Título Completo: Arranjo Linear de Antenas Impressas Faixa Larga com Diagrama de Irradiação Reconfigurável em Função da Frequência Para Aplicações em 4G e 5G.
Orientado: Gustavo Pichioni Rezende
Categoria: antenas de microfita
Data de Conclusão: 2022
Link: Repositório UFU
Antenas são partes fundamentais em qualquer sistema de telecomunicações, pois exercem a função de ser um elo entre dois pontos que desejam se comunicar sem a presença de fios. Dado o fato de que na atualidade, existem tecnologias como os smartphones e as redes de internet 4g e 5g, além das fibras ópticas, que nos permitem comunicar instantaneamente com pessoas do outro lado do país ou até do mundo, desenvolver e avançar as tecnologias de simulação e desenvolvimento dessas antenas é algo de suma importância na vida contemporânea.
Mas não é somente no ramo das telecomunicações que as antenas são utilizadas, já que não existe uma comunicação sem fio entre um controlador e um robô ou um drone sem que haja uma antena para irradiar uma onda eletromagnética no espaço e outra para receber a versão degradada do sinal.
Um tipo de antena comumente destacado são as antenas de microfita, que são compostas de um elemento irradiador, por onde a corrente elétrica passa, possibilitando a transmissão, um substrato, que é uma camada não condutora inferior ao elemento irradiador servindo de base para a antena, e o plano terra que serve para impedir a propagação de ondas em direções não desejáveis. Esse destaque se deve ao seu baixo custo de produção, possibilidade de ligação com circuitos em PCB, design razoavelmente simples e também aplicabilidade em diversas áreas.
No projeto de antenas de microfita, existem os mais diversos tipos de geometrias e configurações para alimentação da antena, existindo desde antenas retangulares e circulares, até antenas com padrões fractais, como mostrado na Figura 1.
Figura 1 - Antena de microfita com padrão fractal.
O trabalho desenvolvido aqui na UFU Campus Patos de Minas pelo aluno Gustavo Pichioni busca justamente a melhora em antenas para as frequências da faixa de micro-ondas, projetando um arranjo linear de antenas de microfita com diagrama de irradiação reconfigurável, tanto para tecnologias de comunicação móvel 4G e 5G.
Para esse projeto, foi utilizado o conceito de antenas de ondas vazadas, o que significa que se trata de uma antena cuja onda eletromagnética propagada no espaço não é completamente confinada em apenas uma direção, sendo irradiada gradativamente em direções diferentes conforme desejável. Sua geometria é retangular com arredondamento de vértices, sendo que tal prática é feita para melhora do fator de mérito da antena.
Uma abordagem bem simples e eficiente para o projeto desse tipo de irradiador consiste então em montar uma rede composta por n antenas de microfita, sendo necessário calcular uma distância d entre cada elemento irradiador nesse caso, conforme mostra a Figura 2.
Figura 2 - Arranjo com n antenas de microfita.
Fonte: O autor.
Um estudo de redução do plano terra foi efetuado no trabalho, com o intuito de reduzir transições abruptas no entorno da frequência de ressonância da antena. Observou-se que o melhor resultado dentre reduções foi obtido ao se reduzir o plano terra de modo que esse elemento irradiador fique apenas sob a linha de alimentação (m = 0), conforme a Figura 3. Nota-se também que parte imaginária da impedância não tem uma transição tão abrupta no entorno da frequência, além de manter a impedância de entrada próxima a 50 Ω.
Figura 3 - Melhor caso de redução do plano terra.
Fonte: O autor.
Outra técnica implementada no trabalho foi o arredondamento dos vértices inferiores do elemento ressonador, algo bem simular a estratégia utilizada em cornetas eletromagnéticas, possibilitando uma transição mais suave entre o guia de onda e o espaço ilimitado, minimizando reflexões. O valor ótimo obtido nesse estudo foi obtido ao se utilizar uma constante de arredondamento desses vértices n como n = 0.5, ou seja, com o valor do raio do circulo criado com o arredondamento do vértice igual a metade do valor de W, conforme mostrado na Figura 4.
Figura 4 - Valor ótimo para arredondamento de vértices do elemento ressonador.
Fonte: O autor.
Dessa forma, utilizando os estudos mostrados anteriormente, criou-se um arranjo linear dessas antenas com o plano terra reduzido e os vértices arredondados com 2 elementos, o que validou os estudos e mostrou bom desempenho, melhorando a largura de banda em 57.8%, além de permitir a reconfiguração do diagrama de irradiação em função da frequência de operação. Outro arranjo, dessa vez com 3 elementos também foi elaborado, a fim de suprir deficiências do anterior, principalmente na faixa do 5G. Foi obtida uma melhora na largura de banda de 52.4%.
Como propostas futuras para o trabalho, é possível substituir o plano terra por uma estrutura coplanar, melhorando ainda mais o desempenho, e também utilizar a metodologia de fabricação proposta para desenvolver antenas em outras faixa de velocidade maior do 5G, como por exemplo 26 GHz.