Desenvolvimento e implementação de uma antena impressa com polarização dupla

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1 Desenvolvimento e implementação de uma antena impressa com polarização dupla M. M. Bontempo¹, P. S. Marques¹, Regivan N. Da Silva¹, L. Nabuco², R. N. Dias² e Arismar Cerqueira S. Jr.¹ ¹Laboratório Wireless and Optical Convergent Access (WOCA) Instituto Nacional de Telecomunicações (INATEL) Santa Rita do Sapucaí, MG 3754-, Brasil mariliamartins@gee.inatel.br ²Keysight Technologies Brasil Barueri, SP Resumo Este artigo apresenta o desenvolvimento e a implementação de uma antena impressa com dupla polarização que opera na frequência de 3,3GHz. As otimizações realizadas em uma antena de microlinha convencional permitiram a irradiação da antena nas polarizações vertical e horizontal. Realizou-se uma análise de desempenho experimental em um ambiente indoor utilizando sinais digitais QPSK e 16QAM. Os resultados obtidos comprovam que as distribuições de corrente e de campo elétrico têm vetores ortogonais quando cada uma das portas é alimentada. Palavras-chave antena com dupla polarização, antena de microlinha, antena reconfigurável; I. INTRODUÇÃO Antenas com dupla polarização representam uma alternativa a qual pode permitir o aumento da eficiência de uso do espectro ou ainda a melhoria da robustez do enlace sem fio frente às diferenças de polarização existentes entre o transmissor e o receptor dos sistemas de comunicações atuais. Tais antenas podem também trazer a proposta de substituição de um sistema convencional do tipo Múltiplas Entradas Múltiplas Saídas, do inglês MIMO, com antenas geograficamente espaçadas por antenas que apresentam uma diversidade de polarização em um mesmo espaço físico [1-5]. As antenas com dupla tipicamente baseiam-se em: antenas de microlinha e antenas dipolo cruzado [6]. As antenas de microlinha que incorporam dupla polarização geralmente apresentam ranhuras para seu acoplamento, tais como ranhuras na forma da letra H, C, L ou sinuoso e/ou ainda uma rede de alimentação [7-13]. Dessa maneira, a característica de dupla polarização da antena impõe técnicas de projeto mais complexas que as usualmente aplicadas. Já as antenas de dipolo cruzado podem demandar o uso de um absorvedor de radiofrequência (RF) [14], soldagem de fios, curtos-circuitos ou sondas [15-17]. A maioria dessas antenas não apresenta uma configuração totalmente planar. Além dos obstáculos na construção do protótipo da antena, o padrão de irradiação também deve ser analisado quando se deseja obter uma antena com dupla polarização. É interessante que se apresente um padrão de irradiação omnidirecional, especialmente para aplicações de pequeno volume, como pontos de acesso e repetidores. Esse trabalho apresenta uma solução portátil, de baixo custo, facilidade de fabricação e padrão de irradiação omnidirecional a respeito de uma antena de microlinha planar com dupla polarização. Os resultados experimentais obtidos na caracterização da antena são descritos nos itens a seguir. O manuscrito está organizado em outras cinco seções. A Seção II discute os modos de propagação da antena. A Seção III detalha a respeito das adaptações efetuadas na antena. A Seção IV apresenta a caracterização da antena e a Seção V as conclusões e considerações finais. II. PROJETO DA ANTENA DE MICROLINHA COM DUPLA POLARIZAÇÃO A antena desenvolvida é uma antena de microlinha com dupla polarização e foi projetada a partir de uma antena impressa com irradiador retangular convencional e alimentação de microlinha de fita. A frequência de operação escolhida foi de 3,3GHz, cuja aplicação inclui o uso de radioamador e radiolocalização. O projeto da antena pode ser reproduzido para qualquer frequência de interesse. As antenas de microlinha foram idealizadas por G. Deschamps em 1953 [18]. Considerando uma antena de microlinha em que o comprimento L do elemento irradiador é de aproximadamente λ g /2, o comportamento do campo elétrico é máximo nas extremidades do elemento irradiador, pois a tensão nestes pontos é máxima; e nula no centro, representando um curto circuito. O campo magnético por sua vez é mínimo nas extremidades da plaqueta ressonadora, pois a corrente nestes pontos também é mínima. Essas características conceituam a antena impressa retangular como sendo uma antena de meia plaqueta, que opera de modo semelhante a um ressonador de λ/4 [19]. As equações que relacionam as dimensões W (largura) e L (comprimento) da plaqueta de uma antena de microlinha com as características eletromagnéticas do substrato empregado na fabricação da antena impressa são dadas em [19]. Sendo assim, as dimensões de uma antena de microlinha com irradiador retangular, projetada para a frequência de 3,3GHz e impedância de entrada igual a 5ohms no substrato Arlon

2 DiClad88 (ε r = 2,2) são W=35,91mm e L=29,78mm. A linha de alimentação, para uma impedância de 5ohms tem a largura de 2,98mm. A. Modos de propagação da antena proposta A onda eletromagnética induzida no elemento irradiador da antena é dada pela combinação de ondas incidentes nesse componente da antena. As antenas de microlinha podem operar no modo TMmn de tal forma que: f = 3x18 ( mπx 2π ε r L )2 + ( nπy W )2, (1) sendo m o número de modos de propagação na direção paralela a L e n o número de modos na direção paralela à n. As equações de projeto, na maioria das vezes, resultam em valores de W maiores que os valores de L e, por essa razão, é comum que se tenha o modo TM 1 como modo fundamental de propagação. No entanto, o ponto de alimentação define o sentido de variação do campo eletromagnético, bem como o modo de propagação excitado na plaqueta [19]. As figuras 1a e 1b mostram respectivamente os modos de propagação em uma antena de microlinha de meio comprimento de onda quando alimentada através dos comprimentos W e L, respectivamente. (b) Densidade de corrente superficial para a porta 2 alimentada. (c) Magnitude do campo elétrico para a porta 1 alimentada. W L h W L h (a) TM 1 (b) TM1 Figura 1 Modos de propagação em uma antenna de microlinha. Para se garantir a dupla polarização da antena, dois pontos de alimentação foram adicionados à antena, cujas componentes de campo induzido na plaqueta são ortogonais para cada um desses pontos de alimentação. Dessa maneira, quando uma das entradas de alimentação é ativa e a outra se encontra com uma carga casada de 5Ω, uma polarização é obtida. A outra polarização, ortogonal à primeira, se dá quando a situação é inversa: a segunda alimentação é ativa e a outra porta casada. A Fig. 2 demonstra o comportamento da densidade de corrente superficial no elemento irradiador e da formação do campo elétrico no substrato. (a) Densidade de corrente superficial para a porta 1 alimentada. (d) Magnitude do campo elétrico para a porta 2 alimentada. Figura 2- densidade de corrente superficial no elemento irradiador e da formação do campo elétrico no substrato. B. Sintonia da antena A alimentação da antena foi realizada utilizando uma microlinha de fita, na qual o sinal guiado na microlinha é transferido para o elemento radiador. Esse método é conveniente, visto que a microlinha se alinha à geometria da antena e forma um só conjunto plano e compacto entre a plaqueta condutora e sua alimentação. A largura l da microlinha pode ser dimensionada a partir da impedância característica da linha e de algumas propriedades do material dielétrico como espessura e constante dielétrica, conforme em [19]. Sabendo que o material utilizado possui espessura de 1,55mm, constante dielétrica de 2,2 e a impedância característica é de 5Ω, obtém-se uma largura de 2,98mm. A fim de garantir que ambas as portas apresentem o mesmo valor de coeficiente de reflexão, W e L foram numericamente

3 igualados a 34,83mm. No entanto, o acréscimo de uma segunda trilha de alimentação acarreta em uma impedância mútua para com a primeira, bem como altera a distribuição de corrente do elemento irradiador. Sendo assim, as dimensões da antena foram numericamente ajustadas através do Método dos Momentos implementado pelo software de simulação eletromagnética de onda completa Ansys HFSS (High Frequency Structural Simulator). Para o casamento da impedância da antena com a linha de alimentação, foi necessário redimensionar o valor da impedância de entrada a partir de adaptações na geometria da antena. O procedimento utilizado consiste em inserir duas aberturas na plaqueta condutora da antena de modo que a linha de alimentação seja introduzida na plaqueta até um ponto no qual a impedância será estritamente próxima à impedância característica da linha. Para melhoria do casamento da antena, um abaloamento de raio de 12mm foi introduzido nas extremidades adjacentes à alimentação. Esse abaloamento é o principal responsável pela redução dos efeitos capacitivos e de franjamento da antena de microlinha, compensando parte da impedância mútua natural do acréscimo da segunda porta de alimentação. As dimensões finais da antena de microlinha de dupla polarização podem ser vistas na Fig ,25mm 31,5mm 4,55mm 2,97mm Porta 2 Porta 1 Figura 3- Dimensões da antena de microlinha com dupla polarização. Visto que a antena foi projetada para a frequência de operação de 3,3GHz, foram realizadas medidas e simulações do coeficiente de reflexão da antena. A Fig. 5 apresenta a resposta em frequência a partir de um gráfico do coeficiente de reflexão (com escala em db) pela frequência, no qual foram colocadas as curvas das portas 1 e 2 medidas separadamente e a curva das portas 1 e 2 simuladas no HFSS simultaneamente. Os resultados numéricos e experimentais apresentam boa concordância qualitativa. As Portas 1 e 2 têm o coeficiente de reflexão com magnitudes de -14,9dB e -13,7dB; respectivamente. Coeficiente de Reflexão (db) Simulação (Portas 1 e 2) Medição (Porta 1) Medição (Porta 2) 2, 2,5 3, 3,5 4, Frequência (GHz) Figura 5 - Resposta em frequência da antena. O padrão tridimensional de irradiação de cada uma das portas da antena pode ser visto na Fig. 6. A antena possui um ganho máximo de 4,72dBi quando cada uma das portas é alimentada isoladamente. III. PROTÓTIPO E CARACTERIZAÇÃO DA ANTENA O protótipo desenhado e otimizado no HFSS foi construído, conforme ilustra a Fig. 4Erro! Fonte de referência não encontrada., para avaliar o desempenho da antena. A frequência de operação escolhida foi de 3,3GHz, cuja aplicação inclui a radiolocalização. Figura 4 - Protótipo da antena fabricada. Figura 6 Padrão de irradiação tridimensional da antena de microlinha com dupla polarização. Após a construção do protótipo, foram realizadas medidas nos planos de azimute e elevação com excitação nas duas portas (uma a cada vez) para a determinação de seus diagramas de irradiação nas polarizações direta e cruzada. As medidas foram realizadas em campo aberto. A Figura 7a apresenta o diagrama de radiação em azimute quando a Porta 1 é excitada em polarização direta; e em 7b é possível observar o diagrama de irradiação em elevação quando esta mesma porta é excitada, também em polarização direta. A Figura 7c apresenta o diagrama de irradiação formado no

4 plano azimute quando a polarização é cruzada e a Porta 1 é excitada. As medidas análogas obtidas a partir da Porta 2 foram semelhantes àquelas obtidas a partir da Porta 1. As diferenças percebidas entre as curvas medidas e simuladas se devem às imperfeições dos procedimentos reais de medição, isto é, interferências eletromagnéticas e reflexões ocorridas no processo (a) Padrão de irradiação em azimute para polarização direta Ansys HFSS Medida (c) Padrão de irradiação em azimute para polarização cruzada. Figura 7 Padrão de irradiação da antena proposta. IV. IMPLEMENTAÇÃO DA ANTENA EM UM SISTEMA DIGITAL Os testes qualitativos da antena de microlinha com dupla polarização na frequência de 3,3GHz foram realizados em ambiente indoor, utilizando uma rede wireless com diferentes tipos de modulação digital em condições reais de Ansys HFSS Medida Medida Ansys HFSS (b) Padrão de irradiação em elevação para polarização direta operação, conforme a Fig. 8. A distância entre as antenas foi de 1m e a altura de posicionamento de ambas as antenas foi de aproximadamente 1,6m. Figura 8 - Ambiente de testes indoor. A antena transmissora utilizada no teste foi uma antena comercial do fabricante Aaronia, modelo Hyper LOG 61, faixa de frequência de 68MHz a 1GHz e ganho de 4,5dBi. A antena receptora foi a antena de microlinha de dupla polarização projetada. Foi utilizado um gerador de sinal vetorial modelo N5182B do fabricante Keysight para a formação de uma sequência de bits na forma PN23, com ajuste do fator de roll off em,25 e filtro cosseno elevado. A potência de saída do gerador de sinal vetorial foi ajustada em 16dBm e foram desconsideradas as perdas nos cabos e conectores pois o objetivo foi obter resultados comparativos da capacidade de recepção da antena de dupla polarização para diferentes modulações e polarizações. O resultado da relação sinal/ruído (RSR) medido na antena de microlinha com polarizações horizontal e vertical, para apenas uma das portas alimentadas e com a antena transmitindo em, 3, 45, 6 e 9, está mostrado na Fig. 9. Essa figura mostra também a relação sinal/ruído na antena de microlinha com as duas portas alimentadas, isto é, com contribuição de ambas as polarizações. Esse último teste aponta para uma variação da RSR de aproximadamente 5%, caracterizando a possibilidade de obtenção do sinal para qualquer posição da antena transmissora. RSR (db) Receptora verticalmente polarizada Receptora horizontalmente polarizada Receptora com ambas as polarizações Angulação da antena transmissora Figura 9 Variação da RSR em função da angulação da antena transmissora (º = transmissora na posição horizontal).

5 O segundo cenário de teste consiste na transmissão de um sinal nas polarizações vertical e horizontal, para as modulações QPSK e 16QAM, girando-se a antena transmissora de a 9, na sequência, 3, 45, 6 e 9. Os resultados das antenas em polarização direta e cruzada podem ser verificados nas Fig. 1, 11, 12 e 13. É possível observar que o sinal não pode ser adequadamente recebido quando transmitido em uma polarização ortogonal à porta alimentada na antena receptora, a impressa de dupla polarização. Na situação oposta, quando as polarizações das antenas transmissora e receptora são iguais, o sinal é devidamente identificado. V. CONCLUSÕES Este artigo apresentou o desenvolvimento de uma antena de microlinha com dupla polarização linear, projetada para a frequência de 3,3GHz. Simulações realizadas no HFSS comprovaram a existência de vetores campo elétrico e distribuição de correntes ortogonais entre si a cada vez que uma porta era excitada. Comprovada a dupla polarização via software, o protótipo foi construído e o desempenho da antena foi atestado a partir das medidas de copolarização e polarização cruzada. Os resultados apontam para uma rejeição de polarização de, em média 15dB. Por fim, a antena proposta foi analisada experimentalmente em uma rede wireless com diferentes tipos de modulação digital, com a finalidade de ilustrar sua aplicabilidade em redes móveis. A antena proposta representa, portanto, uma nova alternativa de fácil fabricação, baixo custo e padrão de irradiação adequado para antenas de dupla polarização. (a) Constelação. Figura 1 Análise da qualidade do sinal medido para a modulação QPSK, com a antena transmissora defasada de em relação à polarização direta. (a) Constelação. Figura 11 - Análise da qualidade do sinal medido para a modulação QPSK, com a antena transmissora defasada de 9 em relação à polarização direta. (a) Constelação. Figura 12 - Análise da qualidade do sinal medido para a modulação 16QAM, com a antena transmissora defasada de em relação à polarização direta.

6 (a) Constelação. Figura 13 - Análise da qualidade do sinal medido para a modulação 16QAM, com a antena transmissora defasada de 9 em relação à polarização direta. AGRADECIMENTOS Este trabalho foi parcialmente financiado pela Finep / Bolsa Funttel No , sob o projeto Centro de Referência em Radiocomunicações (CRR) do Instituto Nacional de Telecomunicações (Inatel), Brasil. Os autores também agradecem o apoio financeiro do CNPq, CAPES, MCTI e FAPEMIG e apoio técnico da Anritsu, Keysight e ESSS- ANSYS. REFERÊNCIAS [1] J.-M. Molina-Garcia-Pardo, J.-V. Rodriguez, and L. Juan-Llacer, Polarized indoor MIMO channel measurements at 2.45 GHz, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 56, no. 12, pp , Dec. 28. [2] J. F. Valenzuela-Valdés, M. A. García-Fernández, A. M. Martí González, and D. A. Sánchez-Hernández, Evaluation of true polarization diversity for MIMO systems, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 57, no. 9, pp , Sep. 29. [3] D. G. Landon and C. M. Furse, Recovering handset diversity and MIMO capacity with polarization-agile antennas, IEEE Trans. Antennas Propag, vol. 55, no. 11, pp , Nov. 27. [4] T. Brown, Indoor MIMO measurements using polarization at the mobile, IEEE AntennasWireless Propag. Lett., vol. 7, pp. 4 43, 28. [5] A. S. Konanur, K. Gosalia, S. H. Krishnamurthy, B. Hughes, and G. Lazzi, Increasing wireless channel capacity through MIMO systems employing co-located antennas, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 53, no. 6, pp , Jun. 25. [6] A Broadband Dual-Polarized Planar Antenna for 2G/3G/LTE Base Stations [7] S. Gao, L. W. Li, M. S. Leong, and T. S. Yeo, A broad-band dualpolarized microstrip patch antenna with aperture coupling, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 51, no. 4, pp , April 23. [8] K.-L. Wong and T.-W. Chiou, Finite ground plane effects on broadband dual polarized patch antenna properties, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 51, no. 4, pp , April 23. [9] S. K. Padhi, N. C. Karmakar, Sr., C. L. Law, and S. Aditya, Sr., A dual polarized aperture coupled circular patch antenna using a C-shaped coupling slot, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 51, no. 12, pp , Dec. 23. [1] C.-Y.-D. Sim, C.-C. Chang, and J.-S. Row, Dual-feed dual-polarized patch antenna with low cross polarization and high isolation, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 57, no. 1, pp , Oct. 29. [11] Y.-X. Guo, K.-M. Luk, and K.-F. Lee, Broadband dual polarization patch element for cellular-phone base stations, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 5, no. 2, pp , Feb. 22. [12] H. Wong, K.-L. Lau, and K.-M. Luk, Design of dual-polarized L-probe patch antenna arrays with high isolation, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 52, no. 1, pp , Jan. 24. [13] Y.-X. Guo, K.-W. Khoo, and L. C. Ong, Wideband dual-polarized patch antenna with broadband baluns, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 1, pp , Jan. 27. [14] J. Perruisseau-Carrier, T. W. Hee, and P. S. Hall, Dual-polarized broadband dipole, IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 2, pp , 23. [15] Y.-H. Huang, Q. Wu, and Q.-Z. Liu, Broadband dual-polarised antenna with high isolation for wireless communication, Electron. Lett., vol. 45, no. 14, pp , Jul. 29. [16] Z. D. Bao, Z. P. Nie, and X. Z. Zong, A novel broadband dualpolarization antenna utilizing strong mutual coupling, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 62, no. 1, pp , Jan [17] L. Siu, H. Wong, and K.-M. Luk, A dual-polarized magneto-electric dipole with dielectric loading, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 57, no. 3, pp , Mar. 29. [18] G. Deschamps e W. Sichak, "Microstrip Microwave Antennas," Proceedings of the third symposium on USAF Antenna Research and Development Program, Oct. 1953, pp [19] J. A. J. Ribeiro, Engenharia de Antenas: Fundamentos, Projetos e Aplicações, São Paulo: Érica, 212.