As redes 5G buscam oferecer maiores taxas de transmissão, além de comunicação de baixa latência e confiável (Figura 1). Para suportar a grande demanda do tráfego, é preciso desenvolver modelos de antenas com maior banda e/ou diretividade. Nesse artigo, temos os exemplos de dois trabalhos que elaboraram antenas de microfita para atender as demandas da tecnologia 5G.
Figura 1 - Aplicações para o 5G.
Rede de Antenas Impressas Faixa Larga com Diagrama de Irradiação Reconfigurável para Aplicações em 5G
O trabalho apresentado pelo aluno Carlos, propõe uma rede de antenas impressas faixa larga capaz de prover beamforming em 5G NR operando de 3,3 GHz à 3,8 GHz. Para a constituição da rede, foi criado um modelo numérico de uma antena de microfita retangular.
A antena de microfita (ilustrada na Figura 2) é formada por dois elementos condutores metálicos, o elemento irradiador (na cor amarela) e o plano terra (na cor preta), separados por um material dielétrico com permissividade elétrica do material εr e altura h. O formato retangular é o mais simples. Nele deve-se determinar duas variáveis importantes: a largura W e o comprimento L do elemento irradiador.
Figura 2 - Antena de microfita retangular.
A alimentação da antena projetada é feita por linha de transmissão impressa. A Figura 3 ilustra as variáveis que foram determinadas para se chegar a um modelo numérico da antena, construído no simulador Ansys Electronics Desktop. A simulação mostrou o gráfico da resposta em frequência da impedância de entrada, com a frequência de ressonância da antena em 3,5 GHz (Figura 4). O ganho da antena ficou em 7,6 dBi.
Figura 3 - Descrição das variáveis do modelo numérico da antena de microfita retangular.
Figura 4 - Resposta em frequência da impedância de entrada
Para transformar a antena de microfita em faixa larga, o projetista reduziu o plano terra e arredondou os vértices inferiores do elemento ressonador (Figura 5). Com o plano terra truncado, o ganho reduziu para 1,4 dBi na frequência de 3,5 GHz. Já, com o o plano de terra truncado e os vértices arredondados, o ganho foi de 3,5 dBi, 3,2 dBi e 2,5 dBi para, respectivamente, 3,3 GHz, 3,5 GHz e 3,8 GHz.
Figura 5 - Arredondamento dos vértices inferiores da antena com o plano de terra truncado.
Por fim, o trabalho apresenta uma análise da rede configurada com duas e quatro antenas. Mostrando os resultados da resposta em frequência e o comportamento do diagrama de irradiação de ganho para as duas redes. Foi possível controlar a direção da irradiação pela diferença de fase entre as correntes que excitam cada antena, característica importante para antenas aplicadas ao 5G, já que assim é possível oferecer sinal a usuários em deslocamento e ao mesmo tempo ter valores elevados de diretividade. Além disso, para a rede de quatro antenas, foi possível obter ganhos maiores que 10 dBi.
Antena de microfita de alto ganho e faixa larga operando nos modos TM30 e TM50
Outro projeto de antena 5G realizado na UFU, Campus Patos de Minas, foi o do aluno João Pedro Pereira de Nicolai. A antena projetada por ele também foi feita para operar na frequência de 3,5 GHz e desejou-se, também, um ganho superior à 10 dBi e uma banda de ao menos 5% da frequência central de operação, para contribuir melhor com outros trabalhos de antenas para o 5G. No entanto, para aumentar o ganho e a largura de banda, o autor propôs a operação simultânea nos modos TM03 e TM05, por meio da adição de duas fendas no elemento irradiador (Figura 6). As fendas provocam uma perturbação na distribuição de campo, aproximando as frequências de ressonância dos dois modos e criando uma única banda de operação, com faixa mais larga. Além disso, a adição das fendas, com comprimento, largura e posição corretamente definidos, reduz os lóbulos laterais do diagrama de irradiação de diretividade, maximizando o ganho.
Figura 6 - Ilustração das vistas superior e lateral da antena proposta
Por fim, o trabalho indicou cinco modelos potenciais para a antena, em que cada um pode contribuir com maior banda ou maior ganho.
Confira os trabalhos completos no repositório da UFU:
https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36577 - Rede de Antenas Impressas Faixa Larga com Diagrama de Irradiação Reconfigurável para Aplicações em 5G
https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/35459 - Antena de Microfita de Alto Ganho e Faixa Larga Operando nos Modos TM30 e TM50