UNIVERSIDADEFEDERALDO RIO GRANDE DO NORTE
Universidade Federal do Rio Grande do Norte Centro de Tecnologia
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Computação
Jonathan Paulo Pinheiro Pereira
Estruturas PBG periódicas e quase
periódicas em Antenas de Micro ta com
aplicação em Veículos Aéreos Não
Tripulados
Orientador: Prof. Dr. José Patrocínio da Silva
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação Engenharia Elétrica e Computação da UFRN Engenharia de Computação (área de concentração: Telecomunicações) como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Ciências.
Número de Ordem do PPgEEC:D170
NATAL-RN
UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede Catalogação da Publicação na Fonte
Pereira, Jonathan Paulo Pinheiro.
Estruturas PBG periódicas e quase periódicas em antenas de microfita com aplicação em veículos aéreos não tripulados / Jonathan Paulo Pinheiro Pereira. - Natal, RN, 2016.
85 f : il.
Orientador: Prof. Dr. José Patrocínio da Silva.
Tese (Doutorado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Computação.
1. Antenas de microfita - Tese. 2. PBG - Tese. 3. VANTs - Tese. I. Silva, José Patrocínio da. II. Título.
RN/UF/BCZM CDU 621.396.67
...Na vida, não existe nada a se
temer apenas a ser
compreendido...
Marie Curie
Agradecimentos
A Deus, em primeiro lugar, pelo maravilhoso dom da vida.
A minha esposa, Priscila pela paciência e incentivo durante a realização deste trabalho.
Aos meus pais, Osiris (In Memoriam)e Penha pelo apoio durante esta jornada. Ao meu orientador, professor José Patrocínio da Silva, sou grato pela orientação e por acreditar no meu trabalho.
Ao meu amigo, e professor Humberto Dionísio de Andrade, por toda a ajuda que me dispensou neste trabalho.
Ao grupo GETEMA/IFPB na pessoa do professor Alfredo Gomes Neto, que sempre nos recebeu de portas abertas nas atividades de medição dos dispositivos.
Aos amigos de pós-graduação, Adller, Otávio, Tarcísio, Isaac e Lucas pela companhia e por dividir as angústias e alegrias desta caminhada.
Resumo
Para realizar um estudo sobre antenas de micro ta, é necessário o envolvimento da especi cação ampla do espectro eletromagnético de parâmetros físicos, e cada projeto de antena requer o emprego de técnicas avançadas de cálculo numérico para avaliação de medidas de desempenho, como impedância de entrada, padrão de radiação e ganho em faixas especí cas de frequências. Neste aspecto, esse trabalho apresenta um estudo da in uência de estruturas PBG periódicas e quase periódicas nas propriedades de radiação de antenas de micro ta. O objetivo principal é levantar as características do uso dessa técnica para aplicações em antenas e propor utilização de métodos de otimização para obter e ciência na elaboração das estruturas PBG. São tratados três tipos de antenas de micro ta, com variações na especi cação do substrato PBG para modelos periódicos e quase periódicos com simetrias seis e doze vezes. A validação dos resultados gerados pelo ambiente computacional é alcançada através da fabricação de protótipos para as antenas, levando-se em consideração cada caso de estudo, seguido por testes de desempenho do dispositivo físico fabricado, realizados em laboratórios. Foram desenvolvidos algoritmos para automatizar os processos de montagem de modelos utilizados na simulação e confecção física das antenas. Todas as análises foram realizadas pela comparação entre os modelos simulados e medições das antenas confeccionadas experimentalmente. Foram construídas antenas projetadas para operar em frequências na faixa de 5,8 GHz utilizadas em testes operacionais para uma aplicação de transmissão de vídeo em Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs).
Abstract
To conduct a study of microstrip antennas, the involvement of the broad speci cation of the electromagnetic spectrum of physical parameters is necessary, and each antenna design requires the use of advanced numerical computation techniques for evaluating performance measures such as input impedance, pattern radiation and gain in speci c frequency bands. In this respect, this work presents a study of the in uence of structures PBGperiodic and quasi periodic in microstrip antenna radiation properties. The main objective is to raise the characteristics of the use of this technique for applications in antennas and propose use of optimization methods for e ciency in the preparation of structures PBG. They are treated three types of microstrip antennas, with variations in the speci cation of the substrate PBGfor periodic and quasi periodic models with six twelve symmetries. The validation of the results generated by the computer environment is achieved by manufacturing prototypes for the antenna, taking into consideration each case study, followed by performance tests of the manufactured physical device, carried out in laboratories. Algorithms have been developed to automate the assembly of models of processes used in manufacture of simulation and physical antennas. All analyzes were performed by comparing the simulated models and measurements of antennas made experimentally. designed antennas were built to operate at frequencies in the range of 5.8 GHz used in operational tests for a video streaming application in Unmanned Aerial Vehicles (UAVs).
Sumário
Sumário i
Lista de Figuras iii
Lista de Tabelas vi
Lista de Símbolos e Abreviaturas vii
1 Introdução 1
2 Fundamentação Teórica e De nições 4
2.1 Antenas de Micro ta . . . 4
2.1.1 Introdução . . . 4
2.1.2 Parâmetros da Antena . . . 6
2.2 Tecnologia PBG - Photonic Band Gap . . . 11
2.2.1 Introdução . . . 11
2.2.2 Photonic Bang Gap - Ground Plane (PBG-GP) . . . 13
2.2.3 Uniplanar Compact - Photonic Bang Gap (UC-PBG) . . . 14
3 Metodologia de Projeto dos Dispositivos 16 3.1 Projeto das Antenas . . . 16
3.2 Simulação das Antenas . . . 19
3.2.1 Arquivo "DADOS-ANTENA.txt" . . . 19
3.2.2 Arquivo "GERADOR-MODELO.vbs" . . . 21
3.2.3 Arquivos "MODELO-PLOTER.brd"e "MODELO-PLOTER.drl" . . . 23
3.3 Fabricação das Antenas . . . 23
4 Resultados e Análises dos Protótipos 27 4.1 Análise de in uência da variação da distância nos centros dos furos
de ar (Pitch, Λ) em uma simetria hexagonal . . . 2 7 4.1.1 Introdução . . . 2 7 4.1.2Projeto da antena de referência e da estrutura PBG
-Distribuição Hexagonal . . . 2 8 4.1.3 Resultados das Simulações - Distribuição Hexagonal . . . 2 9
4.1.4 Resultados Experimentais - Distribuição Hexagonal . . . 37
4.1.5 Conclusões - Distribuição Hexagonal . . . 41
4.2Análise do Uso de Diferentes Simetrias PBG no Projeto de Antenas de Micro ta . . . 41
4.2.1 Projeto das Estruturas - Simetrias PBG . . . 41
4.2.2 Resultados das Simulações - Simetrias PBG . . . 42
4.2.3 Resultados Experimentais - Simetrias PBG . . . 47
4.2.4 Conclusões - Simetrias PBG . . . 48
5 Aplicação experimental VANT 51 5.1 De nição . . . 51
5.2Características da plataforma desenvolvida . . . 52
5.2.1 Antena desenvolvida para aplicação com VANT . . . 53
5.2.2 Resultados das Simulações - Aplicação VANT . . . 54
5.2.3 Resultados Experimentais - Aplicação VANT . . . 56
5.2.4 Conclusões - Aplicação VANT . . . 62 6 Conclusões e Trabalhos futuros 65
Lista de Figuras
2.1 Antena de Micro ta Simples . . . 5
2.2 Formas típicas de elementos de plaquetas . . . 5
2.3 Exemplo de diagrama de planos E e H para uma antena de micro ta 7 2.4Alimentação através de linha de micro ta . . . 9
2.5 Alimentação através de cabo coaxial . . . 9
2.6 Alimentação através acoplamento por abertura . . . 10
2.7 Alimentação através de acoplamento por proximidade . . . 10
2.8 Exemplos de cristais fotônicos tridimensionais . . . 12
2.9 Representação de cristais fotônicos (a) Unidimensional, (b) Bidimensional, (c) Tridimensional . . . 12
2.10 (a)Geometria retangular, (b) Geometria Hexagonal, (c) Geometria quase periódica com repetição 12 vezes. . . 13
2.11 Exemplo de antena PBG-GP . . . 13
2.12 Razão de preenchimento de estruturas PBG-GP de geometria retangular . . . 14
2.13 Exemplo de antena UC-PBG . . . 15
3.1 Modelo de antena de patch retangular utilizada. . . 16
3.2 Esquema para confecção de antenas. . . 20
3.3 Modelo de arquivo com dados da antena. . . 20
3.4Tipos de con gurações possíveis para o arquivos de dados da antena. 21 3.5 Modelo de arquivo com script em Visual Basic . . . 22
3.6 Modelo de arquivo com informações de dimensão da antena utilizado na prototipagem. . . 24
3.7 Modelo de arquivo com informações de ferramentas utilizadas na prototipagem. . . 25
3.8 (a) Prototipadora (b) Detalhe da usinagem dos patches (c) Detalhe dos componentes da antena. . . 25
3.9 Medição dos parâmetros da antena nos laboratórios (a) do Lab. Tele. UFRN e (b) do GETEMA/IFPB. . . 26
4.1 Antena de referência de patch retangular. . . 28 4.2 (a) Parâmetros da simetria hexagonal. (b) Con guração da Antena
1. (c) Con guração da Antena 2. (d) Con guração Antena 3. . . 30 4.3 Valores das perdas de retorno (S1,1) em função da frequência de
operação da antena de referência e das con gurações das estruturas PBG com alteração de Λ. . . 31 4.4 Diagrama de Radiação da antena de referência sem malha PBG. . . . 32 4.5 Diagrama de Radiação da antena na con guração 1 com Λ de 3 mm. 33 4.6 Diagrama de Radiação da antena na con guração 2 com Λ de 2 mm. 33 4.7 Diagrama de Radiação da antena na con guração 3 com Λ de 1.5 mm. 34 4.8 Diagrama de ganho total das antenas . . . 34 4.9 Distribuição do campo elétrico no substrato da antena de referência. . 35 4.10 Distribuição do campo elétrico no substrato da antena com Λ = 3,0
mm. . . 36 4.11 Distribuição do campo elétrico no substrato da antena com Λ = 2,0
mm. . . 36 4.12 Distribuição do campo elétrico no substrato da antena com Λ = 1.5
mm. . . 36 4.13 Antenas construídas - Distribuição Hexagonal . . . 37 4.14 Comparação entre os valores simulados e medidos das perdas de
retorno em função da frequência de operação para Λ = 3,0 mm. . . . 38 4.15 Impedância de entrada para antena com Λ = 3,0 mm. . . 38 4.16 Comparação entre os valores simulados e medidos das perdas de
retorno em função da frequência de operação para Λ = 2,0 mm. . . . 39 4.17 Impedância de entrada para antena com Λ = 2,0 mm. . . 39 4.18 Comparação entre os valores simulados e medidos das perdas de
retorno em função da frequência de operação para Λ = 1,5mm. . . 40 4.19 Impedância de entrada para antena com Λ = 1,5 mm. . . 40 4.20 (a) Antena com simetria retangular. (b) Antena com simetria
hexagonal. (c) Antena com simetria quase-periódica. . . 43 4.21 Valores das perdas de retorno (S1,1) em função da frequência de
operação da antena de referência e das con gurações das estruturas PBG com alteração de simetria. . . 44 4.22 Distribuição do campo elétrico no substrato da antena com simetria
4.23 Distribuição do campo elétrico no substrato da antena com simetria
quase-periódica. . . 46
4.24 Distribuição do campo elétrico no substrato da antena com simetria retangular. . . 46
4.25 Antenas construídas - Simetrias PBG. . . 47
4.26 Comparação entre os valores simulados e medidos de S1,1 para simetria hexagonal. . . 48
4.27 Comparação entre os valores simulados e medidos de S1,1 para simetria hexagonal. . . 49
4.28 Comparação entre os valores simulados e medidos de S1,1 para simetria retangular. . . 49
5.1 Efeitos no uso de substrato PBG. . . 52
5.2 Modelo de plataforma utilizado. . . 53
5.3 Parâmetros da simetria hexagonal. . . 54
5.4 Valores das perdas de retorno (S1,1) em função da frequência de operação de uma antena sem PBG e da antena com PBG. . . 55
5.5 Diagrama de Radiação da antena padrão sem malha PBG. . . 56
5.6 Diagrama de Radiação da antena com malha PBG. . . 57
5.7 Ganho total da antena PBG em relação a uma antena dipolo comercial. 57 5.8 Antena construída - Aplicação VANT. . . 58
5.9 Comparação entre os valores simulados e medidos das perdas de retorno em função da frequência de operação. . . 58
5.10 Comparação entre os valores medidos das perdas de retorno em função da frequência de operação da antena dipolo comercial e da antena PBG proposta e detalhe da faixa de operação do transmissor. . . 59
5.11 Recepção por diversidade no modo Selection Combining. . . 60
5.12 Setup de recepção por diversidade. . . 60
5.13 Imagem capturada do receptor com a antena comercial dipolo . . . . 61
5.14 Imagem capturada do receptor com a antena PBG proposta . . . 61
5.15 Plataforma formada por uma Ground Station e um VANT utilizada em testes de campo. . . 62
5.16 Detalhe da antena PBG proposta instalada no módulo receptor da Ground Station . . . 63
5.17 Detalhe da antena dipolo comercial instalada no módulo transmissor do VANT . . . 63
Lista de Tabelas
4.1 Parâmetros das simulações apresentadas na Figura 4.3 . . . 32 4.2 Parâmetros das simulações apresentadas na gura 4.20 . . . 45
Lista de Símbolos e Abreviaturas
χ Razão de preenchimento das estruturas PBG-GP, página 14δ Tangente de perdas, página 17
r Constante dielétrica relativa, página 6
Γ Coe ciente de Re exão, página 7
μ0 Permeabilidade no espaço livre, página 17 ν0 Velocidade da luz no espaço livre, página 17 ε0 constante dielétrica no espaço livre, página 17 εref Constante dielétrica efetiva, página 17
Λ Distância entre os centros dos furos de ar no substrato dielétrico, página 27 fr Frequência de ressonância, página 17
h Altura do substrato, página 17
J0 Função de Bessel de primeira espécie e ordem zero, página 18 Prad Potência radiada total, página 8
Rin Resistência de entrada de ressonância, página 18 U Intensidade de radiação, página 8
U0 Intensidade de radiação de uma fonte isotrópica, página 8 W0 Largura da linha de micro ta, página 18
y0 Comprimento da fenda, página 19 Z0 Impedância Característica, página 7
Zc Impedância característica, página 18 Zc Impedância da Carga, página 7
BW BandWidth, página 6
EBG Eletromagnetic Band Gap, página 1 FSS Frequency Selective Surface, página 66 GPS Global Position System, página 1 MLP MultiLayer Perceptron, página 66
PBG-GP Photonic Bang Gap - Ground Plane , página 12 PBG Photonic Band Gap, página 1
QC Quasi-Crystal , página 2 RL Return Loss, página 8
RNA Rede Neural Arti cial , página 66 SC Selection Combining, página 59 SNR Signal to Noise Ratio, página 59
UC-PBG Uniplanar Compact - Photonic Bang Gap , página 13 VSWR Voltage Stationary Wave Radio, página 7
D Diretividade da antena, página 8
FCF Fibras de Cristais Fotônicos, página 28 FR4 Fibra de vidro, página 17
G Ganho da antena, página 8 L Comprimento do patch, página 17 W Largura do patch, página 17
Capítulo 1
Introdução
Antenas de micro ta e seus arranjos têm sido amplamente utilizados em diversas aplicações, dentre as quais pode-se destacar: aplicações em radares, telefonia móvel, sistema de posicionamento global (GPS), equipamentos de redes sem o, e mais recentemente, sua utilização em Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs)de uso civil e militar (RAHARDJO et al., 2013; TAN et al., 2013). A essa vasta gama de aplicações pode-se atribuir o seu alto desempenho no que se refere ao tamanho das estruturas, peso, custo e facilidade de instalação. Entretanto, esses tipos de antenas apresentam algumas desvantagens, tais como: baixa e ciência, baixa potência e largura de banda estreita(BALANIS, 1997).
Para contornar os problemas referentes à estreita largura de banda das antenas de micro ta, algumas técnicas têm sido estudadas. Uma delas, é a utilização de estruturas de bandas proibidas tais como Eletromagnetic Band Gap (EBG) e Photonic Band Gap (PBG), aplicadas ao substrato (BHAVSAR; SINGH, 2013; ANDRADE et al., 2014).
As estruturas PBG são redes arti ciais que atuam como bandas de energia existentes em uma rede cristalina de átomos que, com o ajuste das dimensões da estrutura cristalina, pode-se controlar a propagação dos modos eletromagnéticos na estrutura, de forma a evitar a propagação de modos indesejados. Para circuitos de ótica integrada, essa característica viabiliza o projeto de novos modelos de guias de onda, ltro e acopladores. Na frequência de microondas essa característica possibilita novos projetos de antenas planares e outros dispositivos (ZHANG; ALEXOPOULOS;
YABLONOVITCH, 1999; ALI, 2002; ALMEIDA; SOBRINHO; SANTOS, 2003; ALMEIDA;
SOBRINHO, 2004; PFLAUM et al., 2014).
Para aplicação de estruturas PBG introduzidas no substrato de antenas de micro ta, existem várias maneiras diferentes de distribuir os furos preenchidos de ar, utilizando-se desde geometrias mais simples como distribuições retangulares e
hexagonais, até a proposta de distribuições com geometrias complexas bastante utilizadas para construção de pré-formas para bras óticas fotônica na confecção de bras óticas, como por exemplo as estruturas formadas por Quase Cristais (KIM; KEE; LEE, 2007).
Estruturas formadas por Quase Cristais, do inglês Quasi-Crystal (QC), representam um conjunto de estruturas que vem sendo bastante estudadas nos últimos anos, sobretudo, devido a sua aplicação no desenvolvimento de bras óticas baseadas em quase cristais fotônicos. Esses tipos de estruturas caracterizam-se por não conterem simetria de translação, normalmente presente nas redes cristalinas tradicionais. Quase cristais são caracterizados por um alinhamento muito incomum dos elementos que formam as estruturas aperiódicas, ou seja, possuem pelo menos dois padrões simétricos diferentes, que formam uma estrutura sem lacunas, mas que não se repete regularmente. Desta forma, podem originar simetrias de 6, 8, 10 e até 12 vezes (SILVA; DANTAS, 2013).
A utilização da técnica PBG, invariavelmente, desloca a frequência de projeto para frequências mais altas devido, principalmente, a remoção de material do substrato pela presença dos furos de ar que consequentemente altera a constante dielétrica nal do substrato da antena, conhecida como constante dielétrica efetiva. O valor desse deslocamento depende também de outros fatores como a profundidade dos furos (ANDRADE et al., 2014), de seu diâmetro e da distância entre
os centros, o que faz com que ocorra uma diferença entre a frequência de projeto e a frequência de ressonância que varia com esses fatores.
O objetivo geral deste trabalho consiste em realizar um estudo dos efeitos do uso da técnica PBG com aplicação de simetrias periódicas e quase periódicas no substrato de antenas de micro ta. A análise dos modelos de estruturas propostas, de suas con gurações e metodologias de projeto foram realizadas através de um aparato computacional desenvolvido de forma a automatizar o projeto e o processo de simulação das antenas com o objetivo nal de aplicar o protótipo da antena desenvolvido em um sistema real de transmissão de vídeo utilizando como plataforma um VANT. Os resultados obtidos para o modelo proposto são comparados em desempenho aos resultados obtidos utilizando antenas comerciais.
Para tanto, fez-se necessário uma revisão bibliográ ca dos conceitos sobre tecnologias PBG e suas geometrias, características, frequência e largura de banda do serviço de transmissão de vídeo escolhido para validação da aplicação.
Espera-se que os resultados deste trabalho possibilitem o surgimento de novas pesquisas dentro do estudo da área de antenas PBG com uso de técnicas para
automatização de projetos e obtenção mais rápida e prática de modelos utilizados nos processos de simulação e fabricação dos modelos de antenas em análise.
Este trabalho está organizado da seguinte forma:
O Capítulo 1 contém uma introdução sobre o assunto abordado nessa pesquisa para contextualizar o leitor ao tema.
No Capítulo 2 são apresentados os fundamentos teóricos e de nições com ênfase em tecnologia PBG, considerando topologias periódicas e quase-periódicas.
No Capítulo 3 é apresentada a metodologia de projeto, construção e medição das antenas.
No Capítulo 4 são apresentados e discutidos os resultados das simulações e medições realizadas em laboratório.
No Capítulo 5 é apresentada a plataforma desenvolvida na validação das antenas propostas com aplicação em VANTs.
E nalmente no Capítulo 6 são apresentadas as principais conclusões e sugestões para trabalhos futuros.
Capítulo 2
Fundamentação Teórica e De nições
Este capítulo aborda conceitos fundamentais ao desenvolvimento do trabalho. A Seção 2.1 apresenta os principais conceitos referentes a antenas de micro ta. Na Seção 2.2 é apresentada a tecnologia PBG (Photonic Band Gap) utilizada neste trabalho como elemento básico na melhoria das características das antenas propostas.
2.1 Antenas de Micro ta
2.1.1 Introdução
Antena é de nida como "um dispositivo para radiação ou recepção de ondas de rádio". Esse é um conceito geral de nido pela norma IEEE 145-1983 encontrado
em (BALANIS, 1997) que em outras palavras constitui-se de uma estrutura de
localização intermediária entre o espaço livre e o dispositivo de guiamento ou linha de transmissão.
O estudo mais amplo de antenas conduz a um vasto universo de estruturas que interligam-se diretamente a tecnologia utilizada no processo de transmissão/recepção de ondas de rádio e da frequência para qual o dispositivo opera. Dentro dessa vasta gama de tecnologias encontram-se as antenas de micro ta, objeto de estudo deste trabalho.
Criadas inicialmente com o objetivo de atender especi cações limitantes de tamanho, peso, custo, desempenho, além da facilidade de instalação em projetos militares e aeroespaciais, atualmente as antenas de micro ta tem sido aplicadas nas mais diversas áreas, como comunicações móveis e comunicações sem o
(SUBBULAKSHMI; RAJKUMAR, 2013;DAS et al., 2013;MOKHTAR et al., 2013;SHARMA;
KATARIYA; MEENA, 2012; QIAN et al., 2012). Estudos com antenas de micro ta tem
atenção na década de 70 (MUNSON, 1974). As antenas de micro ta são formadas por
uma na plaqueta metálica que constitui o elemento radiante, também chamado de Patch, posicionada sobre um material dielétrico chamado substrato que por sua vez está sobre uma outra camada metálica que constitui o plano de terra, como mostra a Figura 2.1.
Figura 2.1: Antena de Micro ta Simples
Fonte: (Autor, 2015)
A plaqueta radiante pode assumir diversas formas geométricas. As formas mais comumente encontradas na literatura são: quadrada, retangular estreita (dipolo), circular, elíptica e triangular (GARG, 2001) como pode ser visto na Figura 2.2.
Quadrado Circular Triangular
Anel Circular Anel Quadrado SemiíCircular
Figura 2.2: Formas típicas de elementos de plaquetas
O substrato de uma antena pode ser construído com diferentes materiais. De maneira geral, utilizam-se materiais com constante dielétrica relativa (r) de valores
entre 2,2 e 12. Substratos com espessuras maiores e pequenos valores de constante dielétrica são mais e cientes devido ao melhor desprendimento dos campos. Contudo o fator negativo destas características é o aumento nas dimensões do dipositivo (BALANIS, 1997).
2.1.2 Parâmetros da Antena
Parâmetros das antenas representam numericamente o comportamento e desempenho do dispositivo, fornecendo informações sobre seu funcionamento. A seguir serão discutidos os principais parâmetros de antenas de micro ta utilizados neste trabalho.
Diagrama de Radiação
O diagrama de radiação é, por de nição, a representação grá ca ou matemática das propriedades de radiação de uma antena em função de suas coordenadas espaciais
(BALANIS, 1997). A representação constitui um mapeamento da distribuição de
energia radiada pela antena. Para obter o diagrama utiliza-se de duas maneiras, ou em campo ou através de simulação computacional. A radiação de uma antena é normalmente mensurada com a unidade dBi. A Figura 2.3 apresenta um exemplo de diagrama de radiação típico de uma antena de micro ta, onde praticamente toda a energia radiada concentra-se na região anterior a plaqueta e apenas uma pequena parcela da energia é radiada para região posterior.
Largura de Banda
Largura de banda, do inglês BandWidth (BW ), de uma antena é de nida como a faixa de frequências na qual o desempenho da antena atende um padrão especi cado. Também pode ser de nida como faixa de frequências, nos dois lados de uma frequência central (no caso de um dipolo, sua frequência de ressonância) na qual as características da antena (como impedância de entrada, ganho e polarização) têm valores dentro de limites aceitáveis (BALANIS, 1997).
V SW R= Vmx Vmn = Imx Imn = 1 + |Γ| 1 − |Γ| Γ Γ = Zc− Z0 Zc+ Z0 Zc
Perda de retorno ocorre quando há um descasamento de impedâncias entre a linha de transmissão e o elemento radiador, de modo que parte da potência proveniente do gerador é re etida e não é entregue a carga. Essa perda também chamada de perda de retorno, do inglês RL (Return Loss), correspondente ao parâmetro S11 da matrizde espalhamento (POZAR, 2012) e é de nida por:
RL = −20log|Γ|dB (2.3)
Ganho
O ganho é uma medida utilizada para descrever o desempenho de uma antena. Está intimamente ligado ao conceito de diretividade e é de nido como a razão entre a intensidade de radiação, em uma dada direção, e a intensidade de radiação que seria obtida se a potência entregue à antena fosse radiada isotropicamente (potência de entrada) (BALANIS, 1997). O ganho pode ser obtido por:
G= 4π intensidade de radiação
potência total de entrada(aceita) (2.4) Diretividade
A diretividade de uma antena é de nida como a razão entre a intensidade de radiação, em uma dada direção, e a intensidade de radiação média. A intensidade de radiação média é igual à potência total radiada pela antena dividida por 4π
(BALANIS, 1997). A diretividade é calculada por:
D= U
U0 =
4πU
Prad (2.5)
em que:
U é a intensidade de radiação (W/unidade de ângulo),
U0 é a intensidade de radiação de uma fonte isotrópica (W/unidade de ângulo), Prad é a potência radiada total (W).
Métodos de Alimentação
Antenas de micro ta podem ser alimentadas de diversas formas. As formas mais comuns são: linha de micro ta, sonda coaxial, acoplamento por abertura e acoplamento por proximidade (BALANIS, 1997). A linha de micro ta é constituída
de uma ta condutora com largura em geral muito menor que a da plaqueta. Possui característica principal de ser de fácil construção e casamento simples, ver Figura 2.4. Alimentação através de linha coaxial trata-se de um cabo normalmente formado de dois condutores, um interno conectado a plaqueta e outro externo conectado ao plano de terra, ver Figura 2.5. Esses dois métodos constituem os métodos de alimentação por contato que devido a suas assimetrias inerentes geram modos de ordens superiores, produzindo radiação cruzada.
Substrato
Plaqueta
εr Plano de Terra
Figura 2.4: Alimentação através de linha de micro ta
Fonte: (Adaptado de (BALANIS, 1997))
Conector Coaxial
Plano de Terra Plaqueta de Microfita Substrato Dielétrico
ε r
Figura 2.5: Alimentação através de cabo coaxial
Fonte: (Adaptado de (BALANIS, 1997))
Para contornar esses problemas foi introduzida a alimentação sem contato, também conhecida como alimentação por acoplamento. O acoplamento por abertura é dentre os quatro métodos citados o de mais difícil fabricação apesar de sua modelagem ser razoavelmente simples e possuir radiação espúria moderada. Nesse método de acoplamento, tem-se dois substratos separados por um plano de terra na face inferior do substrato de baixo tem-se uma linha de micro ta cuja energia é acoplada a plaqueta através de uma fenda no plano de terra que separa os substratos, como mostra a Figura 2.6. No método de alimentação por proximidade, uma
camada de material dielétrico com elemento radiador é sobreposta a uma linha de alimentação de forma a promover o acoplamento dos campos por proximidade. O casamento de impedância ocorre pelo ajuste de dimensões e posicionamento da linha. Neste trabalho optou-se pela alimentação por linha de micro ta com casamento de impedância utilizando a técnica de Inset-Fed.
Linha de Microfita Fenda Plaqueta εr1 ε r 2
Figura 2.6: Alimentação através acoplamento por abertura
Fonte: (Adaptado de (BALANIS, 1997))
Linha de Microfita
Plaqueta
εr1 ε r 2
Figura 2.7: Alimentação através de acoplamento por proximidade
Fonte: (Adaptado de (BALANIS, 1997))
Métodos de Análise
Existe na literatura uma grande quantidade de métodos de análise de antenas de micro ta. Alguns modelos são mais populares, como o da linha de transmissão e cavidade (BALANIS, 1997). O modelo da linha de transmissão, utilizado neste trabalho, é mais simples e promove boa percepção física. Neste modelo, uma antena é representada como um conjunto simples formado por duas aberturas radiantes estreitas de largura W, espessura h, separadas por uma distância L
No modelo de cavidade, as antenas são associadas a cavidades carregadas com dielétrico. Neste modelo os campos normalizados no interior do substrato dielétrico
podem ser obtidos com maior precisão tanto na região da cavidade formada entre os condutores como por paredes magnéticas ao longo do perímetro da plaqueta (BALANIS, 1997).
2.2 Tecnologia PBG - Photonic Band Gap
Nesta seção serão apresentados os principais conceitos da tecnologia PBG, geometrias usuais e as geometrias propostas neste estudo.
2.2.1 Introdução
Os primeiros estudos sobre a tecnologia de bandas fotônicas proibidas surgiram pela publicação do trabalho de Yablonovitch em 1987 (YABLONOVITCH, 1987) que
aplicou as bandas fotônicas proibidas no controle da emissão espontânea e estimulada de luz e no trabalho de John no mesmo ano, (JOHN, 1987) que aplicou a técnica
para induzir a localização de fótons em substratos formados por redes cristalinas. Ohtaka, (OHTAKA, 1979) com seu estudo sobre analogias com a difração de elétrons em baixas energias, foi o primeiro a utilizar o termo estrutura de bandas fotônicas. A idéia fundamental acerca do PBG é a de que os cristais fotônicos devem atuar sobre os fótons de maneira semelhante a que os cristais semicondutores atuam sobre os elétrons, ou seja, criando situações em que fótons com energias em determinados intervalos sejam impedidos de se propagarem ao longo do cristal, efeito conhecido por bandas proibidas. Isso se dá pela ausência de nível quântico disponível para emissão de fótons. Para aplicações em frequências de microondas, utilizou-se a mesma idéia de rede cristalina que in uencia os modos de propagação de onda para produzir similares lacunas de banda.
A propagação de ondas eletromagnéticas em meios periódicos foi estudada pela primeira vez por Lord Rayleigh em 1887, que descobriu propriedades re exivas peculiares de um mineral cristalino com estrutura periódica que corresponde hoje aos cristais fotônicos unidimensionais (JOHNSON; JOANNOPOULOS, 2003). Atualmente,
de forma geral, os cristais fotônicos são utilizados para aplicações em frequências de microondas para construção de ltros, polarizadores, supressão de ondas de superfície e supressão de modos indesejados de propagação.
Nos cristais fotônicos, o meio dielétrico é organizado periodicamente de tal modo que entre quaisquer duas regiões dielétricas existem aberturas ou separações chamadas de lacunas da banda (Band Gaps) semelhante às regiões de potenciais
periódicas em um metal (CHAWDA; CHAWDA, 2013). A Figura 2.8 mostra alguns
exemplos de cristais fotônicos tridimensionais.
Figura 2.8: Exemplos de cristais fotônicos tridimensionais
Fonte: (Adaptado de (ELSHEAKH; ELSADEK; ABDALLAH, 2012))
Figura 2.9: Representação de cristais fotônicos (a) Unidimensional,(b) Bidimensional,(c) Tridimensional
Fonte: (Adaptado de (JOHNSON; JOANNOPOULOS, 2003))
As estruturas PBG podem possuir periodicidade unidirecional, bidirecional ou tridimensional, como mostra a Figura 2.9. Estruturas para aplicações em microondas podem ser obtidas por meio de implantações metálicas, dielétricas, ferromagnéticas ou ferroelétricas. Os primeiros estudos relacionados à sua aplicação tiveram início com o emprego desta tecnologia no dielétrico. Para utilização em antenas de micro ta, existem basicamente dois tipos de técnicas na aplicação do PBG. A primeira delas requer uma remoção parcial do plano de terra, técnica compatível com a tecnologia empregada na fabricação de circuitos impressos, a Photonic Bang Gap - Ground Plane (PBG-GP), que pode ter geometrias simples,
ou possuir geometrias mais complexas como a Uniplanar Compact - Photonic Bang Gap (UC-PBG). A segunda e menos frequente na literatura e que será objeto de estudo deste trabalho é a aplicação de PBG no substrato da antena por meio da colocação de furos de ar. As principais geometrias aplicadas nesta tese podem ser vistas na Figura 2.10. a) b) c) Λ Λ Λ r r r
Figura 2.10: (a)Geometria retangular, (b) Geometria Hexagonal, (c) Geometria quase periódica com repetição 12 vezes.
Fonte: (Autor, 2015)
2.2.2 Photonic Bang Gap - Ground Plane (PBG-GP)
Este tipo de técnica, inicialmente proposta por (RADISIC, 1998), consiste na
aplicação de estrutura periódica sobre o plano de terra (HORII; TSUTSUMI, 1999;
ZHANG et al., 2004; QIANG; TAO, 2009; ELSHEAKH; ELSADEK; ABDALLAH, 2011;
PFLAUM et al., 2013). Um exemplo de PBG-GP pode ser visto na Figura 2.11.
Figura 2.11: Exemplo de antena PBG-GP
Fonte: (Adaptado de (ELSHEAKH; ABDALLAH, 2013))
A aplicação de estruturas periódicas no plano de terra promove alteração na constante de propagação β da onda. Essa variação ocorre pela mudança dos valores
das impedâncias e capacitâncias distribuídas ao longo do plano de terra, e como essa distribuição é periódica, há o surgimento do efeito PBG. Assim como na utilização de estruturas PBG no substrato da antena, existe uma relação entre a densidade de furos da estrutura e a intensidade do efeito PBG resultante. Esta relação para estruturas PBG-GP ocorre em função da razão de preenchimento das estruturas, neste texto chamado de χ, para diferenciar da distância entre os furos Λ. Esta relação que é o somatório das áreas dos setores circulares de cada célula elementar, varia com a geometria da distribuição. Para o caso retangular, mostrado na Figura 2.12 ela pode se dada por:
χ= π(r/a)2 (2.6)
Quanto menor esta razão mais o comportamento da estrutura aproxima-se ao de uma estrutura sem PBG. Para o caso limite r 0 (ou r/a 0), nenhuma banda proibida é introduzida (OLIVEIRA, 2001). Conforme o raio do círculo aumenta, a
banda proibida torna-se mais pronunciada.
a
r
Figura 2.12: Razão de preenchimento de estruturas PBG-GP de geometria retangular
Fonte: (Adaptado de (OLIVEIRA, 2001))
2.2.3 Uniplanar Compact - Photonic Bang Gap (UC-PBG)
A técnica Uniplanar Compact tem uma característica principal que é produzir antenas com dimensões menores (HAO; ALOMAINY; PARINI, 2004; OH; SONG, 2006;
YANG; KISHK; LEE, 2008; COS; ÁLVAREZ; LAS-HERAS, 2011; SOLIMAN et al., 2015).
Sua estrutura consiste em uma rede LC (indutor/capacitor) complexa colocada no plano de terra do dispositivo como pode ser visto na Figura 2.13. O arranjo
Capítulo 3
Metodologia de Projeto dos
Dispositivos
Neste capítulo é descrita a metodologia utilizada nas etapas de projeto, simulação, fabricação e teste dos protótipos das antenas.
3.1 Projeto das Antenas
O modelo das antenas utilizadas nesse trabalho, mostrado na Figura 3.1utiliza estrutura patch retangular, alimentada por uma linha de micro ta com impedância de entrada de 50 Ω com uso de Inset-Fed. A frequência de ressonância mais utilizada nas simulações foi de 5,8 GHz, pois o objetivo nal do estudo é aplicar o projeto de uma antena para transmissão de sinais de áudio e vídeo em um protótipo de um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) para uso em sistemas de monitoramento e vigilância.
Figura 3.1: Modelo de antena de patch retangular utilizada.
Os cálculos de W e L foram realizados de acordo com as equações descritas em
(BALANIS, 1997) onde W pode ser obtido por:
W = ν0 2fr 2 εr+ 1 (3.1) onde:
ν0 é a velocidade da luz no espaço livre, fr é a frequência de ressonância do projeto e
εr é permissividade do material utilizado no substrato.
Para obter L, inicialmente necessita-se calcular o valor de εref que é a constante
dielétrica efetiva. Seu valor é devido aos efeitos de borda ou franjamento dos campos, onde parte das ondas propaga-se no substrato e parte, no ar.
εref = εr+ 1 2 + εr− 1 2 1 + 12 h W −1/2 (3.2) onde: h é a espessura do substrato.
Ainda devido aos efeitos de borda, a antena se comporta como se fosse eletricamente maior que suas dimensões físicas. Portanto, necessita-se calcular a extensão normalizada do comprimento do patch.
ΔL h = 0.412 (εref + 0.3) W h + 0.264 (εref + 0.258) W h + 0.8 (3.3)
Agora é possível obter o verdadeiro valor de L que pode ser calculado por:
L= 1
2fr√εref√μ0ε0 − 2ΔL (3.4)
onde:
ε0 é constante dielétrica no espaço livre, μ0 é a permeabilidade no espaço livre.
O substrato dielétrico utilizado em todas as simulações foi a bra de vidro (FR4), com permissividade relativa (εr) de 4,4 e tangente de perdas (δ) de 0,02. A espessura
(h) utilizada para o substrato foi de 1,58 mm.
Para casar a impedância da antena patch com a linha de micro ta de alimentação, utilizou-se a técnica de Inset-Fed ou linha de alimentação identada. Partindo do modelo equivalente da antena por linha de transmissão, tem-se que a condutância de uma fenda pode ser dada por:
G1 = I1 120π2, (3.5) onde I1 = π 0 ⎡ ⎢ ⎢ ⎣ sen k0W 2 cosθ cosθ ⎤ ⎥ ⎥ ⎦ 2 sen3θdθ = −2 + cos(X) + XSi(X) + sen(X) X (3.6)
onde Si(X) éa função seno integral de X de nida por:
X
0
sen(t)
t dt.
X = k0W (3.7)
A resistência de entrada de ressonância, levando-se em conta os efeitos mútuos entre as fendas, édada por:
Rin = 1
2(G1± G12)
, (3.8)
onde o termo G12 representa a condutância mútua entre as fendas. Seu valor
pode ser calculado por:
G12= 1 120π2 π 0 ⎡ ⎢ ⎢ ⎣ sen k0W 2 cosθ cosθ ⎤ ⎥ ⎥ ⎦ 2 J0(k0Lsenθ)sen3θdθ (3.9)
onde o termo J0 éa função de Bessel de primeira espécie e ordem zero. A
resistência obtida em (3.8) representa o valor da resistência na borda do patch, para obter a largura da linha de micro ta W0 correta necessita-se utilizar a equação para
Zc = ⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩ 120 √ε ref W0 h + 1, 393 + 0, 667ln W0 h + 1, 444 ,W0 h >1 60 √ε refln 8h W0 +W04h ,W0h ≤ 1 (3.10)
A distância y0 que necessita-se penetrar no patch para obter o casamento com o
valor desejado é nalmente obtido por:
Rin(y = y0) = 1 2(G1± G12)cos 2π Ly0 = Rin(y = 0)cos2 π Ly0 (3.11)
g é obtida de acordo com o método proposto por (MATIN; SAYEED, 2010) onde: g = v0
2 × ef f
4, 65 × 10−12 f
3.2 Simulação das Antenas
Ainda na fase de projeto das antenas, visando reduzir o tempo de modelagem das estruturas PBG e automatizar o cálculo, o desenho do modelo e os arquivos utilizados na fabricação das antenas, foram desenvolvidos alguns aplicativos utilizando linguagem C. O aplicativo principal necessita de um arquivo de texto chamado "DADOS-ANTENA.txt" que contém todas as características que a antena modelada deverá ter. Após o processamento serão gerados três arquivos de saída: o "GERADOR-MODELO.vbs", "MODELO-PLOTER.brd" e "MODELO-PLOTER.drl", como mostra a Figura 3.2.
3.2.1 Arquivo "DADOS-ANTENA.txt"
Este arquivo contém todas as informações que serão necessárias na construção do modelo de simulação utilizado pelo software comercial. Os parâmetros utilizados são: 1-frequência de ressonância, 2-permissividade do substrato, 3-espessura do substrato, 4-tangente de perdas no substrato, 5-impedância de entrada da antena, 6-simetria de distribuição de furos (retangular, quase periódica, xexagonal), 7-raio dos furos, 8-distância entre os centros dos furos, 9-raio interno da simetria, 10-raio externo da simetria, 11-percentual de plano de terra na antena, 12-localização dos furos (Substrato, Plano de terra), 13-percentual da profundidade do furo e
3.2.3 Arquivos "MODELO-PLOTER.brd"e
"MODELO-PLOTER.drl"
Este arquivo também é gerado pela aplicação desenvolvida e é escrito em XML, nele estão comandos e informações de dimensão e posição dos furos, que serão utilizados na fase de prototipagem para usinagem do patch e do substrato da antena. O arquivo "MODELO-PLOTER.drl" traz as informações dos tipos de ferramentas utilizadas na usinagem dos furos. Os exemplos dos arquivos "MODELO-PLOTER.brd" e "MODELO-PLOTER.drl" podem ser visto nas Figuras 3.6 e 3.7, repectivamente.
3.3 Fabricação das Antenas
As antenas utilizadas neste trabalho foram fabricadas na prototipadora LPKF S42, mostrada na Figura 3.8 a), do Laboratório de Prototipagem do IFRN Campus Mossoró. O processo de fabricação consiste da furação dos substratos FR4 de acordo com cada projeto e a usinagem dos patches e planos de terra em uma folha de cobre como pode ser visto na gura 3.8 b) e c). Após a usinagem, a antena é montada pela colagem do patch e plano de terra ao substrato.
3.4 Medição das Antenas
As antenas construídas tiveram medições realizadas em dois laboratórios, o Laboratório de Telecomunicações da Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN e no Laboratório do Grupo de Telecomunicações e Magnetismo Aplicado do Instituto Federal da Paraíba - GETEMA/IFPB. Utilizou-se nas medições de perda de retorno e carta de Smith, analisadores de redes vetoriais ZVB da Rohde & Schwarz e o Agilent 8722ES. A Figura 3.9 mostra dois dos setups de medição. No próximo capítulo serão apresentados resultados e análises de antenas construídas nas con gurações de simetria PBG propostas.
Figura 3.9: Medição dos parâmetros da antena nos laboratórios (a) do Lab. Tele. UFRN e (b) do GETEMA/IFPB.
Capítulo 4
Resultados e Análises dos Protótipos
Neste Capítulo serão apresentados os resultados de experimentos que tem como objetivo analisar os fatores que in uenciam as propriedades de radiação de uma antena de micro ta dual band pelo uso de estruturas periódicas baseadas em Photonic Band Gap (PBG).
4.1 Análise de in uência da variação da distância
nos centros dos furos de ar (Pitch, Λ) em uma
simetria hexagonal
4.1.1 Introdução
Na primeira análise realizada,tomou-se como base uma simetria de distribuição de furos de ar periódica,para efeito de aplicação desse modelo de estrutura no substrato das antenas,a distância entre os centros dos furos de ar,também conhecida como pitch (Λ),é igual e os furos distribuídos em forma de anéis hexagonais. Parâmetros da antena,como a perda de retorno,largura de banda e ganho sobre o elemento irradiador foram analisados. A estrutura PBG proposta possui três con gurações com variações na distância entre os centros dos furos de ar Λ no substrato dielétrico.
Os resultados obtidos foram comparados aos de uma antena de referência sem substrato PBG. Foi observado um aumento na largura de banda e redução na perda de retorno para a segunda banda de operação da antena. Foram analisadas três con gurações PBG diferentes,considerando-se a variação da distância entre os centros dos furos de ar do substrato (Λ). Os resultados simulados foram comprovados através de medidas realizadas nos protótipos das antenas construídas.
4.1.2 Projeto da antena de referência e da estrutura PBG
-Distribuição Hexagonal
Originalmente, os materiais com gaps fotônicos, conhecidos como estruturas PBG, foram introduzidos na área óptica integrada, com o objetivo de se obter dispositivos ópticos, através do controle das propriedades ópticas dos materiais. Uma das mais importantes propriedades dos materiais com PBG é o surgimento de modos na região de frequência da lacuna quando um defeito é introduzido devido na estrutura dielétrica periódica (SILVA; DANTAS, 2013). Essa característica é bastante utilizada em óptica no desenvolvimento de estruturas baseadas em Fibras de Cristais Fotônicos (FCF) . Neste capítulo é feita uma análise de uma antena planar de micro ta com substrato PBG periódico com matriz hexagonal.
Como antena de referência utilizada neste trabalho, mostrada na Figura 4.1, uma estrutura patch retangular, foi projetada. A alimentação da antena é feita por uma linha de micro ta com impedância de entrada de 50Ω com uso de Inset-Fed. A frequência de ressonância escolhida no projeto foi de 5,8 GHz, resultando em uma largura (W) de 15,72 mm e comprimento (L) de 11,74 mm, calculados de acordo com (BALANIS, 1997). O substrato dielétrico utilizado foi a bra de vidro (FR4),
com permissividade relativa (r) de 4,4 e tangente de perdas (δ) de 0,02. A espessura
(h) adotada para o substrato foi de 1,58 mm.
Figura 4.1: Antena de referência de patch retangular.
Fonte: (Autor, 2015)
Em geral, uma antena de micro ta é alimentada de forma a se obter uma máxima transferência de potência. Para isso, é necessário casar a impedância de entrada da antena com a impedância característica da linha de alimentação. Uma das técnicas comuns é a de realizar inserções ou cortes no patch para conectar a linha de alimentação a um ponto de impedância relativamente baixa, próximo ao centro do
elemento irradiante. O perfeito casamento entre a impedância de entrada da antena e a impedância característica da linha de alimentação pode ser obtido através da seleção apropriada da profundidade (yo) e da largura (g) da inserção. Para essa
aplicação, o comprimento da fenda (yo) foi calculado de acordo com as equações
descritas no Capítulo 2, resultando em um comprimento de 4,34 mm. A largura da fenda (g) usada foi de 0,86 mm, obtida de acordo com (MATIN; SAYEED, 2010;
BAHL et al., 2001). O comprimento da linha de transmissão utilizado foi de 6,59 mm,
pela utilização da método usual de transformador de quarto de onda mostrado em detalhes em (POZAR, 2012), e a largura da linha de transmissão foi de 3,28 mm. O
material adotado nas simulações para o patch, plano de terra e linha de micro ta foi o PEC (Perfect Electric Conductor ) com espessura de 0,05 mm.
A estrutura PBG analisada nesse experimento consiste de uma malha formada de furos de ar dispostos em uma geometria hexagonal. A simetria hexagonal foi escolhida para permitir uma melhor distribuição dos furos e evitar coincidência entre eles, as fendas do Inset-Fed e as bordas do patch com o objetivo de minimizar os efeitos de borda. Cada furo apresenta diâmetro (d) de 1 mm. Três con gurações de antenas foram simuladas, tomando-se como parâmetro de variação o Λ. A Figura 4.2(a) mostra os parâmetros da geometria hexagonal. Na con guração 1, o Λ usado foi de 3,0 mm, Figura 4.2(b), para con guração 2, o Λ foi de 2,0 mm, Figura 4.2(c) e para con guração 3, o Λ utilizado foi de 1,5 mm, Figura 4.2(d).
4.1.3 Resultados das Simulações - Distribuição Hexagonal
É importante destacar que o tamanho do Λ utilizado nas con gurações do substrato PBG in uencia diretamente na quantidade de furos da malha. Para as con gurações 1, 2 e 3 foram usados 37, 103 e 135 furos respectivamente. Em todas as simulações realizadas a frequência de projeto das antenas foi de 5,8 GHz. Primeiramente foi estudado o efeito da variação da perda de retorno em função da frequência de ressonância para as três con gurações propostas e os resultados foram comparados com os obtidos para a antena de referência.
Pode-se observar a presença de três bandas de operação na antena de referência, onde a primeira está centrada em 5,77 GHz com perda de retorno de -26,73 dB e uma largura de banda de 2,43%. A segunda banda de operação, ocorre na frequência de 8.92 GHz com largura de banda de 5,15% e perda de retorno de -16,24 dB e a terceira banda na frequência de 14,64 GHz, com largura de banda de 1,99% e perda de retorno de -13,23 dB.
Figura 4.3: Valores das perdas de retorno (S1,1) em função da frequência de operação da
antena de referência e das con gurações das estruturas PBG com alteração de Λ.
Fonte: (Autor, 2015)
Para a estrutura PBG com Λ = 3,0 mm ocorreu um deslocamento positivo na frequência das três bandas de operação, com um aumento da perda de retorno da primeira banda, quando comparada com a antena de referência, em torno de 25,1%, entretanto, na segunda banda ocorreu uma redução na perda de retorno em torno de 38,9%.
Para a estrutura PBG com Λ = 2,0 mm, observa-se apenas duas bandas de operação, ambas com deslocamento positivo na frequência. A primeira com perda de retorno de -15,69 dB e largura de banda de 2,1%, centrada em 6,24 GHz. A segunda com perda de retorno reduzida para -22,81 dB e largura de banda aumentada 18,27%, quando comparadas com a antena de referência. Para última con guração PBG proposta, o Λ utilizado foi de 1,5 mm e observa-se para a primeira banda de operação, uma redução considerável na largura de banda, cando em torno de 1%, quando comparada com a antena de referência. A antena praticamente deixa de operar nesta banda. Considerando ainda a con guração com Λ = 1,5 mm, observa-se um aumento na largura de banda de 5,15% para 19,95%, em relação à antena de referência, com perda de retorno de -20,4 dB. A Tabela 4.1 mostra um resumo dos resultados apresentados na Figura 4.3.
S1,1
Λ Λ Λ
Λ
Λ Λ Λ Λ Λ Λ Λ
Λ
Λ
4.1.4 Resultados Experimentais - Distribuição Hexagonal
Para comprovar os resultados simulados foram construídos protótipos das antenas de micro ta, considerando todas as con gurações propostas, como mostra a Figura 4.13. Da esquerda para direita, tem-se o protótipo para antena de referência, antena com o Λ = 3,0 mm, antena com Λ = 2,0 mm e antena com o Λ = 1,5 mm respectivamente.
Figura 4.13: Antenas construídas - Distribuição Hexagonal
Fonte: (Autor, 2015)
A Figura 4.14 mostra o comparativo entre os valores simulados e medidos considerando antena de micro ta com a con guração do Λ = 3,0 mm.
Observa-se a concordância entre as curvas, com uma pequena variação dos resultados para segunda banda de operação. As cartas de Smith para as Figuras 4.15, 4.17 e 4.19 possuem frequência inicial de 3 GHz e nal de 14 GHz. A Figura 4.15 mostra a impedância de entrada da antena com Λ = 3,0 mm.
A Figura 4.16 mostra o comparativo entre os valores simulados e medidos para a con guração de Λ = 2,0 mm. Observa-se também uma boa concordância entre os resultados com um pequeno deslocamento na segunda banda e uma perda de retorno menor considerando o valor medido. A Figura 4.17 mostra a impedância de entrada da antena com Λ = 2,0 mm.
A Figura 4.18 mostra o comparativo entre o valor medido e o valor simulado, considerando a con guração com Λ = 1,5 mm. Observa-se uma excelente concordância com uma redução na perda de retorno para o valor simulado. A Figura
Λ
Λ
Λ
Λ
4.1.5 Conclusões - Distribuição Hexagonal
Neste experimento, foi realizado um estudo dos efeitos do uso de substrato PBG em uma antena de micro ta, com a variação na distância entre os centros dos furos de ar da estrutura periódica com simetria hexagonal. As análises mostram que, apesar de um pequeno deslocamento na frequência de projeto, houve uma considerável melhoria na largura de banda e na perda de retorno para as con gurações propostas quando comparadas com o modelo da antena de referência. Essa melhoria ocorre para a segunda banda de ressonância da antena. Os resultados foram comprovados experimentalmente através da construção e parametrização das antenas simuladas. Os resultados para o ganho da antena apresentam uma pequena redução no lóbulo principal causado pelo aumento na concentração de furos no material do substrato e o aumento do lóbulo posterior melhorando sua diretividade. Os resultados obtidos apontam para a necessidade de mudança na frequência de projeto para um melhor aproveitamento da segunda banda de operação na frequência desejada.
4.2 Análise do Uso de Diferentes Simetrias PBG
no Projeto de Antenas de Micro ta
Neste experimento o comportamento de antenas com patch retangular alimentadas por linha de micro ta usando a técnica de Inset-Fed com uso de diferentes simetrias para malha PBG são analisadas. As dimensões das antenas são obtidas pelo projeto para uma frequência de ressonância de 5,8 GHz. Como a malha PBG desloca a frequência de projeto para frequências maiores, as análises serão realizadas na banda de operação que ca em torno de 10,5 GHz. Foram analisadas três con gurações PBG diferentes, considerando xa da distância entre os centros dos furos de ar do substrato (Λ) de 1,5 mm. Os resultados simulados foram comprovados através de medidas realizadas nos protótipos das antenas construídas.
4.2.1 Projeto das Estruturas - Simetrias PBG
O modelo de antena utilizada neste experimento, mostrada na Figura 4.1 utiliza os mesmos parâmetros do experimento anterior, (patch retangular, alimentada por uma linha de micro ta com impedância de entrada de 50 Ω com uso de Inset-Fed). A frequência de ressonância escolhida no projeto foi de 5,8 GHz, resultando em uma largura (W) de 15,72 mm e comprimento (L) de 11,74 mm, calculados de acordo com
(BALANIS, 1997). O substrato dielétrico utilizado foi à bra de vidro (FR4), com
permissividade relativa (εr) de 2,2 e tangente de perdas (δ) de 0,005. A espessura (h) adotada para o substrato foi de 1,58 mm.
O comprimento da fenda (yo) foi calculado de acordo com (BALANIS, 1997),
resultando em um comprimento de 4,34 mm. A largura da fenda (g) usada foi de 0,86 mm, obtida de acordo com (MATIN; SAYEED, 2010; BAHL et al., 2001). O
comprimento da linha de transmissão utilizado foi de 6,59 mm (1/4 do comprimento de onda), e a largura da linha de transmissão foi de 3,28 mm. O material adotado nas simulações para o patch, plano de terra e linha de micro ta foi o PEC (Perfect Electric Conductor ) com espessura de 0,05 mm.
As estruturas PBG analisadas nesse trabalho consistem de uma malha formada de furos de ar dispostos em três simetrias diferentes. As duas primeiras possuem repetição periódica sendo a primeira retangular e a segunda hexagonal e na terceira con guração foi aplicada uma estrutura quase periódica com repetição doze vezes adaptada de (CAMARA; SILVA, 2014). Em adição, a matriz quase periódica utilizada para essa análise, baseia-se em estruturas formadas por quase cristais utilizados em compostos para aplicação em óptica integrada. Nesse caso, os quase cristais representam um conjunto de estruturas que vem sendo bastante estudadas nos últimos anos, sobretudo devido a sua aplicação no desenvolvimento de bras ópticas baseadas em quase cristais fotônicos. Esses tipos de estruturas caracterizam-se por não conterem simetria de translação, normalmente presente nas redes cristalinas tradicionais. Quase cristais são caracterizados por um alinhamento muito incomum dos elementos que formam as estruturas aperiódicas, ou seja, possuem pelo menos dois padrões simétricos diferentes, que formam uma estrutura sem lacunas, mas que não se repetem regularmente. Para essa análise, o comportamento dos parâmetros de uma antena de micro ta com substrato PBG baseado em uma estrutura quase periódica, baseada em matrizes quase periódicas observadas em cristais fotônicos é analisado. Aqui, cada furo apresenta diâmetro (d) de 1,0 mm e em todas as simulações manteve-se xo o valor Λ =1,5 mm. A Figura 4.20 (a) mostra a antena com simetria retangular, Figura 4.20 (b) mostra a antena com simetria hexagonal, e a Figura 4.20(c) a antena com simetria quase periódica.
4.2.2 Resultados das Simulações - Simetrias PBG
A frequência de projeto das antenas foi de 5,8 GHz e as análises foram feitas em cima da frequência de operação, em torno de 10,6 GHz. Primeiramente foi estudado
o efeito da variação da perda de retorno em função da frequência de ressonância para as três con gurações propostas e os resultados foram comparados com os obtidos para a antena de referência como mostra a Figura 4.21.
Figura 4.21: Valores das perdas de retorno (S1,1) em função da frequência de operação da
antena de referência e das con gurações das estruturas PBG com alteração de simetria.
Fonte: (Autor, 2015)
Observa-se o deslocamento da frequência de projeto em torno de 4,8 GHz em decorrência do uso das estruturas PBG no substrato. O valor desse deslocamento depende de fatores como a profundidade dos furos (ANDRADE et al., 2014), de
seus diâmetros e da distância Λ entre eles. Nesta análise o valor do Λ utilizado nos substratos PBG foi mantido xo em 1,5 mm e em todas as con gurações a profundidade dos furos foi igual a espessura do substrato e o diâmetro dos furos foi mantido em 1,0 mm. Percebe-se ainda que a distribuição dos furos nas três diferentes simetrias não altera as frequências de operação das antenas nem promove variação nas respectivas larguras de banda. Analisando o parâmetro S1,1, observa-se uma
in uência direta das simetrias em seus valores. A distribuição hexagonal foi a que apresentou maior valor de S1,1, -20,88 dB. A simetria quase-periódica apresentou
valor intermediário de -25,83 dB e a simetria retangular obteve o valor mais baixo, de -37,61 dB. A Tabela 4.2 mostra um resumo dos resultados apresentados na Figura 4.20.
S1,1
S1,1
comparar os dados obtidos na simulação com os valores medidos. As análises foram realizadas pelo comparativo dos resultados de perda de retorno (S1,1) em função da
frequência de ressonância e distribuição do campo elétrico no substrato. Percebe-se a in uência da simetria PBG na distribuição de campo elétrico no substrato, alterando os valores de S1,1. Foram mantidos xos os parâmetros como: diâmetro dos furos e
distância entre eles. Percebeu-se que as diferentes simetrias utilizadas não deslocam a frequência de ressonância. Os resultados foram comprovados experimentalmente através da construção e parametrização das antenas simuladas. Os resultados para o ganho praticamente não sofreram alteração pelo uso das diferentes simetrias e, por isso, não foram evidenciados no texto. Os resultados obtidos apontam para a necessidade de mudança na frequência de projeto visando um melhor aproveitamento da segunda banda de operação na frequência desejada.
Capítulo 5
Aplicação experimental VANT
Este capítulo trata da aplicação de um dos modelos de antenas de micro ta projetado neste trabalho, em um sistema de transmissão de vídeo para um VANT e faz uma análise comparativa do desempenho do modelo proposto em relação às antenas convencionais usadas neste tipo de dispositivo.
5.1 De nição
Como foi observado no capítulo 3, nas Figuras 4.3 e 4.21, a presença dos furos de ar da estrutura PBG no substrato, altera a permissividade efetiva do mesmo, fazendo com que a perda de retorno na frequência de ressonância de projeto aumente consequentemente deslocando a frequência de projeto para valores maiores. Outro efeito que é aproveitado neste estudo é a signi cativa redução da perda de retorno na segunda banda de operação da antena, bem como o aumento na sua largura de banda, como pode ser observado na Figura 5.1.
Pode-se observar que a segunda banda de operação também sofre deslocamento. O valor desse deslocamento é in uenciado por fatores como a profundidade do furo no substrato e a distância entre eles, o pitch (Λ), esses dois parâmetros interferem diretamente no valor da razão de preenchimento visto no Capítulo 2.
O desa o no processo de síntese das antenas é que variações lineares nas frequências de projeto, ou nas con gurações PBG, produzem deslocamentos não lineares para as banda de operação da antena. A não linearidade no deslocamento da segunda banda ressonante torna a busca para a frequência de projeto, uma tarefa árdua, quando isso for feito através de tentativas. Neste trabalho, a segunda banda ressonante da antena é utilizada como frequência de operação. Para obtê-la, fez-se uso de sucessivas tentativas, alterando a con guração PBG e frequência de projeto para se ter ressonância da antena na frequência desejada.
Figura 5.1: Efeitos no uso de substrato PBG.
Fonte: (Autor, 2015)
5.2 Características da plataforma desenvolvida
As últimas décadas trouxeram um crescente aumento no desenvolvimento de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs), primeiro para uso em operações militares e mais recentemente, com a popularização desses dispositivos, observa-se uma crescente demanda para uso em novas tecnologias de desenvolvimento para aplicações civis. Nessas aplicações a dependência de enlaces de rádio frequência para controle do equipamento ou para troca de informações com a estação em terra é uma variável bastante importante que deve ser considerada na busca por soluções nessa área. A Figura 5.2 ilustra o modelo de plataforma utilizado nos testes.
As antenas de micro ta, inicialmente utilizadas em aplicações aeronáuticas e aeroespaciais por suas características como aerodinâmica, tamanho e peso reduzido, além da facilidade de instalação, tornam-se uma interessante opção para utilização em VANTs. Neste aspecto, este trabalho também é pioneiro, já que em uma de suas etapas, a proposta é aplicar uma antena de micro ta com substrato PBG na transmissão de imagens, para testes de campo com a antena PBG proposta. Foi desenvolvida uma plataforma formada por uma estação terrestre e um VANT. A característica de radiação direcional e fatores como estreita largura de banda podem
impedância de entrada de 50Ω. A frequência de projeto de 3.0 GHz resulta em uma largura (W) de 30.40 mm e comprimento (L) de 23.41 mm, calculados de acordo com (BALANIS, 1997). O substrato dielétrico utilizado foi a bra de vidro (FR4),
com permissividade relativa (r) de 4.4 e tangente de perdas (δ) de 0.02. A espessura
(h) adotada para o substrato foi de 1.58 mm.
O comprimento da fenda (yo) foi calculado de acordo com as equações descritas
no Capítulo 2, resultando em um comprimento de 8,68 mm. A largura da fenda (g) usada foi de 1,63 mm, obtida de acordo com (MATIN; SAYEED, 2010; BAHL et al., 2001). O comprimento da linha de transmissão utilizado foi de 12,44 mm (1/4 do comprimento de onda), e a largura da linha de transmissão foi de 8,73 mm. Cada furo apresenta diâmetro (d) de 1 mm e a distância Λ utilizada foi de 1,5 mm, a Figura 5.3 mostra os parâmetros de construção.
Figura 5.3: Parâmetros da simetria hexagonal.
Fonte: (Autor, 2015)
5.2.2 Resultados das Simulações - Aplicação VANT
Na etapa de simulação realizou-se uma comparação da antena proposta com uma antena sem utilização de malha PBG e com frequência de projeto de 5,8 GHz. A Figura 5.4mostra o resultado desta comparação.
Observa-se um aumento na largura de banda para a faixa de operação de 60 % e uma redução no valor na perda de retorno de 11,65 dB. Em valores absolutos, tem-se uma redução na perda de retorno de -25,79 dB para -37,44 e aumento na largura de banda de 0,15 MHz para 0,24MHz, centrada em 5,84GHz. Um importante
Figura 5.4: Valores das perdas de retorno (S1,1) em função da frequência de operação de
uma antena sem PBG e da antena com PBG.
de vídeo e o resultado foi comparado a antena proposta. A Figura 5.10 mostra este comparativo. É possível observar nesta gura também a faixa de operação do transmissor utilizado no segundo teste que veri cou a qualidade na recepção de vídeo.
Figura 5.10: Comparação entre os valores medidos das perdas de retorno em função da frequência de operação da antena dipolo comercial e da antena PBG proposta e detalhe da faixa de operação do transmissor.
Fonte: (Autor, 2015)
O segundo teste realizado consistiu-se na veri cação da qualidade de imagem recebida pela estação de terra. Para esse experimento fez-se uso de um receptor por diversidade (Receiver Diversity) trabalhando no modo SC (Selection Combining). A diversidade é uma técnica de combinação de sinais de percursos diferentes na nalidade de reduzir a probabilidade de desvanecimento profundo simultâneo. SC é uma abordagem onde a saída do combinador é igual ao ramo de maior relação sinal ruído SNR (Signal to Noise Ratio) (AVENDI; NGUYEN, 2013), como mostra a Figura
5.11. Na Figura 5.12 pode-se ver o setup utilizado na recepção por diversidade. O receptor por diversidade possui LEDs para indicação do receptor ativo. Em operação normal com duas antenas semelhantes, o receptor tende a alternar entre as antenas. Durante o experimento aguardou-se até que o receptor parasse de alternar
00 11 00 11 00 00 11 11 0 1 0 0 1 1 0 1 00 00 11 11 00 11 00 11 00 11 TX SC Saida Propagacao Canal de ~ h h h 1 2 n
Figura 5.11: Recepção por diversidade no modo Selection Combining.
Fonte: (Adaptado de (AVENDI; NGUYEN, 2013))
Figura 5.12: Setup de recepção por diversidade.
