UNIVERSIDADE TÉCNICA DE LISBOA
Instituto Superior Técnico
ANTENAS RECONFIGURÁVEIS
PARA MULTI-SERVIÇOS
Ana Matilde Castela, 49281, AE de Telecomunicações Carla Medeiros, nº 49301, AE de Telecomunicações
LICENCIATURA EM ENGENHARIA ELECTROTÉCNICA E DE COMPUTADORES
Relatório de Trabalho Final de Curso
193/2006/L
Prof. Orientador: Carlos António Cardoso Fernandes (IST) Prof. Acompanhante: Jorge Rodrigues da Costa (ISCTE)
Aos nossos orientadores, Prof. Carlos Fernandes e Prof. Jorge Costa por todo interesse, apoio e disponibilidade na realização das várias etapas do projecto. Ao Sr. Carlos Brito e Sr. Vasco Fred pelo fabrico das antenas e ao Sr. António Almeida pela ajuda na medição das antenas. Ao Prof. João Vaz pela disponibilidade no esclarecimento de dúvidas no âmbito da electrónica.
Às nossas famílias, amigos e colegas de curso por todo o apoio ao longo deste trabalho e durante todo o curso.
Este trabalho final de curso foi desenvolvido no âmbito do projecto R-Meta [1], Antenas Reconfiguráveis de baixo perfil utilizando Metamateriais, financiado pela Fundação de Ciência e Tecnologia, FCT, e o Instituto das Telecomunicações, IT. Este TFC tem como objectivo desenvolver competências na área da integração de dispositivos activos em antenas impressas e obter protótipos funcionais electronicamente reconfiguráveis para utilização em multi-serviços.
Numa primeira fase abordou-se uma antena passiva multifrequência, de modo a permitir a validação da ferramenta de simulação e apreensão de conhecimentos fundamentais sobre antenas impressas: projectou-se uma antena em forma de E para as bandas do UMTS e
Bluetooth. Na fase seguinte do trabalho, foram estudadas duas configurações distintas de
antenas reconfiguráveis de banda-dupla: uma antena com fendas comutáveis; e uma antena quadrangular com um elemento parasita, com funcionamento nas bandas referidas. Inicialmente, estas antenas foram projectadas com interruptores ideais, sendo de seguida redesenhadas para funcionar com díodos PIN como interruptores. Nesta última abordagem é possível numa mesma antena comutar electronicamente a frequência de funcionamento.
As antenas foram fabricadas e os resultados experimentais foram comparados com os simulados apresentado boa concordância.
Palavras-chave
Antenas reconfiguráveis; antenas multifrequência; antenas banda-dupla; antenas
This final year project is developed at Instituto de Telecomunicações, IT, in the framework of R-Meta project, Reconfigurable Low-profile Antennas Using Metamaterials [1], funded by Fundação de Ciência e Tecnologia, FCT. The goal of this thesis is to develop expertise in the integration of active components with printed antennas to obtain functional prototypes of electronically reconfigurable patch antennas for multi-services
In a first stage, a multifrequency passive antenna was studied, to validate the simulation tool and to apprehend fundamental knowledge concerning patch antennas: an E-shaped antenna for the UMTS and Bluetooth bands was designed. In the subsequent stage of the project, two distinct configurations of reconfigurable antennas with dual-band behavior, working at the cited bands, were studied: one patch antenna with switched slots; and a rectangular patch with a parasitic element. Initially, the antennas where designed with ideal switches, and after the antennas were redesigned for operating with PIN diodes as switches. In this final approach it is possible to electronically switch the operating frequency in the same antenna.
This antennas where fabricated and the measured results shown good agreement with simulations.
Keywords
Reconfigurable Antennas; Multifrequency antennas; dual-band antennas; microstrip antennas; switches; PIN diodes; slots; parasitic element.
Agradecimentos... i
Resumo...iii
Abstract ... iv
Índice... v
Lista de Figuras ...vii
Lista de Tabelas... xi
Lista de Siglas ...xiii
Lista de Programas ... xv
1. Introdução... 1
1.1. Contexto e descrição do trabalho ... 1
1.2. Estado da arte ... 3
1.3. Estrutura do relatório... 5
2. Antena passiva multifrequência em forma de E... 7
2.1. Objectivos... 7
2.2. Descrição da antena... 7
2.3. Simulação da antena... 8
2.3.1. Coeficiente de reflexão de entrada (S11) ... 8
2.3.2. Intensidade das correntes ... 9
2.3.3. Diagramas de radiação ... 10
2.4. Optimização da antena ... 12
2.5. Resultados Experimentais ... 14
2.5.1. Coeficiente de reflexão de entrada ... 14
2.5.2. Diagrama de radiação... 15
2.6. Conclusões ... 15
3. Antenas reconfiguráveis com interruptores ideais ... 19
3.1. Objectivos... 19
3.2. Antena E Reconfigurável ... 20
3.3. Antena impressa com fendas comutáveis... 22
3.3.1. Descrição... 22
3.3.2. Simulação da antena com interruptores ideais ... 22
3.3.3. Resultados experimentais da antena com interruptores ideais ... 25
3.4. Antena Impressa com Elemento Parasita ... 29
3.4.1. Descrição... 29
3.4.2. Simulação da antena... 30
3.4.3. Resultados experimentais... 32
3.5. Conclusões ... 36
4. Antenas Reconfiguráveis com interruptores activos... 37
4.1. Objectivos... 37
4.2. Estudo do comportamento dos Díodos PIN ... 37
4.3. Simulação das antenas com díodos PIN... 39
4.3.1. Antena com Fendas Comutáveis ... 40
4.3.2. Antena com Elemento Parasita ... 42
4.4. Resultados Experimentais ... 45
4.4.1. Antena com Fendas Comutáveis ... 45
4.4.2. Antena com Elemento Parasita ... 48
4.5. Conclusões ... 51
5. Conclusões ... 53
• Antena em forma de E... 56
• Antena UWB ... 57
A.2. Antenas impressas com elementos activos... 57
A.2.1. Antenas com fendas comutáveis ... 57
• PASS ... 58
• Fenda Hexagonal... 59
• Antena impressa triangular... 60
A.2.2. Coeficiente de reflexão de entrada ... 61
A.2.3. Agregados... 62
A.2.4. Elementos parasitas ... 63
Anexo B. Método e ferramenta de Análise e simulação ... 65
B.1. Método dos Momentos... 65
B.2. Ansoft Designer... 65
Anexo C. Outros estudos da Antena E ... 69
C.1. Influência dos parâmetros da antena ... 69
• Efeito do plano de terra ... 69
• Efeito de Ps e Ls e Ws... 69
• Efeito de W... 71
• Efeito de L e Xf... 71
C.2. Stubs de sintonia... 72
Anexo D. Métodos de Fabrico... 77
D.1. Obtenção da máscara... 77
D.2. Processo Fotolitográfico... 77
D.3. Fabricação ... 78
D.4. Montagem... 79
Anexo E. Outros estudos sobre antenas reconfiguráveis sem elementos activos ... 81
E.1. Outra configuração da antena E para funcionamento em tripla-frequência... 81
E.2. Estudo da sensibilidade da antena nos dois estados... 81
Anexo F. Estudo da inserção de elementos activos nas antenas ... 85
F.1. Extracção da matriz de transmissão do díodo ... 85
• Matriz S extraída experimentalmente ... 85
• Extracção da matriz de transmissão analiticamente... 87
• Comparação de Resultados ... 87
F.2. Análise dos efeitos da introdução de capacidades e indutâncias nas antenas. ... 90
Anexo G. Estudo do comportamento dos RF MEMS ... 93
Lista de Figuras
Figura 1.1 Tipos de configurações de antenas impressas para multi-serviços... 4
Figura 2.1 Geometria da antena em forma de E... 7
Figura 2.2 Coeficiente de reflexão de entrada da antena em forma de E em estudo (a) simulada (b) extraído do artigo [8]... 8
Figura 2.3 Impedância de entrada da antena em forma de E. ... 9
Figura 2.4 Comportamento da intensidade da corrente total na antena em forma de E na frequência superior num instante t. ... 10
Figura 2.5 Comportamento da intensidade da corrente total antena em forma de E na frequência inferior num instante t. ... 10
Figura 2.6 Diagramas de radiação simulados da antena em forma de E na frequência inferior: (a) Plano E; (b) Plano H. ... 11
Figura 2.7 Diagramas de radiação simulados da antena em forma de E na frequência superior: (a) Plano E; (b) Plano H. ... 11
Figura 2.8 Ganho da antena em forma de E simulada. ... 11
Figura 2.9 Coeficiente de reflexão da antena em forma de E resultante da optimização. ... 13
Figura 2.10 Impedância da antena em forma de E resultante das optimizações... 13
Figura 2.11 Ganho da antena em forma de E resultante das optimizações... 13
Figura 2.12 Antena impressa em forma de E fabricada: (a) vista de topo; (b) vista de perfil . 14 Figura 2.13 Coeficiente de reflexão de entrada da antena em forma de E simulado e medido. ... 15
Figura 2.14 Comparação entre os diagramas de radiação da antena em forma de E simulados e medidos da frequência inferior: (a) Plano E; (b) Plano H... 16
Figura 2.15 Comparação entre os diagramas de radiação da antena em forma de E simulados e medidos da frequência superior: (a) Plano E (b); Plano H... 17
Figura 3.1 Geometria da antena em forma de E em configuração aberta: (a) Corte em rectângulo; (b) Corte em forma de T... 20
Figura 3.2 Coeficiente de reflexão da antena em forma de E em configuração aberta (a) corte em rectângulo (b) corte em forma de T... 20
Figura 3.3 Geometria da antena em configuração fechada: (a) Corte em rectângulo; (b) Corte em forma de T. ... 21
Figura 3.4 Coeficiente de reflexão de entrada da antena em forma de E em configuração fechada: (a) corte em rectângulo; (b) corte em forma de T... 21
Figura 3.5 Antena impressa: (a) com uma fenda; (b) com duas fendas em extremidades opostas; (c) vista de perfil. ... 22
Figura 3.6 Geometria da antena impressa com fendas comutáveis: (a) configuração aberta; (b) configuração fechada... 23
Figura 3.7 Coeficiente de reflexão de entrada da antena impressa com fendas reconfiguráveis obtida através das optimizações. ... 23
Figura 3.8 Impedância de entrada da antena impressa com fendas reconfiguráveis: (a) interruptor desligado; (b) interruptor ligado... 24
Figura 3.9 Comportamento da intensidade da corrente total na antena impressa com fendas comutáveis, no mesmo instante: (a) na frequência inferior; (b) na frequência superior... 24
Figura 3.10 Diagramas de radiação simulados da antena com fendas comutáveis: (a) Plano E; (b) Plano H. ... 25
Figura 3.11 Fotos da antena com fendas comutáveis fabricada: (a) configuração aberta; (b) configuração fechada... 26
Figura 3.13 Coeficiente de reflexão de entradao da antena com fendas comutáveis com os valores reais da antena simulados e medidos. ... 27 Figura 3.14 Diagrama de Radiação da antena com fendas comutáveis para a frequência de ressonância inferior: (a) plano E; (b) plano H... 28 Figura 3.15 Diagrama de Radiação da antena com fendas comutáveis para a frequência de ressonância superior: (a) plano E; (b) plano H... 29 Figura 3.16 Antena com elemento parasita: (a) interruptores desligados; (b) interruptores ligados. ... 30 Figura 3.17 Coeficiente de reflexão de entrada da antena com elemento parasita obtida. ... 31 Figura 3.18 Impedância de entrada da antena com elemento parasita: (a) com os interruptores ligados;(b) com os interruptores desligados... 31 Figura 3.19 Diagramas de radiação da antena com elemento parasita: (a) plano E –
simulado;(b) plano H- simulado... 31 Figura 3.20 Correntes da antena com elemento parasita para o mesmo instante:(a)
configuração aberta;(b) configuração fechada. ... 32 Figura 3.21 Fotos da antena com elemento parasita fabricada: (a) configuração aberta; (b) configuração fechada... 33 Figura 3.22 Coeficiente de reflexão de entrada da antena com elemento parasita simulada e real... 33 Figura 3.23 Coeficiente de reflexão de entrada da antena com elemento parasita simulada e real... 34 Figura 3.24 - Comparação entre os diagramas de radiação simulados e medidos da antena com elemento parasita para a frequência inferior (a) Plano E (b) Plano H... 35 Figura 3.25 – Comparação entre os diagramas de radiação simulados e medidos da antena com elemento parasita para a frequência superior (a) Plano E (b) Plano H... 36 Figura 4.1 Circuitos equivalentes do díodo: (a) desligado; (b) ligado. ... 37 Figura 4.2 Díodo PIN BAR50-02V... 38 Figura 4.3 Valores experimentais e médios dos díodos: (a) isolamento; (b) perdas de inserção.
... 38 Figura 4.4 Posicionamento dos elementos activos na antena: (a) com fendas reconfiguráveis; (b) com elemento parasita ... 39 Figura 4.5 Geometria da antena impressa reconfigurável com fendas comutáveis. ... 40 Figura 4.6 Coeficiente de reflexão de entrada da antena reconfigurável com fendas
comutáveis simulada. ... 41 Figura 4.7 Impedância de entrada da antena com fendas comutáveis: (a) díodo desligado; (b) díodo ligado... 41 Figura 4.8 Comportamento da intensidade da corrente total na antena com fendas comutáveis, no mesmo instante: (a) e (b)na frequência inferior, díodos ao corte; (c) e (d) na frequência superior, díodos ligados... 42 Figura 4.9 Diagramas de radiação simulado da antena com fendas comutáveis: (a) Plano E; (b) Plano H. ... 42 Figura 4.10 Geometria da antena impressa com elemento parasita. ... 43 Figura 4.11 Coeficiente de reflexão de entrada da antena reconfigurável com elemento
parasita simulada. ... 44 Figura 4.12 Impedância de entrada da antena com elemento parasita: (a) díodos ligados; (b) díodos desligados ... 44
díodos ao corte. ... 45
Figura 4.14 Diagramas de radiação simulado da antena com elemento parasita: (a) Plano E; (b) Plano H. ... 45
Figura 4.15 Foto da antena com fendas comutáveis fabricada ... 46
Figura 4.16 Vista em pormenor da antena fabricada: (a) díodo e condensador; (b) bobine no plano terra... 46
Figura 4.17 Coeficiente de reflexão de entrada da antena com fendas comutáveis electronicamente simulada e medida... 46
Figura 4.18 Coeficiente de reflexão da antena com fendas comutáveis medido e simulado com os parâmetros reais da bobine de 22nH... 47
Figura 4.19 Diagramas radiação medidos antena com fendas comutáveis electronicamente: (a) plano E; (b)plano H. ... 48
Figura 4.20 Foto da antena com elemento parasita fabricada ... 49
Figura 4.21 Coeficiente de reflexão de entrada da antena com elemento parasita simulada e medida. ... 49
Figura 4.22 Coeficiente de reflexão da antena com elemento parasita medido e simulado com os parâmetros reais da bobine de 22nH... 50
Figura 4.23 Comparação entre os diagramas de radiação simulados e medidos da antena com elemento parasita para a frequência inferior (a) Plano E (b) Plano H... 51
Figura A. 1 Antena Impressa com Fenda em forma de U... 55
Figura A. 2 Antena em forma de E ... 56
Figura A. 3 Antena UWB extraído de [20] ... 57
Figura A. 4 PASS (a) fenda no centro (b) 2 fendas em extremidades opostas ... 58
Figura A. 5 PASS com duas fendas ortogonais (a) polarização circular (b) diversidade polarização circular ... 59
Figura A. 6 Antena Impressa com Fenda Hexagonal... 60
Figura A. 7 Antena impressa triangular ... 60
Figura A. 8 Antena alimentada por linha microstrip... 61
Figura A. 9 Agregado de antenas ... 62
Figura A. 10 Antena Impressa com elemento parasita... 63
Figura A. 11 Outra configuração de antena impressa com elemento parasita ... 63
Figura B. 1 Ansoft Designer- simulação de uma antena e de um array num sistema de comunicação... 66
Figura C. 1 Coeficiente de reflexão de entrada simulado com a variação de Ls... 70
Figura C. 2 Coeficiente de reflexão de entrada simulado com a variação de Ps... 70
Figura C. 3 Coeficiente de reflexão de entrada simulado com a variação de Ws... 71
Figura C. 4 Coeficiente de reflexão de entrada simulado com a variação de W ... 71
Figura C. 5 Variação do comprimento da antena... 72
Figura C. 6 Variação do ponto de alimentação da antena... 72
Figura C. 7 Posição e dimensão dos stubs na antena impressa ... 73
Figura C. 8 Coeficiente de reflexão de entrada para diferentes comprimentos do stub no lado direito ... 74
Figura C. 9 Coeficiente de reflexão de entrada para diferentes comprimentos do stub no lado esquerdo ... 74
Figura C. 13 Coeficiente de reflexão de entrada com dois stubs de sintonia em cima e em
baixo ... 76
Figura D. 1 Máscara negativa ... 77
Figura D. 2(a) máquina fotográfica (b) máquina reveladora ... 78
Figura D. 3 Estufa ... 78
Figura D. 4 Máquina de UV... 78
Figura D. 5 Perfil da antena ... 79
Figura E. 1 Corte na antena E em forma de T inclinado... 81
Figura E. 2 Coeficiente de reflexão de entrada do corte em T inclinado variando o comprimento do braço (dw) ... 81
Figura E. 3 Coeficiente de reflexão de entrada da antena quando se varia o tamanho da antena (L): (a) configuração fechada; (b) configuração aberta. ... 82
Figura E. 4 Coeficiente de reflexão de entrada da antena quando se varia o comprimento da fenda (Ls): (a) configuração fechada; (b) configuração aberta... 82
Figura E. 5 Coeficiente de reflexão de entrada da antena quando se varia a posição horizontal da fenda (Ps): (a) configuração fechada; (b) configuração aberta. ... 83
Figura E. 6 Coeficiente de reflexão de entrada da antena quando se varia a largura da fenda (Ws): (a) configuração fechada; (b) configuração aberta. ... 83
Figura E. 7 Coeficiente de reflexão de entrada da antena quando se varia a posição da alimentação (Xf): (a) configuração fechada; (b) configuração aberta... 83
Figura F. 1 Montagem do díodo na linha microstrip ... 85
Figura F. 2 Montagem da linha microstrip. ... 86
Figura F. 3 Coeficiente reflexão díodo desligado, valores teóricos e medidos: (a) módulo; (b) fase. ... 88
Figura F. 4 Isolamento, valores teóricos e medidos (a) módulo; (b) fase. ... 88
Figura F. 5 Coeficiente reflexão díodo ligado, valores teóricos e medidos: (a) módulo; (b) fase ... 88
Figura F. 6 Perdas de inserção, valores teóricos e medidos: (a) módulo; (b) fase... 89
Figura F. 7 Variação do valor da capacidade dos condensadores na antena com fendas comutáveis: (a) díodo desligado; (b) díodo ligado... 90
Figura F. 8 Variação do valor da indutância das bobines na antena com fendas comutáveis: (a) díodo desligado; (b) díodo ligado... 91
Figura F. 9 Variação do valor da indutância das bobines na antena com elemento parasita: (a) díodo desligado; (b) díodo ligado... 92
Figura G. 1 Comparação do coeficiente de reflexão para o estado desligado entre MEMS e díodos PIN: (a) módulo; (b)fase... 93
Figura G. 2 Comparação do isolamento para o estado desligado entre MEMS e díodos PIN: (a) módulo; (b)fase. ... 94
Figura G. 3 Comparação do coeficiente de reflexão para o estado ligado entre MEMS e díodos PIN: (a) módulo; (b)fase... 95
Figura G. 4 Comparação das perdas de inserção para o estado ligado entre MEMS e díodos PIN: (a) módulo; (b)fase. ... 96
Tabela 1.1 Intervalo de frequências e larguras de banda de diversos serviços móveis... 2
Tabela 2.1 Parâmetros da antena em forma de E referidos no artigo[8]... 8
Tabela 2.2 Parâmetros da antena resultantes da optimização da antena em forma de E... 12
Tabela 3.1 Dimensões da antena impressa com fendas comutáveis resultantes das optimizações... 23
Tabela 3.2 Frequências de ressonância e larguras de banda da antena com fendas comutáveis. ... 26
Tabela 3.3 Dimensões ideais e reais da antena com fendas comutáveis... 27
Tabela 3.4 Dimensões da antena com elemento parasita. ... 30
Tabela 3.5 Frequências de ressonância e larguras de banda para a antena com elemento parasita. ... 33
Tabela 3.6 Dimensões projectadas e reais da antena com elemento parasita. ... 34
Tabela 4.1 Dimensões da antena impressa reconfigurável com fendas comutáveis... 40
Tabela 4.2 Dimensões da antena impressa reconfigurável com elemento parasita. ... 43
Tabela 4.3 Frequências de ressonância e larguras de banda da antena com fendas comutáveis electronicamente... 47
Tabela 4.4 Frequências de ressonância e larguras de banda da antena com elemento parasita. ... 49
DC – “Direct Current”, Corrente Contínua FCT – Fundação de Ciência e Tecnologia
GSM – “Global System for Mobile Communications GPS – “Global Positioning System”
IT – Instituto das Telecomunicações
LHCP – “Left- Hand Circular Polarization” MEMS – “Micro Electro Mechanical Systems” MPIE – “Mixed-Potencial Integral Equation”
PASS –“Patch Antenna With Switchable Slot”,- Antena impressa com fenda comutável PIN – “p-type, intrinsic, n-type”
RF – Radiofrequência
RHCP – “Right-Hand Circular Polarization”
R-Meta –“Reconfigurable Low-profile Antennas Using Metamaterials” TFC – Trabalho Final de Curso
TM – “Transversal Mode”, Modo transversal UWB – “Ultra wide Band”
UMTS – “Universal Mobile Telecommunications System”
- Ansoft Designer- Ferramenta que possibilita o desenho e simulação de estruturas planares utilizadas nas frequências das microondas e radiofrequência. [2]
- WIPL-D – Programa comercial para simulação e modulação de estruturas para análise electromagnética de alta frequência baseado no Método dos Momentos.
-Wiplmask – Programa para impressão das máscaras.
1. Introdução
1.1. Contexto e descrição do trabalho
Este trabalho final de curso, TFC, encontra-se integrado no projecto R-Meta1, Antenas Reconfiguráveis de baixo perfil utilizando metamateriais, que decorre no âmbito de uma colaboração entre a Fundação de Ciência e Tecnologia, FCT, e o Instituto de Telecomunicações, IT. Tem como objectivo projectar e caracterizar superfícies de metamateriais reconfiguráveis que podem ser utilizadas como plano terra para antenas de baixo perfil, também reconfiguráveis. Elementos activos, tais como díodos varactors ou
micro-electro-mechanical systems (MEMS), são introduzidos na superfície de forma a que a
frequência de ressonância, bem como a resposta efectiva da superfície metamaterial, possam ser electronicamente sintonizados.
Com este TFC pretende-se projectar e construir protótipos de antenas reconfiguráveis para multi-serviços. Por antena impressa reconfigurável entende-se uma antena capaz de acomodar vários requisitos de diferentes sistemas de comunicações móveis através do ajuste dinâmico da frequência de funcionamento, diagrama de radiação e/ou polarização. Estes ajustes são efectuados através da introdução de elementos activos que permitem alterar a configuração da antena electronicamente. Desta forma uma antena reconfigurável pode operar alternadamente e não apenas simultaneamente em diferentes sistemas, como é o caso das antenas multifrequência. Embora já existam na literatura trabalhos sobre antenas reconfiguráveis, o objectivo principal deste TFC é o de ganhar experiência com a introdução de elementos activos no projecto de antenas, como díodos PIN e MEMS.
As antenas impressas são bastante utilizadas em comunicações móveis, bem como noutros tipos de aplicações, devido às suas vantagens conhecidas: apresentam dimensões reduzidas, baixo perfil, compatibilidade com circuitos integrados e são de baixo custo de produção, entre outras. No entanto, na sua configuração base, têm como grande desvantagem uma estreita largura de banda, que numa antena impressa rectangular é da ordem de 1-2 %. Daí que muitos investigadores tenham vindo a dedicar o seu esforço a tentar ultrapassar esta barreira. Como solução, têm sido adoptadas várias estratégias como a introdução de fendas na antena, desenvolvimento de configurações multi-camada e de outras que favorecem larguras de banda largas e ultra-largas (UWB2).
Actualmente existem inúmeros sistemas de comunicações móveis em fase de desenvolvimento, que correspondem a uma realidade emergente no nosso quotidiano. Deste modo, a integração de mais do que um serviço no mesmo sistema de comunicação móvel, bem como a necessidade de portabilidade da informação, vem dar origem ao desenvolvimento e estudo de novas e diversificadas configurações de antenas que satisfaçam simultaneamente os requisitos específicos dos vários serviços.
1 Reconfigurable Low-profile Antennas Using Metamaterials 2 Acrónimo Anglo-saxónico para Ultra-Wide Bandwidth
Assim, neste trabalho optou-se por concentrar a atenção em antenas com possibilidade de funcionamento multi-banda e com configurações simples. Após a análise de diversas possibilidades para os serviços móveis, cujas bandas de frequência e respectivas larguras de banda se encontram na Tabela 1.1, os sistemas escolhidos que melhor se enquadram no tipo de conceito que se pretende demonstrar são os serviços UMTS (Universal Mobile
Telecommunication System) e Bluetooth, visto que as respectivas frequências centrais
apresentam uma separação relativamente pequena, rácio da ordem de 1.3 e correspondem a serviços recentes em fase de expansão, para além de permitirem a obtenção de uma antena com dimensões reduzidas. Pretende-se que a antena também apresente um coeficiente de reflexão de entrada abaixo do limiar de -10 dB, e que os diagramas de radiação sejam similares para as duas bandas de funcionamento.
Bandas de frequência f0n Largura de banda
(MHz) (MHz) (MHz) (%) GSM 900 890 - 915+ 935 – 960 925 70 7.57 GSM1800 1710-1785 + 1805-1880 1795 170 9.47 TDD 1900-1920 + 2010-2025 UMTS FDD 1920-1980 + 2110-2170 2035 270 13.27 Bluetooth IEEE 802.11b 2400-2483.5 2441.75 83.5 3.42 HiperLAN2 IEEE 802.11a 5150-53503 5250 200 3.81 WiMax IEEE 802.16e 3443-3457+3543-35574 3500 114 3.26
Tabela 1.1 Intervalo de frequências e larguras de banda de diversos serviços móveis.
O primeiro passo, para a concretização deste trabalho, consiste numa revisão da literatura existente no âmbito deste. Nomeadamente, soluções de antenas impressas de banda larga e configurações de antenas passivas e de antenas electronicamente reconfiguráveis com mais que uma banda de funcionamento. Tem como principal objectivo a familiarização com conceitos essenciais e com as configurações existentes.
Numa fase inicial, pretende-se desenvolver uma antena sem elementos activos, em forma de E, com funcionamento em dupla-frequência para as bandas anteriormente referidas. Esta fase tem como intuito uma maior familiarização com o comportamento das antenas impressas e com a ferramenta de simulação. De seguida, pretende-se obter uma antena que, consoante o estado dos interruptores, funcione alternadamente nas duas bandas correspondestes a cada um
3 Sub-banda para espaços interiores, por vezes a sub-banda de 5470-5725 MHz para espaços exteriores também é
considerada.
dos serviços pretendidos. Porém, para atingir este propósito, serão abordadas duas geometrias distintas de antenas em duas etapas: na primeira os interruptores utilizados são ideais; na etapa final os interruptores são substituídos por díodos PIN, isto porque este tipo de díodo apresenta boas características de comutação. Deste modo, são obtidas duas soluções diversificadas, com comportamentos diferentes, mas que conduzem ao mesmo objectivo final.
Finalmente, e com a finalidade de trabalho futuro, as antenas serão optimizadas e simuladas para ser possível a utilização de MEMS como interruptores. É uma tecnologia que, apesar da falta de normalização global no que diz respeito ao encapsulamento, tem despertado grande interesse, devido às suas dimensões reduzidas e visto que estes apresentam excelentes características e velocidades de comutação.
1.2. Estado da arte
De modo a ser possível a introdução de novos conceitos, e de forma a se escolher uma geometria para um estudo posterior, começou-se por tomar conhecimento das diversas configurações de antenas impressas de banda larga, multifrequência e electronicamente reconfiguráveis existentes na literatura. As antenas encontradas podem ser classificadas de diversas formas. No entanto, uma das possibilidades, na nossa perspectiva, agrupa algumas das antenas impressas para multi-serviços em antenas passivas e em antenas com elementos activos, correspondente à Figura 1.1.
Foram encontradas várias soluções de antenas passivas, descritas no Anexo A - secçãoA.1. Neste caso para introduzir uma nova frequência de ressonância e/ou aumentar a largura de banda da antena impressa são inseridas fendas que podem ter a forma de U [3]-[5] ou obter-se antenas em forma de E [8]-[19] (similares às antenas em C-duplo), configuração que corresponde a uma antena impressa rectangular com duas fendas paralelas na mesma extremidade. Modificando as dimensões necessárias, também podem apresentar um comportamento de banda dupla em que uma das frequências é essencialmente definida pela dimensão da antena, a frequência inferior, e a superior pelas dimensões e posição das fendas. De modo a ultrapassar a limitação existente nas antenas impressas em relação à largura de banda em [20] é proposta uma antena com uma fenda rectangular de modo a permitir um funcionamento UWB.
Como solução de antenas reconfiguráveis com elementos activos foram encontradas antenas onde são introduzidas fendas, cuja dimensão é controlada através de interruptores, que podem ser díodos ou MEMS, de modo a ser possível sintonizar a frequência de ressonância pretendida, Anexo A – secção A.2.
As PASS5 [21]-[25] são configurações que permitem alterar a frequência, a polarização ou a diversidade conforme a configuração efectuada com as fendas e os díodos, no que diz respeito à orientação, quantidade e posição destes, bem como do ponto de alimentação. Com fendas hexagonais [26]-[28] também é possível encontrar diferentes configurações onde, através da conjugação do número de braços do hexágono e do número, posição e tipo dos interruptores utilizados (díodos PIN ou varactors), são cumpridas diferentes especificações. Existem também configurações de antenas triangulares [29], segundo o mesmo princípio de introdução de interruptores e fendas, que apresentam mais que uma banda de funcionamento consoante os interruptores se encontram ligados ou desligados.
Figura 1.1 Tipos de configurações de antenas impressas para multi-serviços.
Numa antena com alimentação através de linha microstrip e com pelo menos uma fenda, são introduzidos interruptores [30]-[31] de tal modo que é induzida uma alteração na impedância de entrada, através do ajuste da posição da alimentação e do comprimento da fenda, sendo assim possível provocar um desvio na frequência de ressonância. Tal configuração encontra-se na Figura A. 8.
Outra solução abordada corresponde aos agregados de antenas impressas [32]-[33] onde os interruptores interligam os vários elementos de forma a possibilitar o funcionamento, em diversas frequências de ressonância ou diferentes polarizações da antena, de acordo com o número e orientação dos interruptores activos.
Também foram encontradas soluções em que se liga um elemento parasita [34]-[35] através de MEMS a uma antena impressa quadrada de modo a acomodar duas frequências de ressonância distintas, dado que quando os interruptores se encontram ligados a antena é equivalente também a uma antena impressa rectangular, mas com dimensões superiores em relação ao caso de os interruptores se encontrarem desligados, no qual a ressonância depende das dimensões do elemento radiador e da influência do elemento parasita.
1.3. Estrutura do relatório
No Capítulo 2 descrevem-se os passos do projecto, elaboração do protótipo, medições e comparação dos resultados obtidos da antena passiva em forma de E que serve de ponto de partida para o desenvolvimento do trabalho.
De seguida no Capítulo 3, pretende-se explicar quais as etapas necessárias para construir um protótipo estático das duas geometrias distintas de antenas, como primeiro passo para a obtenção de uma antena reconfigurável.
O objectivo final de construir um protótipo activo atinge-se no Capítulo 4, onde se explica o mecanismo de funcionamento dos díodos PIN utilizados nas antenas impressas como interruptores, e se optimizam as antenas estáticas construídas de forma a se tornarem electronicamente reconfiguráveis.
2.
Antena passiva multifrequência em forma de E
2.1. Objectivos
O principal objectivo desta parte do trabalho tal como referido em 1.1 é permitir a validação da ferramenta de simulação Ansoft Designer (cujo método de cálculo se encontra descrito no Anexo B) e consolidar conceitos fundamentais sobre antenas impressas. bem como uma maior sensibilidade no desenvolvimento e optimização destas. Para tal, procedeu-se ao estudo e simulação de uma antena procedeu-sem elementos activos com dupla-frequência para as bandas de UMTS e Bluetooth. Trata-se de uma antena impressa em forma de E baseada na configuração apresentada em [8]. Neste capítulo pretende-se explorar as diversas potencialidades que a geometria de uma antena impressa em forma de E pode apresentar e, consequentemente, adquirir uma maior sensibilidade no que diz respeito ao comportamento deste tipo de antenas. Por fim, foi fabricado um protótipo da antena para permitir a comparação dos resultados
2.2. Descrição da antena
Uma antena em forma de E, como a da Figura 2.1, com uma escolha adequada das suas dimensões, permite o funcionamento em banda larga ou o funcionamento em dupla frequência. Esta geometria de antena é bastante atractiva para ultrapassar a limitação da largura de banda nas antenas impressas. Uma antena em forma de E também pode ser entendida como uma antena impressa rectangular na qual se introduz duas fendas numa das extremidades. São estas fendas que permitem o aumento da largura de banda com a introdução de uma segunda ressonância. De uma forma geral, a frequência de ressonância superior é definida pela largura da antena e a inferior é determinada pelo tamanho e posição das fendas, estas apresentam um comportamento que se assemelha a um circuito indutivo. Porém, estas antenas têm como grande inconveniente o facto de apresentarem grandes dimensões, não sendo praticáveis para alguns dos terminais pessoais dos sistemas de telecomunicações integrados actuais, mas podem ser usadas por exemplo nas estações base.
Ps (Xf,Yf) L W Ws Ls h x y
2.3.
Simulação da antena
Inicialmente optou-se por simular uma das antenas referida em [8], mais concretamente, a que, segundo o artigo, permite o funcionamento nas bandas pretendidas. Os parâmetros da antena impressa encontram-se na Tabela 2.1 e para se efectuar a alimentação no simulador utilizou-se o cabo coaxial semi-rígido EZ141-AL, com raio do condutor interno de 0.46 mm e uma impedância de 50 Ω. O plano terra é condutor perfeito com dimensões 140 mm por 210 mm, o dieléctrico é o ar ( r=1 ) e a antena impressa é de cobre.
(L, W) (70,50) mm (Ls, Ws) (40, 6) mm
Ps 10 mm
(Xf, Yf) (35, 6) mm
H 15 mm
Tabela 2.1 Parâmetros da antena em forma de E referidos no artigo[8].
2.3.1.
Coeficiente de reflexão de entrada (S )
11Após se simular a antena, o comportamento esperado era o de uma antena de banda larga. No entanto, a simulação indica que, utilizando o critério de adaptação escolhido S11 <-10 dB, a antena funciona em dupla-frequência, como se pode verificar na Figura 2.2 (a), sensivelmente diferente do obtido em [8]. Como se pode observar na Figura 2.2 (b), a antena para este caso funciona em banda larga. Apesar de o resultado obtido ser do mesmo tipo do artigo, verifica-se que para além do desvio da frequência inferior a segunda ressonância não se encontra bem marcada. As discrepâncias entre os resultados simulados e os valores do artigo podem dever-se ao facto de não serem especificados neste as dimensões da secção transversal do cabo de alimentação. As ressonâncias encontram-se nas frequências de 1.97 GHz e 2.36 GHz e as respectivas larguras de banda (S <-10dB) são de 7,61% e 10,8%. Porém, apenas a frequência inferior se encontra adaptada nos 50
11
Ω, como se pode verificar no gráfico da Figura 2.3, que corresponde à variação da impedância de entrada da antena com a frequência obtida por simulação.
(a) (b)
Figura 2.2 Coeficiente de reflexão de entrada da antena em forma de E em estudo (a) simulada (b) extraído do artigo [8].
Figura 2.3 Impedância de entrada da antena em forma de E.
2.3.2.
Intensidade das correntes
A melhor forma de se compreender o comportamento de uma antena é através da análise das correntes superficiais no elemento radiador.
As amplitudes da corrente na direcção do eixo dos y ( J ) são sempre maiores que as ao longo do eixo dos x (J ) porque o modo principal na antena é o modo TM . Ao longo da fenda a amplitude da corrente no sentido do eixo dos y aumenta, atingindo o valor máximo na extremidade oposta à alimentação, na qual, J também possui o seu máximo com aproximadamente a mesma amplitude. No entanto, as amplitudes de corrente em torno da fenda diferem com a frequência: na frequência de ressonância superior, as maiores amplitudes da corrente encontram-se em torno das fendas e nas extremidades (esquerda e direita) da antena, como se verifica na
y
x 01
x
Figura 2.4. Isto significa que tanto a parte superior como a inferior da antena não afectam significativamente o comportamento ressonante desta. Nesta situação, a frequência é praticamente determinada pelo W; na frequência inferior, o comportamento altera-se, no mesmo instante temporal, como se verifica na Figura 2.5, as correntes à volta das fendas são mais significativas, i.e. o percurso percorrido pela corrente aumenta, porque é necessário contornar as fendas, formando-se um efeito indutivo que baixa a ressonância.
De modo a melhor se compreender o efeito de cada um dos parâmetros da antena efectuou-se um estudo à cerca da variação de cada um destes que se encontra no Anexo C, secção C.1. Estes resultados comprovam a análise das amplitude de corrente e mais uma vez se pode verificar que as dimensões e posição das fendas (Ls, ws e Ps) são os responsáveis pela frequência inferior de ressonância da antena e a frequência superior é essencialmente definida pela largura da antena (W). Os restantes parâmetros, altura (L) e posição da alimentação (Xf e Yf) afectam menos significativamente a antena, causam apenas um pequeno desvio em uma ou mesmo até nas duas frequências de ressonância.
Figura 2.4 Comportamento da intensidade da corrente total na antena em forma de E na frequência superior num instante t.
Figura 2.5 Comportamento da intensidade da corrente total antena em forma de E na frequência inferior num instante t.
2.3.3.
Diagramas de radiação
Os diagramas de radiação para a frequência de ressonância inferior e superior encontram-se na Figura 2.6 e na Figura 2.7, respectivamente. Como seria de esperar, verifica-se claramente a simetria do diagrama de radiação no plano H (Plano yz), visto a antena verifica-ser simétrica neste plano. Já no plano E (Plano xz) tal não se verifica.
No plano E a largura de feixe a -3 dB corresponde a cerca de 61 graus a 1.97 GHz e a 50 graus a 2.36 GHz. A polarização cruzada atinge um máximo de cerca de –70dB abaixo da co-polarização para as duas frequências, valor que na prática é muito difícil de alcançar. No plano H, a largura de feixe é cerca de 63 graus a 1.97 GHz e a 60 graus a 2.36 GHz. Neste caso a polarização cruzada atinge um máximo de –15 dB na frequência inferior e cerca de –13 dB abaixo da co-polarização na frequência superior. Esta situação pode ser bastante desfavorável para alguns sistemas de telecomunicações e neste caso pode dever-se ao efeito indutivo das fendas.
( a) (b)
Figura 2.6 Diagramas de radiação simulados da antena em forma de E na frequência inferior: (a) Plano E; (b) Plano H.
(a) (b)
Figura 2.7 Diagramas de radiação simulados da antena em forma de E na frequência superior: (a) Plano E; (b) Plano H.
Na Figura 2.8 encontra-se o ganho da antena; verifica-se que para as ressonâncias inferior e superior este vale 8.95 e 9.47 dBi, respectivamente.
2.4. Optimização da antena
Procedeu-se à optimização da antena por forma a obter a banda necessária ao funcionamento do UMTS e Bluetooth, visto serem estes os serviços cujas frequências e respectiva separação se considerou para que melhor se enquadrem na antena, tendo em conta as características de ressonância que esta apresenta.
Nesta fase do trabalho consideraram-se já alguns aspectos de natureza prática essenciais para a viabilidade mecânica do protótipo. Uma das questões tem a ver com a necessidade de suportar o “E” da antena, visto o dieléctrico ser o ar. Assim, para efeitos de sustentação, foram introduzidos na antena dois dieléctricos, o Duroid 5880 (εr=2.2) com 25 mil de espessura, sobre o qual se fabricou a antena impressa, que por sua vez assenta numa placa de ‘’capline’’6 de 3mm espessura e com rpróximo de 1.05. O cabo utilizado foi o EZ141-AL com raio do condutor interno de 0.46 mm. O plano terra tem dimensões 140 mm por 210 mm. Dado que a banda do UMTS (FDD e TDD) é relativamente grande, a forma de respeitar este critério, com esta geometria de antena, foi obter como solução uma antena de banda larga.
As optimizações foram realizadas de forma a minimizar o coeficiente de reflexão de entrada nas bandas pretendidas. Assim, após várias simulações, a antena que melhor respeitou as bandas necessárias apresenta o coeficiente de reflexão da Figura 2.9 e as dimensões da Tabela 2.2. As frequências de ressonância obtidas são de 1.96 GHz e 2.37 GHz e a largura de banda obtida é cerca de 31.11%. Na Figura 2.10 encontra-se a impedância de entrada da antena em função da frequência e, neste caso, a frequência que se encontra melhor adaptada nos 50 Ω é a frequência superior, apesar da frequência inferior também estar muito próxima, situação que não se verificava anteriormente.
(L, W) (79.38,50.24) mm (Ls, Ws) (43.11, 8.54) mm
Ps 9.23 mm
(Xf, Yf) (39.69, 7.71) mm
har 8.27 mm
Tabela 2.2 Parâmetros da antena resultantes da optimização da antena em forma de E.
Na Figura 2.11 encontra-se representado o ganho da antena resultante das optimizações, este apresenta os valores de 9.2 e 10.07 dBi para as frequências de ressonância inferior e superior, respectivamente.
Considerou-se interessante o estudo de aplicação de stubs de sintonia fina, para permitir compensar erros de fabrico que deteriorem a resposta em frequência. As várias simulações efectuadas encontram-se no Anexo C - secção C.2. Verificou-se que ao introduzir-se stubs, principalmente nas zonas de maior intensidade de corrente, está-se a aumentar os percursos das correntes e só se conseguem obter ressonâncias abaixo do valor que estas apresentam. Isto traduz que os stubs podem acrescentar comprimento necessário na antena para se obter a adaptação pretendida, caso esta apresentasse menores dimensões. Optou-se por não recorrer ao uso de stubs, pois face aos detalhes grandes da antena, os erros no processo de fabrico são
6 Prancha formada por espuma de baixa densidade colada entre duas folhas de cartolina fina, usado em
pouco relevantes e de pequenas percentagens, no que diz respeito as dimensões da antena, para os comprimentos de onda em questão.
UMTS Bluetooth
Figura 2.9 Coeficiente de reflexão da antena em forma de E resultante da optimização.
UMTS Bluetooth
Figura 2.10 Impedância da antena em forma de E resultante das optimizações.
UMTS Bluetooth
2.5. Resultados Experimentais
De seguida, procedeu-se à fabricação e medição da antena como indicado no Anexo D. De modo a sustentar a antena impressa foi necessário colocar espassadores de acrílico entre o
“capline” e o plano terra. Para tal foi utilizada cola de fotografia. Foram realizadas as
medidas do coeficiente de reflexão de entrada e dos diagramas de radiação e comparadas com os valores teóricos da antena. A antena fabricada encontra-se na Figura 2.12.
(a) (b)
Figura 2.12 Antena impressa em forma de E fabricada: (a) vista de topo; (b) vista de perfil
2.5.1. Coeficiente de reflexão de entrada
Restrições durante a construção obrigaram a alterar alguns parâmetros da antena. O substrato de Duroid na antena fabricada é mais fino que o simulado (20 mil em vez de 25mil) e é mais pequeno que o plano de terra. Além disso, a espessura da “capline” é de 3.6 mm em vez do 3 mm e a altura final da antena é cerca 0.1 mm mais pequena. Na Figura 2.13 é possível comparar o coeficiente de reflexão de entrada medido com o simulado, bem como uma nova simulação com Duroid 20 mil, har=7.7mm e hplaca=3.6mm. Porém, esta simulação ainda não descreve completamente a antena real, porque o Ansoft Designer não permite diminuir as dimensões dos dieléctricos em relação ao plano terra.
Como resultado final, obteve-se uma antena de banda larga com frequências de ressonância nos 1.91 GHz e 2.34 GHz e com uma largura de banda de 30.14%. Verificaram-se desvios de cerca de 50 MHz na frequência de ressonância inferior e de 30 MHz na superior (2.6% e 1.3%, respectivamente), relativamente à simulação inicial. E de cerca de 70 MHz para ambas as frequências (correspondente a desvios de 3.6% e 3%), relativamente à simulação do protótipo final. Estes desvios podem ser justificados, porque o substrato Duroid é bastante mais pequeno que o plano terra e porque a permitividade da placa de cartolina não deve ser exactamente os 1.05 utilizados nas simulações.
UMTS Bluetooth
Figura 2.13 Coeficiente de reflexão de entrada da antena em forma de E simulado e medido.
2.5.2. Diagrama de radiação
Os valores medidos e simulados do diagrama de radiação para as duas frequências de ressonância encontram-se na Figura 2.14 e na Figura 2.15, respectivamente. Verifica-se que no plano E a largura de feixe a -3 dB corresponde a cerca de 58.8 graus a 1.97 GHz e a 47.4 graus a 2.37 GHz. A polarização cruzada atinge um máximo de cerca de -31 dB abaixo da co-polarização para as duas frequências. No plano H, a largura de feixe é cerca de 62 graus a 1.96 GHz e 56.2 graus a 2.37 GHz. Neste caso a polarização cruzada atinge um máximo de – 16 dB na frequência inferior e cerca de –12 dB, abaixo da co-polarização.
As principais diferenças entre os valores teóricos e os medidos ocorrem a partir dos 125º. A partir deste valor temos obstrução da radiação pelo posicionador e equipamento de suporte da antena. As maiores diferenças verificam-se para a componente cruzada no plano E; tal pode dever-se a um possível desalinhamento entre a antena em teste e a corneta, aquando da medição.
2.6. Conclusões
Nesta etapa do projecto adquiriu-se sensibilidade em relação aos parâmetros que influenciam o comportamento das amplitudes de corrente e ao efeito da introdução de fendas nas antenas impressas. Foi também possível validar a ferramenta de simulação e os métodos de fabrico através da simulação e construção do protótipo comparando os resultados teóricos e experimentais.
(a)
(b)
Figura 2.14 Comparação entre os diagramas de radiação da antena em forma de E simulados e medidos da frequência inferior: (a) Plano E; (b) Plano H.
(a)
(b)
Figura 2.15 Comparação entre os diagramas de radiação da antena em forma de E simulados e medidos da frequência superior: (a) Plano E (b); Plano H.
3. Antenas reconfiguráveis com interruptores ideais
3.1. Objectivos
Neste capítulo pretende-se estudar diferentes geometrias de antenas impressas que, através da alteração do estado de interruptores ideais integrados na sua estrutura, alternam a frequência de ressonância.
O corte corresponde a ter um interruptor ideal aberto. No estado fechado, os interruptores são substituídos por finas tiras metálicas. Deste modo, são necessárias duas configurações de antenas, uma para cada estado dos interruptores ideais, i.e., uma em configuração fechada e outra em configuração aberta.
As configurações escolhidas são de geometria simples visto que o objectivo deste trabalho é obter uma antena com comutação electrónica o que por si só já introduz bastante complexidade.
A primeira abordagem consiste em estudar a possibilidade de introduzir uma terceira ressonância na antena em forma de E obtida no Capítulo anterior, mantendo inalteradas as dimensões iniciais desta e apenas introduzindo cortes na metalização.
A fase seguinte do projecto consiste na análise e estudo de duas configurações de antenas distintas e diferentes da anterior do ponto de vista da geometria, agora para funcionar alternadamente, nas mesmas bandas de frequência utilizadas no capítulo anterior, UMTS e
Bluetooth. Uma consiste na introdução de fendas rectangulares em lados opostos de uma
antena impressa rectangular cujos comprimentos são alterados através da posição e estado dos interruptores, alternando assim as frequências de ressonância. A outra consiste numa antena também rectangular, com uma esquadria parasita que se encontra ligada a esta através de vários interruptores, originado assim outra frequência de ressonância.
No entanto, o maior obstáculo desta etapa consiste em obter as larguras de banda necessárias para cada serviço, visto que ambas as configurações apresentam bandas da ordem de 1 a 2 %, correspondente ao valor típico de uma antena impressa rectangular. A utilização de ar para aumentar a largura de banda foi posta de parte, visto que aumenta significativamente a espessura da antena e complica a sua fabricação. Nesta fase do projecto o principal objectivo é obter uma antena que funcione alternadamente em duas frequências, através de comutação electrónica e não obter as bandas necessárias para os serviços. Deste modo, optou-se por utilizar o substrato disponível de maior espessura para se obter uma largura de banda aceitável e suficiente para um bom funcionamento da antena. Assim, as frequências de funcionamento foram escolhidas de modo a se obter uma percentagem aceitável da banda central para o UMTS TDD e o Bluetooth. Deste modo, as ressonâncias pretendidas correspondem a 1.95 GHZ e 2.45 GHz.
Nesta etapa, de modo projectar a antena pretendida, as optimizações são efectuadas separadamente para cada configuração do interruptor, dado que cada estado deste provoca uma diferente frequência de ressonância, e que cada uma é influenciada por diferentes parâmetros. Começa-se por optimizar a antena para uma das frequências e de seguida substituem-se os valores obtidos na outra configuração e assim sucessivamente até ser encontrada uma boa adaptação para ambas as frequências. Foram utilizadas funções de custo
nas optimizações de forma a se obter o melhor coeficiente de reflexão possível para cada uma das frequências.
3.2. Antena E Reconfigurável
Começou-se por seleccionar, entre os serviços da Tabela 1.1, a terceira banda de funcionamento que melhor se enquadra na configuração da antena em forma de E anterior, tendo em conta que, ao introduzir cortes na metalização, o elemento ressonante diminui de dimensão e apresenta uma frequência de ressonância superior à original. Assim, tentou-se obter uma ressonância nos 3.5 GHz, que corresponde a uma das frequências de teste do WiMax em Portugal. Para atingir este propósito, foram testadas, as configurações apresentadas na Figura 3.1. A separação no metal possui um espaçamento de 0.5 mm. Uma configuração alternativa e menos interessante, com um corte em T inclinado, encontra-se apresentada no Anexo E - secção E.1.
Os gráficos dos coeficientes de reflexão de entrada obtidos por simulação, para as duas geometrias da Figura 3.1, encontram-se na Figura 3.2. As soluções possíveis, com os coeficientes de reflexão de entrada da antena inferior ao limiar dos -10 dB, correspondem maioritariamente a terceiras ressonâncias compreendidas entre os 1.9 GHz e 2.55 GHz e portanto longe dos 3.5 GHz pretendidos.
(a) (b)
Figura 3.1 Geometria da antena em forma de E em configuração aberta: (a) Corte em rectângulo; (b) Corte em forma de T.
(a) (b)
Figura 3.2 Coeficiente de reflexão da antena em forma de E em configuração aberta (a) corte em rectângulo (b) corte em forma de T.
wx lx
Esta limitação resultou do facto de se ter optado por não modificar o ponto de alimentação, i.e., manter a antena original. No entanto, soluções apelativas, i.e. com frequência de ressonância acima da largura de banda da antena E passiva, correspondem a lx=30 mm e a wx=15 mm nas configurações da Figura 3.1 (a) e (b), respectivamente.
Assim, o passo seguinte corresponde ao estudo destas configurações com os circuitos fechados, de forma a tentar obter os resultados do coeficiente de reflexão de entrada da antena anterior. Para tal, foram colocadas tiras de metal finas, para simular os interruptores ideais, nas zonas de maior intensidade de corrente. Na Figura 3.3 encontram-se as configurações fechadas: os números de tiras metálicas necessárias são de três para o corte em rectângulo Figura 3.3 (a) e de quatro para o corte em T. Figura 3.3 (b) Na Figura 3.4 pode se verificar que a recuperação do coeficiente de reflexão de entrada da antena E passiva anterior não constitui um problema; as curvas são praticamente coincidentes e facilmente se obtiveram os resultados pretendidos, visto que as correntes na antena se encontram muito concentradas em torno das fendas.
(a) (b)
Figura 3.3 Geometria da antena em configuração fechada: (a) Corte em rectângulo; (b) Corte em forma de T.
(a) (b)
Figura 3.4 Coeficiente de reflexão de entrada da antena em forma de E em configuração fechada: (a) corte em rectângulo; (b) corte em forma de T.
De salientar que, permaneceu a ideia, durante as simulações, de que se a intenção inicial fosse obter uma antena de tripla-frequência com elementos activos tal teria sido possível realizando diversas simulações tendo em conta esta mesma finalidade e alterando a posição da alimentação.
3.3. Antena impressa com fendas comutáveis
3.3.1. Descrição
Após a revisão da literatura, uma das geometrias possíveis para se obter uma antena impressa electronicamente reconfigurável corresponde a uma antena quadrangular com uma ou mais fendas cujo comprimento é ajustável através da introdução de interruptores, denominada PASS, [22]. O principal objectivo consiste em optimizar a antena para que apresente valores de amplitude do coeficiente de reflexão de entrada reduzidos nas frequências de ressonância dos serviços pretendidos.
3.3.2. Simulação da antena com interruptores ideais
Inicialmente, tentou-se obter as bandas pretendidas utilizando apenas uma fenda, centrada em relação ao eixo vertical da antena (y) ( Figura 3.5 (a)). No entanto, esta configuração não permite obter uma separação entre as frequências de ressonância além de um rácio de 1.10. Assim, a solução para se obter um maior rácio entre as frequências de ressonância consiste em utilizar duas fendas em extremidades opostas, solução que maximiza o percurso médio das correntes na antena, que se encontra em [22] e cuja configuração se apresenta na Figura 3.5 (b).
h
y x
Figura 3.5 Antena impressa: (a) com uma fenda; (b) com duas fendas em extremidades opostas; (c) vista de perfil.
Após várias optimizações da antena nas configurações aberta e fechada, que se apresenta na Figura 3.6 e na qual os interruptores foram colocados a meio das fendas, obteve-se a antena pretendida, com as dimensões da Tabela 3.1. O substrato utilizado corresponde ao Duroid 5880 com h=125 mils de espessura, o plano terra tem como dimensões 60 mm por 60 mm e o cabo coaxial utilizado é o Ez-141-AL, cujo raio do condutor central é de 0.46 mm e impedância de entrada de 50 Ω. A antena optimizada e final apresenta o coeficiente de reflexão da Figura 3.7, na qual se pode verificar que as larguras de banda nesta geometria são muito reduzidas, cerca de 13 MHz (0.6 %) para a frequência de ressonância inferior de 1.95 GHz e cerca de 10 MHz (0.45 %) para a superior de 2.45 GHz. As larguras de banda desejadas são de 125 MHz (6.14 %) para o UMTS TDD e de 83.5 MHz (3.48%) para o
este ponto não está em questão neste trabalho conforme já foi realçado. Como se pode verificar nos gráficos da impedância da Figura 3.8, a frequência de ressonância superior encontra-se muito mais adaptada à alimentação de 50 Ω que a inferior.
Ps W Ws Ls (Xf, Yf) (a) (b)
Figura 3.6 Geometria da antena impressa com fendas comutáveis: (a) configuração aberta; (b) configuração fechada. L=W 35.52 mm Xf 11.85mm Yf 17.76 mm Ls 20.05 mm Ps 29.92 mm Ws 3.19 mm
Tabela 3.1 Dimensões da antena impressa com fendas comutáveis resultantes das optimizações.
Figura 3.7 Coeficiente de reflexão de entrada da antena impressa com fendas reconfiguráveis obtida através das optimizações.
UMTS
. UMTS
TDD
Bluetooth
(a) (b)
Figura 3.8 Impedância de entrada da antena impressa com fendas reconfiguráveis: (a) interruptor desligado; (b) interruptor ligado.
A análise da intensidade da corrente total na antena impressa, como se pode verificar na Figura 3.9, mostra que na frequência inferior as correntes se concentram em torno das fendas. No entanto, na frequência superior o valor da intensidade é consideravelmente maior e as correntes encontram-se essencialmente nos interruptores.
Como complemento, o estudo da influência dos parâmetros da antena nas configurações aberta e fechada, encontra-se no Anexo E – secção E.2. Neste se pode verificar que a dimensão da antena (L), a largura e a posição das fendas (Ls e Ps, respectivamente) influenciam ambas as frequências de ressonância, apesar de o L ser definido essencialmente pela frequência de ressonância inferior. O comprimento da fenda Ls, induz um maior efeito na ressonância inferior, porque as correntes no caso do interruptor desligado se concentram em torno das fendas. Desta análise pode-se concluir que as fendas afectam as frequências de ressonância em ambos os estados dos interruptores, isto porque no caso do interruptor se encontrar desligado as amplitudes de corrente concentram-se em torno das fendas e no caso ligado atravessam os interruptores no centro destas.
(a) (b)
Figura 3.9 Comportamento da intensidade da corrente total na antena impressa com fendas comutáveis, no mesmo instante: (a) na frequência inferior; (b) na frequência superior.
Os diagramas de radiação no plano E, plano xz phi=0º, encontram-se na Figura 3.10 (a). Em ambas as frequências de ressonância, a largura de feixe a -3 dB corresponde a cerca de 87.6 graus. No caso da frequência inferior (f1), 1.95 GHz, o máximo da componente cruzada encontra-se 20 dB abaixo da co-polarização, enquanto que na frequência superior (f2), correspondente a 2.45 GHz, o valor é de 9.5 dB. A variação brusca do valor dos campos que se verifica aos ±90º, corresponde à posição do plano terra e deve-se ao método de cálculo da ferramenta de simulação.
No plano H, plano yz phi=90º, Figura 3.10 (b), o comportamento dos campos é semelhante ao plano E. A largura de feixe a -3 dB corresponde a cerca de 95 graus nos dois casos. Na frequência inferior (f1), o máximo da componente cruzada encontra-se -19.95 dB abaixo da co-polarização, porém, na frequência superior (f2), a polarização cruzada encontra-se apenas a -9.5 dB da co-polarização. Na frequência inferior de 1.95 GHz a polarização da antena é aproximadamente linear em ambos os planos. No que diz respeito à frequência superior de 2.45 GHz, a polarização linear da antena segundo x deteriora-se na frequência superior. As fendas têm uma maior influência nesta ressonância, deste modo o seu efeito capacitivo é maior neste caso, resultando numa componente cruzada mais elevada.
(a) (b)
Figura 3.10 Diagramas de radiação simulados da antena com fendas comutáveis: (a) Plano E; (b) Plano H.
3.3.3. Resultados experimentais da antena com interruptores ideais Após a fabricação das antenas da Figura 3.11, conforme descrito no Anexo D, foram realizadas as medidas do coeficiente de reflexão da antena e dos diagramas de radiação. Os resultados experimentais do coeficiente de reflexão de impedância de entrada encontram-se na Figura 3.12 e pode-se verificar que existe um desvio na frequência aproximadamente constante para ambas as ressonâncias (entre 1 e 2 %), Tabela 3.2. Estas discrepâncias são justificadas por erros nas escalas horizontais e verticais que foram introduzidas pela impressora utilizada para o fabrico das máscaras, Tabela 3.3. A repetição das simulações da antena utilizando as dimensões do protótipo real passam a apresentar uma melhor concordância de reflexão de entrada, como se pode verificar na Figura 3.13.
(a) (b)
Figura 3.11 Fotos da antena com fendas comutáveis fabricada: (a) configuração aberta; (b) configuração fechada.
UMTS
TDD Bluetooth
Figura 3.12 Coeficiente de reflexão de entrada da antena com fendas comutáveis simulado e medido.
Simulado Medido Desvio
Frequência inferior (F1) 1.95 GHz 1.916 GHz 34 MHz (1.55 %) Frequência superior (F2) 2.45 GHz 2.428 GHz 22 MHz (1%) Largura de Banda (F1) 13 MHz (0.6%) 10 MHz (0.45%) 2 MHz (0.1%) Largura de Banda (F2) 50 MHz (2.3%) 30 MHz (1.36%) 20 MHz (0.9%) Tabela 3.2 Frequências de ressonância e larguras de banda da antena com fendas comutáveis.
Os diagramas de radiação medidos e simulados para a frequência inferior encontram-se na Figura 3.14 e para a frequência superior na Figura 3.15. Como se pode verificar, os diagramas de radiação medidos são bastante concordantes com os simulados, pelo menos até cerca de ±120 graus, limite a partir do qual os valores medidos não são fiáveis, como foi justificado no capítulo anterior. As larguras de feixe a -3 dB mantêm-se inalteradas, havendo apenas uma ligeira subida no valor da componente cruzada da ordem de 2 dB no plano H da frequência inferior e no plano E da frequência de ressonância superior.
Valores resultantes da simulação (mm) Valores após o fabrico (mm) Desvio (%) W 35.52 36.16 1.8 L 35.52 35.68 0.45 Xf 11.85 11.94 0.76 Ls 20.05 20.42 2.24 Ps 29.92 30.03 1.85 Ws 3.19 3.22 0.94
Tabela 3.3 Dimensões ideais e reais da antena com fendas comutáveis.
UMTS
TDD Bluetooth
Figura 3.13 Coeficiente de reflexão de entradao da antena com fendas comutáveis com os valores reais da antena simulados e medidos.
(a)
(b)
Figura 3.14 Diagrama de Radiação da antena com fendas comutáveis para a frequência de ressonância inferior: (a) plano E; (b) plano H.
(a)
(b)
Figura 3.15 Diagrama de Radiação da antena com fendas comutáveis para a frequência de ressonância superior: (a) plano E; (b) plano H.
3.4. Antena Impressa com Elemento Parasita
3.4.1. Descrição
De modo a construir uma antena reconfigurável que funcione nas bandas antes especificadas, Nesta caso temos como que duas antenas impressas quadradas, uma dentro da outra. A antena que consiste numa antena impressa quadrangular que tem uma frequência de ressonância nos 2.45GHz, sendo que a frequência de ressonância dos 1.95 GHz, é efectuada através da ligação de um elemento parasita com o uso de interruptores à antena impressa
quadrada, aumentando assim as dimensões da antena, logo obtém-se uma frequência de ressonância inferior.
Efectuaram-se diversas optimizações de modo a obter um bom coeficiente de reflexão de entrada nas frequências pretendidas e a diminuir a influência do elemento parasita.
(Xf, Yf) C M L Q W tiras de metal y x (a) (b)
Figura 3.16 Antena com elemento parasita: (a) interruptores desligados; (b) interruptores ligados.
3.4.2. Simulação da antena
Começou-se por projectar duas antenas impressas quadradas, cada uma para sua frequência. De seguida, calcularam-se as dimensões que deveria ter a antena quadrada e o elemento parasita e efectuaram-se diversas optimizações de modo a obter as frequências e bandas desejadas, as dimensões finais são indicadas na Tabela 3.4. O substrato utilizado foi o Duroid 5880, com espessura de h=125 mil, sendo o plano terra de 75 mm por 75 mm; o cabo coaxial utilizado é o Ez-141-AL, cujo raio do condutor central é de 0.46 mm e impedância de entrada de 50 Ω. De modo a simular os interruptores ideais, na configuração fechada, são colocadas tiras de metal de 0.5mm por 0.5 mm, nos locais indicados na Figura 3.16 (b)
L=W 37.81 mm xf 12.33 mm yf L/2=18.905 mm M 2.08 mm C 6.35 mm Q 7.30 mm
Tabela 3.4 Dimensões da antena com elemento parasita.
A antena projectada apresenta o coeficiente de reflexão da Figura 3.17, verifica-se que a largura de banda obtida em cada uma das frequências de ressonância é de 50 MHz, ou seja, cerca de 2.54 % para a frequência inferior e 2.04 % para a frequência superior.
A impedância de entrada encontra-se na Figura 3.18, sendo possível verificar que a frequência superior se encontra melhor adaptada ao valor de 50 Ω.
UMTS
TDD Bluetooth
Figura 3.17 Coeficiente de reflexão de entrada da antena com elemento parasita obtida.
UMTS
TDD Bluetooth
(a) (b)
Figura 3.18 Impedância de entrada da antena com elemento parasita: (a) com os interruptores ligados;(b) com os interruptores desligados.
(a) (b)
Figura 3.19 Diagramas de radiação da antena com elemento parasita: (a) plano E – simulado;(b) plano H- simulado.
Na Figura 3.19(a) verifica-se que os diagramas de radiação, no plano E (xz), tanto o da co-polarização como o da polarização cruzada, são bastante similares, existindo uma ligeira assimetria no diagrama de radiação da polarização cruzada para a frequência de 2.45 GHz. A largura de feixe a -3 dB é cerca de 80 graus para ambas as frequências. O máximo da polarização cruzada encontra-se cerca de 40 dB abaixo da co-polarização.
Na Figura 3.9 (b) encontram-se os diagramas de radiação para o plano H (yz), estes também são bastante similares sendo a largura de feixe a -3 dB, também cerca de 80 graus. O máximo da polarização cruzada encontra-se cerca de 30dB abaixo da co-polarização no caso da frequência inferior e cerca de 22 dB abaixo para a frequência superior.
Na Figura 3.20(a) encontra-se a representação das correntes no mesmo instante temporal na configuração aberta; é possível verificar que as correntes são mais intensas na antena impressa do que no elemento parasita dado que este não é alimentado. Na Figura 3.20(b), as correntes são mais intensas junto dos interruptores devido ao fluxo de corrente para o elemento parasita.
(a) (b)
Figura 3.20 Correntes da antena com elemento parasita para o mesmo instante:(a) configuração aberta;(b) configuração fechada.
3.4.3. Resultados experimentais
Depois de fabricadas as antenas da Figura 3.21, foram efectuadas as medições já descritas anteriormente, da medição do coeficiente de reflexão de entrada e dos diagramas de radiação.
Os resultados obtidos para as duas antenas encontram-se descritos na Figura 3.22 e na Tabela 3.5. Verifica-se que para a banda inferior a frequência de ressonância se encontra exactamente no valor projectado, no entanto a largura de banda diminuiu cerca de 2.72%, em relação ao simulado. Para a frequência superior verifica-se um deslocamento de 30 MHz (1.36%) e a largura de banda diminuiu 1.8%.
