Projecto GEBA. Elaboração e construção de uma antena planar Explicação de um projecto. ASPOF EN-AEL Gonçalves Capela ASPOF EN-AEL Pessanha Santos

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1 Projecto GEBA Elaboração e construção de uma antena planar Explicação de um projecto ASPOF EN-AEL Gonçalves Capela ASPOF EN-AEL Pessanha Santos Reunião Semanal 26 de Janeiro de

2 AGENDA Introdução; Vantagens/Desvantagens; Pré-dimensionamento; Projecto; Simulações; Fabrico; Medições reais; Técnicas de ajuste da frequência de ressonância. 2

3 INTRODUÇÃO Necessidade de aumentar o alcance obtido com as antenas omnidireccionais anteriores. 7,49 Km 68 KBps 544 Kbps 3

4 INTRODUÇÃO 7,49 Km 68 KBps 544 Kbps 4

5 VANTAGENS/DESVANTAGENS Vantagens Baixo Peso Desvantagens Largura de Banda útil reduzida Baixo Custo Flexibilidade em termos de polarização e diagrama de radiação 5

6 REQUISITOS DE PROJECTO Para melhorar a eficiência da potência disponível para a radiocomunicação, definiramse como requisitos para a antena direccional: Frequência central Largura de banda Ganho Polarização Abertura V (-3dB) Abertura H (-3dB) Impedância de entrada GHz (canal 11 IEEE802.11g) 22MHz (1 canal) > 16dBi Horizontal 15 o 15 o 50 Ω 6

7 PRÉ-DIMENSIONAMENTO Com vista a estimar a dimensão, espaçamento, disposição e número de elementos. Com o software PCAAD, realizaram-se diversas simulações, sendo esta a solução adoptada: Frequência GHz Nº elementos 4x4 Espaçamento entre elementos 9,15 cm Distribuição de Amplitude e Fase Uniforme Tipo de elemento Quadrado Dimensões do elemento 3x3 cm Directividade 20.1 dbi L. Lóbulo PP (-3 db) /1/2010 7

8 PRÉ-DIMENSIONAMENTO 2/1/2010 8

9 DIMENSIONAMENTO A tecnologia Microstrip - introdução Estrutura Microstrip Elemento alimentado por linha impressa Dadas as características do substrato, a frequência de trabalho e as dimensões das linhas/elementos, terse-ão impedâncias diferentes. Uma estrutura bem adaptada (teoria das linha de transmissão) terá um factor de reflexão baixo (e por conseguinte poucas perdas). 9

10 DIMENSIONAMENTO A tecnologia Microstrip adaptação de impedâncias Da teoria das linhas de transmissão A adaptação óptima corresponde ao factor de reflexão Γ=0. Com as linhas impressas acontece o mesmo, ou seja, as linhas têm de estar adaptadas aos elementos(cargas). 10

11 DIMENSIONAMENTO A tecnologia Microstrip adaptação de impedâncias 2 técnicas simples: Transformador de λ/4 (ideal para adaptar linhas de impedância diferente). Em linhas de transmissão Em linhas Microstrip 11

12 DIMENSIONAMENTO A tecnologia Microstrip adaptação de impedâncias Modificando a impedância de entrada dos elementos (para adaptar uma linha a um elemento). Ao mover-se o ponto de alimentação do elemento, consegue-se uma diminuição da sua impedância de entrada. 12

13 DIMENSIONAMENTO A tecnologia Microstrip Estrutura sobre a qual se irá construir a antena: Cobre Substrato Espessura = mm Condutância = 5.8 x 10 7 S RT Duroid 5880 Espessura = mm ε r = j1.314 x 10-3 Destes parâmetros vão depender a dimensão de todos os elementos do circuito, as perdas da antena e a largura de banda. 13

14 DIMENSIONAMENTO

15 DIMENSIONAMENTO A ideia principal será utilizar o mínimo de transições entre linhas para evitar perdas (poucas linhas, curvas e transformadores). Começámos com o primeiro troço de alimentação, o que ligará a antena a uma ficha co-axial de 50 Ω: Linha de 100 Ω 15

16 DIMENSIONAMENTO Linha de 150 Ω Transformador de λ/4 16

17 DIMENSIONAMENTO Linha de 150 Ω Transformador de λ/4 17

18 DIMENSIONAMENTO Linha de 150 Ω Transformador de λ/4 18

19 DIMENSIONAMENTO Elemento com slots para ter impedância de entrada de 150 Ω e dimensionado para f=2,462ghz 19

20 SIMULAÇÃO Utilizando o Método dos Momentos (MoM), que é um modelo que se baseia em métodos numéricos para resolver as equações de Maxwell aplicadas à estrutura em estudo. Software: Ensemble 5.1 Modelo a analisar Possível malha para análise 20

21 S11 [db] 0 Simulações Banda (-10dB) Banda IEEE g ,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 Frequência [GHz]

22 FABRICO 22

23 FABRICO 23

24 FABRICO Produto Final 24

25 S11 [db] SIMULAÇÕES REAIS ,05 2,1 2,15 2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85 2,9 2,95 3 Frequência [GHz] Experimental Simulation 25

26 S11 [db] 0 SIMULAÇÕES REAIS Experimental Simulation 2 2,05 2,1 2,15 2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85 2,9 2,95 3 Frequência [GHz] Reunião Semanal de 26 de Janeiro de /1/

27 TÉCNICAS DO AJUSTE DO S 11 Foram abordadas duas técnicas distintas para o ajuste da frequência de ressonância, essas técnicas foram: Utilização de um superstrato; Utilização de um stub. 27

28 SUPERSTRATO Consiste na utilização de uma camada de dieléctrico com espessura e constante dieléctrica rigorosamente conhecidos. Superstrato Elementos de Cobre Camada de Substrato Plano de terra Reunião Semanal de 26 de Janeiro de /1/

29 S11 [db] 0 SUPERSTRATO 0,3 mm Experimental Simulation Er=2 Er= ,05 2,1 2,15 2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85 2,9 2,95 3 Frequência [GHz] Reunião Semanal de 26 de Janeiro de /1/

30 S11 [db] 0 SUPERSTRATO 0,5 mm Experimental Simulation Er=2 Er=6 Er= ,05 2,1 2,15 2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85 2,9 2,95 3 Frequência [GHz] Reunião Semanal de 26 de Janeiro de /1/

31 SUPERSTRATO Esta solução não se verificou eficaz pois apesar de existir um deslocamento na frequência de ressonância, não existia uma correcta adaptação; Obtendo-se valores de coeficiente de reflexão (S 11 ) superiores ao desejado; Valor de referência situado nos -10 db. 31

32 STUB/SLOT L W s W L s d Consiste na utilização em adicionar ou retirar um pedaço de cobre ao elemento; Possibilita ter um comprimento equivalente maior (stub) e menor (slot); Maior comprimento equivalente baixamos a frequência de ressonância e vice-versa. 32

33 STUB/SLOT W s L L s d Como L s é muito pequeno comparativamente com as dimensões do elemento a adaptação de impedâncias é pouco influenciada. W 33

34 STUB/SLOT W s W s = 2 mm L s L s = 1 mm L d L s = -1 mm W 34

35 S11 [db] 0 STUB/SLOT Experimental Simulation Stub +1mm Stub -1mm ,05 2,1 2,15 2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85 2,9 2,95 3 Frequência [GHz] Reunião Semanal de 26 de Janeiro de /1/

36 STUB/SLOT W s W s = 2 mm L s L s = 5 mm L d L s = -5 mm W 36

37 S11 [db] 0 STUB/SLOT Experimental Simulation Stub +5mm Stub -5mm 2 2,05 2,1 2,15 2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85 2,9 2,95 3 Frequência [GHz] 37

38 STUB/SLOT W s L L s d W s = 4 mm L s = 1 mm L s = -1 mm W 38

39 S11 [db] 0-5 STUB/SLOT Experimental Simulation Stub Ws=4 Ls=+1 Stub Ws=4 Ls= ,05 2,1 2,15 2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85 2,9 2,95 3 Reunião Semanal Frequência de 26 de [GHz] Janeiro de /1/

40 STUB/SLOT W s L L s d W s = 4 mm L s = 5 mm L s = -5 mm W 40

41 S11 [db] 0-5 STUB/SLOT Experimental Simulation Stub Ws=4 Ls=+5 Stub Ws=4 Ls= ,05 2,1 2,15 2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85 2,9 2,95 3 Reunião Semanal Frequência de 26 de [GHz] Janeiro de /1/

42 Questões Reunião Semanal de 26 de Janeiro de

43 The End Reunião Semanal de 26 de Janeiro de

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