 0,658 0,158 27,7

Monopolo planar com ´unico elemento parasita 0,511 0,588 0,693 0,181 30,7 Monopolo planar com dois elementos parasitas 0,446 0,586 0,697 0,250 42,8 Antena com dupla polariza¸c˜ao (port 1) 0,312 0,546 0,703 0,390 71,5 Antena com dupla polariza¸c˜ao (port 2) 0,151 0,171 0,192 0,040 23,7

UHF 0,470 0,635 0,800 0,330 52,3

VHF alto 0,174 0,195 0,216 0,042 21,5

As seguintes ilustra¸c˜oes apresentam os resultados finais relativos as simula¸c˜oes da antena proposta com dupla polariza¸c˜ao. As Figura 96 e 97 mostram o padr˜ao de irradia¸c˜ao em phi = 90^◦, as Figuras 98 e 99 ilustram a distribui¸c˜ao de corrente em fun¸c˜ao das frequˆenciasfi,fc efs e as Figuras 100 e 101 exibem o padr˜ao de irradia¸c˜ao tridimensional de cada antena.

Figura 96: Diagrama de radia¸c˜ao polar da antena com elementos pararitas nas frequˆencias:

(a) fi = 0,312 GHz, (b) fc = 0,584 GHz, (c) fs = 0,703 GHz. Plano YZ (phi= 90^◦).

Figura 97: Diagrama de radia¸c˜ao polar da segunda antena monopolo planar nas frequˆencias: (a) fi = 0,151 GHz, (b) fc = 0,17 GHz, (c) fs = 0,191 GHz. Plano YZ (phi = 90^◦).

Figura 98: Distribui¸c˜ao de corrente da antena com elementos pararitas nas frequˆencias:

(a) fi = 0,312 GHz, (b) fc = 0,584 GHz, (c) fs = 0,703 GHz. Escalas de 0 a 1 A/m.

Figura 99: Distribui¸c˜ao de corrente da segunda antena monopolo planar nas frequˆencias:

(a) fi = 0,151 GHz, (b) fc = 0,17 GHz, (c) fs = 0,191 GHz. Escalas de 0 a 1 A/m.

Figura 100: Diagrama tridimensional da antena com elementos parasitas.

Figura 101: Diagrama tridimensional da segunda antena monopolo planar.

As Figuras 96 e 97 apresentam o diagrama de radia¸c˜ao em phi = 90^◦ (plano YZ) da estrutura. Pode ser visto que para ambas as antenas ocorre uma deforma¸c˜ao em seus diagramas, devido ao fato delas estarem posicionadas num mesmo espa¸co f´ısico. Por´em, mesmo com esta deforma¸c˜ao, ainda ´e poss´ıvel notar o padr˜ao omnidirecional ao longo de suas frequˆencias.

Nas Figuras 98 e 99 est´a ilustrada a distribui¸c˜ao de corrente de cada antena com escala

na antena ao qual o sinal n˜ao ´e injetado. Mostrando novamente a existˆencia da isola¸c˜ao entre as antenas. Al´em disso, pode ser observado atrav´es dos diagramas tridimensionais, Figuras 100 e 101, que as antenas apresentam valores altos de ganho, em torno de 4 dB.

A pr´oxima se¸c˜ao apresenta o estudo, a caracteriza¸c˜ao e a defini¸c˜ao das polariza¸c˜oes de cada antena da estrutura proposta.