TCC: Antena de Microfita de Alto Ganho e Polarização Dupla para Operação em Redes Celulares 5G.
- Victor Manoel Araújo
- há 5 dias
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Discente: Matheus Alves Ferreira
Orientador: Prof. Dr. Renan Alves dos Santos
Título: Antena de Microfita de Alto Ganho e Polarização Dupla para Operação em Redes Celulares 5G.
Esse Trabalho de Conclusão de Curso foi feito pelo Matheus Alves Ferreira onde foi apresentado o projeto de uma antena de microfita de alto ganho e polarização dupla operando no modo de quinta ordem TM500, para aplicação em redes celulares de quinta geração (5G) nas faixas de frequência de 3,5GHz. Para tal, tem-se o projeto baseado em uma antena de microfita formada pela sobreposição de modo original de dois elementos ressonadores retangulares, com adição de quatro fendas retangulares simétricas (duas em cada ressonador).
Introdução
As telecomunicações são algo intrínseco na natureza do ser humano, estando em constante evolução para atender as necessidades de uma sociedade completamente dinâmica e conectada. Um grande exemplo disso são as comunicações móveis que surgiram e se modificaram em cinco gerações nas últimas quatro décadas.
As quatro primeiras gerações de comunicações móveis (conhecidas popularmente como 1G, 2G, 3G e 4G) evoluíram da transmissão de apenas de sinais analógicos de voz para acesso banda larga com taxas de dados de pico de até aproximadamente 100Mbps para acesso móvel de alta mobilidade e até aproximadamente 1Gbps para acesso de baixa mobilidade. Entretanto, a necessidade não apenas de conectividade de alta velocidade, mas também de uma ampla gama de novos serviços previstos para serem habilitados pelas futuras comunicações móveis, levou ao desafio de propor a quinta geração da telefonia móvel celular (5G).
O 5G envolve muitas áreas de atuação. A tecnologia não se trata apenas da evolução da rede 4G, mas sim da criação de novos serviços de telecomunicações. Por esse motivo, tem-se muitas áreas de trabalho, das quais pode-se citar projetos de dispositivos de radiofrequência e micro-ondas.
Neste contexto o objetivo geral deste trabalho é projetar uma antena de microfita de dupla polarização para operação em redes celulares 5G NR na faixa de 3,5GHz tendo como referência um artigo base. Para tal, tem-se como métrica principal que o ganho na direção de máxima irradiação (para a frequência de 3,5GHz) de ao menos 11,5dBi e que em toda a banda seja de ao menos 10dBi.
Antena de microfita com polarização dupla operando no modo TM500 com fendas no elemento ressonador
Basicamente, a estrutura é formada por dois condutores, o elemento ressonador em vermelho e o plano de terra em preto e por um dielétrico em cinza, todos estes mostrados na figura 1. Além disso, tem-se a alimentação feita via sonda coaxial, que pode ser um conector do tipo SMA. Os condutores geralmente são de cobre e possuem espessura muito fina, na casa de alguns micrômetros. O dielétrico possui uma espessura h (geralmente esses valores são pré-definidos pelos fabricantes), uma permissividade dielétrica relativa εr e uma tangente de perdas tan(δ) (valor esse ligado a condutividade de material que é pequena, porém não nula). É importante destacar que quanto maior for tan(δ) maiores são as perdas no dielétrico (dissipação da energia por efeito Joule), levando a eficiência de irradiação menores, o que impacta no ganho da antena.
Figura 1 - Antena referência.
O modelo final da antena do artigo de referência (figura 2(c)) é dimensionado a partir de três etapas. Primeiramente, parte-se de uma antena de microfita retangular para operação no modo TM500 (figura 2(a)), em que as variáveis de projeto (apresentadas na tabela 1) são a largura (W) e comprimento (L) do elemento ressonador, a largura (Wd) e o comprimento (Ld) do dielétrico e a distância da posição de alimentação (Lp). Na sequência são adicionadas duas fendas simétricas no ressonador (Figura 2(b)), em que são acrescentadas as variáveis de projeto largura (Ws), comprimento (Ls) e distância entre as fendas (Ds). Por fim, conforme a Figura 2(c), para chegar ao modelo final é feito a sobreposição de duas antenas (Figura 2(b)) de modo ortogonal, onde P1 e P2 representam as posições em estão situadas as duas sondas coaxiais de alimentação.
Figura 2 - Etapas de desenvolvimento da antena referência.
Tabela 1 – Valores das variáveis da antena do artigo de referência.
Reprojeto da antena para a faixa de 3,5GHz
Após uma validação dos resultados da antena referência, o passo seguinte foi reprojetar a geometria dessa antena para a faixa de frequência de 3.5GHz. Para tal, definiu-se uma parametrização para as variáveis de projeto em função de L, de modo a manter a proporcionalidade da geometria, com base nos valores originais do artigo, chegando à W = 0,453L, Ld = Wd ≅ 1,419L, Lp ≅ 0,094L, Ws ≅ 0,032L, Ls = 0,325L e Ds = 0,409L. Outro fato importante no reprojeto é a escolha correta dos laminados dielétricos, sendo definido para esse projeto o substrato RT/duroid® 5880 com tan(δ) = 0,0009 com o objetivo de melhorar o ganho.
Para o reprojeto, definiu-se a estratégia de dimensionamento em relação ao modo fundamental TM100. Com o desejo de reprojetar a antena para operar na faixa de 3,5GHz chega-se à um L ≅ 105,81mm.
Para estes valores e mudanças foi constatada a inexistência de banda de operação da antena, que ocorreu principalmente pela mudança do substrato, este que altera a impedância de entrada da antena e fez com que ocorresse esse problema.
Para corrigir o problema foi feita uma análise do campo elétrico para o modo TM500, o que permitiu definir um ponto de inserção das sondas coaxiais que leve ao casamento de impedâncias. A partir das análises feitas utilizando o software Ansys Electronics Desktop, empregando o método dos elementos finitos no módulo de simulação HFSS, chegou-se a posição de inserção das alimentações como sendo Lp≅0,15L≅15,87mm.
Com um leve incremento em no valor de L para corrigir um problema de deslocamento das frequências, chegou-se aos seguintes valores das variáveis:
Tabela 2 – Valores das variáveis da antena apenas com as dimensões recalculadas para a faixa de 3,5GHz.
Com as variáveis recalculadas, analisou-se numericamente a geometria no simulador Ansys Electronics Desktop. Então, para atestar a validade do projeto, quantificou-se o coeficiente de reflexão, o ganho em função da frequência e os diagramas de irradiação.
Figura 3 - Coeficiente de reflexão em função da frequência.
Conforme demonstrado na figura 3 acima, a antena opera de 3,47GHz à 3,53GHz, com uma banda percentual de 1,71% da frequência central de operação, que é de 3,5GHz. Validando em termos de banda o projeto proposto no trabalho.
Figura 4 - Ganho na direção de irradiação máxima em função da frequência.
Nota-se na figura 4 que para a frequência de operação do projeto o ganho na direção de máxima irradiação é 12,3dBi na polarização x para a porta 2 e na polarização y para a porta 1. Isso demonstra a validade da operação em polarização dupla e que a mudança no substrato garantiu um aumento no ganho de cerca de 0,74dB em relação à antena do artigo referência.
Figura 5 - Diagramas de irradiação da antena.
Observa-se na figura 5 que o formato da irradiação se altera em um mesmo plano ao mudar a porta de alimentação. Destaca-se também que a antena apresenta ganho na direção de máxima irradiação de aproximadamente 12,3dBi e que os lóbulos laterais se mantém cerca de 11,2dBi abaixo que o valor da máxima irradiação.
Conclusão
Esse trabalho de conclusão de curso apresentou o projeto de uma antena de microfita com características potenciais para aplicação em redes celulares 5G NR para a faixa de frequência 3,5GHz. Acredita-se que além do modelo final apresentado, destaca-se como importante contribuição do trabalho a formulação de uma metodologia que permite o reprojeto desta antena para outros materiais e faixas de frequência.
Com os resultados apresentados acredita-se que esse trabalho de curso atendeu com a sua proposta. Isso se dá, pois, além de obter uma antena com as características esperadas para o 5G NR operando em 3,5GHz, apresentou-se uma metodologia de projeto que permite que outros trabalhos possam ser desenvolvidos a partir desse.
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