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TCC: Rede de Antenas de Microfita com Beamforming 2D para Redes de Celulares 5G

Discente: Milene Rodrigues Almeida

Orientador: Renan Alves

Título: Rede de Antenas de Microfita com beanforming 2D para redescelulares 5G

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O TCC da graduada Milene Rodrigues Almeida, do curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações, pela UFU no campus Patos de Minas, propõe neste trabalho de conclusão de curso, propõe-se o desenvolvimento de uma rede de antenas de microfita com a aplicação da técnica de beamforming 2D para atuar em redes de celulares de quinta geração (5G).


INTRODUÇÃO


As redes celulares passaram por grande evolução desde a sua concepção e implantação. A cada geração novos conceitos foram sendo criados para atenderem demandas específicas. Com isso, novos elementos de infraestrutura e dispositivos, como por exemplo antenas, foram sendo desenvolvidos e otimizados. Isso se deve, principalmente, pela utilização massiva desse sistema.

Em 2012 a ITU deu início a criação de critérios para a o 5G, sendo que após diversos relatórios elaborados pelo 3GPP, em 2020 foi apresentado o relatório final, denominado Telecomunicações Móveis Internacionais - 2020 (IMT–2020), que estabeleceu regras para a implementação dessas redes. No IMT–2020 foram apresentados, entre outras coisas, os cenários de uso para o 5G, sendo divididos em Banda Larga Móvel Aprimorada (eMBB – Enhanced Mobile Broadband), Comunicações Ultraconfiáveis e de Baixa Latência (URLLC – Ultra Reliable Low Latency) e Comunicações Massivas do Tipo Máquina (mMTC – Massive Machine Tipe Communication).

Os três cenários descritos não pretendem cobrir todos os casos de uso possíveis, todavia, fornecem um agrupamento relevante da maioria dos casos de uso atualmente previstos.

A maioria dos projetos encontrados na literatura sobre antenas com capacidade de prover beamforming tratam-se de dispositivos capazes de apresentar a variação de feixe irradiado em apenas uma direção.


ANTENA DE MICROFITA QUADRADA ALIMENTADA POR LINHA DE MICROFITA


As antenas de microfita consistem em estruturas planares que podem assumir diversas configurações. A mais simples e mais usada é denominada antena de microfita retangular, que basicamente é composta por três parte: uma fita condutora fina retangular (com espessura muito inferior ao comprimento de onda no vácuo (λo)) que atua como elemento irradiador (em vermelho), um substrato ou laminado dielétrico (em cinza) e um plano de terra geralmente de mesma espessura do elemento irradiador (em preto).



Rede 2×2 de antenas de microfita para 28 GHz

Rede 2×2 sem acoplador


O primeiro passo do projeto deste trabalho de conclusão de curso é a análise numérica da rede de antenas apresentada no artigo de referência principal. Entretanto, iniciou-se a análise da geometria sem os acopladores. Os coeficientes de reflexão, de transmissão e a largura de banda foram levantados para dada frequência. A figura a seguir representa o resultado na simulação dos coeficientes de reflexão e de transmissão.

Acoplador


Análise numérica do acoplador de modo isolado. Para quantificar o funcionamento do acoplador analisou-se os parâmetros S. Nesse contexto tem-se como métricas o casamento de impedância dos acessos, os módulos dos coeficientes de transmissão e a fase entre as portas 3 e 4. A resposta em frequência pode ser observada na figura que se segue.


Rede 2x2 com acoplador


Foi feita a análise numérica da rede de antenas e do acoplador de forma isolada. A figura a seguir representa os coeficientes de reflexão e transmissão da rede de antenas com acopladores.


As mesmas análises foram feiras para uma rede de antenas 2x2 operando a 26 GHz como podem ser observados nas figuras a seguir.


CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÃO


Os resultados obtidos a partir do reprojeto em 26 GHz foram satisfatórios, visto a resposta em frequência do coeficiente de reflexão, resultando em casamento de impedância em toda a banda, já que Snn[dB] ≤ −10 dB, além do ganho na direção de máxima irradiação, que manteve fidelidade com resultados do projeto em (7), o qual o valor máximo de ganho atingido foi de 10,2 dBi, assim como o ângulo de variação do beamforming, que possui variação da direção de máxima irradiação de até 36°. Logo depois, foi feito o projeto da rede de antenas em 26 GHz com a implementação dos pinos de curto-circuito. Com isso, apenas os ressonadores foram redimensionados e obteve-se resultados satisfatórios visto que o fator principal de análise foi o aumento do ganho. Da mesma forma, analisou-se a resposta em frequência do coeficiente de reflexão, onde se observou o casamento de impedância em toda a banda já que Snn[dB] ≤ −10 dB. Além disso, analisou-se o máximo ganho obtido na direção de máxima irradiação de 12,5 dBi, mas também, outra possível análise seria de forma comparativa com os resultados obtidos a partir da estrutura do reprojeto que aumentou aproximadamente em 3 dBi, já que na configuração 10 a variação de ganho foi de 2,8 dBi. Ademais, analisou-se o ângulo de variação do beamforming, que possui variação da direção de máxima irradiação de até 32°. Visto isso, os resultados estão condizentes com os estudos em teoria, além de que foram satisfatórios numericamente.

Conclui-se que a partir da fundamentação apresentada, foram atendidos os critérios esperados para o trabalho de conclusão de curso. Assim, tem-se a proposta de uma rede de antenas que engloba vários conceitos de curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações, além do trabalho possibilitar conhecimentos de diversos novos conceitos. Por fim, o projeto proposto representa uma contribuição significativa em termos de rede de antenas aplicadas ao futuro das comunicações sem fio.

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