Flytdiagram som viser gruppeinndelingen i Matlab
KAPITTEL 4. RESULTATER 32 ved de siste kilometerne i løpet og i siste opp- og nedoverbakke
4.3 Median og Kvartiler
Neste estudo, as antenas de microfita foram divididas em três grupos, variando entre antenas de microfita e antenas ressoadoras dielétricas, assim como a sua
geometria, todas elas utilizando o substrato cerâmico ZPT em sua construção que tem o diferencial de utilizar na sua construção uma cerâmica de alta permissividade, com
permissividade elétrica de εr =16 e baixa tangente de perdas tanδ =0, 01.
Para cada uma das estruturas foram observadas várias respostas dos resultados obtidos. Todos os resultados de simulação foram obtidos com o software HFSS v.11, que utiliza do método dos elementos finitos para a execução dos cálculos. O equipamento utilizado na obtenção dos parâmetros de espalhamento e consequentemente nas medições das antenas foi o analisador vetorial de redes modelo R&S ZVB14.
6.3.1 Estrutura 1: Antena de Microfita com Patch Retangular
A primeira estrutura analisa o estudo de uma antena de microfita retangular excitada por uma linha de microfita, ora já abordada na literatura, disposta sobre um plano de terra.
A Figura 6.1 mostra a antena proposta com as suas respectivas dimensões e a Figura 6.2 apresenta sua estrutura a partir do software de simulação Ansoft HFSS.
O substrato cerâmico possui uma espessura representada por h e um raio representado por a.
As dimensões do patch da antena são representadas por Wp e Lp, que são a largura e a altura, respectivamente. As dimensões representadas por Wa e La, definem as representações da largura e da altura da linha de alimentação, respectivamente. Seus valores são apresentados conforme mostrado na Tabela 6.1.
Figura 6.1: Representação das dimensões da antena de microfita com patch retangular. Substrato cerâmico (a), vista superior (b).
Parâmetros Valores h 1,65 mm a 13,73 mm Wp 14,5 mm Lp 13,6 mm Wa 1,71 mm La 7,79 mm
Figura 6.2: Estrutura da antena de microfita com patch retangular utilizando substrato cerâmico
ZPT simulada no Ansoft HFSS.
Os ensaios de medição foram realizados utilizando uma câmara anecóica, conforme mostrado na Figura 6.3, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, de forma que os resultados apresentados na sequência mostram uma excelente concordância [61-62].
Figura 6.3: Setup de medição da antena de microfita com patch retangular utilizando substrato
A Figura 6.4 mostra uma comparação entre os resultados medido e simulado da perda de retorno, em dB, em função da frequência, para a antena patch retangular confeccionada sobre a cerâmica ZPT.
Figura 6.4: Comparativo da perda de retorno em função da frequência para a antena patch retangular com substrato cerâmico ZPT.
O resultado mostra que a antena possui uma característica de resposta dual-
band, onde a primeira frequência de ressonância (Fr1) apresenta valores simulados e
medidos de 7,43 GHz e 7,32 GHz, respectivamente. Para a segunda frequência de ressonância (Fr2) os valores simulados e medidos apresentados foram de 9,54 GHz e 9,73 GHz, respectivamente.
Os resultados apresentados apresentam uma boa concordância e diante dos resultados explicitados acima, observa-se que a antena possui um bom desempenho, comprovando sua eficiência em aplicações na faixa de micro-ondas e comunicações sem fio. 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 Frequência (GHz) P e rd a d e R e to rn o ( S 1 1 ) Simulação Medição
O resultado de simulação e de medição da antena proposta apresenta largura de banda BW > 1%, para cada uma das frequências de ressonância apresentadas. Apesar das antenas de microfita possuírem diversas propriedades utéis, existe uma limitação séria dessas antenas que é a sua largura de banda estreita. A redução do tamanho da
antena e sua alta permissividade (ε≈ 10), normalmente degradam o seu desempenho em
algum fator, principalmente no que se refere à banda, pois não tende a ser efetivamente larga [59-60]. A Tabela 6.2 abaixo apresenta um resumo dos resultados apresentados.
Parâmetros Simulação Medição
Frequência de Ressonância (Fr1) 7,43 GHz 7,32 GHz Perda de Retorno (S11) -17,2 dB -23,6 dB BW (1) 80 MHz 170 MHz BW % (1) 1,08 % 2,32 % Frequência de Ressonância (Fr2) 9,54 GHz 9,73 GHz Perda de Retorno (S11) -36 dB -20,5 dB BW (2) 180 MHz 70 MHz BW % (2) 1,89 % 0,71 %
Tabela 6. 2: Resultados simulados e medidos para as frequências de ressonância apresentadas para a antena patch retangular com substrato cerâmico ZPT.
As curvas da impedância de entrada em função da frequência medida para a primeira frequência ressonância apresenta um valor de 45,364 Ω , conforme indicação na carta de Smith, mostrada na Figura 6.5, evidenciando assim, um bom casamento de impedância, com valor próximo de 50 Ω .
Figura 6.5: Carta de Smith com representação da frequência de ressonância inferior de 7,32 GHz.
As antenas possuem algumas características que operam de forma associada, tais como taxa de onda estacionária (VSWR), que pode variar com a frequência e seus valores típicos é de VSWR ≤ 2. Conforme o resultado da Figura 6.6, observa-se o valores comparativos do VSWR medido e simulado para a faixa de frequência de 6,2 GHz à 10,2 GHz, onde as frequências de ressonâncias inferior e superior, apresentadas
anteriormente, apresentam valores 2≤ .
Para o resultado medido, os valores de VSWR apresentados para a Fr1 é igual a 1,52 e para Fr2 é igual a 1,44. Para o resultado simulado, os valores de VSWR apresentados para a Fr1 é igual a 1,20 e para Fr2 é igual a 1,44.
Figura 6.6: Comparativo do VSWR medido e simulado para a antena patch de microfita com substrato ZPT.
As características de irradiação para essa antena são mostradas na Figura 6.7 e na Figura 6.8, que apresenta os diagramas de irradiação 2D e 3D para a antena patch retangular com substrato cerâmico ZPT.
Na Figura 6.7 é apresentado o diagrama de irradiação para a diretividade total da
antena de microfita com patch retangular, em dB, nos planos principais φ 0°
= e φ 90°
= .
Na Figura 6.8 observa-se um diagrama de irradiação 3D tem uma característica direcional, sem deformação em seu formato e com máxima concentração de energia na direção broadside. 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Frequência (GHz) V S W R Medição Simulação
Figura 6.7: Diagrama de irradiação 2D da diretividade total para os planos φ =0°e φ =90°para a antena patch de microfita com substrato ZPT.
Figura 6.8: Diagrama de Radiação 3D para o ganho total da antena patch de microfita com substrato ZPT.
6.3.2 Estrutura 2: Antena de Microfita com Patch e Inset-Feed
A segunda estrutura relata o estudo de uma antena de microfita com patch retangular utilizando inset-feed na sua composição.
Na Figura 6.9 pode-se observar uma antena do tipo patch retangular com inset-
feed, sobreposta a um plano de terra completo. A alimentação da antena é feita por linha
de microfita.
A antena possui um patch retangular construído para ressoar na frequência de 7 e 11 GHz, de comprimento (Lp) e largura (Wp), apresentando uma reentrância (inset) de comprimento (y0), e largura (x0), alimentado por uma linha de microfita de comprimento (La) e largura (Wa).
Os valores dos indicativos das medidas para a estrutura proposta é apresentado conforme mostrado na Tabela 6.3.
Figura 6.9: Representação das dimensões da antena de microfita com patch retangular utilizando
Parâmetros Valores h 1,65 mm a 13,73 mm Wp 15,22 mm Lp 13,03 mm Wa 1,71 mm La 8,79 mm y0 4,41 mm x0 1,12 mm
Tabela 6.3: Dimensões da antena patch de microfita com inset-fed utilizando substrato cerâmico
ZPT.
A Figura 6.10 apresenta sua estrutura a partir do software de simulação Ansoft
HFSS, para a antena patch de microfita com inset fed.
Para esta estrutura, também foram realizados ensaios de medição utilizando uma câmara anecóica, conforme mostrado na Figura 6.11, e os resultados apresentados na sequência também mostraram uma excelente concordância.
Figura 6.11: Setup de medições da antena de microfita com patch retangular utilizando substrato
ZPT.
A Figura 6.12 mostra uma comparação entre os resultados medido e simulado da perda de retorno, em dB, em função da frequência, para a antena patch retangular com
inset-fed confeccionada sobre a cerâmica ZPT.
O resultado mostra que a antena possui resposta em frequência, onde a primeira ressonância (Fr1), considerada a frequência inferior apresenta valores simulados e medidos de 7,61 GHz e 7,59 GHz, respectivamente. Para a segunda frequência de ressonância (Fr2) os valores simulados e medidos apresentados foram de 11,31 GHz e
Os resultados apresentados apresentam uma boa concordância e diante dos resultados explicitados a seguir, observa-se que a antena possui um bom desempenho, comprovando sua eficiência quase efetivamente para banda ultralarga e em aplicações na faixa de micro-ondas e comunicações sem fio. Observou-se que o resultado simulado apresentou uma ressonância entre 9 e 10 GHz, atribuído a isso discrepâncias do próprio simulador, que não se comprovou nos resultados medidos.
Figura 6.12: Comparativo da perda de retorno em função da frequência para a antena patch com
inset fed utilizando substrato cerâmico ZPT.
O resultado de simulação e de medição da antena proposta apresentou uma excelente largura de banda, onde BW > 1%, para cada uma das frequências de ressonância apresentadas. 7 8 9 10 11 12 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Frequência (GHz) P e rd a d e R e to rn o ( S 1 1 ) Medição Simulação
A Tabela 6.4 abaixo apresenta um resumo dos resultados apresentados e caracteriza a antena para aplicações na faixa de micro-ondas e comunicações sem fio.
Parâmetros Simulação Medição
Frequência de Ressonância (Fr1) 7,61 GHz 7,59 GHz Perda de Retorno (S11) -40,33 dB -42,02 dB BW (1) 620 MHz 540 MHz BW % (1) 8,14 % 7,11 % Frequência de Ressonância (Fr2) 11,31 GHz 11,49 GHz Perda de Retorno (S11) -33,31 dB -31,44 dB BW (2) 1,13 GHz 940 MHz BW % (2) 9,99 % 8,18 %
Tabela 6.4: Resultados simulados e medidos para as frequências de ressonância apresentadas para a antena patch retangular com inset fed utilizando substrato cerâmico ZPT.
As curvas da impedância de entrada em função da frequência medida para a primeira frequência ressonância apresenta um valor de 50,753 Ω , conforme indicação na carta de Smith, mostrada na Figura 6.13, evidenciando assim, um bom casamento de impedância, com valor bem aproximado de 50 Ω .
Figura 6.13: Carta de Smith com representação da frequência de ressonância inferior de 7,59 GHz.
Conforme o resultado da Figura 6.14, observa-se o valores comparativos do
VSWR medido e simulado para a faixa de frequência de 7 GHz à 12 GHz, onde as
frequências de ressonâncias inferior e superior, apresentadas anteriormente, apresentam
valores 2≤ .
Para o resultado medido, os valores de VSWR apresentados para a Fr1 é igual a 1,01 e para Fr2 é igual a 1,05. Para o resultado simulado, os valores de VSWR apresentados para a Fr1 é igual a 1,01 e para Fr2 é igual a 1,04.
Figura 6.14: Comparativo do VSWR medido e simulado para a antena patch de microfita com inset-
fed utilizando substrato ZPT.
Na Figura 6.15 é apresentado o resultado 2D do diagrama de irradiação, onde observam-se os valores da diretividade total da antena, em dB, nos planos principais
0
φ = °e 90
φ = °.
Na Figura 6.16, pode-se observar o diagrama de irradiação 3D, podem-se observar os valores do ganho total através de um quadro de valores localizado no lado esquerdo deste diagrama, o qual contém uma tabela de cores que indicam a intensidade da diretividade da antena para cada direção (x, y e z). Neste estudo a direção de propagação da onda, considerada, é a direção z.
7 8 9 10 11 12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Frequência (GHz) V S W R Medição Simulação
Figura 6.15: Diagrama de irradiação 2D da diretividade total para os planos φ =0°e φ =90° para a antena patch com inset fed.
Figura 6.16: Diagrama de Radiação 3D para o ganho total da antena patch de microfita com inset
fed utilizando substrato cerâmico ZPT.
6.3.3 Estrutura 3: Antena Ressoadora Dielétrica Cilíndrica com Substrato Cerâmico ZPT
A terceira estrutura apresenta a configuração de uma CDRA, aqui descrita, utilizando a cerâmica cilíndrica de ZPT na forma de um disco dielétrico, empilhada verticalmente sobre um plano de terra e excitada por uma sonda coaxial, conforme representado na Figura 6.17.
Figura 6.17: Geometria da CDRA depositada sobre um plano de terra e excitada por probe coaxial.
Muitas geometrias possíveis podem ser analisadas como uma DRA [5-8]. Aqui, concentrar-se na análise de disco cilíndrico porque é uma das geometrias mais populares. Após o processo de fabricação e caracterização do dielétrico cerâmico ZPT, foi construído um ressonador dielétrico capaz de funcionar como uma antena.
Os resultados da simulação foram obtidos utilizando o software comercial Ansoft
HFSS e os resultados da medição foram obtidos usando um analisador de rede. O
protótipo de DRA tem um diâmetro de D = 27,46 milímetros e espessura de h = 1,65 mm, conforme mostrado na Figura 6.18.
A CDRA é depositada sobre um plano de terra metálico ao qual foi necessário fazer um pequeno corte, para possível inclusão do conector na borda do ressoador, que
Figura 6.18: Estrutura da CDRA simulada no Ansoft HFSS.
Para esta estrutura, também foram realizados ensaios de medição, conforme mostrado na Figura 6.19 e os resultados apresentados na sequência também mostraram uma excelente concordância [63].
A Figura 6.20 apresenta os resultados da perda de retorno em função da frequência para a CDRA proposta.
Figura 6.20: Comparativo da perda de retorno em função da frequência para a CDRA.
Considerando-se o resultado da simulação, a frequência de ressonância ocorre a 4,64 GHz com uma perda de retorno de - 41,55 dB e apresenta uma largura de banda de 1,7 GHz, que é igual a 36,75 %.
No entanto, considerando o resultado da medição, a frequência ressoa em 4,58 GHz com uma perda de retorno de - 41,97. Neste caso, a largura de banda é 3,34 GHz, que corresponde a 72,92%.
Os resultados acima apresentaram uma excelente concordância entre os resultados medidos e simulados, sendo a estrutura da CDRA proposta muito eficiente para aplicações de sistema sem fio e ultra banda larga.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 Frequência (GHz) P e rd a d e R e to rn o ( S 1 1 ) Medição Simulação
A Tabela 6.5 aprese Parâmetr Frequência de Ress Perda de Retor BW BW %
Tabela 6.5: Resultados simula CD
As curvas da imped GHz apresenta um valor de na Figura 6.21, evidenciand aproximado de 50 Ω .
Figura 6.21: Carta de Smit
senta um quadro com o resumo dos resultados d
etros Simulação Mediç
essonância (Fr) 4,64 GHz 4,58 G
torno (S11) -41,55 dB -41,97
1,7 GHz 3,34 G
% 36,75 % 72,92
lados e medidos para as frequências de ressonância a CDRA utilizando substrato cerâmico ZPT.
edância de entrada em função da frequência de 50,802 Ω , conforme indicação na carta de ndo assim, um bom casamento de impedância,
ith com representação da frequência de ressonância
s descritos acima. ição GHz dB GHz % a apresentadas para ia medida de 4,58 e Smith, mostrada ia, com valor bem
A Figura 6.22 mostra os padrões de irradiação 3D simulados para a CDRA, bem como os valores de ganho total correspondentes.
Figura 6.22: Ganho Total 3D para a CDRA constituída de material cerâmico ZPT.
6.4 Conclusões
Neste capítulo, foram apresentados o projeto, as simulações, a fabricação e as medições do protótipo construído de três estruturas de antenas observando os efeitos causados ao comportamento de cada uma delas a partir da comparação dos resultados obtidos através das perdas de retorno, das cartas de Smith e dos diagramas de radiação para todos os casos analisados.
Capítulo 7
Conclusões
Neste trabalho, foi apresentado um estudo sobre projeto de antenas patch de microfita e antenas ressoadoras dielétricas com características de largura de banda diferenciadas de acordo com a sua geometria, que utilizassem um novo material cerâmico como substrato dielétrico, aqui denominado de ZPT e com capacidade para aplicações na faixa de micro-ondas e comunicações sem fio.
Foram especificadas as principais características das antenas de microfita e ressoadoras dielétricas, tais como composição, modelos de patch, substratos, tipos de alimentação, métodos de análises utilizados, assim como as suas vantagens e desvantagens. Ambas os tipos de antenas estudadas neste trabalho apresentam características muito importantes, como por exemplo, as dimensões e peso reduzidos, gerando assim dispositivos mais compactos, além de possuírem diversas possibilidades de alimentação e um bom casamento de impedância, bem como custos baixos o que remete maior flexibilidade de projeto e as tornam bastante atrativas e também a características de serem antenas aplicáveis em banda larga e banda ultra larga.
Foram estudadas técnicas de obtenção do substrato ZPT utilizado, que utilizou uma técnica muito eficiente para a sua obtenção, que é o método de síntese auto- propagante em alta temperatura (SHS), o que gerou uma cerâmica com características interessantes e bastante promissoras, com uma alta permissividade elétrica e uma baixa tangente de perdas. Todo o processo de caracterização estrutural desta cerâmica foi descrita e resultados de dilatometria, difração de raios-X e MEV foram apresentados.
Para isto, foram feitas pesquisas em diferentes fontes da literatura inerentes as técnicas que foram utilizadas. Os resultados propostos foram obtidos através de simulações no
software computacional Ansoft HFSS e apresentaram uma boa concordância quando
comparadas suas respostas medidas e simuladas.
Foram apresentadas as principais limitações das antenas de microfita na obtenção de estruturas eletricamente pequenas, e o objetivo deste trabalho foi concluído de maneira satisfatória, pois foi possível a redução das dimensões das antenas estudadas sem comprometimento da sua eficiência e das suas características de radiação.
A partir dos resultados apresentados, vislumbram-se algumas linhas de continuidade do trabalho apresentado. Entre as possíveis linhas de continuidade, destacam-se:
• Construção de geometrias híbridas de antenas de microfita e antenas ressoadoras dielétricas com diferentes substratos cerâmicos, empilhadas em multicamadas e utilizando elementos parasitas.
• Estudos sobre os tipos diferentes de dielétrico a serem utilizados na fabricação de antenas de microfita, verificando assim, os índices de desempenho que indicam a qualidade dos sistemas de comunicação.
• Análise, projeto e construção de novas geometrias de antenas patch de microfita e antenas ressoadoras dielétricas para aplicações em sistemas de comunicação sem fio para dispositivos de quarta geração.
• Utilização de técnicas computacionais de otimização para miniaturizar antenas
patch de microfita, tais como: algoritmos genéticos e o método iterativo de onda
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