Síntese de Diagramas de Irradiação de Redes de Antenas de Microfita Circularmente Polarizadas

Transcrição

1 Síntese de Diagramas de Irradiação de Redes de Antenas de Microfita Circularmente Polarizadas D.C. Lunardi, D.C.M. Maciel, A.F. Tinoco S. e J.C. da S. Lacava Laboratório de Antenas e Propagação Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos, SP, 18-9, Brasil RESUMO Neste trabalho é reportado um método alternativo para a síntese de diagramas de irradiação de redes de antenas de microfita, que possuem planos de terra finitos e dielétricos truncados. Resultados para a rede de um pseudo-satélite GPS com elementos quadrados com cantos truncados e quadrados com duas alimentações são apresentados e discutidos. Palavras Chaves: Antenas de microfita, polarização circular, rede de antenas, síntese de diagrama. 1. INTRODUÇÃO O procedimento de síntese de diagramas de irradiação de redes de antenas é, em geral, compleo, pois deve incluir o mecanismo de acoplamento entre elementos [1]. A metodologia comumente utilizada na análise das características de irradiação de redes de antenas é a conhecida multiplicação de diagramas. Ao aplicá-la admite-se implicitamente que o diagrama do elemento, quando em rede, não é modificado pela presença dos acoplamentos mútuos eistentes entre os irradiadores constituintes da mesma. Tais elementos são classificados como bem comportados [1]. O dipolo de meia onda no espaço livre é um eemplo clássico deste tipo de irradiador e o principal efeito do acoplamento mútuo, neste caso, ocorre na impedância de entrada de cada um dos elementos da rede, sem que haja modificação substancial na forma da distribuição de corrente sobre o elemento. Para esta metodologia eiste uma grande variedade de procedimentos analíticos de síntese com elevado grau de eatidão. Entretanto, para antenas de microfita, cujos diagramas de irradiação dependem da geometria e dimensão do plano de terra sobre o qual elas são construídas, este procedimento já não pode ser empregado []. Na atualidade, com o desenvolvimento de programas de simulação eletromagnética de elevado desempenho, como o IE3D, o Ansoft Designer e o HFSS (os dois primeiros utilizam o método dos momentos como ferramenta de análise e o terceiro, os elementos finitos), o projeto de rede de antenas de microfita ganhou aliados consideráveis. Hoje já é possível realizar simulações de sistemas completos, com resultados coerentes aos obtidos eperimentalmente para os protótipos desenvolvidos. Entretanto, se planos de terra finitos e dielétricos truncados forem considerados, objetivando melhor caracterizar o sistema irradiador, somente projetos de redes de antenas de microfita com poucos elementos são atualmente realizáveis. Isto devido à atual capacidade computacional do LAP (Laboratório de Antenas e Propagação do ITA). Neste trabalho é apresentado um método alternativo que viabiliza o projeto de tais redes. Como eemplo, este método é empregado no projeto de uma rede circularmente polarizada para pseudosatélite GPS, pois como esta rede possui poucos elementos, a análise de seu diagrama pode ser realizada no LAP, na condição em que o plano de terra e o dielétrico são truncados. Além disso, tais diagramas serão utilizados para validar o método proposto. Neste conteto, inicialmente é realizado o projeto e análise de duas antenas de microfita CP: a quadrada com cantos truncados, alimentada por uma única ponta de prova coaial, e a quadrada com dupla alimentação (Seção ). Na seção seguinte, estas antenas são utilizadas no projeto da rede acima mencionada.. ANÁLISE DE ELEMENTOS CP Antenas de microfita circularmente polarizadas podem ser construídas com alimentações simples ou dupla e estão sendo empregadas em diversos sistemas de comunicação []. Além disso, sua utilização em redes certamente diminui a compleidade geométrica destas. Neste item, portanto, dentre as possíveis topologias de antenas de microfita circularmente polarizadas, serão apresentados resultados para a antena com cantos truncados, alimentada por uma única ponta de prova coaial, e para a antena quadrada com dupla alimentação. Cabe salientar que as simulações neste item são realizadas com o Ansof Designer na condição em que os planos de terra das antenas são infinitos, visando agilizar o processo de análise. Elemento Retangular com Canto Truncado A estrutura básica de uma antena de microfita é constituída por um plano de terra e por uma camada dielétrica (também denominada substrato) que sustenta uma segunda, porém metálica, que atua como elemento irradiador. Além dessas, pode-se utilizar uma outra camada dielétrica (cobertura) com o objetivo de proteger o irradiador contra intempéries. Para tornar o estudo mais realista, optou-se por incorporá-la desde o princípio para que as comparações entre os resultados das simulações dos elementos em comsideração incluam-na. O elemento retangular com cantos truncados (Figura 1) pertence à classe dos irradiadores alimentados por uma única ponta de prova coaial. A geração de irradiação CP necessita, portanto, de perturbações na sua geometria para ecitar os modos de ressonância adequados à aplicação desejada. A perturbação é realizada retirando-se de dois cantos opostos, triângulos isósceles iguais. Nesta condição, o elemento possui duas ressonâncias distintas; uma controlada pela distância entre os cantos não truncados, de freqüência mais baia, e outra controlada pela distância entre os cantos truncados, de freqüência ligeiramente superior. Com o truncamento apropriado, pode-se gerar irradiação CP com ecelente razão aial. Após otimizações, foram obtidas as seguintes dimensões para uma

2 irradiação CP: W 1 = 1 mm, W = 3,5 mm, L 1 = W 3 = mm, L =,5 mm e L 3 = 8,5 mm. Os dois dielétricos utilizados possuem as mesmas permissividades relativas ε r =,55 e tangentes de perdas tg δ =,. O que sustenta o elemento irradiador tem h 1 = 3,8 mm de espessura enquanto que o de cobertura possui h =,7 mm. A ponta de prova coaial utilizada para alimentá-lo (fonte de corrente) tem 1 mm de diâmetro. Como a geração de irradiação CP deste elemento está baseada na perturbação causada pelo truncamento de dois cantos opostos, esta característica certamente provocará comportamentos diferenciados com a freqüência, degradando sua irradiação CPD. Este efeito afeta diretamente o ganho circularmente polarizado para a direita da antena (Figura ) que, em conseqüência deste fenômeno, deia de ser plano. Porém o ganho total, que é a soma do ganho CPD e do CPE, continua relativamente plano.,5, 5,5 5,,5 y z h1 Metal Figura 1. Antena quadrada com cantos truncados: vista em planta, vista lateral. Gráfico para a perda de retorno, calculada em relação a um conector SMA de 5 Ω de impedância característica, é apresentado na Figura. Sua faia de passagem de impedância, definida para pontos com perda de retorno igual ou menor que -1, é da ordem de 53 MHz. Esta faia é maior do que a normalmente encontrada para antenas sem cobertura ,5 1,55 1,55 1,575 1, 1,5 1,5 Figura. Perda de retorno do elemento com cantos truncados. Diagramas de irradiação, traçados no plano z, são ilustrados na Figura 3. Como o elemento foi projetado para irradiar onda circularmente polarizada para a direita (CPD), o nível da polarização cruzada, neste caso o da irradiação circularmente polarizada para a esquerda (CPE), se mantém abaio de -18 para a superfície definida por θ = º h Pol. Circ. p/ Direita Pol. Circ. p/ Esquerda Figura 3. Diagramas de irradiação no plano z., Ganho total Ganho da componente circ. pol. à direita 3,5 1,5 1,55 1,55 1,575 1, 1,5 1,5 Figura. Ganho do elemento com cantos truncados. A razão aial, cujo comportamento em função da freqüência é mostrado na Figura 5, possui uma faia de operação da ordem de 13,5 MHz, porém ainda muito acima dos, MHz necessários para o GPS (vide Secção 3). O principal fator responsável pela sua degradação é o mecanismo de perturbação que cria a polarização circular ,555 1,55 1,575 1,585 1,595 Figura 5. Razão aial na direção broadside do elemento com cantos truncados em função da freqüência. Elemento Quadrado com Duas Alimentações A escolha deste elemento está relacionada com a possibilidade de se ter acesso aos dois modos de ressonância separadamente, TM 1 e TM 1, de forma a atuar independentemente nas amplitudes das componentes E θ e E φ, com a finalidade de impor os modos de ressonância sem depender de perturbações no elemento, tornando-o mais estável quanto à razão aial. Note que, para gerar a polarização circular a partir deste elemento, é necessário alimentá-lo em quadratura, tanto no tempo quanto no espaço, com o mesmo nível de corrente nos dois acessos (Figura ). Assim, a geometria do elemento tem que ser quadrada. Quando a polarização desejada é a circular para a direita, o acesso centrado no lado vertical deve ter a corrente adiantada de 9º em relação à corrente do acesso centrado no lado horizontal. Como no elemento anterior, este também possui uma camada de cobertura (Figura 1). Para permitir comparação, o elemento quadrado foi projetado como os mesmos dielétricos da antena anterior (ε r =,55, tg δ =,, h 1 = 3,8 mm e h =,7 mm). Após otimizações, foram obtidas as seguintes dimensões para uma irradiação circularmente polarizada para a direita: L 1 = W 1 = 19 mm, L = W = 9 mm e L 3 = W 3 = 8 mm. A ponta de prova coaial utilizada para alimentá-lo tem 1 mm de diâmetro. Sua faia de passagem de impedância, como ilustrado na Figura 7, é da ordem de 35 MHz.

3 y civil. Na década de 7, por eemplo, foram desenvolvidos os sistemas via satélite GPS (do inglês Global Positioning System), pelos Estados Unidos, e o GLONASS, pela Rússia. O GPS fornece dois níveis de serviços: o Serviço de Posicionamento Preciso (PPS, do inglês Precise Positioning Service) e o Serviço de Posicionamento Padrão (SPS, do inglês Standard Positioning Service). O SPS foi concebido para aplicações civis enquanto o PPS é utilizado somente por usuários autorizados e o acesso é controlado através de criptografia. Neste trabalho somente a antena para o serviço SPS será contemplada. 7 Figura. Geometria do elemento quadrado com duas alimentações. -5 S11 S ,5 1,55 1,55 1,575 1, 1,5 1,5 Figura 7. Perda de retorno do elemento quadrado CPD. Na Figura 8 é mostrado o resultado simulado para a isolação entre os dois acessos. Observe que elevada isolação entre acessos é obtida, uma vez que diferentes modos de ressonância, TM 1 e TM 1, são ecitados concomitantemente na antena. O nível da isolação é de -, na freqüência central e se mantém abaio de -3 em toda a faia simulada. Os diagramas de irradiação desta antena são equivalentes aos da antena com cantos truncados, possuindo uma pureza de irradiação CPD muito boa, principalmente nas vizinhanças da direção broadside. A razão aial em função do ângulo θ, calculada no plano z, se mantém abaio de 3 para a superfície definida por θ = 53º. O ganho circularmente polarizado para a direita (Figura 9) é relativamente estável. Para a faia de 1,5 a 1,5 GHz, o ganho CPD varia entre 5,9 e, e na freqüência central de operação é de,3. A razão aial na direção broadside é pouco influenciada pela freqüência, mantendo-se abaio de,8, para a faia de 15 MHz, centrada na freqüência GPS, como mostrado na Figura S1 S1-5 1,5 1,55 1,55 1,575 1, 1,5 1,5 Figura 8. Isolação entre os acessos do elemento quadrado CPD. Estabelecida as dimensões dos elementos que comporão as redes, o passo seguinte é o projeto das mesmas. 3. REDE CP PARA PSEUDO-SATÉLITE GPS Sistemas de navegação e de posicionamento global têm recebido atenção especial nas últimas décadas. Inicialmente concebidos para aplicações militares, rapidamente despertou o interesse da área 1,5 1,55 1,55 1,575 1, 1,5 1,5 Figura 9. Ganho CPD do elemento quadrado em função da freqüência.,3,5,,15,1,5, 1,5 1,55 1,55 1,575 1, 1,5 1,5 Figura 1. Razão aial na direção broadside do elemento quadrado CPD em função da freqüência. Especificações gerais de desempenho, projeto e testes de um pseudo-satélite GPS estão consolidadas no documento denominado Especificações Gerais do Pseudo-Satélite GPS [3]. Nesta documentação encontram-se estabelecidas, entre outras, as características que a antena do pseudo-satélite deve cumprir, tais como: freqüência central de operação (1.575, MHz), impedância de entrada (5 Ω), faia de casamento de impedância (maior que, MHz), polarização circular à direita, faia de razão aial (3 ) maior que, MHz, largura de feie no plano de elevação (α a = 3º), largura de feie no plano azimutal (α b = º), máimo lóbulo lateral (-5 ), nível da polarização circular à esquerda (-5 ) e diretividade (13 ). Com base nestas especificações, duas redes são sintetizadas. Uma com elementos com cantos truncados e outra com irradiadores quadrados com duas alimentações. Rede com Elementos com Cantos Truncados Para alcançar a diretividade e as larguras de feie especificadas, claramente a rede a ser sintetizada deve ser plana e operar na condição broadside, condição esta em que todos os elementos da rede estão ecitados em fase. Além disso, para controlar o máimo nível do lóbulo lateral de seu diagrama de irradiação, a rede deverá ter alimentação não-uniforme. Assim sendo, para se utilizar de técnicas analíticas como a de Dolph [], a multiplicação de diagramas terá ainda de ser utilizada na pré-síntese da rede. Portanto, nesta fase do projeto, as simulações realizadas são feitas na comdição em que a rede possui ambos, dielétrico e plano de terra infinitos, gerando o que denominamos de geometria inicial.

4 Utilizando a ferramenta computacional desenvolvida em [5], a estrutura mais simples capaz de satisfazer as especificações de projeto é a de uma rede com 3 elementos: três antenas dispostas ao longo do eio, separadas por d =, λ e duas outras ao longo do eio y, separadas por d y =, λ (Figura 11). 8 φ = º, θ = º L 1,55 1,5 1,57 1,58 1,59 1, Freqüência [GHz] Figura 1. Razão aial da geometria inicial Figura 11. Rede de 3 elementos com cantos truncados. Diagrama de irradiação 3D é apresentado na Figura 1 e as amplitudes de ecitação das antenas estão resumidas na Tabela 1. Nesta simulação foram utilizados elementos com cantos truncados com as seguintes dimensões: L = 5, mm e C a = 5,83 mm Polarização circular à direita à esquerda 9 3Polarização circular à direita à esquerda Figura 1. Diagrama 3D da rede de 3 elementos com cantos truncados. Tabela 1. Correntes de alimentação para a rede 3 composta por elementos com cantos truncados. Elemento Corrente (A) 1, 1, 3,, 5 1,, O passo seguinte consiste em simular a rede completa no programa no IE3D. Na Figura 13 é mostrada a geometria da rede desenhada módulo MGrid do referido programa. Após simulações com o objetivo de otimizar a razão aial da rede, são obtidas as seguintes dimensões para o elemento irradiador: L = 5,91 mm e C a = 7,3 mm. A Figura 1 mostra a razão aial em função da freqüência após o procedimento de otimização e na Figura 15 tem-se o diagrama de irradiação nos planos z e yz. A faia de passagem para uma razão aial menor que 3 é da ordem de 19 MHz. Figura 13. Módulo de desenho do programa IE3D Figura 15. Diagramas de irradiação da geometria inicial. Como a geometria inicial estabelecida, o passo seguinte é a análise desta, agora com ambos, plano de terra e dielétrico, truncados. Esta geometria é apresentada na Figura 1 e possui as seguintes dimensões físicas: esp =,λ, espy =,λ e l = l y = 78 mm. y esp esp Figura 1. Rede 3 composta por elementos com cantos truncados para o teste do método. Como a rede em questão é de médio porte e se o sistema de alimentação não for incorporado à análise, porém com todas as antenas alimentadas adequadamente de modo a garantir a correção dos cálculos dos campos irradiados, o LAP já dispõe de capacidade computacional para realizar a simulação da rede com plano de terra finito. Porém, para redes de maior porte, este procedimento já não é possível de ser aplicado. Este fato balizou o desenvolvimento de um procedimento alternativo que viabilizasse este tipo de cálculo. Este procedimento leva em conta o fato dos diagramas dos elementos que compõem a rede serem diferentes, porém considera que o acoplamento mútuo entre eles não altera significativamente o campo do elemento em estudo, embora modifique a impedância de entrada do mesmo. Dessa forma, o campo irradiado pela rede será a soma dos campos irradiados pelos elementos simulados isoladamente, sendo esta realizada com os elementos nas respectivas posições que ocupam quando em rede. Portanto, quanto menos susceptíveis forem os elementos, mais consistentes serão os resultados obtidos. espy y

5 Dois aspectos importantes precisam de atenção especial. O primeiro está relacionado com a referência de fase, que o programa a ser utilizado na simulação dos elementos necessita manter inalterada em todas as simulações, de modo a garantir que a soma dos diagramas seja realizada de forma correta. Ao longo do trabalho foram apresentadas simulações utilizando o software IE3D, porém não foi possível empregá-lo nesta etapa. O programa que se mostrou eficiente para este procedimento foi o Ansoft Designer, que possibilitou manter a referência de fase na diferentes simulações. Outro aspecto importante, mesmo quando o sistema de alimentação não está incorporado à simulação, é que o plano de terra, agora finito, precisa também ser subdividido em células, de modo a permitir o cálculo da densidade de corrente que lhe é induzida. Isto eige uma grande capacidade computacional, uma vez que as suas dimensões físicas são muito maiores do que as dos elementos irradiadores. Uma possível solução para o impasse é uma ligeira diminuição da freqüência que controla a discretização da estrutura, ou até mesmo realizar malhamentos distintos em diferentes regiões do plano de terra, se o software assim o permitir, de forma a viabilizar as simulações. Para auiliar na manipulação dos dados simulados no Ansoft Designer e agilizar o processo de análise, um programa em MATLAB foi desenvolvido, tendo em vista que o mesmo já dispõe de saída gráfica que possibilita uma rápida visualização de parâmetros []. Para evidenciar a necessidade deste método, ao invés da simples multiplicação de diagramas, na Figura 17 são apresentados os diagramas de irradiação nos planos z e yz, de dois dos elementos que compõe a rede; elementos 1 e (Figura 1). Note o efeito causado pelo plano de terra finito nos respectivos diagramas dos elementos, quando os mesmos são calculados isoladamente. Aplicando o procedimento à rede do pseudo-satélite projetada, os diagramas de irradiação simulados, traçados nos planos z e yz, são mostrados na Figura 18. Nestas figuras, para efeito de comparação, são apresentados os diagramas obtidos diretamente com o Ansoft Designer, calculados com o plano de terra finito, porém sem o sistema alimentador. Nesta situação, cada elemento é alimentado por uma fonte de corrente elétrica cujas amplitudes são as apresentadas na Tabela 1. Nota-se destes diagramas que a polarização principal estimada pelo método proposto, em ambos os planos de corte, descreve o comportamento do diagrama obtido através da simulação convencional. Já para a polarização cruzada, o mesmo não ocorre para a região broadside. Este fato é atribuído ao acoplamento entre elementos. Como o elemento com cantos truncados gera a polarização circular através de pequenas perturbações introduzidas pelos truncamentos, a polarização sofre forte influência dos elementos próimos, pois a perturbação gerada pelos mesmos é da ordem da perturbação que produz a polarização, degradando assim a polarização cruzada da rede. Já para a região traseira, o diagrama estimado pelo método proposto coincide com o simulado, pois nesta região as maiores influências estão relacionada às dimensões do plano de terra, influências estas que são computadas com o método proposto Elemento 1 Campo CPD Elemento 1 Campo CPE Elemento Campo CPD Elemento Campo CPE Elemento 1 Campo CPD 3 Elemento 1 Campo CPE Elemento Campo CPD Elemento Campo CPE Figura 17. Diagramas dos elementos 1 e calculados isoladamente com o plano de terra finito Campo CPD - Matlab Campo CPE - Matlab Campo CPE - Designer 9 Campo CPD - Matlab 3 Campo CPE - Matlab Campo CPE - Designer Figura 18. Diagramas de irradiação CPD e CPE da rede de elementos com cantos truncados e plano de terra finito. Já nos diagramas de campo total, a concordância é muito boa, como se pode ver da Figura Campo 3 total MATLAB Ansoft Designer 9 Campo 3 total MATLAB Ansoft Designer Figura 19. Diagramas de campo total da rede com o plano de terra finito.

6 As pequenas discordâncias eistentes devem-se ao fato deste procedimento computar somente a influência do plano de terra sobre o diagrama de irradiação de cada elemento, desconsiderando as influências do acoplamento mútuo entre elementos vizinhos. Este resultado permite concluir, ao menos para o caso considerado, que o acoplamento mútuo altera levemente o diagrama de campo total, embora seja importante na determinação da impedância de entrada de cada um dos elementos da rede, fundamental para o projeto correto do seu sistema de alimentação Campo CPD - Matlab Campo 3 CPE - Matlab Campo CPE - Designer 9 Rede com Elementos Quadrados com Duas Alimentações O mesmo procedimento é utilizado no projeto da rede com elementos quadrados com duas alimentações. Como este elemento é menos susceptível a perturbações, diferentemente do utilizado na rede anteriormente analisada, espera-se obter, neste caso, uma melhor resposta para os diagramas CPD e CPE. Na Figura é apresentada a geometria desta nova rede. Os valores, tanto para os parâmetros dos dielétricos, como para os espaçamentos, são mantidos iguais aos da rede anteriormente analisada. As correntes de alimentação empregadas são as da Tabela. Portanto, fontes de corrente são utilizadas para impor as alimentações às antenas. y 1 7 esp esp Figura. Rede 3 composta por elementos quadrados com duas alimentações para teste do método. Tabela. Correntes de alimentação para a rede 3 composta por elementos quadrados com duas alimentações. Acesso Corrente (A) Acesso Corrente (A) 1, 9º 7, 9º, º 8, º 3 1, 9º 9 1, 9º 1, º 1 1, º 5, 9º 11, 9º, º 1, º Os resultados da síntese são mostrados na Figura 1, onde se nota que os diagramas obtidos através do método proposto seguem muito bem os simulados para a rede completa espy y Campo CPD - Matlab 3Campo CPE - Matlab Campo CPE - Designer 9-3 Figura 1. Diagramas de irradiação CPD e CPE da rede de elementos quadrados com duas alimentações e plano de terra finito. A polarização cruzada, neste caso, apresenta uma melhor concordância com a simulação da rede completa, quando comparada com a da rede anterior. Este fato mostra que o elemento quadrado com duas alimentações é, realmente, menos susceptível ao acoplamento com elementos vizinhos. Além disso, estes resultados dão um respaldo etra ao método proposto.. COMENTÁRIOS FINAIS Como se pode observar dos diagramas de irradiação apresentados, tanto para a antena com cantos truncados como para a quadrada com duas alimentações, o procedimento de síntese proposto consegui estabelecer as larguras de feie de 3 e graus especificadas para a rede CPD de um pseudo-satélite GPS. Como conseqüência, a diretividade de 13 também foi alcançada. Do desenvolvimento apresentado pode-se concluir que o elemento quadrado com duas alimentações é mais indicado para a construção da rede, pois é menos sensível ao acoplamento com elementos vizinhos. Entretanto, seu sistema de alimentação é mais compleo que o da rede de antena com cantos truncados. Embora utilizado neste trabalho para sintetizar diagramas de irradiação de redes de antenas de microfita circularmente polarizadas, o procedimento proposto também é adequado para a síntese de diagramas de redes de antenas de microfita linearmente polarizadas. 5. REFERÊNCIAS [1] D.F. Kelly and W.L. Stutzman, Array Antenna Pattern Modeling Methods that Include Mutual Coupling Effects, IEEE Trans. Antennas and Propagation, Vol. 1, No. 1, 1993, pp [] D.C. Lunardi, Rede de Antenas de Microfita Circularmente Polarizada com Comutação de Feie e Controle de Nível dos Lóbulos Secundários, Tese de Mestrado, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, 7. [3] D. Zandonadi Jr., F. Walter, J.C.S. Lacava e L.Cividanes, Especificações Gerais do Sistema Pseudo-Satélite GPS, versão, ITA, 5. [] C.L. Dolph, A Current Distribution for Broadside Arrays Which Optimizes the Relationship Between Beamwidth and Side-Lobe Level, Proc. IRE and Waves and Electrons, June 19. [5] D.C.M. Maciel, Redes de Antenas de Microfita Circularmente Polarizadas com Apontamento de Feie e Controle de Nível dos Lóbulos Secundários, Tese de Mestrado, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, 5.