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TCC: Antena de Microfita em Forma de Cruz de Alto Ganho e Polarização Dupla para Aplicações em 5G.

Foto do escritor: Victor Manoel AraújoVictor Manoel Araújo

Discente: Andreus Emanuel Saldanha de Deus

Orientador: Prof. Dr. Renan Alves dos Santos

Título: Antena de microfita em forma de cruz de alto ganho e polarização dupla para aplicações em 5G.


 

Esse Projeto Final de Curso desenvolvido pelo Andreus Emanuel Saldanha de Deus apresenta uma antena de microfita de dupla polarização e alto ganho, projetada para operar em redes celulares de quinta geração (5G), na faixa de frequências no entorno de 3,5GHz. O projeto é composto de uma antena de microfita com elemento ressonador em formato de cruz, com duas alimentações, operando no modo TM30.


Introdução


As características de serviços e lazer da sociedade atual produzem uma demanda cada  vez  maior  por  maior velocidade de transmissão de dados e maior capacidade de canal dos sistemas de comunicação móvel. Graças a isso, em comparação com as redes de telefonia móvel existentes, espera-se que a rede de quinta geração (5G) forneça um desempenho significativamente melhorado, principalmente no que diz respeito à maiores taxas de dados. Entretanto, para  suprir a demanda dessa nova tecnologia faz­-se necessário a evolução dos  sistemas e dispositivos utilizados nessas redes. 

Por se tratar de uma tecnologia  de  comunicações  móveis,  não  há  dúvidas que  as  antenas são um dos dispositivos que requerem maior atenção no que diz respeito aos dispositivos utilizados na tecnologia 5G. Dentre as inúmeras geometrias possíveis de antenas, uma  classe  que  tem  que ser  muito  estudada  é a que possui a capacidade de operar em polarização dupla. Isso se dá, pois,  antenas duplamente polarizadas são soluções em potencial para aumentar a capacidade do canal, uma vez que podem transmitir e receber sinais em duas polarizações com alta isolação, dobrando assim a capacidade transmissão. 

Neste contexto, o desenvolvimento deste projeto  final  de  curso consiste  em estudar, reproduzir e reprojetar para a faixa de frequências no entorno de 3,5GHz a antena de microfita(MPA) referência. Para a reprodução e reprojeto, utilizou-se o programa de  simulação  numérica  Ansys  Electronics  Desktop,  em  que  as  análises  foram realizadas no  módulo simulador  de  estrutura  de  alta  frequência (HFSS do inglês High-Frequency Structure Simulator).


Antena Referência


O desenvolvimento da geometria apresentada no artigo base será ilustrada de acordo com o desenvolvimento abaixo. É importante destacar que cada um dos modelos foi alimentado via sonda coaxial, na qual (ou  nas quais dependendo do modelo) a impedância característica Zo = 50Ω. Vale frisar também que todos os modelos foram alimentados a uma distância d do centro do elemento ressonador,  essa posição é necessária para realizar o casamento de impedâncias entre a entrada da antena e  Zo. Em resumo tem-se: 


(a) Modelo 1: MPA retangular convencional operando no modo TM30, projetada no laminado dielétrico F4BME220 com permissividade εr = 2,2, tangente de  perdas tan(δ) = 0,0007, espessura h = 1,5 mm, comprimento Ld e largura Wd. Tem­-se um elemento ressonador com comprimento L e largura W e plano de terra com mesma largura e comprimento do laminado. Essas partes são de  cobre com espessura de 18μm. 


Figura 1 - Modelo 1. 


(b) Modelo 2: MPA retangular com geometria projetada a partir do modelo 1,  em  que  são retiradas de  partes do centro do elemento ressonador, com o objetivo de incrementar  o  ganho e reduzir o nível de lóbulos laterais em relação ao modelo 1. São retiradas quatro partes dessa geometria,  em que  esses cortes são dimensionados por um comprimento S e uma largura Ws. 

Figura 2 - Modelo 2.


(c) Modelo 3: MPA com geometria projetada a partir do modelo  2, em que é  inserido outro elemento  ressonador de maneira ortogonal ao  que já existe. Esse segundo elemento ressonador compartilha dos cortes já existentes no primeiro. Dessa forma, o ressonador  da  antena passa  a  possuir  quatro  ressonadores  quadrados, de  lados  W2,  ligados  por  uma cruz com comprimentos S e larguras Ws. Assim, a antena agora é semelhante  a uma  rede  de  quatro  MPAs  operando  no  modo  TM10,  de  forma  que  tem-se  incremento  no  ganho  e redução  do nível  de lóbulos laterais  em  relação  ao  modelo 2. 


Figura 3 - Modelo 3.


(d) Modelo 4: MPA com geometria projetada a partir do modelo  3, em que é  inserida  uma  segunda porta  de  alimentação,  com  posição  ortogonal  à  já  existente. Desse modo a MPA passa a poder operar nos modos TM30 quando  o sinal está relacionado à Porta 1 e ao TM03 quando está relacionado à Porta 2. Assim, tem-se a operação em dupla polarização, uma linear na direção  x (Porta 1) e outra linear na direção y (Porta 2). 


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


Subdividiu-se esse desenvolvimento em duas partes, em que a primeira é o reprojeto baseado na parametrização da geometria e a segunda parte é a otimização numérica dos valores das variáveis que compõem a antena, tendo em vista adequar as dimensões aos resultados esperados.

Utilizou-se a estratégia de parametrizar as variáveis que compõem a geometria da antena em função de L para reprojetar a antena para operar na faixa de frequência  no entorno de 3,5 GHz. Assim, partindo dos valores das variáveis que compõem a antena base  e conforme apresentado  na  Tabela 1, pode­-se escrever W =  0,368L,  Ld =  1,324L, Wd = 1,324L, d = 0,471L, S = 0,353L, Ws = 0,0294L e W2 = (L − W)/2= 0,316L. 

Para calcular o novo valor de L adotou-se a técnica de cálculo a partir da proporcionalidade em comparação a uma antena convencional operando no modo  fundamental  (TM10). Com o desejo de reprojetar a antena para operar na faixa de 3,5GHz chega-se à um L ≅ 91,63  mm.

Além desse estudo em relação a variável L, foi feito um estudo em relação a variável d com o intuito de melhorar o casamento de impedâncias e um segundo estudo da variável L, para centralizar a operação em 3,5GHz, e mantendo uma melhor condição de operação baseado no estudo da variável d.

Com os estudos realizados chegou-se aos valores das variáveis da antena proposta  que levam aos resultados desejados. Assim, tem-se L  ≅ 93,25 mm e, consequentemente, W ≅ 34,32 mm, Ld ≅ 123,46 mm, Wd ≅ 123,46 mm, d ≅ 41,03 mm, S ≅ 32,92 mm, Ws ≅ 2,74 mm e W2 ≅ 29,47 mm. Dessa forma, é possível realizar uma análise  mais detalhada dos resultados da antena com essas dimensões.

A  Figura 5 apresenta a análise dos parâmetros S do modelo final da MPA  reprojetada. Observa-se a largura de  faixa para o  |S11| ≤ −10 dB de 3,48 a 3,52 GHz, o que  representa uma banda percentual de 1,14% da frequência central de operação. Além disso, tem-se |S21| < −40 dB em toda a banda, o que indica alta isolação entre as portas.


Figura 5 – Resposta em frequência dos parâmetros S do modelo final MPA reprojetada.


A Figura 6 apresenta a resposta em frequência do ganho realizável na direção de  máxima irradiação do modelo final da MPA reprojetada. Observa-­se, como esperado, que ao trocar a porta que está excitada tem­-se à inversão das polarizações diretas e cruzadas,  sendo que em ambos os casos é observada XPD > 40 dB na banda de operação, valor  esse  que  assume  42,98  dB  em  3,5  GHz.  


Figura 6 – Resposta em frequência do ganho realizável do modelo final MPA reprojetada.


A Figura 7 apresenta os diagramas de irradiação de ganho realizável na direção de  máxima irradiação do modelo final da MPA reprojetada na frequência de 3,5 GHz. Ao trocar  a porta que está alimentada tem­-se à inversão das polarizações diretas e cruzadas, mantendo XPD > 42 dB. Além disso, tem­-se GR ≅ 12,7 dBi na direção de máxima  irradiação e SLL ≅ 17,28 dB.


Figura 7 – Diagrama de irradiação de ganho realizável do modelo final MPA reprojetada.


Conclusão


Neste projeto final de curso foi apresentado o desenvolvimento de uma  antena de microfita com polarização dupla e de alto ganho, capaz de operar em aplicações do 5G na faixa de frequências no entorno  de 3,5 GHz. Destacando uma contribuição importante deste trabalho que foi a apresentação de uma metodologia que permite o reprojeto dessa antena para outras condições.

Primeiramente, destaca-­se que as métricas  a  serem  alcançadas  são  baseadas  nos  resultados  apresentados  no artigo base.  Nesse  caso, tem-­se  a  análise  em  termos  de  diretividade,  ganho realizável, largura de faixa, relação entre lóbulo principal e  secundários, isolação e discriminação de  polarização  cruzada.  Observa­-se  que a  antena  proposta  tem  muita  similaridade  com  a do  artigo  de  referência,  destacando  que em parâmetros extremamente importantes como GR, isolação e XDP, o modelo final apresenta valores superiores ao artigo base.


Tabela 2 – Estudo comparativo entre o artigo de referência principal e o modelo final reprojetado.


A partir dos resultados apresentados, acredita-se que o trabalho atingiu seus objetivos. Dessa forma, tem-se uma antena compacta com excelentes resultados que a credenciam a operar em redes celulares 5G no cenário brasileiro.


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