Antenas monopolo planar com patch em anel circular para sistemas UWB

(1)

U

NIVERSIDADE

F

EDERAL DO

R

IO

G

RANDE DO

N

ORTE

C

ENTRO DE

T

ECNOLOGIA

P

ROGRAMA DE

P

ÓS

-

GRADUAÇÃO EM

E

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E

LÉTRICA E DA

C

OMPUTAÇÃO

A

NTENAS

M

ONOPOLO

P

LANAR COM

P

ATCH EM

A

NEL

C

IRCULAR PARA

S

ISTEMAS

UWB

B

RUNA

A

LICE

L

IMA DA

S

ILVA

Orientador: Prof. Dr. Adaildo Gomes D’Assunção Co-orientador: Prof. Dr. Alfrêdo Gomes Neto

Natal-RN Junho/2010

(2)

Divisão de Serviços Técnicos

Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede

Silva, Bruna Alice Lima.

Antenas monopolo planar com patch em anel circular para sistemas UWB /

Bruna Alice Lima da Silva. – Natal, RN, 2010. 93 f.

Orientador: Adaildo Gomes D’Assunção. Co-orientador: Alfrêdo Gomes Neto.

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação.

1. Antenas monopolo de microfita – Dissertação. 2. Sistemas de banda ultra larga – Dissertação. 3. Largura de banda – Dissertação. 4. Elementos parasitas – Dissertação. I. D’Assunção, Adaildo Gomes. II. Gomes Neto, Alfrêdo. III. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. IV. Título.

(3)

A

NTENAS

M

ONOPOLO

P

LANAR COM

P

ATCH

EM

A

NEL

C

IRCULAR

PARA

S

ISTEMAS

UWB

B

RUNA

A

LICE

L

IMA DA

S

ILVA

Dissertação de Mestrado aprovada em 14 de junho de 2010 pela banca examinadora composta pelos seguintes membros:

Orientador: Prof. Dr. Adaildo Gomes D’Assunção (UFRN)

Co-orientador: Prof. Dr. Alfredo Gomes Neto (IFPB)

Prof. Dr. Humberto Abdala Júnior (UnB)

Prof. Dr. Glauco Fontgalland (UFCG)

Prof. Dr. Paulo Henrique da Fonseca Silva (IFPB)

(4)

A Joabson, marido e melhor amigo, pelo amor,

paciência, incentivo e apoio dedicados a mim

(5)

“Bendito seja o Senhor, minha rocha, que adestra as minhas mãos

para a peleja e os meus dedos para a guerra.”

(6)

AGRADECIMENTOS

A Deus, minha rocha e fortaleza, meu grande Pai, aquele que limpa meus olhos e abre minha mente, digno de toda honra e toda glória e que me privilegia todos os dias com sua presença;

A Joabson, Gislayne, filha do meu coração, e Alice Sophie, nossa vidinha, que ainda não abriu os olhinhos para o mundo, mas já preenche o meu mundo e todos os espaços da minha vida;

A meus pais, Tadeu e Sonia, e irmã, Aline, por sempre terem acreditado em mim e me apoiado da maneira que foi possível, além do amor que sempre esteve acima de todas as diferenças;

A toda minha família: tias, tios, avós, primos, primas e adjacentes, que proporcionaram a mim momentos de alegria e harmonia, mostrando na prática o que é ser uma “grande família” de verdade;

Ao professor e orientador Adaildo Gomes D’Assunção, pelo conhecimento compartilhado e incentivo na realização desta dissertação de mestrado;

Ao professor e co-orientador Alfrêdo Gomes Neto, pelo companheirismo fraterno que dispensa aos seus alunos e ex-alunos, além do grande auxílio na realização das medições e interferências positivas e construtivas no desenvolvimento deste trabalho;

Aos colegas, Adelson, Augusto, Clarissa, Elder, France, Gilmara, Gustavo, Iradilson, Jannayna, Leilane, Leonardo, Lincoln, Luciano, Manu, Marcelo, Nathalee, Rejane, Ricardo, Roberto, Robson, Rossana, e Valdez;

A todos os professores do PPgEEC-UFRN e do IFPB, que contribuíram positivamente durante o curso das disciplinas e na realização deste trabalho;

Às amigas, Aline, Sheyla e Samara, pela presença e apoio nas minhas realizações pessoais e profissionais, pela amizade real nos momentos de dificuldades e pela alegria compartilhada nos momentos de comemorações;

(7)

RESUMO

As antenas de microfita são amplamente utilizadas nos sistemas de comunicação sem fio devido às suas características de baixo custo, peso, menor complexidade de construção e fabricação, além de sua versatilidade. Os sistemas UWB surgiram como uma alternativa às comunicações sem fio de curtas distâncias por oferecerem maior capacidade e menor distorção por multipercurso que outros sistemas com a mesma finalidade. Aliando as vantagens das antenas de microfita às características do UWB é possível desenvolver dispositivos cada vez menores e com geometrias diversificadas para operar satisfatoriamente nesses sistemas. Este trabalho tem como objetivo propor alternativas de antenas de microfita para operar em sistemas UWB, na faixa entre 3,1 e 10,6 GHz, com patch em anel circular.

São empregadas e analisadas algumas técnicas para aumentar a largura de banda das antenas propostas: a inserção de elementos parasitas e de uma fenda retangular no plano terra deslocado. Para isto, são apresentados temas fundamentais como os princípios básicos dos sistemas UWB, a teoria fundamental de antenas e antenas de microfita. São apresentadas as simulações e caracterizações experimentais das antenas construídas, bem como uma análise de parâmetros como a largura de banda e o diagrama de radiação.

(8)

ABSTRACT

The microstrip antennas are largely used in wireless communication systems due to

their low cost, weight, less complex construction and manufacturing, in addition to its

versatility. UWB systems have emerged as an alternative to wireless communications over

short distances because they offer of higher capacity and lower multipath distortion than

other systems with the same purpose. Combining the advantages of microstrip antennas to the

characteristics of UWB, it is possible to develop more and more smaller devices, with diverse

geometries to operate satisfactorily in these systems. This paper aims to propose alternatives

to microstrip antennas for UWB systems operate in the range between 3.1 and 10.6 GHz, with

a patch on circular ring. Some techniques are analyzed and employed to increase the

bandwidth of proposed antenna: the insertion of a parasitic elements and a rectangular slit in

the displaced ground plane. For this, key issues are presented as the basic principles of UWB

systems, the fundamental theory of antennas and microstrip antennas. The simulations and

experimental characterization of constructed antennas are presented, as well as analysis of

parameters such as bandwidth and radiation pattern.

(9)

i

SUMÁRIO

SUMÁRIO... i

LISTA DE FIGURAS ... iii

LISTA DE TABELAS ... vii

LISTA DE SÍMBOLOS ... viii

LISTA DE ABREVIATURAS E ACRÔNIMOS ... ix

CAPÍTULO 1 ... 1

INTRODUÇÃO ... 1

3.1. Proposta da dissertação ... 3

3.2. Estrutura da dissertação ... 3

CAPÍTULO 2 ... 5

SISTEMASDECOMUNICAÇÃODEBANDAULTRALARGA ... 5

2.1. Introdução ... 5

2.2. Histórico ... 6

2.3. Definições básicas ... 7

2.3.1. Densidade espectral de potência ... 7

2.3.2. Máscara espectral ... 8

2.3.3. Pulsos UWB ... 9

2.3.4. Efeitos de multipercurso... 10

2.4. Vantagens e desafios ... 13

2.5. Aplicações ... 15

2.6. Síntese do Capítulo ... 18

CAPÍTULO 3 ... 19

ANTENASPLANARESDEMICROFITA ... 19

3.2. Histórico ... 19

(10)

ii

3.4. Conceitos básicos ... 23

3.5. Métodos de alimentação ... 29

3.6. Métodos de análise ... 30

3.7. Antenas planares UWB ... 34

3.8. Síntese do capítulo ... 36

CAPÍTULO 4 ... 37

RESULTADOS ... 37

4.2. Estudo dos efeitos da inserção de um corte retangular no plano terra ... 38

4.3. Estudo dos efeitos da inserção de elementos parasitas ... 46

4.4. Síntese do capítulo ... 68

CAPÍTULO 5 ... 69

CONSIDERAÇÕESFINAIS ... 69

5.1. Conclusões ... 69

5.2. Sugestões para trabalhos futuros ... 70

(11)

iii

LISTA DE FIGURAS

Capítulo 2

Figura 2.1 – Alta e baixa densidade de energia. ... 8

Figura 2.3 – Potência espectral do pulso transmitido (GHAVAMI, 2007). ... 9

Figura 2.2 – Forma de pulso Scholtz monociclo para UWB... 10

Figura 2.4 – Cenário de propagação em ambiente indoor com multipercurso. ... 11

Figura 2.5 – Cenário de multipercurso com reflexão e difração. ... 12

Figura 2.6 – Exemplo de sobreposição entre dois pulsos. ... 13

Figura 2.7 – Sinal resultante da sobreposição. ... 13

Figura 2.8 – Cenário de comunicação entre computadores e periféricos (VIVASEMFIO.com, 2007). ... 18

Capítulo 3

Figura 3.1 – Regiões de campo de uma antena. ... 22

Figura 3.2 – Estrutura geral de antenas de microfita. ... 24

Figura 3.3 – Geometrias comumente utilizadas nos patches condutores. ... 25

Figura 3.4 – Linhas de campo elétrico e magnético na estrutura. ... 27

Figura 3.5 – Largura da fita de alimentação de microfita em relação à impedância característica Zo. ... 28

Figura 3.6 – Técnicas de alimentação utilizadas em antenas de microfita: via linha de microfita. sonda coaxial e acoplamento por abertura. ... 29

Figura 3.7 – Antenas monopolo planar com formas regulares variadas e diferentes posições de alimentação (RAY, 2008). ... 36

Capítulo 4

Figura 4.1 – Estrutura característica considerada, onde: (a) Visão frontal, (b) Verso sem recorte no plano terra e (c) Verso com recorte no plano terra. ... 37

Figura 4.2 – Estruturas consideradas para comparativo com e sem recorte no plano terra, onde: (a) Estrutura 1, (b) Estrutura 2 e (c) Estrutura 3. ... 38

Figura 4.3 – Frente das antenas construídas com e sem recorte no plano terra. ... 39

(12)

iv

Figura 4.5 – Comparativo entre simulações das Estruturas 1, 2 e 3 sem recorte no plano terra. ... 40 Figura 4.6 – Comparativo entre simulações das Estruturas 1, 2 e 3 com recorte no plano terra.

... 40 Figura 4.7 – Comparativo entre simulações e caracterização experimental da Estrutura 1 sem

recorte no plano terra. ... 41 Figura 4.8 – Comparativo entre simulações e caracterização experimental da Estrutura 1 com

recorte no plano terra. ... 41 Figura 4.9 – Comparativo entre simulações e caracterização experimental da Estrutura 2 sem

recorte no plano terra. ... 42 Figura 4.10 – Comparativo entre simulações e caracterização experimental da Estrutura 2 com recorte no plano terra. ... 42 Figura 4.11 – Comparativo entre simulações e caracterização experimental da Estrutura 3 sem recorte no plano terra. ... 43 Figura 4.12 – Comparativo entre simulações e caracterização experimental da Estrutura 3 com recorte no plano terra. ... 43 Figura 4.13 – Distribuição do campo elétrico simulada no Ansoft HFSS® para a Estrutura 1,

frequência de 7,3 GHz. ... 45 Figura 4.14 – Distribuição do campo elétrico simulada no Ansoft HFSS® para a Estrutura 2,

frequência de 7,3 GHz. ... 45 Figura 4.15 – Distribuição do campo elétrico simulada no Ansoft HFSS® para a Estrutura 3,

frequência de 7,3 GHz. ... 46 Figura 4.16 - Estruturas consideradas para analise da inserção de elementos parasitas

atendendo à razão de 0,25, em que: (a) Estrutura 1, (b) Estrutura 2. ... 47 Figura 4.17 - Estruturas consideradas para analise da inserção de elementos parasitas

atendendo à razão de 0,33, em que: (a) Estrutura 1, (b) Estrutura 2. ... 47 Figura 4.18 - Estruturas consideradas para análise da inserção de elementos parasitas

atendendo à razão de 0,20, em que: (a) Estrutura 1, (b) Estrutura 2. ... 47 Figura 4.19 – (a) Frente e (b) verso das antenas construídas com recorte no plano terra e

elemento parasita. ... 48 Figura 4.20 - Comparativo entre simulações e caracterização experimental da Estrutura 1 com

(13)

v

Figura 4.21 - Comparativo entre simulações e caracterização experimental da Estrutura 2 com recorte no plano terra e atendendo à razão de 0,25. ... 49 Figura 4.22 - Comparativo entre simulações e caracterização experimental da Estrutura 1 com

recorte no plano terra e atendendo à razão de 0,33. ... 50 Figura 4.23 - Comparativo entre simulações e caracterização experimental da Estrutura 2 com

recorte no plano terra e atendendo à razão de 0,20. ... 51 Figura 4.26 – Distribuição do campo elétrico simulada no Ansoft HFSS® para: (a) Estrutura 1

e (b) Estrutura 2, ambas atendendo à razão de 0,25, frequência de 7,3 GHz. ... 53 Figura 4.27 – Distribuição do campo elétrico simulada no Ansoft HFSS® para: (a) Estrutura 1

e (b) Estrutura 2, ambas atendendo à razão de 0,33, frequência de 7,3 GHz. ... 54 Figura 4.28 – Distribuição do campo elétrico simulada no Ansoft HFSS® para: (a) Estrutura 1

e (b) Estrutura 2, ambas atendendo à razão de 0,20, frequência de 7,3 GHz. ... 55 Figura 4.29 –Carta de Smith da Estrutura 1 atendendo à razão de 0,25. ... 56 Figura 4.30 – Diagramas de radiação 3D para a Estrutura 1 atendendo à razão de 0,25: (a) 3,1

GHz, (b) 5,8 GHz, (c) 7,3 GHz e (d) 10,6 GHz. ... 56 Figura 4.31 – Diagramas de radiação 2D da Estrutura 1 atendendo à razão de 0,25: (a) Cortes

horizontais (φ, θ=90) e (b) Cortes verticais ou azimutal (θ, φ=0). ... 57 Figura 4.32 –Carta de Smith da Estrutura 2 atendendo à razão de 0,25. ... 58 Figura 4.33 – Diagramas de radiação 3D para a Estrutura 2 atendendo à razão de 0,25: (a) 3,1

(14)

vi

Figura 4.39 – Diagramas de radiação 3D para a Estrutura 2 atendendo à razão de 0,33: (a) 3,1 GHz, (b) 5,8 GHz, (c) 7,3 GHz e (d) 10,6 GHz. ... 62 Figura 4.40 – Diagramas de radiação 2D da Estrutura 2 atendendo à razão de 0,33: (a) Cortes

(15)

vii

LISTA DE TABELAS

Capítulo 2

Tabela 2.1 – Comparativo entre DEPs de alguns sistemas de comunicação. ... 7 Tabela 2.2 – Taxas de transmissão de dados de sistemas indoor sem fio. ... 14

Capítulo 3

Tabela 3.1 – Classificação de sinais quanto à largura de banda fracionária. ... 23

Capítulo 4

Tabela 4.1 – Comparativo entre as frequências obtidas para as estruturas propostas, sem e com recorte, baseado nos resultados do HFSS. ... 44 Tabela 4.2 – Comparativo entre as frequências obtidas para as estruturas propostas, sem

elemento parasita. ... 52 Tabela 4.3 – Comparativo entre as frequências obtidas para as estruturas propostas, com

(16)

viii

LISTA DE SÍMBOLOS

– Constante de atenuação - Perdas no condutor - Perdas no dielétrico

– Constante de fase do material dielétrico – Permissividade efetiva do material ε_r - Permissividade relativa do substrato

-Comprimento de onda guiado - Constante de propagação do meio - condutividade do material

– Frequência em radiano, 2 (rad/s) tan - Tangente de perdas do dielétrico

tan – Tangente efetiva de perdas no dielétrico

(17)

ix

LISTA DE ABREVIATURAS E ACRÔNIMOS

BAN – Body Area Network

– Largura de banda fracionária BW – Largura de banda

c – Velocidade de propagação da onda eletromagnética no vácuo C - Capacidade de um canal de comunicação

CES – Consumer Electronic Show

CST – Computer Simulating Technology

CPW - Coplanar waveguide

D – Dimensão máxima de uma antena DEP – Densidade Espectral de Potência Dir – Diretividade

DVD – Digital Video Disc

EIRP - Effective Isotropic Radiated Power

– Eficiência de radiação – Eficiência de reflexão – Frequência

– Frequência central – Frequência inferior – Frequência superior

FCC – Federal Communications Comission

FDTD – Finite Difference Time Domain

GPS – Global Positioning System

! - Ganho da antena transmissora h – Altura do substrato dielétrico HDTV – High Definition Television

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers

IFPB - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba

(18)

x

"# – Constante de fase no espaço livre ou número de onda $ - Perdas nos cabos e conectores

MP3 – Moving Picture Experts Group 1 Audio Layer 3

PAL – Precision Asset Location

PCMA - Printed Circular Monopole Antenna

PDA – Personal Data Assistant

PEMA - Printed Elliptical Monopole Antenna

PHMA - Printed Hexagonal Monopole Antenna

PMA – Printed Monopole Antenna

% – Potência radiada pela antena

%& í _) - Potência de saída do transmissor PSMA - Printed Rectangular Monopole Antenna

PTMA - Printed Triangular Monopole Antenna

Q – Fator de qualidade

R – Raio limítrofe de uma região de campo *+ - Perdas na carga

*& - Resistividade da superfície do condutor * – Perdas nos condutores e meios dielétricos RFID - Radio-Frequency Identification

S/R – Relação entre o sinal e o ruído de um canal de comunicação S11 – Coeficiente de reflexão

Sxy, - Relação entre as ondas incidentes e refletidas no domínio espacial t – Altura da fita metálica condutora

TE – Transverso elétrico, H_z= 0

TEM – Transverso eletromagnético, H_z

=

0 e E_z = 0 TM – Transverso magnético, E_z = 0

U – Intensidade de radiação da antena em questão

U_o – Intensidade de radiação de uma antena isotrópica de referência UHF – Ultra High Frequency

USB – Universal Serial Bus

UWB - Ultra Wide Band

(19)

xi

,- . - Tensão máxima na extremidade da linha de transmissão ,- – Tensão mínima na extremidade da linha de transmissão , - Tensão refletida na extremidade da linha de transmissão / – Velocidade de fase

VSWR – Voltage Standing Wave Ratio

0 – Largura da fita condutora de alimentação

Wi-Fi – Tecnologia de interconexão de dispositivos sem fio baseadas no padrão 802.11 WiMax – Worldwide Interoperability for Microwave Access

WLAN – Wireless Local Area Network

WPAN – Wireless Personal Area Network

(20)

1

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

s sistemas de banda larga e de banda ultra larga são tecnologias em ascensão devido às maiores taxas de dados que podem ser aplicadas por elas. Em particular, os sistemas UWB assumem também maior imunidade ao ruído, baixo custo de equipamentos, baixa potência de operação, entre outras vantagens. Por causa dessas características, essa tecnologia destaca-se entre as alternativas de sistemas de comunicação sem fio para curtas distâncias, principalmente na quarta geração (4G) das comunicações móveis (HERINGER et al., 2006).

As antenas são componentes indispensáveis nos sistemas de comunicação sem fio e possuem diversas definições, entretanto, a que melhor as representa seria, de maneira mais generalista, que antenas são transdutores eletromagnéticos que transformam ondas guiadas em não guiadas, ou vice-versa.

De acordo com (P.-SOLIS et al., 2005), a melhor definição para uma antena de banda ultra larga seria que ela consiste em um radiador não ressonante, com baixo fator de qualidade (Q) e que mantém constante a impedância de entrada sobre uma larga banda de frequência de operação.

Antenas espirais e log-periódicas são tidas como independentes da frequência, ou seja, se sua forma for definida apenas por ângulos ou se todas as suas dimensões físicas forem alteradas e a frequência de operação for modificada de forma semelhante, parâmetros fundamentais como impedância, diagrama de radiação, polarização etc, permanecerão inalterados, além de oferecer grande largura de banda. No entanto, esse tipo de antena oferece características que não interessam aos sistemas UWB: irradiam formas de onda dispersivas e apresenta dimensões maiores do que outros tipos de antenas. A solução encontrada para desenvolver transdutores com grande largura de banda e elementos de tamanho reduzido foi trabalhar com tipos de antenas de Q reduzido e, conseqüentemente, menor eficiência da antena (MARTINS, 2007).

(21)

2

As antenas de microfita, também conhecidas como antenas patch, são muito

utilizadas na faixa de frequências de micro-ondas devido a sua simplicidade e compatibilidade com a tecnologia de circuitos impressos, tornando-as fáceis de fabricar, seja com apenas um elemento ou em arranjos (VOLAKIS, 2007). Comparadas às antenas convencionais, as antenas de microfita apresentam diversas vantagens como leveza, compacidade e alta adaptabilidade às superfícies planares e não planares, facilidade de fabricação, baixo custo, modelagem simplificada, facilidade de integração com outras tecnologias de circuito impresso e versatilidade em relação à frequência, polarização (linear ou circular) e impedância de entrada (KUMAR, 2003). Como desvantagens, as antenas de microfita apresentam baixa eficiência de radiação e menor ganho quando comparadas a outros tipos de antenas (VOLAKIS, 2007).

Essas antenas foram amplamente aplicadas às comunicações de banda estreita e banda larga, no entanto vêem sendo estudadas, também, para UWB. Para aumentar sua largura de banda, algumas técnicas têm sido aplicadas, como o agrupamento de elementos de microfita, alterações no plano terra convencional, uso de antenas log-periódicas impressas, entre outras.

O uso de patches com geometria anelar apresenta vantagens como redução de seu

tamanho quando comparados aos de geometrias convencionais: patch circular, retangular,

quadrado ou triangular (GARG, 2001) (JAMES, 1989). Para a geometria em anel circular, a separação entre os modos ressonantes pode ser controlada pelos raios externo e interno. Esse tipo de antena tem sido bastante aplicado para medir a constante dielétrica de substratos, bem como em aplicações médicas (JAMES, 1989). Esse tipo de estrutura pode, também, ser combinado a um disco concêntrico para formar uma compacta antena dual-band (GARG,

2001).

Uma das motivações para o desenvolvimento de antenas monopolo planar de microfita com patch em anel circular e banda de operação ultra larga foi a alta demanda

tecnológica de transmissores e receptores compactos, eficazes, menos complexos e menos onerosos para sistemas de comunicação sem fio que funcionam a altas taxas de transmissão, inclusive sistemas celulares de terceira e quarta geração, 3G e 4G, respectivamente. Há outras aplicações que remetem à comunicação entre dispositivos em curtas distâncias como:

homenetworks, redes de sensores, interligação de computadores a periféricos, entre outros

(22)

3

com isso, se sobrepõem às frequências utilizadas por outras tecnologias como WiMax, o que possibilita uma convergência tecnológica entre serviços distintos e coexistentes.

Esta dissertação tem como objetivo desenvolver o estudo de antenas monopolo planar de microfita com patch em anel circular para sistemas de banda ultra larga. Isto se dará

através da investigação da influência da inserção de uma fenda no plano terra e de elementos parasitas no centro do anel, além da alteração das dimensões destes elementos e do raio interno do elemento principal. Essa investigação será baseada nos resultados obtidos por meio de simulações computacionais nos softwares comerciais Ansoft HFSS® e CST Microwave Studio®, da construção e da caracterização experimental dessas antenas.

3.1. Proposta da dissertação

Este trabalho propõe o projeto de antenas capazes de operar na faixa de 3,1 GHz a 10,6 GHz, além de realizar o estudo parametrizado quanto à inserção de elementos parasitas. Com esse intuito, inicialmente foi analisada uma antena monopolo planar de microfita com

patch em anel circular. Em seguida, algumas técnicas foram empregadas para aumentar sua

largura de banda, tais como: inserção de fenda retangular no plano terra e uso de elementos parasitas. O raio dos elementos parasitas é variado em relação ao raio externo do anel circular, bem como são variadas também as fendas que separam o patch inicialmente proposto para

esses elementos.

A fim de realizar o estudo proposto, foram utilizados os softwares comerciais Ansoft

HFSS®_{e CST}

Microwave Studio® que fazem uso de métodos de onda completa no

modelamento do problema eletromagnético. Algumas das antenas propostas serão construídas e caracterizadas experimentalmente e, posteriormente, será feita a interpretação dos resultados obtidos analisando seus comportamentos em função da variação de suas dimensões.

3.2. Estrutura da dissertação

Este trabalho possui cinco capítulos e o conteúdo tratado em cada um deles é sucintamente descrito a seguir.

• Capítulo 1: neste capítulo, foi feita uma explanação geral a respeito do que será

(23)

4

• Capítulo 2: este capítulo aborda as principais características dos sistemas UWB.

Seu histórico e aplicações mais relevantes também foram detalhados de forma a permitir um melhor entendimento das antenas que serão propostas posteriormente.

• Capítulo 3: nesta seção, foram abordados os principais parâmetros e tipos de

antenas, principalmente das antenas planares de microfita devido às suas vantagens e aplicabilidade. As características, equações relacionadas aos seus parâmetros, principais geometrias de patches, tipos de alimentação e métodos de

análise dessas antenas também são discutidas.

• Capítulo 4: neste capítulo, o enfoque é dado aos resultados mais relevantes deste

trabalho. Esses resultados são analisados e resumidos em forma de tabelas de maneira a facilitar o entendimento do que foi proposto por este estudo.

• Capítulo 5: este capítulo apresenta as conclusões do trabalho, bem como suas

(24)

5

CAPÍTULO 2

SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO DE BANDA ULTRA LARGA

2.1. Introdução

s sistemas de banda ultra larga (UWB - Ultra Wide Band) foram

desenvolvidos, a princípio, com finalidades militares, mas vêm ganhando espaço nas pesquisas recentes como uma tecnologia de comunicação sem fio que se adéqua bem às transmissões de dados digitais com altíssimas taxas de transmissão e baixa potência, oferecendo mais resistência às dispersões em ambientes multipercurso.

Visto que os sistemas UWB fazem uso de baixa potência para transmissão, sua faixa de frequência de operação pode ser usada também por outras tecnologias (Wi-Fi, GSM,

Bluetooth, etc.). Sendo assim, não haverá interferência dos sinais UWB entre si, tampouco

entre eles e os oriundos de outras tecnologias. Para que não haja interferência entre sinais que utilizam a mesma faixa de frequência, é necessário o uso de técnicas de modulação e de acesso ao meio adequadas, bem como o atendimento às especificações de limites de uso de banda e potência de transmissão. Essa regulamentação (FCC Part 15.517) foi expedida pela

agência norte-americana Federal Communications Commission (FCC) em 2002 e seus limites

foram estabelecidos em conjunto com a ITU (International Telecommunication Union). De

acordo com esse documento, a faixa de frequência alocada é de 3,1 GHz a 10,6 GHz, portanto uma largura de banda total de 7,5 GHz. Ademais, foi regulamentado, também, que a Effective

Isotropic Radiated Power (EIRP) deve estar entre -75 dBm/MHz e -41,3 dBm/MHz

(HERINGER et al., 2006).

(25)

6

banda ultra larga devem apresentar largura de banda fracionária (Bf) maior do que 20% (HERINGUER et al., 2006).

Neste capítulo, um breve histórico a respeito dos sistemas de banda ultra larga será apresentado, além da definição de características básicas para o entendimento desse sistema, as vantagens e os desafios existentes em sua aplicação e desenvolvimento e, por fim, algumas das suas principais aplicações.

2.2. Histórico

Há aproximadamente 50 anos, o desenvolvimento de sistemas de banda ultra larga teve início nos Estados Unidos com o intuito de aplicá-lo em radares e dispositivos de comunicação militar, partindo do princípio que esse tipo de sinal seria de difícil detecção e interceptação. Sendo assim, as componentes de maior frequência serviriam para atravessar objetos, paredes e pedras e penetrar o solo.

A atenção dada ao desenvolvimento de padrões UWB para aplicação em radares teve início na década de 60 quando foi desenvolvido um osciloscópio para amostragem e geração de pulsos de curta duração em torno de nanossegundos (10-9). Na década de 70, a primeira patente foi liberada para um sistema UWB.

A princípio, as pesquisas eram focadas em aplicações militares, conforme supracitado. No entanto, elas não ficaram restritas a essa área apenas. Os avanços tecnológicos migraram os estudos em UWB para aplicações como a prevenção de colisões automobilísticas, sistemas de posicionamento, monitoramento de nível de líquido e altimetria (estudo de métodos e procedimentos que levam à representação do relevo em um corte vertical). Avanços na área militar também foram alcançados, a exemplo do aumento da precisão dos radares e menor probabilidade de interceptação de comunicações sem fio.

Aplicações para uso comercial de dispositivos UWB foram desenvolvidas a partir da década de 90. Empresas como a Time Domain e XtremeSpectrum passaram a desenvolver

(26)

7

2.3. Definições básicas

Alguns parâmetros são fundamentais ao entendimento mais detalhado dos sinais e sistemas UWB. Entre eles, os principais e que contribuem mais diretamente com o entendimento desta tecnologia estão dispostos a seguir.

2.3.1. Densidade espectral de potência

A Densidade Espectral de Potência (DEP) pode ser definida como a intensidade de potência concentrada num certo intervalo de frequência e pode ser calculada através da seguinte equação.

34% = %_{0 (:;)}7 (0) (2.1)

A energia usada para transmitir sinais de informação em sistemas sem fio não é infinita, portanto, deve ser tão baixa quanto possível. A partir destas afirmações e considerando o fato de que a frequência e o tempo são inversamente proporcionais, pode-se concluir que os sistemas de comunicação de faixa estreita fazem uso de uma DEP relativamente alta enquanto que, para os sistemas UWB, essa energia é espalhada sobre uma grande largura de banda (7,5 GHz), conforme ilustrado na Figura 2.1. A Tabela 2.2 relaciona a largura de banda, DEP e classificação da largura de banda de alguns sistemas de comunicação de maneira a relacionar a característica supracitada dos sistemas UWB (GHAVAMI, 2007) (HERINGUER, 2007).

Tabela 2.1 – Comparativo entre DEPs de alguns sistemas de comunicação.

BW DEP (W/MHz) Classificação

Rádio 75 KHz 666.660 Banda estreita

Televisão 6 MHz 16.700 Banda estreita

Sistema celular 2G 8,33 KHz 60 Banda estreita

802.11a 20 MHz 0,05 Banda larga

UWB 7,5 GHz 75 x 10-9 _{Banda ultra larga}

(27)

8

consumidores domésticos e empresarias para os quais a segurança de dados usando sistemas sem fio é imprescindível.

Figura 2.1 – Alta e baixa densidade de energia.

2.3.2. Máscara espectral

Com um intervalo de frequência de operação entre 3,1 GHz e 10,6 GHz, a faixa de operação dos sistemas UWB está sobreposta àquelas de outros serviços que coexistem com essa tecnologia. Esta propriedade é chamada de overlay systems. O que faz com que seja

possível essa coexistência, ambos utilizando a mesma faixa de frequência sem que haja interferência prejudicial entre eles, é a limitação da EIRP (Effective Isotropic Radiated

Power) por MHz.

A EIRP pode ser sucintamente definida como o nível de potência que foi efetivamente radiado por uma antena teoricamente isotrópica. Essa medida proporciona um ponto de referência a partir do qual poderão ser estabelecidos limites em diversas aplicações, como é o caso da máscara espectral para sistemas UWB, podendo ser encontrado através de:

4<*% = %& í _) = $ > ) (2.2)

Em que %_& í _) é a potência de saída do transmissor, $ representa as perdas nos cabos e conectores e _! é o ganho da antena transmissora.

Essa variação de EIRP para cada faixa de frequência, todas contidas na faixa de operação de sistemas UWB, pode ser chamada de máscara espectral. Ainda em fase de

Alta densidade de energia em sistemas de banda estreita

Baixa densidade de energia em sistemas de banda ultra larga

(28)

9

padronização, os limites de potência aplicados nas máscaras do sistema americano e europeu têm um limite máximo de radiação permitido para comunicações indoor de -41,3 dBm/MHz (HERINGUER et al., 2006).

A Figura 2.2 ilustra a máscara espectral desenvolvida pela FCC e aplicada no sistema de comunicação UWB dos Estados Unidos.

Figura 2.2 – Potência espectral do pulso transmitido (GHAVAMI, 2007).

2.3.3. Pulsos UWB

A forma de pulso em sistemas UWB, geralmente, atende a uma distribuição Gaussiana e pode apresentar forma Gaussiana padrão, Gaussiana monociclo (primeira derivada do pulso Gaussiano) ou Scholtz monociclo (segunda derivada do pulso Gaussiano). Um pulso com esse formato de onda é mais simples de ser gerado e é utilizado como base para o cálculo de várias outras distribuições. Para esta aplicação, apresenta duração na ordem de 10-9 s, o que implica em frequências mais altas e maiores bandas de operação. Para encontrar esse pulso no domínio da frequência, é suficiente aplicar a ele a Transformada de Fourier (HSU, 1997).

Através da Figura 2.3, é possível verificar que a média está localizada no centro da curva simétrica. Por sua vez, o desvio padrão comanda o nível de espalhamento da curva.

Frequência (GHz) Po tê nc ia e fe ti va is ot ró pi ca r ad ia da ( dB m /M H z)

(29)

10

Uma distribuição Gaussiana pode ser descrita em termos de sua média (µ) e variância (σ), atendendo à função:

(?) = 1

√2 B

C(.Cµ)D

BED _(2.3)

Figura 2.3 – Forma de pulso Scholtz monociclo para UWB.

Um sinal tipicamente UWB pode ser representado por trens de pulsos, cada um deles formado por uma grande quantidade de pulsos por segundo, onde um pulso isolado é apenas parte dessa informação, ambos de curtíssima duração e inversamente proporcionais à largura de banda que ele ocupa. Esta característica faz desse sistema uma técnica inovadora e torna esse tipo de sinal mais difícil de ser detectado e interceptado (GHAVAMI, 2007). O espectro de frequências da informação corresponde à Transformada de Fourier do trem de pulsos.

2.3.4. Efeitos de multipercurso

A duração dos pulsos em sistemas UWB é da ordem de 10-9 segundos e, devido a isso, proporciona uma suavização dos efeitos provocados pelo multipercurso, ilustrado na Figura 2.4, já que a probabilidade de que o primeiro pulso emitido venha a interagir com os pulsos subsequentes é muito baixa.

-0,-0 0,-1

-0,- -0,3 -0,1 0,1 0,3

(30)

11

Figura 2.4 – Cenário de propagação em ambiente indoor com multipercurso.

Quando um sinal é transmitido em um ambiente com obstáculos (móveis, paredes, etc), o sinal que chega ao receptor é o efeito da adição entre o sinal direto e as componentes do sinal transmitido que foram refletidas, difratadas ou espalhadas (Figura 2.4). Esses três fenômenos são os mecanismos básicos de propagação e ocorrem devido à forma geométrica do material e à sua composição, visto que cada um possui propriedades eletromagnéticas diferentes e podem absorver mais ou menos o sinal incidente nele. Esses fenômenos podem ser explicados como (RIBEIRO, 2004):

o Reflexão: Esse fenômeno acontece quando uma onda incide sobre uma

superfície, geralmente plana e com dimensões muito superiores ao comprimento de onda λ, de um obstáculo qualquer entre o transmissor e o receptor. Devido às propriedades eletromagnéticas do obstáculo, exceto em caso de tratar-se de um dielétrico perfeito, parte da onda incidente sobre ele o atravessará, parte será absorvida pelo material e a outra porção será refletida. A intensidade de energia do sinal que foi refletido é medida em relação à intensidade do sinal original através do coeficiente de reflexão.

o Difração: Nesse caso, a incidência da onda é observada sobre quinas ou

bordas de obstáculos, gerando um espalhamento da onda em outras direções. O resultado disso é que áreas que antes eram de sombra, agora são iluminadas pelas porções difratadas do sinal original. Em outras palavras, o ponto de difração da onda passa a ser uma fonte de ondas secundárias com intensidade inferior a da onda original.

o Espalhamento ou dispersão: O sinal incidido sobre uma superfície plana terá

(31)

12

a onda refletida será espalhada em todas as direções. Uma superfície é considerada lisa ou áspera levando em consideração a relação entre o comprimento de onda, o ângulo de incidência e a diferença entre a maior e a menor protuberância da superfície do obstáculo.

Figura 2.5 – Cenário de multipercurso com reflexão e difração.

As várias componentes resultantes do sinal, geradas pelos fenômenos supracitados, chegam ao receptor em fases distintas (Figura 2.6) correspondentes às distâncias percorridas desde o transmissor. Cada porção do sinal original é somada à componente transmitida diretamente ao receptor e às outras componentes que chegam concomitantemente (Figura 2.7), podendo interferir umas nas outras de maneira construtiva, se as componentes do sinal estiverem com fases coincidentes, ou destrutiva, se suas fases forem opostas entre si (GHAVAMI, 2007).

A duração de um pulso UWB gira em torno de 0,4 ns. Para que haja interferência entre duas componentes de um sinal, é necessário que a diferença entre o tempo do percurso de uma e do percurso da outra seja inferior a 0,4 ns. Se for considerada a relação dada por: F = / GHIJF F K L MNH, a distância entre os dois percursos deve ser de, no máximo, F = 3?10Q_{M/! K 0,4?10}CU_{! = 12IM}_{. Com base nesta discussão, conclui-se que quanto} menor a duração de um pulso, menor a distância requerida entre os percursos para que ocorra interferência entre essas duas componentes.

Difração

(32)

13

Figura 2.6 – Exemplo de sobreposição entre dois pulsos.

Figura 2.7 – Sinal resultante da sobreposição.

2.4. Vantagens e desafios

Após especificar as principais características dos sistemas UWB, vale ressaltar as principais vantagens que enaltecem essa tecnologia, bem como os pontos que merecem mais estudos e melhorias.

A taxa de transmissão dos sistemas UWB é uma das grandes vantagens desse sistema em relação a outras tecnologias. Um comparativo entre elas é apresentado na Tabela 2.2.

-0,5 0 0,5 1

-0,5Am 0 0,5

pl it ud e nor m al iz ad a Tempo (ns) -0,5 0 0,5 1

-0,5Am 0 0,5

(33)

14

Tabela 2.2 – Taxas de transmissão de dados de sistemas indoor sem fio.

Taxa máxima de dados Distância máxima de _{transmissão (m)}

IEEE 802.11 a 54 Mbps 50

IEEE 802.11 b 11 Mbps 100

IEEE 802.11 g 54 Mbps 100

Zigbee (802.15.4) 256 Kbps 10

Bluetooth (802.15.1) 1 Mbps 10

UWB (IEEE 802.15.3) Até 480 Mbps Até 50

Conforme foi ressaltado em referências como (HERINGER et al., 2006) e (GHAVAMI, 2007), o fato de o UWB conseguir operar concomitantemente com outras tecnologias, na mesma faixa de frequência, proporciona uma atrativa solução denominada

overlay systems. Não há interferência significativa entre esses sistemas devido à máscara

espectral adotada para os sistemas UWB.

O fato de operar em baixos níveis de potência faz com que esse sistema torne-se mais difícil de ser detectado ou interceptado por terceiros. Essa característica é mais bem aproveitada quando são aliados a ela esquemas de modulação que agreguem valor de segurança e imunidade.

Pulsos de curta duração tornam possível sua recepção correta mesmo em ambientes com altos níveis de interferência de qualquer origem. Essa característica atenua os efeitos de multipercurso visto que a probabilidade de que pulsos refletidos colidam uns com os outros é baixíssima. Enquanto isso, a grande largura de banda permite que suas componentes atravessem uma maior diversidade de materiais. Considerando que o comprimento de onda é inverso à frequência, para as frequências mais baixas, suas componentes atravessarão certa variedade de materiais enquanto que, para frequências mais altas, penetrarão em outra variedade.

A capacidade de transmissão desses sistemas é outro atrativo e pode ser encontrada através do Teorema de Shannon:

(34)

15

Através dessa equação, pode ser verificado que a capacidade efetiva do canal (C) é linearmente proporcional à largura de banda (BW) desse canal. Ainda, este sistema varia pouco quanto à relação sinal-ruído (S/R), podendo funcionar bem mesmo na presença de baixos níveis de S/R (HERINGER et al., 2006).

Por fim, esse sistema apresenta significante redução na quantidade de equipamentos de radiofrequência (misturadores, osciladores locais, amplificadores, etc.) já que trabalha com baixa potência e em banda base (não é necessário o uso de frequência de portadora para modulação dos dados). Isto, aliado à baixa densidade espectral de potência utilizada para transmissão do pulso UWB, culmina em uma arquitetura simplificada, com menor consumo de potência e com custos reduzidos em relação aos sistemas de banda estreita e banda larga.

Os empecilhos observados para o desenvolvimento e aplicação dos sistemas de banda ultra larga são basicamente:

o Os pulsos de curtíssima duração permitem que as componentes percorram

uma imensa quantidade de caminhos, cada um com comprimentos variados, provocando o aumento na complexidade para a estimativa do canal. Isso também dificulta o sincronismo entre transmissor e receptor;

o A detecção do pulso é complexa devido aos baixos níveis de potência. Além

disso, o receptor deve adotar esquemas para garantir um sistema mais confiável no tocante às possíveis interferências por multipercurso, o que eleva ainda mais sua complexidade.

2.5. Aplicações

2.5.1. PAL System

O sistema PAL (Precision Asset Location) é largamente utilizado em aplicações

militares para a identificação de cargas e seu conteúdo, facilitando seu controle durante e após o transporte. Quando foi verificada essa necessidade, o sistema aplicado a princípio foi o RFID (Radio Frequency Identification) de banda estreita. Esse sistema de identificação supre

(35)

16

O UWB PAL é uma tecnologia promissora, que agrega as vantagens oferecidas pelos sistemas UWB a resultados precisos mesmo em ambientes inóspitos. Comercialmente, o UWB PAL é adotado para monitorar a utilização de materiais ou mesmo o fluxo de pacientes e funcionários dentro de hospitais. É composto por um conjunto de etiquetas ativas, receptores UWB e um concentrador atuando como central de processamento que recebe e processa os sinais UWB oriundos das etiquetas.

2.5.2. Aplicações médicas

Os radares de banda ultra larga são ferramentas também utilizadas para o monitoramento das atividades respiratórias e cardíacas. Através do acompanhamento da frequência das batidas do coração e das inspirações e expirações, é possível detectar doenças nos respectivos sistemas do corpo humano. Ademais, através do sistema UWB, imagens internas do corpo de pacientes podem ser captadas com finalidades médicas, realizando um trabalho semelhante a um radar para monitoramento do solo.

2.5.3. Aplicações comerciais

O UWB pode ser oferecido comercialmente para sistemas de radar em veículos com a finalidade de prevenir colisões automobilísticas ou mesmo para acionar airbags ou controlar

a suspensão veicular. Ainda, pode aliar suas características aos sistemas de posicionamento e monitoramento de nível de líquidos.

Os sistemas de banda ultra larga são amplamente aplicáveis em WPANs (Wireless

Personal Area Networks). WPANs são redes de dispositivos pessoais interligados em curtas

distâncias e que demandam baixo custo e baixa potência. Algumas tecnologias se enquadram nesses tipos de rede, entre elas o Bluetooth (IEEE 802.15.1), o Zigbee (802.15.4) e o UWB

(IEEE 802.15.3). Em contrapartida ao Bluetooth, que é a tecnologia de redes pessoal mais

aplicada atualmente, o sistema UWB tem se destacado em pesquisas recentes devido às taxas de transmissão que podem ser alcançadas.

Outra área comercialmente promissora é a conectividade entre equipamentos eletroeletrônicos para formar uma rede doméstica (homenetworks) de comunicação sem fio,

com baixa potência e altas taxas de transmissão. A convergência entre equipamentos pessoais (televisões, hometheaters, HDTVs, DVDs, sistemas de áudio, computadores, celulares, entre

(36)

17

operar no modo isócrono (para dados em tempo real) e banda não dedicada para uso concomitante de todos os dispositivos da rede em operação no modo assíncrono.

2.5.4. Redes de sensores

Uma rede de sensores sem fio é formada por um conjunto de sensores muito pequenos, de baixa potência, que funcionam como nós da rede. Redes de sensores UWB podem ser aplicadas no monitoramento e localização de pessoas, produtos em uma loja, ofícios governamentais, entre outros. Também, o monitoramento de temperatura, umidade, movimentação e volume podem ser feitos por esse sistema.

Quando introduzidos no corpo humano ou mesmo no corpo de animais, esses sensores formam uma BAN (Body Area Networks). As BANs possibilitam, por exemplo, o

monitoramento da movimentação ou do funcionamento corporal de médicos e pacientes em um hospital. Em insetos, essas redes são utilizadas com fins de pesquisas biológicas.

2.5.5. Tv digital sem fio

Na feira de tecnologia Consumer Eletronic Show 2008 (CES 2008), em Las Vegas,

foram lançados os primeiro modelos de televisões digitais de alta definição (HDTV – High

Definition Television) sem fio. A idéia é transferir as imagens que chegam num receptor de

sinais, seja ele via satélite ou a cabo, para o televisor. A grande vantagem é a possibilidade de instalar os aparelhos de TV sem a necessidade de fios a mostra (BENHAMOU, 2008).

2.5.6. USB sem fio

As primeiras aplicações de USB (Universal Serial Bus) sem fio, ou wireless USB,

foram apresentadas também na CES 2008. Esta tecnologia tem como principal atrativo a possibilidade de conexão numa rede de curta distância com ondas mais potentes do que em sistemas Bluetooth e Zigbee. Oferece, por exemplo, conexão entre periféricos e dispositivos

auxiliares (teclado, mouse, monitor, impressora, disco rígido externo) com o computador ou

(37)

18 2.5.7. Redes Ad-hoc

Redes Ad-hoc são LANs (Local Area Networks) sem elemento concentrador, onde a

comunicação entre eles ocorre diretamente entres os nós. Nesse tipo de rede, cada dispositivo tem função de roteamento e a comunicação ocorre diretamente entre eles. Essa característica torna essa rede altamente recuperável em caso de falhas em algum dos nós.

Quando são conjugadas aos sistemas UWB, as redes Ad-hoc podem ser aplicadas em

homenetworks e na interligação entre computadores e seus periféricos (impressoras, câmeras,

PDAs, MP3, teclado, mouse, etc.), conforme a Figura 2.8.

Figura 2.8 – Cenário de comunicação entre computadores e periféricos (VIVASEMFIO.com, 2007).

2.6. Síntese do Capítulo

(38)

19

CAPÍTULO 3

ANTENAS PLANARES DE MICROFITA

3.1. Introdução

s antenas são, seguramente, elementos imprescindíveis em qualquer sistema de comunicação sem fio já que são as responsáveis por transferir e receber informações em forma de ondas eletromagnéticas através do espaço. E, visando atender às tecnologias em uso atualmente e as promissoras como Wi-Fi, WiMax, aparelhos celulares, GPS, RFID, WPANs, WLANs e UWB, elas têm sido exploradas exaustivamente.

Alguns parâmetros fundamentais de antenas serão discutidos a seguir com o intuito de promover maior compreensão em relação ao trabalho desenvolvido nesta dissertação. Em seguida será feito um levantamento a respeito de antenas planares de microfita e suas características mais relevantes.

3.2. Histórico

As antenas nasceram das experiências desenvolvidas por Maxwel que, por volta de 1870, apresentou ao mundo as hoje famosas Equações de Maxwel. A partir disto, o professor Heirinch Rudolph Hertz realizou os primeiros experimentos para transmissão de ondas eletromagnéticas sem fio através de um dipolo de meia onda. Já no primeiro ano do século XX, Giglielmo Marconi conseguiu transmitir sinais eletromagnéticos por longas distâncias, realizando uma comunicação entre Inglaterra e Canadá. Até a Segunda Guerra Mundial, os estudos continuaram, mas sem ultrapassar a faixa de frequência de UHF.

Motivados pela guerra, os avanços tecnológicos em antenas ascenderam e, além de mais elaboradas, elas passaram a operar em frequências cada vez maiores, quando surgiu o conceito de micro-ondas, e com bandas de frequências mais largas. Métodos numéricos foram criados a partir de então para que as antenas pudessem ser analisadas com maior precisão (BALANIS, 2009).

(39)

20

As antenas de microfita começaram a ser desenvolvidas na década de 50 por Deschamps. No entanto, sua proposta inicial não incluía patches de microfita, apenas fitas de

alimentação para um arranjo de elementos de antenas impressas. A partir de 70 é que ganharam atenção, tendo o primeiro artigo a seu respeito publicado em um simpósio de 1972 e escrito por Munson com a proposta de um patch retangular. Logo em seguida, Howel

propôs uma antena de microfita com patch circular. Desde então, as mais variadas estruturas

de antenas de microfita foram sugeridas e, por conseguinte, os métodos numéricos de análise anteriormente aplicados em antenas volumétricas passaram a ser utilizados nas antenas de microfita, concomitantemente com o desenvolvimento de outros métodos (VOLAKIS, 2007).

Até a década de 90, prevaleciam estruturas volumétricas como: antena esférica de Schelkunoff (1941), antena bicônica de Lodge & Carter (1898, 1939), elemento corneta coaxial de Lindenblad (1941), antena corneta coaxial diretiva e onidirecional de Brillouin (1948), antena corneta cônica de King (1942), antena corneta retangular de Katzin (1946), antena dipolo e monopolo elipsoidal de Stohr (1968), radiador de alta corrente de Harmuth (1985), entre outras. A partir de 1992 surgiu a necessidade de estruturas simplificadas, o que lançou as antenas não-volumétricas como foco de pesquisas e, desde então, os estudos sobre antenas de microfita ganharam força total (P.-SOLIS et al., 2005).

3.3. Parâmetros fundamentais de antenas

Para que haja a transferência total de energia, as impedâncias do equipamento de radiofrequência, da antena e da linha de transmissão deveriam ser iguais. Frequentemente, esses valores são distintos e, para acoplar corretamente esses dispositivos de maneira que haja menor perda possível, são utilizados casadores. Esses elementos são capazes de realizar a transformação entre as diferentes impedâncias dos equipamentos que compõem um sistema de transmissão ou de recepção (BALANIS, 2009).

O VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) é o indicador de eficiência do casamento

de impedâncias e é medido através da relação entre a tensão máxima e mínima das ondas estacionárias nas extremidades da linha de transmissão (BONFIM, 2003). Numa situação ideal, quando as impedâncias estão perfeitamente casadas e a reflexão é mínima (^_{__} = 0), VSWR = 1 e deve ser no máximo igual a 2 (BALANIS, 2009).

,^0* =,_,- .

- =

, > ,

(40)

21

Em que ,_{- .} é a tensão máxima, ,_- é a tensão mínima, , é a tensão incidente e , é a tensão refletida, ambas na extremidade da linha de transmissão.

O coeficiente de reflexão (_^_{__}) é a razão entre a onda que foi refletida e a que incidiu em um determinado ponto da linha de transmissão (BALANIS, 2009).

|^__| =_{, =}, ,^0* = 1_{,^0* > 1} (3.2)

Em que _Z _bc é a impedância de entrada da antena e _Z_d é a impedância característica do meio. O diagrama de radiação de uma antena representa, através de gráfico bi ou tridimensional, a densidade de potência que foi radiada pela antena a uma distância fixa e constante, correspondente à polarização do campo elétrico. Ele pode apresentar vários lóbulos além daquele onde está a direção de maior intensidade de radiação (lóbulo principal), que podem ser classificados como lóbulos: secundário, lateral e posterior. Além disso, esse diagrama pode indicar que a antena possui característica de radiação isotrópica (antena não real que é usada como referência para outros parâmetros), onidirecional ou direcional.

A diretividade (Dir) de uma antena indica o quão concentrado é o feixe de radiação de uma antena diretiva em relação a uma antena isotrópica e é definida pela relação entre a intensidade de radiação (U) da antena em questão e a potência radiada pela antena % . A intensidade de radiação utilizada no cálculo da diretividade é a quantificação do volume de potência por unidade de ângulo sólido ( A - esferorradiano) (BALANNIS, 2009).

3J =_ee

#=

4πU

% (3.3)

As regiões de campo que compõem o espaço atendido por uma antena, conforme Figura 3.1, podem ser classificadas em:

o Região de campo próximo reativo É a região imediatamente posterior à

(41)

22

o Região de campo próximo radiante ou região de Fresnel É a região de

campo localizada entre a região de campo distante e a de campo reativo, existente apenas quando D>>λ. Nela, predominam campos radiantes com distribuição de campo dependente da dimensão da antena. O limite dessa região pode ser dado por _0,62jk_ml_{n * n}Bk_mD;

o Região de campo distante ou região de Fraunhoffer É aquela região onde a

distribuição de campo independe da dimensão da antena e é limitada por * oBk_mD. Caso a dimensão máxima (D) da antena seja muito maior que _|q|p, em que r é a constante de propagação do meio, então * o|q|k_pD (BALANNIS, 2009).

Figura 3.1 – Regiões de campo de uma antena.

A eficiência total de uma antena é dada pelo produto entre a eficiência de reflexão ( ), relacionada ao descasamento de impedâncias, e a eficiência de radiação, que pode ser determinada experimentalmente ou através da razão entre as perdas nos condutores e meios dielétricos (_* ) e as perdas na carga (_*₊).

=_* *

+= * (3.4)

= 1 = |^11|B (3.5)

(42)

23

= ?3J (3.6)

A largura de banda de uma antena pode ser vista como a faixa de frequência, em um determinado limiar, para a qual há maior nível de transferência de dados e seu desempenho atende a valores aceitáveis. A largura de banda (BW), quando expressa em termos de percentagem, é chamada de largura de banda fracionária ( ) e é definida por:

0 = = (3.7)

= 0 = 2 = _> (3.8)

(%) = 2 = _> ?100% (3.9)

Em que e são, respectivamente, os limites superior e inferior da faixa de frequência de operação e é a frequência central a esses limites, podendo ser definida por:

≅ > ₂ (3.10)

Os sistemas de comunicação podem ser classificados por sua banda fracionária de operação de acordo com a Tabela 3.1.

Tabela 3.1 – Classificação de sinais quanto à largura de banda fracionária.

Banda estreita: (%) < 1%

Banda larga: 1% < (%) < 20% Banda ultra larga: (%) > 20%

3.4. Conceitos básicos

(43)

24

perdas (_L ) e permissividade elétrica εr, limitado por um plano terra metálico. As variações das dimensões do patch condutor determinam o comportamento em frequência da antena

(WHENTWORTH, 2009).

Figura 3.2 – Estrutura geral de antenas de microfita.

As geometrias comumente aplicadas ao patch condutor estão ilustradas na Figura

(44)

25

Figura 3.3 – Geometrias comumente utilizadas nos patches condutores.

Os substratos normalmente utilizados são fabricados em alumina ou em fibras texturizadas com teflon (COSTA, 2009), no entanto podem ser compostos por vários outros tipos de materiais. Cada material possui características eletromagnéticas diferentes, assim como sua constante dielétrica que, geralmente, varia entre 2,2 e 12.

A permissividade e espessura do substrato interferem diretamente na eficiência de radiação. Menores valores de permissividade elétrica ocasionam o aumento da eficiência e da largura de banda visto que as ondas eletromagnéticas estão mais desprendidas do material, tornando mais fácil sua radiação para o meio não guiado. No entanto, isso acontece em detrimento das dimensões da antena que serão maiores. Substratos mais espessos ou com maior permissividade têm como característica o aumento das ondas de superfície, o que diminui a eficiência da antena. Para permissividades mais altas, as ondas estarão mais concentradas no interior do substrato, provocando a diminuição das dimensões do patch

condutor.

Muitas técnicas têm sido propostas para aumentar a largura de banda, entre elas estão: o uso de elementos capacitivos, para compensar a indutância dos alimentadores, antenas rodeadas por elementos parasitas acoplados, geometrias de patches especiais,

alterações no plano terra, entre outras (VOLAKIS, 2007).

(45)

26

r = > x MC_ (3.11)

=

y =

I

y M (3.12)

"# =2 =2_{I F/M} (3.13)

=2 "#jℰ F/M (3.14)

/ = = I

yℰ M/! (3.15)

ℰ =ℰ > 1_{2 >}ℰ = 1₂ {

| 1

j1 > 12 K ℎ_{0 ~}•

(3.16)

Em que é a constante de atenuação, é a constante de fase no material dielétrico, é o comprimento de onda guiado (diferente de por um fator de diminuição da velocidade, determinado pela permissividade efetiva do material dielétrico) (FUSCO, 2005), _"_# é a constante de fase no espaço livre, _ℰ é a permissividade efetiva do material, _ℰ é a permissividade relativa do material e W é a largura da fita de alimentação.

Na microfita, parte das linhas de campo está concentrada na região do dielétrico, entre a fita condutora e o plano terra, enquanto que a outra parte na região de ar, acima do

patch condutor. Os campos que se propagam em uma linha de microfita constituem uma onda

híbrida TM-TE, portanto a propagação é dita quase-TEM (POZAR, 2005) (WHENTWORTH,

(46)

27

Figura 3.4 – Linhas de campo elétrico e magnético na estrutura.

A impedância característica (₁_#), para certa dimensão da linha de microfita e altura do substrato (h), pode ser calculada por:

1# = 60

yℰ ln •

8ℎ

0 >4ℎƒ0 Para „_{n 1} (3.17)

1# = 120

yℰ …0_{ℎ > 1,393 > 0,667G ˆ}0_{ℎ > 1,44‰Š} Para

„_{> 1} ₍

3.18)

Ao invés de analisar as dimensões da estrutura para determinar ₁_#, é mais comum fazer uso de um ₁_# almejado para a microfita em um substrato conhecido. Se a primeira relação for verdadeira, W será igual a esta relação multiplicada por h. Caso a segunda relação seja verdadeira, W corresponderá a esta relação multiplicada por h (WHENTWORTH, 2009).

0

ℎ = 8

‹

B‹_{= 2} Para „n 2 (3.19)

0

ℎ =2Œ = 1 = ln(2 = 1)

>ℰ = 1_{2ℰ •ln( = 1) > 0.39 =}0,61_{ℰ ••} Para

„_{> 2} ₍_3.20₎

Em que

‘ =1₆₀#’ℰ > 1

2 >ℰ = 1ℰ > 1 •0,23 >0,11ℰ ƒ (3.21)

= 377

21#yℰ

(47)

28

A Figura 3.1 representa a variação da largura da linha de microfita em relação a ₁_# de 10 Ω a 150 Ω para um substrato de fibra de vidro com ℰ = 4,4 e h = 1,57 mm.

Figura 3.5 – Largura da fita de alimentação de microfita em relação à impedância característica Zo.

Para a maioria dos substratos de microfita, as perdas no condutor são bem mais significativas que as perdas no dielétrico, exceto para alguns substratos semicondutores (POZAR, 2005). As atenuações devido às perdas no dielétrico ( ) e às perdas no condutor ( ) podem ser calculadas por:

="#ℰ (ℰ = 1)L

2yℰ (ℰ = 1) “N/M (3.23)

Em que tan representa a tangente de perdas do dielétrico.

=₁*&

#0 “N/M

(3.24)

Em que _*_& é a resistividade da superfície do condutor e é dada por

*&= j₂”# (3.25)

Em que é a condutividade do material.

(48)

29

3.5. Métodos de alimentação

Dentre os possíveis métodos de alimentação, os comumente utilizados são (BALANNIS, 2009) os ilustrados na Figura 3.3:

Figura 3.6 – Técnicas de alimentação utilizadas em antenas de microfita: via linha de microfita. sonda coaxial e acoplamento por abertura.

o A alimentação por linha de microfita excita diretamente a antena através de

uma fita metálica disposta sobre o substrato e acoplada ao patch condutor.

Esse tipo de alimentação oferece vantagens como casamento e modelagem simplificada, assim como maior facilidade de fabricação. Entretanto, à medida que a espessura do substrato aumenta, ondas de superfície e radiações indesejadas podem ser geradas o que provoca a limitação da largura de banda (BALLANIS, 2009) (KUMAR, 2003) (NOBREGA, 2008);

o Na alimentação por sonda coaxial, a excitação também é direta através de um

conector que liga o plano terra ao patch, o que faz com que a estrutura não