Projecto de uma Antena Planar para Aplicação de Telemetria em Ambiente Naval

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1 Projecto de uma Antena Planar para Aplicação de Telemetria em Ambiente Naval Germano Gonçalves Capela (1) e Nuno Pessanha Santos (1) (1) Escola Naval, Portugal RESUMO Ao longo dos anos, a tecnologia microstrip tem mostrado grande sucesso na concepção de antenas. Com inúmeras aplicações em microondas e ondas milimétricas, reúne várias vantagens que lhe proporcionaram grande sucesso: baixo peso, baixo custo e grande flexibilidade na escolha do diagrama de radiação e polarização pretendidos. Porém, esta tecnologia possui algumas desvantagens, como por exemplo, largura de banda estreita. Este tipo de projectos requer a utilização de software de cálculo que, apesar dos seus rigorosos modelos matemáticos, acabam por gerar resultados simulados que muitas das vezes têm diferenças quando comparados com resultados experimentais. O que geralmente acontece é que as curvas simuladas e experimentais correspondentes ao factor de reflexão das antenas (S11) têm formas semelhantes, mas encontram-se desfasadas em frequência. Este facto pode ser particularmente constrangedor em aplicações de banda estreita, em que a falta de sintonia pode fazer com que a antena não tenha o desempenho desejado. Neste trabalho é apresentada uma técnica experimental para sintonia fina de antenas baseadas em elementos microstrip. Este tipo de técnicas apenas é passível de ser aplicado em antenas onde se possam modificar os elementos através de fresas para circuitos impressos ou através do processo fotolitográfico. Este trabalho estuda dois tipos de abordagem: diminuir ligeiramente o tamanho dos elementos para aumentar a frequência de ressonância da antena; adicionar um pequeno pedaço de cobre a cada elemento (o que torna os elementos electricamente maiores) ou adicionar finas camadas de um superstrato à antena para aumentar a frequência de ressonância da antena. Ambos os processos são validados apenas com recurso a simulações por software. A antena em causa é um agregado de 4x4 elementos rectangulares, impressos num RT/Duroid 5880 com 3,175 mm. Esta antena foi projectada para uma aplicação de telemetria da Marinha Portuguesa. Este sistema de telemetria é 1

2 baseado no padrão IEEE g (f 0 = GHz, LB = 84 MHz = 3.4%) e requer um alcance de cerca de 10 km, o que requer que antena tenha pelo menos um ganho de 16 dbi. A antena foi projectada e optimizada com recurso ao software ENSEMBLE. Após o fabrico do protótipo efectuou-se a medida do parâmetro S11, o qual mostrou que a curva característica se encontrava deslocada 34 MHz (1.4 %) em relação à frequência central do padrão. O estudo baseado nas simulações permitiu determinar as regras para compensação do desvio em frequência, quer superior quer inferior. INTRODUÇÃO No presente, encontra-se em desenvolvimento na Escola Naval um sistema de telemetria para possibilitar a monitorização dos efeitos resultantes do impacto de mísseis em navios desmilitarizados. Este sistema é baseado na tecnologia IEEE g para a comunicação sem fios e IEEE para a comunicação feita por fio, requerendo um alcance na ordem dos 10 km. A concepção da antena direccional teve como objectivo aumentar o alcance do sistema de telemetria já existente, tendo como pontos fortes o apresenta um baixo custo e a fácil execução. Para a concepção da antena escolheu-se a tecnologia microstrip, tecnologia com muitas provas dadas, actual e acima de tudo bastante versátil. O processo de projecto e fabrico de uma antena requer a consideração de vários aspectos, como por exemplo, os requisitos estabelecidos para os seus parâmetros (ex. ganho) ou o ambiente onde a antena vai ser utilizada. Inicialmente é necessário efectuar uma abordagem do problema em que apenas é estimada a sua geometria em função das características pretendidas. Esta fase é denominada de pré-dimensionamento. Uma vez afinados os requisitos do projecto, projectaram-se os elementos e toda a sua malha de alimentação através de ferramentas mais completas. Nesta fase foi também possível simular quais os principais resultados expectáveis do protótipo. Após a análise dos resultados obtidos (resultados experimentais), verificou-se que a sua frequência de ressonância se encontrava ligeiramente deslocada para valores inferiores aos desejados. Para corrigir este desvio, simularam-se algumas técnicas não destrutivas (conservando o protótipo inicial) que permitem fazer pequenos ajustes na frequência de ressonância da antena sem afectar o diagrama de radiação ou o ganho. Os resultados obtidos permitiram também generalizar a técnica de ajuste para compensar desvios para frequências superiores e inferiores à frequência de ressonância desejada. 2

3 1. PRÉ-DIMENSIONAMENTO DA ANTENA 1.1. INTRODUÇÃO O pré-dimensionamento tem como finalidade obter uma primeira aproximação àquilo que será o desenho final utilizado para construção da antena. O nível de complexidade exigido obriga a que, pelo menos, sejam determinadas quais as dimensões da antena, sendo para isso necessário determinar o número, tamanho e espaçamento entre elementos. Existem várias metodologias para abordar o desenvolvimento de antenas. Esta deve obedecer a um conjunto de processos estruturados, em que a iteração é essencial para que no final o resultado seja o desejado. Quer isto dizer que, ao longo do projecto, novas perspectivas e conclusões vão sendo alcançadas, o que implica voltar à fase inicial. A análise preliminar foi efectuada com recurso ao software de análise PCAAD 5, que oferece um conjunto de ferramentas básicas e que permite uma abordagem inicial muito simples. Esta ferramenta permite, por exemplo, estimar a directividade e o diagrama de radiação não tendo em conta, por exemplo, a presença da malha de alimentação. Após a determinação dos elementos básicos para o desenho da antena, foi necessário recorrer a um software de desenho e análise mais avançado, que oferece as ferramentas necessárias para o correcto dimensionamento da malha de alimentação REQUISITOS DE PROJECTO O principal requisito para o projecto era o elevado ganho, que deveria ser de 16 dbi. Além disso, para compensar os balanços característicos do alto mar, as aberturas angulares (a -3 db) deveriam ser de 15º. Os requisitos permitiram construir a seguinte tabela: Parâmetro Valor F c 2.45 GHz Largura de banda 22 MHz Directividade 16 dbi Polarização Horizontal Abertura V (-3dB) 15º Abertura H (-3dB) 15º Impedância de entrada 50 Ω Tabela 1 - Requisitos de projecto para a antena direccional. A frequência central escolhida é a frequência do canal 11 do protocolo IEEE g (Figura 1) e 22 MHz a sua largura de banda. A polarização é horizontal para ser compatível com a antena omnidireccional já 3

4 existente no sistema (antena omnidireccional adquirida ao mercado). Para existir adaptação com a linha coaxial que alimentará a antena, a impedância de entrada deve ser de 50 Ω. Figura 1 O espectro de frequências utilizado pela norma IEEE Fonte: (Roshan and Leary 2003) 1.3. PROPOSTA DE PRÉ-DIMENSIONAMENTO Uma vez definidos os requisitos básicos para o projecto da antena, utilizou-se a ferramenta para análise de agregados do software PCAAD 5 denominada Uniform Rectangular Arrays Antenna Analysis, que permite a análise de agregados com elementos uniformemente espaçados. Definiu-se a frequência de trabalho, número de elementos, espaçamento entre elementos, distribuição de fase e amplitude (ambos uniformes e por isso não utilizados) e ainda o tipo de elemento (definido como rectângulo microstrip). Modificaram-se os valores do número de elementos e espaçamentos e elaboraram-se algumas tentativas para alcançar os requisitos pretendidos (iterativamente). Os principais resultados obtidos encontram-se descritos nas seguintes tabelas e figuras. Parâmetro Valor Frequência: GHz Nº elementos: 4x4 (16 elementos) Espaçamento entre elementos: 9,15 cm Distribuição de Amplitude e Fase: Uniforme Tipo de elemento: Quadrado Dimensões do elemento: 3x3 cm Tabela 2 - Parâmetros de teste. 4

5 Figura 2 - Diagrama de radiação (plano H) de pré-dimensionamento. Figura 3 - Diagrama de radiação (plano E) de pré-dimensionamento. Parâmetro Valor Directividade: 20,1 db L. Lóbulo Principal (-3 db): 17,22 NLS 1 : 11,9 db Tabela 3 - Resultados de pré-dimensionamento. Os resultados da Tabela 3 foram os que mais se aproximaram dos requisitos iniciais. Alterando apenas o espaçamento e o número de elementos, foi possível fazer com que o número de lobos secundários fosse o menor possível não degradando em demasia a abertura do lóbulo principal. A directividade obtida conseguia dar uma margem de segurança para alguns factores que não são tidos em conta nesta simulação (i.e. perdas e radiação espúria). 1 NLS é o nível de lobos secundários, ou seja, é a relação de amplitude entre o lóbulo principal e os lobos secundários. 5

6 Para estimar as dimensões da antena, tiveram-se em conta as dimensões dos elementos, o espaçamento entre elementos. Uma vez que as dimensões do plano terra devem exceder as dimensões da antena, adicionou-se uma margem para o plano terra em cada um dos lados da antena (esta dimensão deve ser tal que mesmo não estando perante um plano terra infinito, esse efeito seja atenuado) (Huang 1994). Assim, com elementos de 3 cm, espaçamentos de 9,15 cm e margens de 5 cm, as dimensões da antena em cada plano seriam de cerca de 50 cm CONCLUSÕES Os resultados expostos anteriormente, como de início foi referido, foram o ponto de partida para uma fase mais rigorosa do projecto da antena. Através de um processo pouco complexo, verificou-se que com um arranjo de elementos bastante simples, foi possível alcançar os requisitos definidos para este upgrade ao link Wi-Fi. De realçar a obtenção de um valor elevado para a directividade, apesar da abertura do feixe a meia potência não ser exactamente a definida inicialmente (mais 2º que o definido). Apesar dos resultados obtidos nesta primeira aproximação serem bons resultados, houve plena consciência que não foram tidos em conta vários factores importantes. Considerando os fenómenos estudados e as limitações do programa de simulação, é importante perceber que não foram contabilizadas as contribuições que a malha de alimentação traz em termos de perdas, radiação espúria, adaptação de impedâncias e largura de banda. Também não foi contabilizado o contributo do substrato em termos de perdas, largura de banda e dimensão dos elementos. Outro aspecto importante a reter é a dimensão total da antena. Uma vez que os substratos sobre os quais se fabricam as antenas microstrip 1 requerem elevada precisão, é importante adaptar o desenho da antena aos substratos disponibilizados pelos fornecedores e que muitas das vezes não têm as dimensões desejadas. 2. PROJECTO DA ANTENA IMPRESSA DIRECCIONAL 2.1. INTRODUÇÃO Concluída a fase de pré-dimensionamento, através do software de desenho e simulação Ensemble Design (ENSEMBLE 1998) citado por (Peixeiro and Salvatori 1999), efectuou-se o desenho e simulação 1 Entenda-se que os substratos adquiridos no mercado normalmente compreendem também a camada de cobre inferior (plano terra) e a camada de cobre superior (onde são desenhados os elementos e a malha de alimentação). 2 Ensemble Design 5.1 da Ansoft Corporation Boulder Microwave Division. 6

7 da estrutura completa da antena (elementos, malha de alimentação e substrato). Esta ferramenta permitiu a elaboração do desenho utilizado para o fabrico da antena através da técnica de fotolitografia. O software utilizado possui um vasto conjunto de ferramentas que permite dimensionar os elementos, as linhas de alimentação e os transformadores de, tendo em conta as propriedades do substrato utilizado PROJECTO DA ANTENA 4. O substrato disponível para fabrico da antena apresentava as características apresentadas na Tabela Espessura = mm Plano Terra e Superficial Condutância = 5.8 x 10 7 S RT Duroid 5880 Substrato Altura = mm Dimensões 445 x 304 mm Tabela 4 - Características do substrato. É de realçar que as dimensões do substrato não permitiram reproduzir as dimensões do prédimensionamento, uma vez que este tinha uma largura ligeiramente mais pequena que o previsto. Este aspecto fez com que a antena não pudesse ter as mesmas dimensões nos planos vertical e horizontal (espaçamento e distância no plano vertical ligeiramente menores). Outro aspecto importante que envolve o fabrico da antena, e que tem influência na performance da mesma, tem que ver com um erro em frequência que o processo de fabrico do laboratório do Instituto Superior Técnico introduz na antena fabricada. Este erro acontece sempre e concluiu-se assim que era esperado uma ligeira diminuição da frequência de ressonância do protótipo produzido em relação às simulações efectuadas. A escolha do canal 11 do IEEE g (frequência mais elevada do padrão) ajudou a precaver esta limitação. O primeiro passo na elaboração da estrutura da antena foi dimensionar e dispor espacialmente os elementos. Utilizando a ferramenta do software ENSEMBLE para dimensionamento dos elementos, determinou-se que estes deveriam ter 39,4 por 39,4 mm, o que corresponde a uma impedância de entrada no bordo de cerca de 309 Ω. Uma vez que se pretende que a antena seja alimentada por uma linha coaxial de 50 Ω, era conveniente que o valor da impedância dos elementos tivesse uma impedância de valor mais próximo 7

8 à da alimentação principal para assim evitar transformadores de aumenta as perdas). com grandes descontinuidades (o que Figura 4 - Geometria e disposição dos elementos. No desenho da Figura 4 é possível verificar que os elementos encontram-se espaçados 91 mm na horizontal e 63 mm na vertical. De notar que a alimentação é feita horizontalmente para que a polarização da antena seja horizontal. Centrando a alimentação principal na estrutura e realizando sucessivas divisões de alimentação ao longo da linha (com recurso a transformadores de estrutura apresentada na Figura 5. para adaptação de impedâncias), desenhou-se a Figura 5 - Desenho da antena com elementos e malha de alimentação. A estrutura apresentada utiliza apenas três transformadores desde o ponto de alimentação principal até cada elemento, o que corresponde a um compromisso entre a adaptação de impedâncias, divisão da 8

9 alimentação e redução do tamanho da malha de alimentação. Este desenho é resultado de um processo iterativo que teve como objectivo optimizar o espaço, obter o máximo de largura de banda possível e cumprir com os requisitos de projecto RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES Efectuaram-se simulações com recurso ao Método dos Momentos através da ferramenta de simulação do software ENSEMBLE e obtiveram-se os diagramas de radiação dos planos E e H e parâmetro S 11. O diagrama de radiação neste caso foi traduzido em diagrama de ganho, uma vez que o programa fornece directamente o diagrama de radiação em função do ganho na direcção de máximo S11 [db] ,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 Frequência [GHz] Gráfico 1 - Representação gráfica do parâmetro S 11. Numa primeira análise ao parâmetro S 11, evidencia-se a ressonância da estrutura nos 2,5 GHz apesar de esta ter sido dimensionada para 2,462 GHz. Este facto é facilmente explicado pela influência de toda a malha de alimentação (incluindo a inserção feita em cada elemento para ajuste da impedância de entrada). Tendo em conta que o processo de fabrico introduzirá um desvio negativo na frequência de ressonância, este resultado foi bem aceite. Em termos de largura de banda, em muitos sistemas de telecomunicações, é tido como largura de banda útil todas as frequências com factor de reflexão abaixo dos -10 db. Assim, para o caso da simulação, obteve-se cerca de 90 MHz de largura de banda, o que significa que se a frequência de 9

10 ressonância coincidisse com a frequência central do IEEE g, esta antena cobriria toda a gama de frequências do padrão EPlane-sim HPlane-sim 10 Ganho [dbi] Theta [ O ] Gráfico 2 - Diagramas de radiação planos E e H. O aspecto mais importante desta simulação é o ganho na direcção de máximo (0º) muito próximo dos 20 dbi (19,3 dbi), uma vez que a directividade estimada no pré-dimensionamento era de 20,1 db. Outro aspecto notável é a distorção que o diagrama de radiação sofreu face ao pré-dimensionamento. Por efeito da presença da malha de alimentação, o NLS é mais elevado (cerca de 15 dbi face aos 10 dbi do prédimensionamento) e o número e ângulo dos zeros do diagrama não é o mesmo. As larguras do lóbulo principal são, respectivamente para o plano vertical e horizontal de 18º e 16º, o que também corresponde com o esperado RESULTADOS EXPERIMENTAIS Uma vez terminado o projecto da antena, passou-se ao seu fabrico. Após a conclusão do processo fotolitográfico, obteve-se o protótipo apresentado na Figura 6. 10

11 Figura 6 Fotografias da antena fabricada. Posto isto, procedeu-se se à medição experimental dos parâmetros necessários para caracterizar e confirmar o desempenho da antena. Para se medir estes parâmetros com elevado rigor, recorreu-se recorreu aos instrumentos de medida e câmara anecóica do I.S.T. I.S. Mediu-se o parâmetro S11 e o diagrama de radiação (sob a forma de diagrama de ganho). 11

12 S 11 [db] ,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3 Frequência [GHz] Experimental Simulação Gráfico 3 - Comparação do parâmetro S 11 obtido experimentalmente e por simulação. O resultado do parâmetro S 11 confirma tudo aquilo que foi assumido inicialmente. Em primeira lugar, é notório o desvio da frequência de ressonância em aproximadamente 90 MHz (devido ao processo de fabrico). Em segundo lugar, e como era de esperar, a largura de banda a -10 db desceu para 75 MHz. Visto que a largura de banda útil deste protótipo (2,375 GHz a 2,452 GHz) contemplava quase toda a largura de banda do IEEE g (2,401 GHz a 2,473 GHz), tomou-se este resultado como muito satisfatório. Nestas circunstâncias, os canais desde o 1 ao 6 puderam ser utilizados (2,401 GHz a 2,448 GHz), o que possibilitava a escolha entre dois dos três canais que não se interceptam (1 e 6). 12

13 EPlane-sim Eplane-Exp Ganho [dbi] Theta [ o ] Gráfico 4 - Comparação do diagrama de ganho do plano E obtido experimentalmente e por simulação (f=2,41 GHz) HPlane-sim Hplane-Exp Ganho [dbi] Theta [ o ] Gráfico 5 - Comparação do diagrama de ganho do plano H obtido experimentalmente e por simulação (f=2,41 GHz). 13

14 Largura de banda (abaixo dos -10dB) Resultados Simulado 2460MHz 2540MHz (80MHz) Experimental 2.375MHz 2,452MHz (77MHz) Canais 1 a 7 do Wi-Fi Plano E Plano H Simulado Experimental Simulado Experimental Ganho 0 º 19,3 17,7 19,3 17,69 Ganho Máx 19,32 (1º) 17,89 (2º) 19,970 (-1º) 17,69 (0º) Abertura feixe principal (-3dB) 18º 17º 25º 25º Tabela 5 Comparação entre os valores obtidos teoricamente e experimentalmente. Os resultados obtidos experimentalmente, quando comparados com as simulações, revelam muitas semelhanças e poucas diferenças. Em termos de forma, tanto no plano E como no H, o resultado obtido experimentalmente assemelha-se muito à resposta experimental. O número e posição angular dos zeros é o mesmo, a amplitude relativa e posição angular dos lobos secundários do resultado experimental são também muito idênticos às medições experimentais. De salientar, também, a simetria do diagrama de radiação obtida no plano H. Em termos de valores de ganho, constata-se que não existe total consistência angular na diferença de ganho obtido na medição experimental e na simulada. Na direcção de máximo, verifica-se que, no plano E e no H, o valor simulado se encontra cerca de 1,6 db acima do medido experimentalmente. A falta de calibração da câmara anecóica posterior à sua actualização pode estar na origem da diferença nas medições do ganho da antena CONCLUSÕES DA FASE DE PROJECTO E FABRICO A principal conclusão que se pode retirar é a de que os objectivos propostos foram alcançados. Foi proposto o projecto e fabrico de uma antena direccional com um ganho superior a 16 dbi e com aberturas de feixe na ordem dos 15º (os 25º no plano H são resultado de uma limitação material), para operar com o padrão IEEE g, o que foi conseguido com sucesso. Verificou-se que o software utilizado proporciona um elevado nível de aproximação aos resultados experimentais, o que traduz a sua fiabilidade para este tipo de projectos. É também importante notar que não foi necessário utilizar nenhuma técnica no desenho com elevada complexidade (i.e. distribuição de fases ou amplitudes) para se obter o ganho e diagrama desejados. Outra consistência verificada diz respeito à frequência de ressonância e largura de banda. Verificouse que foi bem conseguido o dimensionamento da frequência de ressonância para valores superiores aos desejados, uma vez que o desvio resultante do fabrico compensou positivamente os valores de projecto. Em 14

15 termos de largura de banda, apesar do desvio de cerca de 32 MHz da frequência de ressonância, não houve um decréscimo significativo face ao esperado, uma vez que com a largura de banda obtida é possível trabalhar em 7 canais distintos do Wi-Fi, dos quais 2 não se interceptam (canais 1 e 6). 3. AJUSTE DA FREQUÊNCIA DE RESSONÂNCIA DA ANTENA Uma vez identificado o desvio em frequência é possível efectuar pequenos ajustes na frequência de ressonância. Uma das formas de aumentar a frequência de ressonância da antena é diminuir ligeiramente o tamanho dos elementos. Ao efectuar este corte dentro de certos limites, não vão existir alterações significativas na adaptação dos elementos e consequentemente na largura de banda da antena. A diminuição do tamanho dos elementos pode ser obtida através de um corte aplicado numa das bases dos elementos ( L 1 ou L 2 ), conforme a Figura 7. Figura 7 - Representação dos cortes no elemento. Para efectuar cortes em todos os elementos da antena pode-se aplicar a técnica fotolitográfica ou uma fresa para circuitos impressos. Para se verificar a relação entre a dimensão corte e o desvio obtido, efectuaram-se várias simulações para várias profundidades de corte. Os resultados encontram-se representados no Gráfico 6. 15

16 0-5 S11 [db] DL = (0+0) DL = - (0.5+0) mm DL = - (0+0.5) mm DL = - (1.0+0) mm DL = - (0+1.0) mm DL = - (1.5+0) mm DL = - (0+1.5) mm DL = - (2.0+0) mm DL = - (0+2.0) mm 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 Frequência [GHz] Gráfico 6 Factor de reflexão para os respectivos cortes. A análise destes resultados permitiu concluir que o corte mais favorável, em termos de influência na largura de banda, é o que é efectuado junto ao ponto de alimentação. Não foi testado o corte simultâneo nas duas extremidades, uma vez que seria um resultado intermédio em relação aos obtidos. É possível também verificar que à medida que se aumenta o tamanho do corte, a largura de banda diminui, o que leva a concluir que este processo apenas é viável para pequenos ajustes/cortes. Os resultados obtidos permitiram construir a seguinte relação: DL/L Simulation fo/fo [%] ,5-4,5-3,5-2,5-1,5-0,5 L/L [%] Gráfico 7 - Relação entre dimensão do corte e deslocação da frequência de ressonância. 16

17 O Gráfico 7 ilustra a relação entre a percentagem de corte efectuado e o desvio em frequência obtido. Esta relação obedece à seguinte regra: Df o /f o = - DL/L. Assim, para este agregado, a percentagem de corte aplicado é inversamente proporcional à percentagem de desvio na frequência. Para corrigir os 32 MHz de desvio obtidos, pela análise dos resultados, verificou-se que seria necessário cortar 0,5 mm em cada elemento. 3,5 Largura de Banda [%] 3,0 2,5 2,0 1,5-2 -1,5-1 -0,5 0 L [mm] Gráfico 8 - Largura de banda obtida em função do corte efectuado. Como referido anteriormente, pela análise do Gráfico 8 confirma-se que esta técnica apenas pode ser aplicada em pequenos ajustes sem grande prejuízo da largura de banda. Para cortes de dimensão superior, os elementos deixam de estar adaptados à respectiva malha de alimentação, o que resulta numa redução da largura de banda. Uma vez identificado o procedimento para corrigir o agregado para a frequência de ressonância correcta, passou-se ao estudo de outros métodos para ajuste de frequência, agora para casos em que a frequência de encontra acima da desejada, e assim poder generalizar o procedimento de ajuste. métodos: Para o caso de fazer deslocar a frequência de ressonância para valores inferiores, estudaram-se dois Adicionar uma fina camada de superstrato à antena; Adicionar uma fina camada de superstrato com pequenos elementos de colados (que depois ficam acoplados electromagneticamente aos elementos do agregado). Adicionando camadas finas de 80 µm de película adesiva (esta película é normalmente utilizada no dia-a-dia para p.ex. forrar livros), controlou-se a espessura do superstrato utilizado no primeiro método. Experimentalmente verificou-se que este material tem uma constante dieléctrica efectiva ε r =

18 Através do resultado das simulações, representados no Gráfico 9Erro! A origem da referência não foi encontrada., foi possível caracterizar o efeito deste método S11 [db] h=0-25 h=0.080 mm -30 h=0.160 mm -35 h=0.400 mm h=0.800 mm -40 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 Frequency [GHz] Gráfico 9 Factor de reflexão em função da espessura do superstrato. Os resultados obtidos permitiram concluir que este método apenas é viável para ajustes muito pequenos, tendo em consideração que existe um grande efeito na largura de banda. Não obstante os resultados obtidos, este método revela grande simplicidade. O segundo método estudado para compensar desvios superiores da frequência de ressonância consistiu em colocar um superstrato do mesmo material do substrato, RT Duroid 5880, com apenas 0,117 mm de altura. No topo do superstrato e por cima de cada elemento colocaram-se pequenos elementos rectangulares de cobre para sintonia dos elementos. O Gráfico 10 representa os resultados obtidos para elementos rectangulares de 10 mm de comprimento, colocados no lado oposto ao da alimentação, metade do seu comprimento sob o elemento radiante. Efectuando saltos de 2 mm na largura do elemento de ajuste, determinou-se o factor de reflexão do agregado. 18

19 S11 [db] -15 No Supertsrate -20 No Stub mmx10.0mm mmx10.0mm mmx10.0mm 8.0mmx10.0mm -40 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 Frequency [GHz] Gráfico 10 - Factor de reflexão em função da largura dos elementos de ajuste. Os resultados alcançados conferem a esta técnica vantagem em relação à anterior, uma vez que provocam um desvio efectivo na frequência de ressonância sem prejuízo na largura de banda. A complexidade deste método não é elevada, sendo apenas necessário centrar todos os elementos de ajuste com os elementos do agregado. 4. CONCLUSÕES Este trabalho relata todo o processo necessário para projecto e fabrico de uma antena que utiliza a tecnologia microstrip. Projectou-se e fabricou-se uma antena direccional de 19 dbi de ganho, de acordo com um conjunto de pré-requisitos definidos para sua incorporação num sistema de telemetria baseado no padrão IEEE g. Fruto de algumas diferenças encontradas nos padrões dos factores de reflexão, estudaram-se vários métodos para ajuste da frequência de ressonância. No primeiro método, recorrendo apenas a simples cortes nos elementos, conseguiu-se o ajuste necessário para fazer aumentar a frequência de ressonância do agregado ao valor desejado. Determinou-se que efectuando 0,5 mm de corte no lado oposto ao lado da alimentação de cada elemento faria deslocar a frequência de ressonância do agregado em 32 MHz. Como forma de generalizar o ajuste fino da frequência de ressonância em agregados deste tipo, estudaram-se mais dois métodos, desta vez para fazer descer a frequência de ressonância. Colocando várias camadas de película adesiva no topo do agregado conclui-se que é possível fazer descer a frequência de ressonância, mas com grandes perdas em termos de largura de banda. Recorrendo a um superstrato e elementos de sintonia, concluiu-se que é possível fazer deslocar para baixo a frequência de ressonância sem prejuízo na adaptação e largura de banda do agregado. 19

20 Este projecto permitiu a aplicação de vários conhecimentos académicos e desenvolvimento de actividades laboratoriais. Revelou ser um importante para a consolidação de uma temática muito abrangente, o projecto de antenas planares, contribuindo em muito para a formação profissional dos autores do trabalho. REFERÊNCIAS E BIBLIOGRAFIA Balanis, C. A. (2005). Antenna Theory - Analysis and Design, Third Edition. Hoboken, New Jersey, John Wiley & Sons, Inc. Calhau, L., V. Lameiras, et al. (2008). Antena Impressa para GSM900, GSM1800 e WLAN. Jornadas de Engenharia de Electrónica e Telecomunicações e de Computadores Lisboa, Portugal Correia, P. M. P., L. C. B. d. S. Gonçalves, et al. (1999). Agregados Impressos - Passivo e Activo - para 3 GHz. Jornadas de Engenharia de Electrónica e Telecomunicações e de Computadores Lisboa, Portugal. ENSEMBLE (1998). Design, Review, & 1D Array Synthesis, Version 5.1, User s Guide. E. U. A., Ansoft Corporation. Huang, J. (1994). "Computer - Aided Design of Printed Antennas and Arrays." Short Course Notes Kumar, G. and K. P. Ray (2003). Broadband Microstrip Antennas. London, Artech House, Inc. Peixeiro, C. and G. Salvatori (1999). Antena Impressa para GPS. Jornadas de Engenharia de Telecomunicações e Computadores Roshan, P. and J. Leary (2003) Wireless LAN Fundamentals, Cisco Press. Seybold, J. S. (2005). Introduction to RF Propagation. New Jersey, USA, John Wiley & Sons, Inc. Walke, B. H., S. Mangolg, et al. (2006). IEEE 802 Wireless Systems. West Sussex, England, John Wiley & Sons. 20

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