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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