Técnicas de Casamento de Impedâncias por Linha de Microfita em Antenas Patch Circular para Tecnologia ISM em 2,4 GHz

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1 Técnicas de Casamento de Impedâncias por Linha de Microfita em Antenas Patch Circular para Tecnologia ISM em 2,4 GHz Maciel Alves de Oliveira, Fabricio Ferreira Batista, Elder Eldervitch Carneiro de Oliveira, Paulo Henrique da Fonseca Silva. Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Instituto Federal da Paraíba João Pessoa-PB, Brasil. Paulo Fernandes da Silva Júnior, Raimundo Carlos Silvério Freire, Alexandre Jean René Serres COPELE Universidade Federal de Campina Grande Campina Grande-PB, Brasil. Resumo Este artigo apresenta um projeto de antena patch em microfita com geometria circular, alimentação por linha de transmissão e casamento de impedâncias hibrido. Para o casamento de impedâncias da antena foram utilizadas duas técnicas, o inset-fed, que promove inserções no elemento irradiante, e o transformador de quarto de onda, que realiza alterações na linha de transmissão. A antena foi projetada para operar na faixa de frequência de 2,44 GHz, na banda de ISM (Industrial, Scientific and medical). As simulações foram realizadas utilizando o software comercial Ansoft Designer e as medições realizadas no Laboratório de Medidas do Instituto Federal da Paraíba. Os resultados observados no patch circular com alimentação híbrida foram comparados com antenas patch circular com as técnicas de casamento de impedâncias inset-fed e transformador de quanto de onda. A antena com técnica híbrida obteve largura de banda de 84,3 MHz, superior à da banda ISM, com perda de retorno medida de -3,5 db e ganho máximo de 6.55 dbi. Palavras-chaves Patch circular, linha de microfita, técnicas de casamentos, ISM. I. INTRODUÇÃO Nos dias atuais diversos trabalhos têm como objetivo a pesquisa de sistema de comunicação sem fio, com aplicações em diversas tecnologias, como a rede pessoal sem fio (Wireless Personal Area Network WPAN), a rede sem fio próxima ao corpo (Wireless Body Area Network WBAN), o Bluetooth, e o ISM (Industrial, Scientific and Medical) []. As antenas em microfita tem uso abrangente na pesquisa e desenvolvimento de dispositivos sem fio, as aplicações nas áreas: militares em mísseis, aeronaves, e comerciais como satélite, rádio móvel e comunicação sem fio, em comunicação GSM (Global Service Mobile), o WLL (Wireless Local Loop), o GNSS (Global Navigation Satellite Systems) e o WLAN (Wireless Local Area Network) [2]. As antenas patch, em microfita, são compostas por um elemento irradiante e um plano de terra, separados por um dielétrico. Estas antenas possuem as seguintes características: compatibilidade com circuitos integrados; baixo volume e facilidade de construção e adaptação, o que torna possível aplicação em fuselagens de aviões e mísseis; baixo custo de fabricação; características multibanda; polarização circular e linear [3-4]. As antenas patch circulares são utilizadas em diversos projetos com aplicações distintas. Em [5] a geometria circular é utilizada em uma antena patch para aplicações em Bluetooth, HIPERLAN e Banda X (8,4 GHz). Em [6] é aplicada a técnica de transformador de quarto de onda (¼ λ) em uma antena patch circular para comunicação sem fio [6]. Em [7] foi realizado um estudo comparativo do desempenho entre uma antena patch circular e retangular, para frequência de GHz (Banda X), a antena circular apresentou uma largura de banda 8% maior. Em [8] foi apresentada uma análise paramétrica do ângulo de abertura do inset-fed em uma antena patch circular. Em [9] é apresentado uma antena patch com elemento irradiante circular reconfigurada através da utilização de um diodo PIN de silício, a antena obteve ressonância nas frequências de 2,4 GHz, 3,6 GHz, 4,9 GHz, 5 GHz e 5,9 GHz, na banda WLAN. Nos projetos de antenas patch, geralmente, são utilizadas três formas de alimentação: a alimentação via cabo coaxial, via linha de transmissão e por acoplamento. Cada forma de alimentação possui características próprias para o casamento de impedâncias entre a fonte e o elemento irradiante. No caso da alimentação via linha de transmissão às técnicas para o casamento de impedâncias mais utilizadas são: por deslocamento; transformador de um quarto de onda e inset-fed. A técnica do transformador de ¼ onda promove a redução na largura da linha, de forma que, em alguns casos o projeto torna-se de difícil implementação. A técnica do inset-fed retira parte do elemento irradiante, alterando a geometria da antena. A técnica proposta neste trabalho proporciona o aumento da largura da linha de transmissão e a redução da largura e do comprimento do inset-fed, promovendo menor alteração na geometria, melhor casamento das impedâncias, e maior facilidade na construção do transformador de quarto de onda (¼ λ). Este trabalho está dividido em mais três seções além desta introdução. Na seção II são abordados os materiais e métodos utilizados. Na seção III são apresentados os resultados

2 simulados e medidos e na seção IV as considerações finais com sugestões para novos trabalhos. A. Antena Patch Circular II. MATERIAIS E MÉTODOS As dimensões do projeto da antena patch circular foram realizadas de acordo com a metodologia apresentada por [9], no qual, o raio é encontrado utilizando as () e (2). A antena foi projetada para a frequência central de (f r ) padronizada em 2,44 GHz para sistemas de comunicação ISM (IEEE 82.b). O substrato dielétrico foi o FR-4 (fibra de vidro), com espessura h de,5 mm e permissividade elétrica r de 4,4. A linha de alimentação em microfita foi projetada para uma impedância de entrada de 5 Ω. As simulações e ajustes do projeto inicial foram realizadas com o software Ansoft Designer TM. e medições dos protótipos no VNA da Agilent Technologie modelo S57C do laboratório de medidas do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba-IFPB, Campus de João Pessoa. F a 2h F ln rf 2h f r B. Alimentação por linha de microfita r, () 9 8,79 F (2) Segundo [] a linha de alimentação por microfita é constituída por uma fita condutora, com largura muito menor que a do patch, e conectada ao mesmo. O que facilita a técnica de impedância, ao se estabelecer um controle sobre a largura da linha []. No modelo utilizado, à largura do inset (x ) é proporcional à largura da linha de transmissão (W ), o comprimento da inset (y ) (3), tem relação com o comprimento (L) da linha de transmissão e a resistência de entrada (R in ) dada por (4), em que G é a condutância na abertura irradiante e G 2 é a condutância entre os slots de irradiação []. L y acos Rin 2 5 (3) R in 2G G (4) D. Técnica com transformador quarto de onda No transformador de ¼ λ é utilizada a dimensão de um quarto do comprimento de onda guiado (λ g ) (6) [2]. g 3x f r E. Técnica híbrida A técnica híbrida é formada pela junção de duas técnicas já conceituadas sendo elas: transformador quarto de onda e insetfed. A técnica com transformador de quarto de onda tem como limitação a largura da linha de transmissão, que dependendo do material utilizado e da frequência de ressonância, torna-se com dimensões inferiores a,5 mm, dificultando a construção. O uso da técnica híbrida possibilita o aumento da largura da linha de transmissão, facilitando a construção. No qual é possível o uso, por exemplo, de um filtro spur-line, para reduzir a incidência de frequências parasitas. A técnica também provoca uma pequena diminuição na dimensão total da antena, com a redução da largura e do comprimento do inset-fed promovendo menor alteração na geometria e melhor casamento das impedâncias. Na Fig. 2 podem ser observadas as técnicas de casamento de impedância inset-fed, transformador quarto de onda e a técnica híbrida. Na Tabela I pode ser observado as dimensões das antenas em milímetros (mm). 8 reff (5) Fig.. Antena patch com alimentação por linha de microfita. C. Técnica inset-fed A alimentação da antena por linha de microfita geralmente é acompanhada por uma alta impedância de entrada, para corrigir essa característica pode-se aproximar a região de entrada da linha de transmissão para perto do centro da antena. A impedância de entrada de uma antena patch circular possui um componente real. A potência de entrada é independente da posição do ponto de alimentação ao longo da circunferência.

3 meio do transformador de ¼ λ. Pode-se notar que, o protótipo obteve largura de banda superior à simulação em 49,74%, e superior à antena com a técnica de inset-fed em 8,8 MHz. Observa-se que o protótipo apresentou diferença na frequência de ressonância de,49%, conforme a Tabela II Fig. 2. Técnicas de casamento de impedâncias: projetos; protótipos. Parâmetros Tabela (I). DIMENSÕES DAS ANTENAS (MM) Antenas Inset-fed ¼ λ Híbrida a 8,2 7,7 7,4 b -,795, x 2,827 -,435 W 2,827 2,827 2,827 y,9-4,633 λg/2 29, λg/4-4,633 4,633 S, db IEEE82b Analisador de Rede, E57C Fig. 4. Resultado medido e simulado do patch circular com transformador de ¼ λ. Os resultados do protótipo e da simulação do patch circular com acoplamento híbrido são apresentados na Fig. 5. Observase que o protótipo obteve largura de banda superior ao simulado em 37,74%, cobrindo a faixa da banda ISM (2,4-2,83 GHz), sendo superior ao patch circular com acoplamento por meio do inset-fed. A frequência de ressonância em ambos os resultados foi de 2,44 GHz, com perda de retorno (RL) inferior a -3 db, Vide Tabela II. III. RESULTADOS Os resultados obtidos na simulação e nas medições foram exportados e os gráficos foram gerados com o software MATLAB. Na Fig. 3 podem ser visualizados os resultados medidos e simulados do patch circular com a técnica de casamento do inset-fed, com o protótipo. Como observado, o protótipo obteve largura de banda 2,24% maior que a simulação, porém não cobrindo a faixa de frequências da banda ISM, em 2.4 GHz apresentou uma diferença na frequência de ressonância de,4%. Na Tabela II podem-se observar os resultados simulados e medidos obtidos. S, db IEEE82b Analisador de Rede, E57C Fig. 5. Resultado medido e simulado do patch circular com acoplamento híbrido. Tabela (II). RESULTADOS SIMULADOS E MEDIDOS S, db IEEE82b Analisador de Rede, E57C Fig. 3. Resultado medido e simulado do patch circular com inset-fed. Antenas Inset-fed Inset-fed ¼ λ ¼ λ Híbrido Híbrido f f Parâmetros f 2 BW (MHz) RL (db) 2,443 2,494 2,475 62, -4,59 2,4438 2,488 2, ,7-27,8 2,443 2,48 2, , -42,29 2,4525 2,496 2,498 88,5-26,33 2,447 2,4 2,473 6,2-37,84 2,44 2,3997 2,484 84,3-3,32 Na Fig. 4 são apresentados os resultados simulados e medidos do patch circular com a técnica de acoplamento por Nas Fig. 6 são apresentadas as impedâncias sobre as cartas de Smith simuladas e medidas para as antenas inset-fed (Fig.

4 6), quarto de onda (Fig. 6), e híbrida (Fig. 6(c)). Como observado as antenas apresentaram largura de banda estreita, com apenas uma pequena faixa de frequências com resultados próximos ao coeficiente de reflexão em, indicando o casamento de impedâncias em 5 Ω. Pode-se observar que a antena com casamento via inset-fed obteve, na frequência de ressonância, impedância de 45,84 Ω, a antena com transformador de ¼ λ, impedância de 47,75 Ω e a antena híbrida obteve 48,26 Ω de impedância. Phi='deg' Phi='9deg' , , , Phi='deg' Phi='9deg' , , (c) Fig. 6. Impedância sobre a carta de Smith das antenas com as técnicas: Inset-fed, ¼ λ e (c) híbrida. Os diagramas 2D e 3D simulados das antenas com a técnica inset-fed, ¼λ e híbrida são apresentados nas Fig. 9. Como observado as antenas apresentam resultados próximos, com largura de feixe de meia potência (Half Power Bandwidth HPBW) com variação máxima de 4º, ganho na direção end-fire com variação máxima de,45 db, e relação frente/costas (Front-to-Back F/B) inferior a 2 db. Phi='deg' Phi='9deg' (c) ,37 Fig. 7. Diagramas 2D e 3D simulados das antenas com as técnicas: insetfed, ¼ λ;( c) híbrida. Na Fig. 9 pode ser observada a distribuição de corrente superficial na frequência de ressonância de 2,44 GHz com corrente máxima de 6,23 A/m 2. Como observado, a antena com casamento de impedância pela técnica de inset-fed Fig. 8, apresenta melhor distribuição de corrente, tendo como causa da inserção realizada no elemento patch, a antena com transformador de ¼ λ apresenta a menor distribuição no elemento patch, e a antena com alimentação híbrida obteve distribuição como uma média entre o observado no inset-fed e no transformador de ¼ λ. Este fato pode ser explicado pelo fato de que o patch circular com alimentação híbrida possui inserções no elemento irradiante, porém com dimensões inferiores as inserções realizadas no casamento por inset-fed

5 (c) Fig. 8. Distribuição de corrente superficial (6,234 Am 2 ). IV. CONCLUSÕES Neste trabalho foi apresentado uma antena patch circular com alimentação por linha de transmissão e técnica de casamento de impedâncias híbrida. No casamento híbrido foram utilizadas duas técnicas de casamento de impedâncias, inset-fed que promove inserções no elemento radiante, e o transformador de ¼ de onda, que realiza alterações na linha de transmissão. A antena foi projetada para operar na faixa de frequência de 2,44 GHz, na banda ISM. Os resultados observados no patch circular com alimentação híbrida foram comparados com as antenas patch circular com as técnicas de casamento de impedâncias inset-fed e transformador de quarto de onda. A antena com técnica híbrida obteve largura de banda de 84,3 MHz, superior à da banda ISM, com perda de retorno medida de -3,5 db, ganho máximo de 6.55 dbi. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Grupo de Telecomunicações e Eletromagnetismo Aplicado (GTEMA), ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia Elétrica do IFPB - João Pessoa, à Coordenação de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFCG e ao CAPES. REFERÊNCIAS [] G. Kumar and K. P. Ray, Broadband Microstrip Antennas, USA: Artech House, 23. [2] C. A. Balanis, Antenna theory - analysis and design, 2rd, New York: John Wiley & Sons, 997. [3] R. Garg, et al. Microstrip Antenna Design Handbook. London: Artech House, 2. [4] I. J. Bahl and P.Bhartia. Microstrip Antennas. Dedham MA: Artech House, 2. [5] M. M. Abd-Elrazzak and I. S. Al-Nomay, "Design of circular patch antennas for bluetooth, HIPERLAN, and X band (8.4 GHz) applications," Antennas Propagation and EM Theory (ISAPE), 2 9th International Symposium on, Guangzhou, 2, pp [6] M. Singh, A. Basu and S. K. Koul, "Circular Patch Antenna with Quarter Wave Transformer Feed for Wireless Communication," India Conference, 26 Annual IEEE, New Delhi, 26, pp.. [7] T. F. A. Nayna, A. K. M. Baki and F. Ahmed, "Comparative study of rectangular and circular microstrip patch antennas in X band," Electrical Engineering and Information & Communication Technology (ICEEICT), 24 International Conference on, Dhaka, 24, pp.. [8] J. C. e Silva, D. F. Mamedes, T. d. S. Evangelista and T. R. de Sousa, "Parametric analysis of angular inset-feed in circular microstrip patch antenna," Microwave and Optoelectronics Conference (IMOC), 25 SBMO/IEEE MTT-S International, Porto de Galinhas, 25, pp.. [9] N. Aftab, H. T. Chattha, Y. Jamal, A. Sharif and Yi Huang, "Reconfigurable patch antenna for wireless applications," 25 9th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Lisbon, 25, pp. -3. [] C.A. Balanis, Teoria de Antenas - Análise e Síntese, 3rd ed., LTC-Editora S.A., Rio de Janeiro, 29. [] E. E. C. Oliveira Antenas de Microfita com Patch Quase-fractal para Aplicações em redes WPAN/WLAN, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Computação, Natal, 28. [2] D. Pozar, "Considerations for millimeter wave printed antennas," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 3, no. 5, pp , Sep 983.