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RESULTADOS COMPARATIVOS

5.1 _{– Introdução}

Neste capítulo são apresentados os resultados comparando simulações e medições para a perda de retorno (S11), considerando as

diversas configurações de antenas investigadas. O projeto dessas antenas inicia a partir de um modelo padrão de antena patch com formato triangular, alimentado por linha de microfita, sobre o substrato (Rogers RT6010) de permissividade relativa de 10,5, espessura de 0,127 cm e plano de terra truncado com uma reentrância. A forma e dimensões do elemento radiador e do plano de terra truncado podem ser vistos na Figura 5.1.

Figura 5.1 – Dimensões da antena patch triangular padrão desenvolvida neste trabalho.

A partir da teoria de Antenas e com base no estado da arte apresentado no Capítulo 4, a antena foi projetada para trabalhar nas faixas de operação dos padrões IEEE 802.11 b/g/n (2,4 – 2,4835 GHz) e IEEE 802.11 a/n (5,15 – 5,35 GHz e 5,725 – 5,825 GHz).

Inicialmente, foi analisado o parâmetro S11 para a antena sem a FSS,

somente com plano de terra truncado e com reentrância. A Figura 5.2 ilustra a perda de retorno da antena padrão. Pode-se observar três bandas de ressonância para um VSWR menor ou igual a 2 (– 10 dB). Dessas três bandas de ressonância, duas comportam as faixas de operação de interesse que são as faixas de operação dos padrões IEEE 802.11 b/g/n (2,4 – 2,4835 GHz)e IEEE 802.11 a/n (5,15 – 5,35 GHz e 5,725 – 5,825 GHz), destacadas pelas barras cinzas. Sendo que na primeira banda de ressonância obteve-se um bom casamento de impedância tendo a frequência de ressonância de 2,4 GHz atingido – 15 dB. Na terceira faixa de ressonância, obteve-se também um bom casamento de impedância tendo a frequência de ressonância de 5,0 GHz atingido – 25 dB.

Figura 5.2 – Resposta S11 para a antena padrão.

Como forma de otimizar a resposta da respectiva antena foi aplicada uma superfície seletiva em frequência com elementos do tipo patch quadrado em seu plano de terra. As antenas com FSS serão referenciadas como

antena WxTy, em que x e y são as dimensões de W e T em mm. Essas dimensões podem ser visualizadas na Figura 5.3. W é a largura do patch quadrado e T é a distância do início de um elemento ao início do outro, ou seja, é a periodicidade da FSS. O elemento escolhido para a célula individual foi o patch quadrado. Inicialmente, ela foi projetada com as dimensões de W = 5mm e T = 10mm, sobre o substrato dielétrico utilizado na antena padrão. A escolha da geometria se deve ao fato da sua simplicidade, que permite que a mesma seja construída com as técnicas de fabricação utilizadas na UFRN.

Figura 5.3 – Dimensões da antena patch triangular com FSS no plano de terra desenvolvida neste trabalho.

Para obtenção da resposta da FSS foi utilizado o programa computacional comercial Ansoft Designer®. A frequência de ressonância da FSS foi de 13 GHz com uma largura de banda de – 10 dB de aproximadamente 2 GHz, como pode ser observado na Figura 5.4. Para a faixa de operação desejada (2,4 – 5,825 GHz), representada pela barra cinza, a FSS apresentou coeficiente de transmissão maior que – 4 dB, o que fará com que a mesma atue como plano de terra auxiliando na radiação da antena. O interesse do estudo é observar em quais parâmetros da antena a FSS auxiliará. Sendo que o maior interesse é no casamento de impedância e na melhoria da seletividade da antena.

Figura 5.4 – Coeficiente de transmissão para a FSS utilizada como ponto de partida.

5.2 _{– Estruturas Analisadas}

Para se analisar a influência das dimensões físicas do patch quadrado utilizado na FSS, foram implementados 11 modelos computacionais no programa computacional comercial CST. As dimensões W e T foram variadas de um modelo pro outro. A dimensão W, ou largura do patch quadrado, foi variada de 3 a 8 mm, como ilustrado na Figura 5.5. A periodicidade da FSS, T, foi variada de 6 a 10 mm, como ilustrado na Figura 5.6. A quantidade de células nas FSSs foi mantida a mesma, ou seja, cada modelo de antena foi implementado com uma FSS no plano de terra composta de 7 x 6 células, num total de 42 células. Cada antena foi simulada e os melhores resultados são comparados com os da antena padrão. Para esses resultados, além do parâmetro S11 foram obtidos os diagramas de radiação e as cartas de Smith, para que fosse analisada a influência da FSS no desempenho da antena.

Considerando a periodicidade das células da FSS integrada ao plano de terra da antena patch a dimensão T foi variada de 6 a 10 mm e o S11 foi

obtido para cada um dos cinco modelos computacionais. Pode ser observado que a primeira banda de ressonância praticamente não foi alterada quando T variou. Reduzindo T de 10 para 9 mm, ocorreu uma melhora no casamento de impedância, mas a antena deixou de operar na banda superior do padrão IEEE 802.11 a/n (5,725 – 5,825 GHz). Para os demais valores de periodicidade, houve uma piora no casamento de impedância e para os valores de T iguais a 8 e 7 mm a antena também deixou de operar na banda superior do padrão IEEE 802.11 a/n, já para T igual a 6mm, apesar da piora no casamento de impedância, surgiu uma quarta banda de ressonância que permitiu que a antena operasse nas duas bandas do padrão IEEE 802.11 a/n. Com isso, conclui-se que para W = 5mm a melhor periodicidade é de 10 mm. Esses resultados são ilustrados na Figura 5.7.

Figura 5.7 – Comparação entre os resultados obtidos do parâmetro S11 para T variando de 6

Outro conjunto de simulações foi obtido para T fixo igual a 10 mm e variando-se a dimensão W de 3 a 8 mm. O parâmetro S11 foi obtido para

cada um dos seis modelos computacionais. Pode ser observado que todas as bandas de ressonância foram afetadas pela variação de W. Aumentando-se W de 5 para 8 mm, ocorreu uma melhora no casamento de impedância, mas a antena deixou de operar na banda superior do padrão IEEE 802.11 a/n e na banda do padrão IEEE 802.11 b/g/n, ou seja, houve uma grande degradação de desempenho da antena original. Aumentando-se W de 5 para 7 mm, praticamente não ocorreu melhora no casamento de impedância e a antena deixou de operar na banda superior do padrão IEEE 802.11 a/n. Aumentando-se W de 5 para 6 mm, a primeira banda de ressonância não se altera, enquanto que na segunda houve uma melhora no casamento de impedância e um aumento na seletividade da banda. As dimensões de W iguais a 3 e 4 mm não alteraram a primeira banda de ressonância e provocaram uma piora no casamento de impedância para a segunda banda de interesse. Conclui-se que para T = 10 mm o melhor valor de W é de 6 mm ou 5 mm. Os resultados podem ser observados na Figura 5.8.

Figura 5.8 – Comparação entre os resultados obtidos do parâmetro S11 para W variando de 3

A Figura 5.9 ilustra uma comparação entre os resultados simulados para o S11 da antena sem FSS e aqueles obtidos para a antena com uma FSS de W = 5 mm e T = 10 mm. Claramente, pode-se observar que houve uma melhora no casamento de impedância para a segunda banda de ressonância, enquanto que a primeira não se alterou. Notamos ainda uma melhora na seletividade da segunda banda. Assim, notamos que a FSS melhorou não apenas o casamento de impedância, mas também a seletividade da antena.

Figura 5.9 – Comparação entre os resultados obtidos do parâmetro S11 para a antena sem

FSS e com FSS com W = 5 mm e T = 10 mm.

Para comprovar a melhora no casamento de impedância na frequência de ressonância da segunda banda de interesse, foram obtidas as cartas de Smith para a antena sem FSS e com FSS com W = 5 mm e T = 10 mm. A Figura 5.10(a) ilustra a carta de Smith obtida para a antena sem a FSS. A impedância na frequência de ressonância de 5,03 GHz foi de 48,14 . A Figura 5.10(b) ilustra a carta de Smith obtida para a antena com a FSS. A

impedância na frequência de ressonância foi de 49,9 , bem mais próximo do valor desejado de 50 

(a)

(b)

Com o propósito de validar as simulações efetuadas neste trabalho, foram construídas duas antenas uma sem FSS e outra com FSS (W = 5 mm e T = 10 mm). As antenas foram construídas sobre o substrato RT – 6010 da

Rogers Corporation, com permissividade relativa de 10,5 e espessura de

0,127 cm. O propósito das medições foi o de comprovar as melhorias discutidas nas simulações.

A Figura 5.11 compara os resultados simulados com os resultados medidos para a antena sem a FSS. Os resultados medidos apresentaram uma primeira banda de ressonância mais larga que os resultados simulados. Entretanto, ambos os resultados comportam a banda dos padrões IEEE 802.11 b/g/n. Na segunda banda de interesse, os resultados medidos apresentaram duas ressonâncias, mas ambas comportaram as bandas de operação dos padrões IEEE 802.11 a/n. Podemos observar uma boa concordância entre os resultados e ainda que a antena construída é apropriada para operar nos padrões IEEE 802.11.

Figura 5.11 – Comparação entre os resultados simulados e medidos obtidos para a antena sem FSS.

A Figura 5.12 compara os resultados simulados com os resultados medidos para a antena com a FSS. Os resultados medidos apresentaram uma primeira banda de ressonância em total concordância com os resultados simulados, ambos os resultados comportando a banda dos padrões IEEE 802.11 b/g/n. Na segunda banda de interesse, os resultados medidos, assim como para a antena sem FSS, apresentaram duas ressonâncias, mas ambas comportaram as bandas de operação dos padrões IEEE 802.11 a/n. Podemos observar uma boa concordância entre os resultados e ainda que a antena construída é apropriada para operar nos padrões IEEE 802.11.

Figura 5.12 – Comparação entre os resultados simulados e medidos obtidos para a antena com FSS.

CAPÍTULO 6