Discente: Fábio Silva Borges
Orientador: Prof. Dr. Renan Alves dos Santos
Título: Antena de microfita de alto ganho e polarização circular com pinos de curto-circuito para aplicações em 5G.
Esse Projeto Final de curso desenvolvido pelo Fábio Silva Borges possui como proposta apresentar uma antena de microfita de alto ganho, operando no modo fundamental, para as redes celulares de 5G na faixa de 3,5GHz. Em sua geometria são apresentados pinos de curto-circuito para o incremento de ganho e operação em polarização circular, que junto ao seu design compacto demonstra uma antena interessante para aplicações em redes 5G.
Introdução
O avanço das comunicações sem fio, como as redes 5G, exigem a otimização dos sistemas de transmissão, incluindo melhorias em tecnologias e dispositivos com o objetivo de maximizar as taxas de transmissão e ampliar a capacidade do canal de rádio móvel. As antenas, nesse contexto, desempenham um papel crucial. Na literatura atual existem estudos de antenas com características específicas visando aprimorar a eficiência dos canais de comunicação. Dentre essas características, destacam-se a ampliação da largura de banda, o aumento da diretividade e a implementação de sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas. Alguns projetos buscam combinar essas propriedades, como antenas de banda larga com alta diretividade.
Além disso, a polarização das antenas tem recebido destaque no desenvolvimento de redes 5G. Tendo em vista manter a confiabilidade da comunicação em um canal sujeito à mudança de polarização da onda eletromagnética.
Nesse contexto, este trabalho se justifica pelo desejo de contribuir para o avanço das pesquisas sobre antenas no contexto do 5G, oferecendo uma solução otimizada e customizada para o mercado brasileiro. A reprojeção da antena de microfita com polarização circular para a faixa de 3,5 GHz do artigo base, além de proporcionar ganhos práticos, também colabora para a disseminação do conhecimento técnico no desenvolvimento de antenas de alta performance.
Antena referência
As etapas de desenvolvimento da geometria descritas no artigo utilizado como base serão apresentadas na sequência. Destacando que a antena é alimentada via sonda coaxial, com impedância característica Zo = 50Ω. A alimentação é feita a uma distância da borda do elemento ressonador, posição escolhida para garantir o casamento de impedâncias. Em resumo, tem-se:
Modelo 1: Antena de microfita quadrada convencional, projetada no laminado dielétrico RT/duroid 5880 com permissividade εr = 2,2, tangente de perdas tan(δ) = 0,0009 e espessura h = 3,175 mm, com comprimento Ld e largura Wd. Nesse caso, a geometria é formada por um elemento ressonador (metálico e tipicamente de cobre) em que o comprimento L é igual à largura W. Sob o dielétrico tem-se um plano de terra (também metálico e tipicamente de cobre), geralmente com a mesma largura e comprimento do laminado, com espessura que depende do fabricante, mas com valores na ordem de 18 μm ou 35 μm.
Figura 1 - Modelo 1.
Modelo 2: Antena de microfita quadrada com a inserção de quatro pinos de curto-circuito, com raio R, simetricamente posicionados entre o ressonador e o plano de terra, separados por uma distância D.
Figura 2 - Modelo 2.
Modelo 3: Antena de microfita quadrada a com a inserção de oito pinos de curto-circuito, com raio R, simetricamente posicionados entre o ressonador e o plano de terra. Os quatro pinos externos são separados por uma distância D e os quatro pinos internos são separados por uma distância d.
Figura 3 - Modelo 3.
Modelo 4: Antena de microfita quadrada com a inserção de oito pinos de curto-circuito, com raio R, posicionados entre o ressonador e o plano de terra. Os quatro pinos externos são simetricamente posicionados e são separados por uma distância D. Os quatro pinos internos não são simétricos, tendo a diagonal principal separada por uma distância L1 e a diagonal secundária separada por uma distância L2.
Figura 4 - Modelo 4.
Os valores das variáveis destacadas em cada modelo são apresentados na tabela:
Tabela 1 - Valor das variáveis da antena de microfita.
Reprojeto da antena para a faixa de 3,5GHz
O próximo passo deu-se pelo redimensionamento da geometria da antena para operar na faixa de frequência no entorno de 3,5 GHz.
Para o processo de reprojetar a antena, foi adotada a estratégia de dimensionamento das variáveis com base na frequência de ressonância do modo fundamental (TM10). Sabendo que a antena descrita no artigo tem εr = 2,2, h = 3,175 mm e W = 60,00 mm, chega-se à frequência de ressonância no modo fundamental como sendo, aproximadamente, (fr)10 ≅ 1,647 GHz. Para alcançar a operação da antena modificada em 3,5 GHz, é necessário calcular W para (fr)10 ≅ 2,264 GHz. Utilizando o substrato Rogers RT/duroid 5880, com h = 3,175 mm e εr = 2,2, determinou-se então W ≅ 43,10 mm . Em seguida, aplicando a parametrização mencionada anteriormente, foram obtidos os novos valores das variáveis do projeto, conforme mostrado na tabela abaixo:
Tabela 2 – Valores das variáveis da antena com as dimensões recalculadas para a faixa de 3,5 GHz.
Com o intuito de otimizar o modelo projetado foi feito um estudo da variável Δd, tendo em vista a necessidade de melhorar sua razão axial. O deslocamento ∆d acrescido à L1 é o responsável pela perturbação que divide os dois modos degenerados, responsável pela polarização circular.
Sabendo que a variável ∆d calculada foi definida como 0,08W, definiu-se o intervalo de otimização desse parâmetro de 0,085W a 0,105W, em passos de 0,005W, e simulou-se a nova geometria. Desta forma, analisou-se a faixa de frequência de operação a partir das respostas em frequências do coeficiente de reflexão e razão axial, bem como na amplitude do ganho realizável (RHCP). Com isto chega-se aos valores finais para as variáveis que compõem a antena:
Tabela 3 – Valores das variáveis da antena com as dimensões otimizadas para a faixa de 3,5 GHz.
Em questão de resultados foram obtidos excelentes resultados, que estão de acordo com o que foi apresentado no artigo base, além de validar as especificações deste projeto.
Observa-se a partir da figura 5 abaixo que a antena opera de 3,43 GHz a 3,68 GHz (Bw(%) ≅ 7,03%). Ao analisar AR, observa-se que a antena opera de 3,48 GHz a 3,53 GHz (Bw(%) ≅ 1,43%). Observa-se também que o ganho realizável máximo na direção de máxima irradiação ocorre em f = 3,51 GHz, com valor GR = 10,11 dBi.
Figura 5 - Resultados simulados do módulo do coeficiente de reflexão |S11|, da razão axial (AR) e do ganho realizável (RHCP) da antena com as dimensões otimizadas.
A última análise importante da antena com as variáveis otimizadas foi o formato da irradiação. Na Figura 6, tem-se os diagramas de irradiação nos planos xz e yz na frequência de 3,51 GHz. Em primeiro lugar, destaca-se que a máxima irradiação realmente ocorre em +z, onde θ = 0°. Outro ponto relevante é que, conforme apresentado no artigo base, a polarização observada é a circular à direita (RHCP), com alta rejeição à LHCP.
Figura 6 - Diagramas de irradiação da antena com dimensões otimizadas.
Conclusão
Com base nos resultados obtidos, acredita-se que este trabalho de conclusão de curso cumpriu sua proposta. Este trabalho apresentou o projeto de uma antena de microfita com polarização circular e alto ganho, adequada para aplicações em redes celulares 5G na faixa de frequência de 3,5 GHz. Além do modelo final desenvolvido, uma contribuição significativa deste trabalho é a formulação de uma metodologia de projeto que possibilita o reprojeto da antena utilizando diferentes materiais e para outras faixas de operação.
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