Uso de elementos parasitas em antenas monopolo planar para sistemas UWB.

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1 Uso d lmtos parasitas m atas moopolo plaar para sistmas UWB. Tiago C. Martis, Rodrigo M.S. d Olivira Carlos L.S.S. Sobriho. Rsumo Est trabalho aprsta uma proposta d ata moopolo plaar oprado a faixa para sistmas d comuicação d bada ultralarga (UWB) d 3. a 0.6 GHz. Iicialmt, é aalisada uma ata moopolo plaar costituída por um codutor rtagular d largura w = 2 mm altura h = 20 mm sobr um plao d trra, a qual tm largura d bada d 3,5 GHz. Aqui, foram plotadas: a curva d prda d rtoro o diagrama d irradiação, os quais stão d acordo com os rsultados da litratura. Foi projtada uma outra ata moopolo plaar com altura h = 4 mm largura w = 8 mm, a qual possui largura d bada igual a 6,2GHz. Em sguida, foram utilizados três lmtos parasitas m cojuto com a ata atrior, sdo obtida uma ata d largura d bada d 6,5 GHz dtro da faixa d 3. a 0.6GHz. As frqüêcias d cort suprior ifrior, utilizadas para calcular a largura d bada, foram obtidas m -0 db. Todas as aáliss foram ralizadas a partir d simulaçõs utilizado o método FDTD. Palavras-Chav Elmtos parasitas, Ata Moopolo Plaar, Método FDTD, sistmas UWB. I.INTRODUÇÃO Atualmt, as atas d bada ultralarga (UWB) têm atraído a atção d psquisadors do mudo todo fac à grad importâcia dss tipo d ata m atdr as xigêcias dos sistmas d comuicaçõs sm fio oprado a faixa d 3, a 0,6 GHz. Dsta forma, vários tipos d atas têm sido propostos, tais como: as atas logpriódica, corta, mooco, Vivaldi, fractal, moopolo, tc [-4]. Dtr ssas atas, o moopolo, dvido as suas caractrísticas atrativas (como oprar m uma ampla faixa d frqüêcias, diagrama d irradiação quas oidircioal, strutura simpls d baixo custo) mrc atção [5-9]. Nst trabalho são propostas algumas técicas com a fialidad d aumtar a largura d bada d uma ata moopolo plaar rtagular sitoizá-la. A. Toria II.O MÉTODO FDTD O método das difrças fiitas o domíio do tmpo ou método FDTD aproxima as drivadas d quaçõs difrciais por difrças fiitas. Em problmas d propagação d odas ltromagéticas, as quaçõs difrciais utilizadas são as quaçõs d Maxwll, mais spcificamt, as lis d Faraday (q. ()) d Ampèr (q. (2)), para um mio liar, isotrópico com prdas: E = H t Uivrsidad Fdral do Pará, Dpartamto d Egharia Elétrica d Computação tiago@la.ufpa.br, rodrigo@la.ufpa.br, loidas@ufpa.br. () H = E t E (2) as quais E é o vtor itsidad d campo létrico (V/m), H é o vtor itsidad d campo magético (A/m),, são os parâmtros costitutivos do mio, rspctivamt: prmabilidad magética, prmissividad létrica codutividad létrica. A célula d Y [0], mostrada a Figura, prmit a laboração d um algoritmo ficit para implmtaçõs utilizado o método FDTD. É possívl fazr a distribuição spacial discrta dos campos, a qual implica também m uma discrtização o tmpo. Porém, a fim d vitar a disprsão umérica a istabilidad do método, é cssário atdr às sguits codiçõs []: x, y,z mí 0 t v max x 2 y 2 z 2 as quais mí é o mor comprimto d oda aalisado; x, y z são os icrmtos spaciais corrspodts às dimsõs da célula t é o icrmto tmporal, od a quação (4) é cohcida como codição d Courat. B. UPML Como st trabalho é studada a propagação d odas ltromagéticas m um ambit abrto, faz-s cssário o uso d uma técica d trucagm do domíio d aális, qu fucio como uma câmara acóica virtual, absorvdo toda radiação qu icida sobr as frotiras da rgião aalisada. Dssa forma, são simuladas odas ltromagéticas propagado-s para o ifiito sm qu ocorram rflxõs, as quais compromtriam os rsultados obtidos. Essa técica d absorção é basada o uso d camadas prfitamt casadas com aisotropia uiaxial ou UPML (Uiaxial Prfctlly Matchd Layrs) [2]. A sguir são mostradas, para um mio com aisotropia uiaxial, as quaçõs d atualização das compots x dos vtors dsidad d fluxo létrico (D x ) itsidad d campo létrico (E x ), assim como, as quaçõs d atualização das compots z dos vtors dsidad d (3) (4)

2 2 fluxo magético (B z ) itsidad d campo magético (H z ). Essas quaçõs foram usadas para as camadas absorvts para o domíio d aális, sdo qu para st, os paramtros σ são iguais a zro. [H z 2 D x i i 2, j 2,k =D x i H y 2 z i 2, j 2,k t z t z H 2 H y i 2 t z t 2 0 z 2 y i 2, j,k 2 ], (5) E x i [ D x i, j,k 2 2 B z i 2, j 2, k [ E x i =E x i 2, j,k t x 2 =B z i y E x i t y t y 2, j 2, k 2, j, k D x i t y t y E y i, j 2,k t x ], 0 r y t E y i, j t t y 2, k x ] (6) (7) Fig.. A Célula d Y a distribuição spacial discrta das compots dos campos létrico magético. III.RESULTADOS A. Moopolo Plaar Simpls A ata moopolo plaar m aális é costituída por um codutor rtagular d altura h = 20 mm a partir do plao d trra largura w = 2 mm, coform mostrado a Figura 2, com uma distâcia d mm tr o codutor o plao d trra. 2 H z i 2, j 2,k [ B 2 z i, j,k =H z i 2, j 2,k t z t x t x B 2 x i 2, j 2, k 0 t x t z ]. (8) Fig. 2. Rprstação da ata moopolo plaar d altura h largura w, o plao xz. As dmais compots podm sr obtidas por uma troca cíclica dos ídics volvidos. C. Parâmtros para a simulação FDTD Os parâmtros d aális adotados para o método FDTD as simulaçõs foram: dimsõs das células x = y = z =,0 mm, 4000 itraçõs tmporais, xcitação por um pulso gaussiao UPML d 0 camadas como codição absorvt. Fig. 3. Curva d Prdas d Rtoro para a ata moopolo plaar simpls.

3 3 Essa ata possui largura d bada d 3,5 GHz (cosidrado prdas d rtoro mors do qu -0 db). Foi admitido qu a rsistêcia da alimtação é d 50 Ω. Tato a curva d prdas d rtoro mostrada a Figura 3, quato o diagrama d irradiação da ata, mostrado a Figura 4, stão d acordo com os rsultados obtidos m [9]. Fig. 5. Ata moopolo plaar com três lmtos parasitas quadrados d spssura mm, a um distâcia d = mm da ata d lado a. Fig. 4. Diagrama d irradiação da ata m dbi para a frqüêcia d 3 GHz, o plao xy. B. Elmtos Parasitas Iicialmt foi simulada uma outra ata com dimsõs otimizadas para a obtção d uma maior largura d bada. As dimsõs cotradas foram h =4 mm w = 8 mm. A largura d bada obtida para ssa ata foi d 6,2 GHz. Em sguida, cojutamt com ssa ata, foram utilizados três lmtos parasitas, d acordo com a cofiguração mostrada a Figura 5. Foram cosidradas três cofiguraçõs para os lmtos parasitas: a = 8, a = 6 a = 4. Nos três casos, foi utilizado d = mm. Na Figura 6, são comparadas as prdas d rtoro. Como os três casos aalisados a faixa d opração das atas xcd o valor d 0,6 GHz, qu é o limit d frqüêcia suprior da faixa d itrss, foi admitido qu a frqüêcia d cort suprior é d 0,6 GHz, os três casos. As frqüêcias d cort ifriors m -0 db são 6, GHz, 6,52 GHz 6,43 GHz, rspctivamt, para a = 8 mm, a = 6 mm a = 4 mm. Coquato, a maior largura d bada tha sido obtida para a = 8 mm (6,6 GHz), o mlhor rsultado foi aqul obtido para a ata com a = 6 mm, pois, a msma aprstou valors d prda d rtoro cosidravlmt mors do qu aqul aprstado pla ata com a = 8 mm, tdo largura d bada apas um pouco mor (6,52 GHz). A Figura 7 mostra a distribuição das compots z do campo létrico para uma ata com três lmtos parasitas, para h = 4 mm, w = 8 mm, a = 6 mm d = mm a itração d úmro 80. Fig. 6. Prdas d rtoro (db) das atas moopolo plaar com três lmtos parasitas quadrados d spssura mm, a um distâcia d = mm da ata d lados a = 8 mm, a = 6 mm a = 4 mm. Fig. 7. Distribuição das compots z do campo létrico para uma ata com três lmtos parasitas, para h = 4 mm, w = 8 mm, a = 6 mm d = mm a itração d úmro 80.

4 4 A Figura 8 mostra d forma dtalhada os plaos m qu foram obtidos os diagramas d irradiação para a ata com três lmtos parasitas, para h = 4 mm, w = 8 mm, a = 6 mm d = mm, os plaos xy, yz xz, os quais são mostrados, rspctivamt, as Figuras 9, 0. A Figura 9 mostra qu o plao xy o moopolo irradia d maira uiform m todas as dirçõs. As Figuras 0 mostram qu a ata praticamt ão irradia a dirção z. Fig. 0. Diagrama d irradiação para a ata com três lmtos parasitas, para h = 4 mm, w = 8 mm, a = 6 mm d = mm, o plao yz, a frqüêcia d 6 GHz. Fig. 8. Modlo d aális para obtção dos diagramas d irradiação para a ata com três lmtos parasitas, para h = 4 mm, w = 8 mm, a = 6 mm d = mm, os plaos xy, yz xz. Fig.. Diagrama d irradiação para a ata com três lmtos parasitas, para h = 4 mm, w = 8 mm, a = 6 mm d = mm, o plao xz, a frquêcia d 6 GHz. Fig. 9. Diagrama d irradiação para a ata com três lmtos parasitas, para h = 4 mm, w = 8 mm, a = 6 mm d = mm, o plao xy, a frquêcia d 6 GHz. IV.CONCLUSÃO Nst artigo foi proposta uma ata com três lmtos parasitas, para h = 4 mm, w = 8 mm, a = 6 mm d = mm, a qual aprsta um largura d bada d 6,52 GHz (4,08 a 0,6 GHz), dtro da faixa d 3, a 0,6 GHz, utilizada para opração d sistmas d comuicação UWB. Foi mostrado

5 5 qu a ata sm os lmtos parasitas aprstava largura d bada d 6,2 GHz. Dssa forma, vê-s qu a técica aprstada mostrou-s ficit a ralização do aumto d largura d bada d atas moopolo plaar. Para o dsvolvimto do projto utilizou-s o método das difrças fiitas a solução umérica das quaçõs rotacioais d Maxwll, od a trucagm do domíio d aális foi fita através da técica da UPML. [2] S.D. Gdy, "A aisotropic prfctly matchd layr absorbig mdia for th trucatio of FDTD latics, IEEE Trasactios o Atas ad Propagatio, Vol.44, pp , 996. AGRADECIMENTOS Est trabalho foi parcialmt custado plo CNPq a Eltroort. REFERÊNCIAS [] T. Taiguchi ad T. Kobayashi, A Omidirctioal ad Low-VSWR Ata for Ultra-Widbad Wirlss Systms, 2002 Radio ad Wirlss Cof., pp , Aug [2] N.P. AGRAWALL, G. Kumar ad K.P. Ray, Wid-Bad Plaar Moopol Ata, IEEE Trasactios Atas Propagat., vol. 46, o 2, pp , Fb [3] R.C. Comptopm, R.C. McPhdra, Z. Popovic, G.M. Rbiz, P.P. Tog ad D.B. Rutldg, Bow-Ti Atas o a Dilctric Half-Spac: Thory ad Exprimt, IEEE Trasactios Atas Propagat., vol.35, o.6, pp , Ju 987. [4] M. Hammoud, P. Poy ad F. colombl, Matchig Th Iput Impdac of A Broadbad Disc Moopol, Elctro. Ltt., vol.29, o.4, pp , Dc [5] Z.N. Ch, M.Y.W. Chia, ad M.J. Amma, Optimizatio ad compariso of Broadbad moopols, IEE Proc Microwav Atas Propagat. 50 (2003), [6] E. Atoio-Daviu, M. Cablo-Fabrés, M. Frrado- Batallr, ad A. Valro-Noguira, Widbad doubl-fd plaar moopol atas, Elctro ltt. 39 (2003), [7] M.J. Amma, Z.N. Ch, Widbad moopol atas for multibad wirlss systms, IEEE Trasactios Atas Propagat. Mag. 45 (2003), [8] J. Liag, C.C. Chiau, X. Ch, ad C.G. Parii, Pritd Circular Rig Moopol Atas, Microwav ad Optical Tchology Lttrs, Vol.45, o.5, Ju [9] Y. Rikuta ad R. Koho, Plaar Moopol Ata with Dual Frqucy for UWB Systm, 2003 IEEE Cofrc o Ultra Widbad Systms ad Tchologis, [0] K. Y, "Numrical solutio of iitial boudary valu problms ivolvig Maxwll's quatios i isotropic mdia, IEEE Trasactios o Atas ad Propagatio, Vol.4, Issu 3, pp , 966. [] A. Taflov ad S. Hagss, Computatioal Elctrodyamics: Th Fiit-Diffrc Tim-Domai Mthod, 3rd d, Artch Hous Publishrs, ISBN , 2005.