Novo Modelo de Antena Impressa com Banda
Ultralarga
R. A. dos Santos
Lab. WOCA – Wireless and Optical Convergent Access Instituto Nacional de Telecomunicações
Santa Rita do Sapucaí, Brasil renans@gee.inatel.br
I. F. da Costa
Lab. WOCA – Wireless and Optical Convergent Access Instituto Nacional de Telecomunicações
Santa Rita do Sapucaí, Brasil igorfelicianocosta@gmail.com
Arismar Cerqueira S. Jr.
Lab. WOCA – Wireless and Optical Convergent Access Instituto Nacional de Telecomunicações
Santa Rita do Sapucaí, Brasil arismar@inatel.br
Abstract—Este artigo apresenta o desenvolvimento de uma antena impressa com banda ultralarga. A antena proposta possui plano de terra truncado e uma estrutura de casamento de impedâncias, os quais implicam em um aumento significativo na sua banda de operação. Resultados simulados e experimentais da resposta em frequência e do diagrama de irradiação são apresentados, com a finalidade de demonstrar a eficiência e a aplicabilidade da estrutura proposta. O protótipo construído apresentou duas bandas de operação: de 2,0 a 16,3GHz (156% com frequência central em 9,15GHz) e de 17,9 a 27,7GHz (43% com frequência central em 22,8GHz).
Keywords— Antena Impressa; Plano de Terra Truncado; Radio Cognitivo; UWB.
I. INTRODUÇÃO
O espectro eletromagnético é composto por uma faixa infinita de frequências, porém por limitações de equipamentos e por fatores como atenuação, apenas uma parcela é utilizada pelos sistemas de comunicações sem fio. Dada à grande quantidade de tecnologias e padrões de comunicações sem fio para diversas aplicações, o espectro encontra-se atualmente congestionado, principalmente para frequências até 6,0GHz. Em 1999, Joseph Mitola propôs o conceito de rádio cognitivo [1]. Esta tecnologia propõe o uso de um rádio inteligente capaz de detectar automaticamente os canais disponíveis no espectro de frequência e alterar os parâmetros de transmissão, permitindo executar um volume maior de troca de dados simultaneamente.
A tecnologia de comunicação sem fio de curto alcance UWB (Ultra-Wideband) visa à transmissão de dados na faixa de 3,1 a 10,6GHz. Devido ao espalhamento do sinal ao longo desta ampla faixa de frequência, reduz-se a densidade espectral de potência, com a finalidade de minimizar a interferência com outros sistemas [2]. Idealmente, as antenas aplicáveis a esta tecnologia devem ser compactas, planas e de baixo custo [3]. O congestionamento do espectro
eletromagnético e os avanços das tecnologias sem fio, incluindo rádio cognitivo e UWB, demandam o desenvolvimento de antenas com bandas ultra largas.
Este trabalho propõe um novo modelo de antena impressa aplicável às tecnologias radio cognitivo e UWB. A antena concebida, ilustrada na Fig.1, apresenta pequenas dimensões, 6x6cm², e tem comportamento banda larga, conforme será apresentado nas próximas seções.
a) Vista frontal b) Vista posterior
Fig. 1 – Modelo proposto da antena impressa com banda ultra larga.
II. ANTENAS IMPRESSAS
As antenas impressas, também conhecidas como antenas de microfita, foram idealizadas por G. Deschamps em 1953 [4]. A primeira documentação patenteada que se tem noticia a respeito deste tipo de antena data-se de 1955, na França, e está em nome de H. Gutton e G. Baissiot [5]. O desenvolvimento feito por estes pesquisadores dos anos de 1950 foram apenas teóricos, as primeiras antenas impressas foram fabricadas por Robert E. Muson e John Q. Howell quase vinte anos depois, em 1970, em meio a Guerra Fria [6].
O modelo mais simples de antena impressa apresenta elemento irradiador retangular, assim como mostrado na Fig. 2. Existem dois parâmetros básicos de projeto deste tipo de
antena: o comprimento
L e a largura
W do elemento irradiador. Na maioria dos casos práticos, as antenas impressas retangulares são projetadas para operar no modo fundamental (TM ), por este motivo a largura W possuí pouca influência 01 na frequência de ressonância. Por outro lado, este está diretamente ligado à impedância de entrada da antena [8].O comprimento L está diretamente relacionado à frequência de operação da antena. Se as dimensões do elemento ressonador e do plano de terra fossem muito maiores do que as suas respectivas espessuras, o comprimento L seria exatamente igual a metade do comprimento de onda guiado. Porém, como nem sempre está condição é satisfeita, o acumulo de cargas que ocorre na extremidade dos condutores implica em uma mudança na distribuição de campo. Desta maneira, apenas uma pequena parte da energia eletromagnética é irradiada para o espaço livre, ficando assim a maior parte retida no substrato. Por isso, é necessário aplicar o fator L para corrigir o comprimento da antena [17].
Fig. 2 – Antena impressa retangular.
Esta classe de antenas apresenta diversas vantagens, tais como facilidade e baixo custo de fabricação, produção em larga escala e fácil adaptação em estruturas aerodinâmicas como aeronaves, satélites e mísseis [7][8]. A sua principal desvantagem é o elevado fator de mérito
Q , por isso, tipicamente, apresentam faixa estreita de operação, de 1% a 13% da frequência de ressonância( )
fo dependendo do modo pelo qual antena é alimentada [9].Diversos autores têm proposto o uso de antenas impressas com múltiplas camadas para aumentar a largura de faixa. A adição de elementos parasitas possibilita o aumento do percentual de banda para 20% [10], 42,65% [11] ou até 48,8% [12]. Todavia as multicamadas aumentam consideravelmente as dimensões da antena, o que pode comprometer o uso em determinadas aplicações. Estudos recentes apresentam outras estratégias que combinam a alteração de dois fatores da estrutura da antena [13-15]: o tamanho do plano de terra e o formato da junção que conecta a linha de alimentação ao elemento ressonador. Por meio desta estratégia, consegue-se aumentar significativamente a largura de faixa para até 135% [15]. O aumento na largura de faixa da antena de microlinha,
meio da diminuição da constante dielétrica (εef), através do truncamento do plano de terra, e de uma suave mudança de impedância entre a linha de transmissão e a antena, através da junção [16].
III. ANTENA IMPRESSA DE BANDA ULTRALARGA Inicialmente, projetou-se uma antena impressa tomando como base as regras de projeto de uma antena de microlinha confessional, considerando uma linha de alimentação impressa de 50 para a frequência de operação
o
f de 2,4GHz e o substrato Arlon DiClad 880 com constante dielétrica εr=2,2, espessura de 1,524mm e tangente de perdas de 9x10-4. A antena foi modelada e numericamente avaliada utilizando o software HFSS® (High Frequency Structural Simulator) [17] da empresa Ansys, representada no Brasil pela empresa ESSS. As dimensões da antena, do plano de terra e da estrutura de casamento com formato “abaulado” foram otimizadas por meio de varreduras no software HFSS. Os valores apresentados na Fig. 3 e na Tabela 1 resultaram em um melhor casamento de impedância para uma ampla faixa de frequência. De posse desses valores, a antena passou a ter múltiplas ressonâncias séries, onde a parte reativa da impedância assume o valor zero, ao longo da sua faixa de operação, conforme ilustrado nas Fig. 4, a qual apresenta os valores simulados das suas partes real e imaginária da impedância de entrada. Dentro da faixa de 1,8 a 23GHz, a sua parte real varia de 33 a 88Ω e a parte imaginaria varia de -26 a 22Ω, o que possibilita a perda por retorno abaixo de -10dB, perfazendo uma banda de operação de 171%. T S W L b a e d h (a) (b) (c) f
Fig. 3 – Antena impressa com banda ultralarga proposta: (a) Vista frontal (b) Vista lateral (c) Vista posterior.
Tabela 1. Dimensões da antena impressa proposta [mm].
a b d e f
10 4,25 5 2 0,76
h L W T S
Fig. 4 – Simulação da Impedância de entrada.
A radiação de uma antena projetada é similar a uma antena com duas fendas irradiantes separadas de g/2 da frequência de projeto [16]. Para as frequências próximas a 2,4GHz, a antena irradia por duas fendas fisicamente separadas por
2 / g
, sendo uma na entrada do elemento ressonador e outra na extremidade oposta. Nessa faixa de frequências, o comprimento de onda guiado é consideravelmente maior do que o plano de terra, portanto, a radiação gerada nas duas fendas não sofre interferência do plano de terra e, assim, tem-se a formação de um diagrama de irradiação onidirecional conforme mostrado na Fig. 5, onde L1=λg/2 na frequência de 2,4GHz.
Com o aumento da frequência e consequentemente com a diminuição do comprimento onda guiado, a antena comporta-se como comporta-se irradiascomporta-se por um número cada vez maior de fendas. Desta forma, o diagrama irradiado é a soma dos campos de cada fenda. Com o aumento da frequência, o plano de terra torna-se maior no ponto de vista do comprimento de onda e, assim, passa a interferir no diagrama irradiado concentrando a radiação para a parte superior da antena.
A Fig. 6 ilustra o comportamento da irradiação da antena na frequência de 4,8GHz, frequência duas vezes maior do que a frequência na qual a antena foi projetada. Analisando a distribuição de campo elétrico na antena nesta frequência, nota-se que antena possui quatro fendas irradiantes e a interferência do plano de terra é suficiente para concentrar a irradiação fortemente para a parte superior da antena.
o a 6355 3000 1400 660 300 150 70 30 15 7 1 E [V/m] (a) (b)
Fig. 5 - Comportamento da irradiação da antena com banda ultralarga proposta em 2,4GHz: (a) Distribuição de campo (b) Irradiação da antena.
o a 6355 3000 1400 660 300 150 70 30 15 7 1 E [V/m] (a) (b)
Fig. 6 - Comportamento da irradiação da antena com banda ultralarga proposta em 4,8GHz: (a) Distribuição de campo (b )Irradiação da antena.
IV. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Um protótipo da antena foi construído e as fotos das suas vistas frontal e posterior são apresentadas na Fig. 7. A caracterização da antena foi iniciada utilizando um analisador de redes vetorial, MS4640B da empresa Anritsu, capaz de operar de 70kHz a 70GHz. A Fig. 8 apresenta uma comparação dos resultados simulado e medido da perda de retorno (S11). As duas curvas têm um formato muito
semelhante e apresentam uma excelente concordância até 13GHz. Para a antena fabricada, a faixa de 16,3 a 17,9GHz apresentou perda de retorno entre -10 e -8dB, com isso a banda única de operação de 171% presente na simulação, dividiu-se em duas bandas: um de 2,0 a 16,3GHz (156% com frequência central em 9,15GHz) e outra de 17,9 a 27,7GHz (43% com frequência central em 22,8GHz). Supõe-se que esta diferença deve-se ao processo de fabricação, no qual a fresadora diminuiu, não propositadamente, a espessura do substrato em algumas partes da antena fabricada, e pelo uso de conectores SMA (SubMiniature version A – Subminiatura versão A), que operam como um filtro passa baixas com frequência de corte em 18GHz, nas medidas da antena. De qualquer maneira, a primeira banda da antena proposta já representa uma melhora significativa quando comparada a antena de microlinha convencional.
(a) (b)
Fig. 7 - Protótipo da antena com banda ultralarga proposta: (a) Vista frontal (b) Vista posterior.
Simulado Medido
2GHz 16,3GHz 17,9GHz 23GHz
27,7GHz
Fig. 8 - Perda de retorno simulada e medida da antena com banda ultralarga proposta.
O próximo passo foi a caraterização do diagrama de radiação, em campo aberto. Para tal, foram utilizados, os seguintes equipamentos: um gerador de sinais de RF, antenas de referência e um analisador de espectro. Os diagramas foram medidos nos planos perpendicular (Azimute) e paralelo (Elevação) ao eixo da antena nas frequências de 3, 4 e 5,8GHz. As Fig. 9 e 10 apresentam um comparativo dos diagramas medidos com os simulados, os quais resultados medidos estão em excelente concordância. Os valores de ganho medidos foram 3,5, 4 e 5,5dBi para as frequências de 3,0, 4 e 5,8GHz, respectivamente. -10 -8 -6 -4 -2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320330 340350 (a) 3GHz -20 -15 -10 -5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320330 340350 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320330 340350 (c) 5,8GHz Simulado Medido
Fig. 9 - Diagramas de irradiação em elevação.
-25 -20 -15 -10 -5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320330 340350 (a) 3GHz -30 -24 -18 -12 -6 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320330 340350
-25 -20 -15 -10 -5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320330 340350 (c) 5,8GHz Simulado Medido
Fig. 10 - Diagramas de irradiação em azimute.
V. CONCLUSÕES
Este artigo apresentou um modelo de antena impressa com banda ultralarga simples, compacta e de baixo custo de fabricação. Simulações numéricas e medições em laboratório e em campo demonstraram a eficiência da estrutura proposta. Foram obtidas experimentalmente duas bandas de operação na faixa de 2,0 a 28GHz e ganhos de até 5,5 dBi. A primeira banda da antena, 156% ao longo da faixa de 2,0 a 16,3GHz, representa uma melhora significativa quando comparada à antena com banda medida mais larga encontrada na literatura [15]. A estrutura proposta pode ser eficientemente aplicada para o desenvolvimento de antenas para as tecnologias radio cognitivo e UWB.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o suporte financeiro do CNPq, MCTI, FAPEMIG, CAPES, Huber-Suhner e Bradar e o apoio técnico da empresa ESSS-ANSYS.
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