José Bruno Oliveira de Araújo

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1 Universidade Federal Fluminense Escola de Engenharia Graduação em Engenharia de Telecomunicações José Bruno Oliveira de Araújo Projeto de antenas de microfita de padrões elíptico e retangular aplicadas à tecnologia 5G Niterói-RJ 2017

2 ii JOSÉ BRUNO OLIVEIRA DE ARAÚJO PROJETO DE ANTENAS DE MICROFITA DE PADRÕES ELÍPTICO E RETANGULAR APLICADAS À TECNOLGIA 5G Documento apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Telecomunicações da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do Grau de Engenheiro de Telecomunicações. Orientadora: Profa. Dra. Vanessa Przybylski Ribeiro Magri Souza Co-orientador: Prof. Dr. Tadeu Nagashima Ferreira Niterói-RJ 2017

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4 iv JOSÉ BRUNO OLIVEIRA DE ARAÚJO PROJETO DE ANTENAS DE MICROFITA DE PADRÕES ELÍPTICO E RETANGULAR APLICADAS À TECNOLGIA 5G Documento apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Telecomunicações da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do Grau de Engenheiro de Telecomunicações. Aprovada em JULHO de BANCA EXAMINADORA Profa. Dra. Vanessa Przybylski Ribeiro Magri Souza - Orientador UFF Prof. Dr. Tadeu Nagashima Ferreira - Co-orientador UFF Prof. Dr. Pedro Vladimir Gonzalez Castellanos UFF Profa. Dra. Leni Joaquim de Matos UFF Niterói-RJ 2017

5 v Agradecimentos A minha querida mãe, Geilda, pelas palavras de incentivo e de amor, e pelo apoio incondicional. Muito obrigado por todos os sacrifícios que você fez em prol da minha educação. A minha namorada, Bianca, por estar presente em todos os momentos em que mais precisei e por todo amor, suporte e estímulo. À professora Vanessa, por toda ajuda durante estes quase dois anos de trabalho, paciência e carinho com todos os seus alunos. Ao professor e amigo Tadeu, por todo apoio e incentivo durante todos os momentos, e pela orientação. E, o mais importante, pelo grande exemplo que é para mim. Aos meus grandíssimos amigos, Janey e Roberto, por toda ajuda e pelas contribuições ao longo desta jornada. Aos professores Pedro e Leni, pelas dúvidas sanadas, confiança e ajuda. A todos os amigos que fiz durante este tempo na UFF que tornaram esta caminhada mais fácil. À Anritsu, pelo empréstimo do analisador vetorial de redes, que tornou possível a realização das medições.

6 Lista de Figuras 2.1 Arquitetura proposta para o 5G [1] Configurações de antenas filamentares [2] Configurações de antenas de refletoras [2] Configurações de antenas de abertura [2] Diagrama de irradiação retangular. Figura Modificada de [2] Configuração genérica de uma antena de microfita [2] Possíveis formas geométricas para o patch [2] Exemplo de uma antena de microfita alimentada por linha de microfita Antena de microfita circular alimentada via cabo coaxial [2] Antena de microfita circular alimentada via acoplamento por abertura [2] Antena de microfita circular alimentada via acoplamento por proximidade [2] Antena de microfita retangular Antena de microfita elíptica nos modos even (a) e odd (b) [3] Geometria básica da antena de microfita de circular [2] Configuração básica de uma antena de microfita alimentada por linha de transmissão do tipo edge-fed Parâmetros da antena de microfita retangular Parâmetros da antena de microfita elíptica Antena de microfita retangular no HFSS Antena de microfita elíptica no HFSS Parâmetros da wave port para linha de microfita Caixa de ar no HFSS Curvas de coeficiente de reflexão das antenas retangulares para as espessuras padrão da placa RT/Duroid 5880LZ Curvas de coeficiente de reflexão das antenas elípticas para as espessuras padrão da placa RT/Duroid 5880LZ Comparação do S 11 entre as antenas microfita de patch retangular e elíptico para o substrato de 0,508 mm vi

7 vii 6.8 Comparação do S 11 entre as antenas microfita de patch retangular e elíptico Diagrama de irradiação 3D das antenas retangular (a) e elíptica (b) Diagrama de irradiação polar para os plano E (φ = 0 ) e H (φ = 90 ) das antenas retangular (a) e elíptica (b) VSWR da antena retangular no HFSS Prototipadora LPKF S103 [4] Conjunto de brocas utilizada pela LPKF S103 [4] Processo de fabricação das antenas Antenas fabricadas na LPKF S Analisador Vetorial de Redes VectorStar MS4647B Cenário de teste no LAProp S 11 medido da antena de microfita retangular S 11 medido da antena de microfita elíptica VSWR medido da antena de microfita retangular VSWR medido da antena de microfita elíptica Configuração do teste de mobilidade angular das antenas indoor Caracterização experimental da perda de transmissão do canal para a antena retangular Caracterização experimental da perda de transmissão do canal para a antena elíptica Configuração do teste de mobilidade espacial Perda de inserção medida das antenas de microfita Comparação entre as curvas S 11 encontradas na simulação e medição da antena retangular Comparação entre as curvas S 11 encontradas na simulação e medição da antena elíptica Femtocélula 3D modelada no HFSS IEEE g no ANSYS Design

8 Lista de Tabelas 5.1 Parâmetros de entrada Parâmetros do trecho de 50 Ω Dimensões do patch retangular Dimensões do transformador de quarto de onda da antena de microfita de patch retangular Dimensões do substrato e plano de terra para a antena de microfita retangular Dimensões do patch elíptico Dimensões do transformador de quarto de onda da antena de microfita de patch elíptico Dimensões do substrato e plano de terra para a antena de microfita elíptico Dimensões da caixa de ar da antena de microfita retangular Dimensões da caixa de ar da antena de microfita elíptico Perdas de retorno e larguras de banda das antenas retangulares Perdas de retorno e larguras de banda das antenas elípticas Largura de feixe das antenas no Plano H Largura de feixe das antenas no Plano E Perda de retorno das simulações e medições Largura de banda das simulações e medições Dimensões da antena de microfita de patch retangular com substrato de espessura de 0,254 mm Dimensões da antena de microfita de patch retangular com substrato de espessura de 0,508 mm Dimensões da antena de microfita de patch retangular com substrato de espessura de 0,635 mm Dimensões da antena de microfita de patch retangular com substrato de espessura de 0,762 mm Dimensões da antena de microfita de patch retangular com substrato de espessura de 1,126 mm Dimensões da antena de microfita de patch retangular com substrato de espessura de 1,270 mm viii

9 ix 7 Dimensões da antena de microfita de patch retangular com substrato de espessura de 2,540 mm Dimensões da antena de microfita de patch elíptico com substrato de espessura de 0,254 mm Dimensões da antena de microfita de patch elíptico com substrato de espessura de 0,508 mm Dimensões da antena de microfita de patch elíptico com substrato de espessura de 0,635 mm Dimensões da antena de microfita de patch elíptico com substrato de espessura de 0,762 mm Dimensões da antena de microfita de patch elíptico com substrato de espessura de 1,126 mm Dimensões da antena de microfita de patch elíptico com substrato de espessura de 1,270 mm Dimensões da antena de microfita de patch elíptico com substrato de espessura de 2,540 mm. 57

10 Sumário Agradecimentos Lista de Figuras Lista de Tabelas Resumo Abstract v vii ix xii xiii 1 Introdução 1 2 Quinta Geração de Comunicações Móveis (5G) Introdução Arquitetura MIMO Massivo Femtocélula Móvel Faixa de Frequência Antenas Tipos de Antena Antena Filamentar Antena Refletora Antena de Microfita Antena de Abertura Principais Conceitos das Antenas Diagrama de Irradiação Diretividade Largura de Banda Perda de Retorno Antenas de Microfita Introdução x

11 xi 4.2 Métodos de Alimentação Alimentação por linha de microfita Cabo Coaxial Acoplamento por Abertura Acoplamento por Proximidade Métodos de Análise Antena de Microfita Retangular Antena de Microfita Elíptica Dimensionamento das Antenas de Microfita Seleção do Material Método de Alimentação Modelagem das Antenas Modelagem da Antena de Microfita Retangular Modelagem da Antena de Microfita Elíptica Simulação e Análise das Antenas de Microfita Caracterização das Antenas no HFSS Simulação e Resultados Fabricação e Medição das Antenas de Microfita Processo de Fabricação Medições e Resultados Análise dos Resultados Conclusão 47 9 Sugestões para Trabalhos Futuros/em Andamento 48 Referências Bibliográficas 51 Apêndice 52 Anexos 58

12 xii Resumo Este projeto apresenta o desenvolvimento, análise e comparação das antenas de microfita de patch retangular e elíptico para aplicação na nova tecnologia de quinta geração de comunicação sem fio na frequência de 28 GHz em ambiente indoor. O software High Frequency Structure Simulator (HFSS) foi utilizado na simulação e o desempenho foi analisado através do ganho, perda de retorno, perda de inserção e diagrama de irradiação das antenas. As antenas foram fabricadas com a placa RT/Duroid 5880LZ que apresenta o menor valor de constante dielétrica disponível no mercado (1,96). Os protótipos desenvolvidos mostraram boa adequabilidade dos resultados medidos com a simulação, apresentando perda de retorno de 24,78 db para a antena de microfita de patch retangular e 15,75 db para a elíptica, ambas em torno de 28 GHz. Palavras-chave: 5G, Antena de Microfita, Antena Impressa, Perda de Inserção, Perda de Retorno.

13 xiii Abstract This project presents the development, analyses and comparison between elliptical and rectangular microstrip patch antennas in order to apply them to the 5th generation technology of wireless communication at the frequency of 28 GHz. The software High Frequency Structure Simulator (HFSS) was used during the simulations and the performance was analysed over the gain, return loss, insertion loss and radiation pattern. The antennas were manufactured using RT/Duroid 5880LZ laminates with the lowest dielectric constant available (1.96). Measurements of return loss with the developed prototype show good adjustment to the simulated results, presenting db of return loss for the rectangular microstrip patch and db for the elliptical one, both around 28 GHz. Keywords: Microstrip Antenna, Printed Antenna, Insertion Loss, Return Loss.

14 Capítulo 1 Introdução Com o crescente número de dispositivos conectados às redes de comunicações móveis, observa-se que a Quarta Geração de Comunicações Móveis, também conhecida como 4G, está próxima do seu limite teórico em relação à taxa de dados e, consequentemente, à largura de faixa reservada para a operação desse sistema, já que o espectro de frequências é limitado. Com isso, o uso de novas faixas de operação e técnicas para a Quinta Geração de Comunicações Móveis (5G) já está em debate e com previsão de implementação para 2020 [5]. A faixa de 28 GHz tem sido um dos alvos de estudo, pois poderá permitir maiores larguras de banda reservadas para os sistemas. Estudos recentes da Samsung indicam forte tendência para o uso dessa frequência de operação na tecnologia 5G. Além disso, vem sendo proposto o uso de femtocélulas e a separação entre ambientes indoor e outdoor [6]. Tais características e o fato do sistema operar em altas frequências fazem com que haja um aumento considerável nos estudos sobre as antenas que poderiam lidar com as demandas do 5G. Nesse cenário, as antenas de microfita se destacam por serem antenas low-profile, baratas e de fácil integração com circuitos de microondas. O objetivo principal deste trabalho consiste em desenvolver e analisar o uso de antenas de microfita de padrão retangular e elíptico, operando na frequência de 28 GHz, atendendo aos requisitos do 5G. Alguns parâmetros como largura de feixe, largura de banda e ganho serão discutidos. A antena de microfita retangular foi escolhida pelo seu simples dimensionamento e fácil implementação com frequências de microondas. Já o dimensionamento da antena elíptica é mais complexo e é menos explorado, porém fornece uma maior flexibilidade em relação a sua frequência de ressonância e polarização. Ao longo deste trabalho, será visto todo o processo de dimensionamento de maneira detalhada, além das técnicas utilizadas para caracterizar as antenas no software HFSS. Também será abordado, de maneira detalhada, todo o processo de simulação, fabricação e medição das antenas. O Capítulo 2 apresenta os principais conceitos discutidos para implementação do 5G, descrevendo os conceitos a respeito da arquitetura. Além disso, aborda duas das grandes problemáticas do 5G: faixa de frequência e a questão dos usuários que se movimentam em alta velocidade nas células. O Capítulo 3 apresenta os tipos principais de antenas, além das suas principais características e conceitos que serão abordados ao longo deste trabalho. O Capítulo 4 introduz os conceitos de antenas de microfita. Além disso, abordará os métodos de

15 2 alimentação e análise mais usados nesse tipo de antena. Por fim, mostrará as características e as equações de dimensionamento das antenas de microfita de padrão retangular e elíptico. O Capítulo 5 detalha todo o processo de modelagem e dimensionamento das antenas. Ademais, mostra o processo de dimensionamento das linhas de transmissão e faz uma abordagem sobre o tipo de material utilizado. O Capítulo 6 apresenta o processo de caracterização das antenas e as técnicas de simulação no software HFSS e faz uma análise dos resultados encontrados durante as simulações no HFSS. O Capítulo 7 aborda o processo de fabricação das antenas e a técnica de fabricação utilizada. Além disso, detalha os processos de medições e faz uma análise dos resultados encontrados. Por fim, o Capítulo 8 apresenta uma conclusão de todo o trabalho e o Capítulo 9 aborda os projetos em andamento provenientes do presente trabalho e sugestões para trabalhos futuros.

16 Capítulo 2 Quinta Geração de Comunicações Móveis (5G) 2.1 Introdução Com o rápido crescimento do número de dispositivos conectados à rede de telefonia móvel e com o sistema 4G cada dia mais próximo de seus limites, as empresas de telecomunicações e alguns órgãos governamentais estão somando esforços e investimentos para desenvolver e definir o padrão 5G de tecnologia móvel. Estima-se que, em 2020, o número de dispositivos conectados à Internet das Coisas (Internet of Things, IoT, em inglês) seja de 50 bilhões, ao passo que o consumo de dados móveis seja de 24,3 exabytes por mês em 2019 [7] [8]. Para que o 5G seja capaz de suportar esses números previstos, diversas tecnologias e conceitos serão implementados. As propostas da arquitetura e uso do conceito de MIMO massivo que, provavelmente, serão utilizados no 5G são detalhados nas Seções 2.2 e 2.3, respectivamente. Além disso, estuda-se o uso de modulação espacial, que é uma técnica aplicada aos sistemas MIMO (SM-MIMO) que utiliza uma matriz de antenas como maneira de modular a informação. Essa técnica pode ser considerada um tipo de modulação que estende as tradicionais modulações digitais, como a modulação de amplitude em quadratura (QAM), ao domínio do espaço [9]. No SM-MIMO, diferentemente dos sistemas MIMO convencionais, apenas uma antena transmissora é ativada em um dado intervalo de transmissão, enquanto as outras antenas permanecem em estado de inatividade (Idle). Tal configuração fornece uma maneira eficiente de implementar sistemas MIMO massivo com modulação espacial em futuras tecnologias de rede sem fio [6], como o 5G. Além disso, evita interferência entre múltiplas antenas e simplifica a estrutura do transceptor MIMO. As características de um SM-MIMO colaboram para o uso mais eficiente de energia, que é um tópico bastante discutido atualmente. Os projetos de sistemas 5G devem levar em consideração a diminuição do consumo de energia a fim de obter um sistema de comunicação sem fio mais eficiente [10]. Operadoras de sistemas de comunicação sem fio devem visar maneiras de reduzir o consumo energético e, consequentemente, reduzir a emissão de CO 2 [11].

17 4 Além disso, na Seção 2.4 será discutido o conceito de Femtocélula móvel, que pode ser uma solução para lidar com os usuários conectados à rede que se locomovem em trens, ônibus e carros, por exemplo, nas próprias células e entre elas. Por fim, a Seção 2.5 tratará das discussões sobre a definição de qual faixa de frequência será utilizada nos sistemas 5G. 2.2 Arquitetura A arquitetura atual de telefonia móvel consiste, basicamente, em uma estação rádio base (ERB) no centro da célula, fazendo comunicação com os dispositivos móveis. Esse tipo de arquitetura não faz distinção entre os usuários presentes em ambientes indoor e outdoor. Os sinais recebidos pelos usuários, localizados em ambiente indoor, devem superar diversas perdas inerentes a esse tipo de ambiente. Essas perdas geram inúmeros prejuízos na taxa de transmissão, eficiência espectral e no consumo de energia. A proposta do 5G, quanto à arquitetura, é de fazer a separação entre ambientes indoor e outdoor de maneira que a perda por absorção nas construções seja minimizada. Tal arquitetura permitirá que os usuários indoor se comuniquem apenas com os pontos de acesso wireless presentes no interior das construções. Essa proposta pode ser alcançada utilizando-se um sistema distribuído de antenas (DAS) e a tecnologia de MIMO massivo (Massive Multiple-Input and Multiple-Output) [6], onde o DAS seria distribuído através da célula em matrizes da ordem de 10 a 100 antenas conectadas à estação rádio base por meio de fibras ópticas. Haverá antenas instaladas no lado externo das construções, que se comunicarão com as estações rádio base, possivelmente por visada direta. Tal medida resultará em um aumento de custos relacionados à infraestrutura, contudo haverá melhoria na taxa de transmissão, eficiência espectral, cobertura e no consumo de energia. A arquitetura 5G deverá ser heterogênea, ou seja, possuir macrocélulas, microcélulas ou femtocélulas no mesmo contexto, conforme mostrado na Figura 2.1. Será necessário garantir um bom nível de comunicação também para usuários com alta mobilidade como os presentes em aviões, carros e trens. Para atender tais necessidades, foi proposto o conceito de femtocélula móvel (MFemtocell). 2.3 MIMO Massivo MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) é um modelo de sistema que consiste em múltiplas antenas posicionada no transmissor e no receptor, visando uma transferência de dados mais eficiente da rede. Com um maior número de antenas, maior será a possibilidade de caminhos para o sinal e melhor será o desempenho do sistema em relação à taxa de transmissão e confiabilidade. Essa tecnologia já é utilizada em padrões como n (Wi-Fi), ac (Wi-Fi), HSPA+, WiMAX e LTE. No caso do MIMO massivo, usam-se dezenas ou até centenas de antenas. Esse número maior de antenas ajuda na focalização da energia do sinal de transmissão e recepção em regiões menores da

18 5 Figura 2.1: Arquitetura proposta para o 5G [1]. célula, provendo maiores valores de eficiência e throughtput. Além disso, nos sistemas MIMO massivo, os efeitos do ruído e do desvanecimento rápido são eliminados, e a interferência intracelular pode ser mitigada utilizando-se pré-codificação linear e métodos de detecção de erro. Utilizando a técnica MIMO por multiusuários (MU-MIMO) no MIMO massivo é possível aprimorar a capacidade do sistema através de uma multiplexação espacial utilizando as antenas dos dispositivos de diferentes usuários, partindo do pressuposto que cada dispositivo do usuário possuirá algumas antenas, limitadas por custo e tamanho [12]. Ademais, a ERB pode enviar sinais separados para usuários individuais utilizando os mesmos recursos de tempo e frequência. 2.4 Femtocélula Móvel Uma femtocélula se caracteriza pela presença de pontos de acesso pequenos e de baixa potência, instalados no interior de construções (casas, escritórios, shoppings, etc), visando uma melhor cobertura e um melhor throughput com custos reduzidos. Esses pontos de acesso podem se conectar à rede da operadora de comunicação através de uma conexão banda larga, via DSL (Digital Subscriber Line), fibra óptica, rádio, entre outros. Ademais, o mesmo espectro licenciado pela operadora poderá ser utilizado na femtocélula, resultando em uma possibilidade de alcançar uma maior eficiência espectral [13]. Uma femtocélula móvel (Mfemtocélula) combina os conceitos de uma rede que se locomove e de femtocélulas, ou seja, é uma pequena célula que se move e muda, dinamicamente, a sua conexão com a operadora. Essa tecnologia está sendo concebida para ser implementada em ônibus, trens e carros, por exemplo. Uma única Mfemtocélula e todos os seus usuários associados são vistos pela ERB como uma única unidade [13]. De uma maneira geral, essa técnica possui o potencial de melhorar o sistema celular como um todo. Mfemtocélulas podem contribuir para a diminuição do overhead da rede. Por exemplo, ela pode realizar o handoff em nome de todos os seus usuários associados. Tal característica acarretará na diminuição do número de tentativas de handoffs dos usuários de alta mobilidade na macrocélula. É

19 6 importante ressaltar que as Mfemtocélulas estão localizadas no interior dos meios de transporte com as suas antenas posicionadas na parte externa. Essa configuração permite uma maior qualidade de sinal no interior desses meios de transporte. A ERB referente à macrocélula trata a conexão com a Mfemtocélula de maneira similar à conexão realizada com um equipamento de usuário convencional. Por esse motivo, os transceptores das Mfemtocélulas são semelhantes aos encontrados nos equipamentos dos usuários, porém com algumas capacidades mais avançadas. 2.5 Faixa de Frequência Um dos grandes desafios do 5G é definir qual será a sua frequência de operação. Órgãos governamentais e empresas de telecomunicações do mundo inteiro, mediados pela União Internacional de Telecomunicações (UIT), discutem quais faixas de frequência serão utilizadas em cada região do globo terrestre. A grande poluição do espectro eletromagnético faz com que essa discussão seja bastante complexa. Devido à extensa gama de serviços que utilizarão o sistema 5G, dois dos pré-requisitos mais importantes desse sistema são: grande largura de banda e alta taxa de transmissão. Assim, os sistemas de ondas milimétricas apresentam largura de banda dez vezes maior do que a apresentada pelo 4G e, consequentemente, suportando taxa de transmissão mais alta. Os Estados Unidos, Coreia do Sul e Japão já avançaram os estudos para operação do 5G na faixa de frequência de 28 GHz. Para frequências acima de 6 GHz deve se levar em consideração os efeitos das chuvas, nevascas e nevoeiros. E especificamente para um enlace de comunicação na frequência de 28 GHz, as perdas devido aos efeitos atmosféricos são baixas, cerca de 0,012 db de absorção atmosférica para uma distância de 200 m [14].

20 Capítulo 3 Antenas Este Capítulo abordará alguns dos principais tipos de antenas, apresentando as suas principais configurações e características. Além disso, fará uma introdução aos conceitos necessários para análise do comportamento e desempenho das antenas. 3.1 Tipos de Antena Antena Filamentar As antenas filamentares são bastante utilizadas em prédios, carros, navios, aeronaves, entre outros. As antenas desse tipo mais conhecidas são as dipolos e monopolos, e as configurações em loop e helicoidal. Esses tipos de antena filamentares são mostrados na Figura 3.1. As antenas dipolo e monopolo são muito utilizadas em comunicações móveis e são de simples implementação. Além disso, a antena dipolo é composta por dois fios condutores e a monopolo, por um fio condutor. Esses fios são geralmente retos. O ganho e a eficiência de radiação dessas antenas estão relacionados, principalmente, ao seu comprimento elétrico, que por sua vez está relacionado à frequência de operação [2]. As antenas em loop podem assumir diversos formatos como a quadrangular, retangular, circular, elipsoidal, triangular, entre outras formas geométricas. Essas antenas são de baixo custo e bastante versáteis. Dentre os tipos de antenas em loop citados, a circular é a mais popular devido a sua simplicidade de construção e análise [2]. Uma antena helicoidal consiste, basicamente, em um fio condutor disposto em forma de hélice. Tal configuração diminui de maneira significativa o tamanho físico da antena. Além disso, é utilizada, principalmente, em sistemas que operam em altas frequências Antena Refletora As antenas refletoras são utilizadas, principalmente, em enlaces de comunicação que precisam cobrir grandes distâncias, como em sistemas via satélite. Os principais tipos dessas antenas são o refletor parabólico e o refletor de canto. O primeiro tipo pode chegar a ter diâmetro de 305 metros para que

21 8 (a) Antena dipolo. (b) Antena em loop. (c) Antena helicoidal. Figura 3.1: Configurações de antenas filamentares [2]. seja possível alcançar o ganho necessário para transmitir ou receber sinais que percorrerão milhares de quilômetros [2]. Essa configuração pode ser vista nas Figuras 3.2(a) e 3.2(b). A antena refletora de canto consiste em dois planos refletores que são dispostos formando um canto conforme mostrado na Figura 3.2(c). Essa configuração faz com que não tenha irradiação para trás e para os lados Antena de Microfita As antenas de microfita vêm se tornando cada vez mais populares devido a sua enorme versatilidade quanto à frequência de ressonância, polarização e impedância. Além disso, é uma antena discreta, pouco dispendiosa e de fácil integração com circuitos de microondas. É formada, basicamente, por uma lâmina metálica montada sobre uma das faces de um substrato dielétrico. Maiores detalhes das antenas de microfita serão discutidos no Capítulo Antena de Abertura As antenas de abertura são bastante utilizadas em espaçonaves e aeronaves devido a sua simples implementação e versatilidade, permitindo que essas antenas sejam instaladas nas superfícies desses veículos. Ademais, a sua sofisticação e o fato de operar adequadamente em altas frequências tornaram bastante populares as antenas de abertura. A sua estrutura normalmente é revestida por um material dielétrico para que possa suportar condições adversas. A Figura 3.3 mostra alguns tipos de antenas de abertura.

22 9 (a) Refletor parabólico com alimentação frontal. (b) Refletor parabólico com alimentação de Cassegrain. (c) Refletor de canto. Figura 3.2: Configurações de antenas de refletoras [2]. (a) Corneta cilíndrica (b) Corneta piramidal. (c) Guia de onda retangular. Figura 3.3: Configurações de antenas de abertura [2]. 3.2 Principais Conceitos das Antenas Diagrama de Irradiação O diagrama de irradiação é definido como uma função matemática ou uma representação gráfica das propriedades de radiação de uma antena em função das coordenadas espaciais. A Figura 3.4 mostra um exemplo de diagrama de irradiação retangular. Na maioria dos casos, o diagrama de irradiação é determinado na região de campo distante e é representado como função das coordenadas direcionais. Os critérios para campo distante podem ser resumidos pela Equação (3.1). R 2D2 λ onde R é a distância radial do ponto de medição à antena e D é o diâmetro da menor esfera que contém a estrutura da antena. interesse, como: A partir do diagrama de irradiação de uma antena, é possível definir diversos parâmetros de (3.1)

23 10 Figura 3.4: Diagrama de irradiação retangular. Figura Modificada de [2]. Lóbulo principal: é o lóbulo que representa a direção de máxima irradiação. Uma antena pode apresentar mais de um lóbulo principal; Lóbulos menores: qualquer outro lóbulo que não seja o principal; Lóbulos secundários: normalmente adjacente ao lóbulo principal e, geralmente, apresentam radiação em uma direção indesejada, ocupando o mesmo hemisfério do feixe principal. São, usualmente, o maior dos lóbulos menores; Lóbulo Traseiro: lóbulo menor que ocupa o hemisfério oposto ao do lóbulo principal; Largura de feixe de meia potência ou ângulo de abertura (BW3): é abertura angular do lóbulo principal na qual a potência radiada é a metade do valor de potência na direção de máxima radiação; Largura de feixe entre os primeiros nulos (BW0): abertura angular entre os dois primeiros nulos adjacentes ao lóbulo principal Diretividade A diretividade é definida como a relação entre a intensidade de radiação em uma dada direção da antena e a intensidade média de radiação em todas as direções. A diretividade pode ser escrita como: D = U U 0 = 4πU P rad (3.2) Se a direção não for especificada, é suposto que se trata da direção de intensidade máxima de radiação (diretividade máxima) e é representada, matematicamente, por: D max = D 0 = U max U 0 = 4πU max P rad (3.3)

24 11 onde D é a diretividade, D 0 é a diretividade máxima, P rad é a potência total radiada, U max é a intensidade máxima de radiação, U 0 é a intensidade de radiação de uma fonte isotrópica e U é a intensidade de radiação da antena de interesse Largura de Banda A largura de banda de uma antena é a faixa de frequências na qual a antena opera com bom casamento à linha de transmissão. Deve-se comparar as características da antena na frequência de operação com a encontrada nas outras frequências ao redor da frequência de operação, para saber se a antena está funcionando corretamente. Normalmente, nas frequências dentro da largura de banda, a antena deve apresentar SWR (Standing Wave Ratio) menor do que 2:1 [2]. Para antenas de banda larga, a largura de banda, expressa pela Equação (3.4), é a relação entre frequência superior e a frequência inferior, tendo como referência a frequência central. onde f 1 é a frequência inferior e f 2 frequência superior. BW = f 2 f 1 (3.4) Para antenas com largura de banda estreita, onde f 2 é maior ou igual ao dobro de f 1, a largura de banda é representada como a porcentagem da relação entre a diferença entre as frequências superior e inferior e a frequência central de operação f 0 : Perda de Retorno BW = 100 f 2 f 1 f 0 (3.5) A perda de retorno é um dos parâmetros mais importante para analisar o funcionamento de uma antena e está relacionado ao SWR e ao coeficiente de reflexão. A perda de retorno é definida pela razão entre a potência incidente da antena e a potência refletida pela antena. Matematicamente, esse parâmetro é representado pela seguinte expressão: RL = 10 log 10 ( P r P i )(db) (3.6) Um valor baixo de perda de retorno se traduz em uma boa transferência de potência para a carga. Em termos práticos, para uma antena de microfita, um valor de perda de retorno menor do que 15dB costuma ser suficiente para caracterizar uma boa transferência de potência.

25 Capítulo 4 Antenas de Microfita 4.1 Introdução O conceito de antenas de microfita foi incialmente proposto por Deschamps em 1953 [15], entretanto, foi necessário aguardar até a década de 1970, para que antenas práticas fossem desenvolvidas por Munson [16] e Howell [17]. Desde então, importantes características como fácil fabricação utilizando a tecnologia de circuito impresso, compatibilidade com circuitos integrados, baixo custo e leveza, impulsionaram as pesquisas a respeito desse tipo de antena. Uma antena de microfita, como mostrado na Figura 4.1, é composta, basicamente, por um condutor irradiante (patch), um dielétrico e um plano de terra. O patch deve apresentar uma superfície metálica bastante fina (t λ 0, onde λ 0 é o comprimento de onda no espaço livre e t é a espessura da superfície metálica) e estar assentado sobre o dielétrico, que por sua vez deve ter uma espessura pequena (h λ 0, normalmente 0, 003λ 0 h 0, 05λ 0 ). Ademais, o patch pode ser retangular, circular, dipolo, elíptico, triangular ou diversos outros formatos. Esses e outros formatos estão ilustrados na Figura 4.2. Figura 4.1: Configuração genérica de uma antena de microfita [2].

26 13 Figura 4.2: Possíveis formas geométricas para o patch [2]. 4.2 Métodos de Alimentação Existem diversas configurações para alimentação de antenas de microfita. As mais conhecidas são as por linha de microfita, cabo coaxial, acoplamento por abertura e acoplamento por proximidade [18]. As Subseções seguintes descreverão uma breve explanação sobre esses métodos de alimentação Alimentação por linha de microfita O presente método é mostrado na Figura 4.3. Esse tipo de alimentação consiste em uma linha de microfita localizado, sobre o plano do substrato e no mesmo lado do patch. Essa configuração permite que a estrutura total da antena seja planar [18]. A linha de microfita é uma linha condutora, normalmente com largura bem menor que a do patch. Para comprimentos de onda milimétricos, o tamanho da linha é comparável ao tamanho do patch, ocasionando um aumento indesejado de irradiação. Além disso, com uso de substratos mais espessos, a onda de superfície e irradiações na borda da antena aumentam, limitando a largura de banda da antena [2] Cabo Coaxial Alimentações por cabo coaxial são bastante usadas. Nelas, o centro do cabo coaxial é soldado ao patch enquanto o condutor externo é conectado ao plano de terra. Essa configuração é apresentada na Figura 4.4. A principal vantagem desse método é a possibilidade de alterar a impedância de entrada, apenas alterando a posição do alimentador. Em contrapartida, o orifício que deve ser feito no substrato e a saliência formada pelo conector na parte de baixo do plano de terra fazem, com que a antena não seja completamente planar.

27 14 Figura 4.3: Exemplo de uma antena de microfita alimentada por linha de microfita. Figura 4.4: Antena de microfita circular alimentada via cabo coaxial [2] Acoplamento por Abertura O acoplamento por abertura consiste em dois substratos separados por um plano de terra, conforme mostra a Figura 4.5. No lado externo do substrato inferior, existe uma linha de microfita na qual a energia é acoplada ao patch através de uma pequena fenda presente no plano de terra, que separa os substratos. O plano de terra isola o alimentador do patch, minimizando a interferência de campos de borda. Dentre os métodos de alimentação citados neste capítulo, essa configuração é a que possui a fabricação mais complexa.

28 15 Figura 4.5: Antena de microfita circular alimentada via acoplamento por abertura [2] Acoplamento por Proximidade Neste caso, a linha de microfita está posicionada entre os substratos. O acoplamento por proximidade (Figura 4.6) apresenta uma fácil modelagem e uma maior largura de banda em comparação com os métodos descritos neste capítulo. Figura 4.6: Antena de microfita circular alimentada via acoplamento por proximidade [2]. 4.3 Métodos de Análise Existem diversos métodos diferentes de análise de antenas de microfita. Os principais métodos são: método de linha de transmissão, modelo de cavidade ressonante e o modelo de onda completa. Os dois primeiros métodos são baseados na distribuição de corrente magnética equivalente na borda do patch. O método de onda completa é baseado na distribuição de corrente elétrica no patch e no plano de terra e abrange o método dos momentos, método dos elementos finitos e método das diferenças finitas no domínio do tempo. O método de linha de transmissão é o mais simples, dentre os citados, e apresenta boa percepção física, porém fornece o resultado menos preciso e lhe falta versatilidade. Nele, a antena

29 16 de microfita é representada por duas aberturas (slots) separadas por uma linha de transmissão de baixa impedância [18]. No método de cavidade ressonante, a região entre o patch e o plano de terra é tratada como uma cavidade que é cercada por paredes magnéticas no perímetro do patch e por paredes elétricas nos lados superior e inferior. Esse método apresenta maior precisão e complexidade quando comparado ao método de linha de transmissão. Também apresenta uma boa percepção física. Por último, o método de onda completa, quando aplicados corretamente, é muito preciso, versátil, e pode ser aplicado a um único elemento, elementos de formas geométricas variadas ou conjuntos finitos e infinitos de elementos, entretanto, apresenta uma menor percepção física e é o modelo mais complexo. 4.4 Antena de Microfita Retangular As antenas de microfita com o elemento irradiante retangular são as mais usadas, pois apresentam fácil modelagem, são planares e altamente versáteis, e foram originalmente propostas por Howell [17]. A Figura 4.7 mostra a estrutura básica e os componentes mais importantes levados em consideração durante a modelagem de uma antena de microfita retangular. Figura 4.7: Antena de microfita retangular. O cálculo das dimensões da antena de microfita retangular é feito a partir de uma série de parâmetros iniciais, como: frequência de operação (f c ), constante dielétrica relativa do substrato (ε r ), altura do substrato (h) e velocidade da luz no vácuo (c). Inicialmente, calcula-se a largura, W, e o comprimento efetivo, L eff, do patch retangular através das Equações (4.1) e (4.2), respectivamente: 1 2 W = 2f c ε0 µ 0 ε r + 1 = c 2f c 2 ε r + 1 (4.1)

30 17 L eff = c 2f c εr (4.2) Com o W calculado, é possível calcular a constate dielétrica relativa efetiva do substrato (ε eff ): ε eff = ε r ε r (4.3) h W Devido ao efeito dos campos de fuga, o patch da antena de microfita retangular, parece eletricamente maior do que ele realmente é fisicamente. Por tal motivo, o comprimento do patch é estendido por duas vezes o valor de L que é dado pela Equação (4.4). ( W h L h = 0, 412(ε eff + 0, 3) + 0, 264) (ε eff 0, 258) ( (4.4) W + 0, 8) Por fim, de posse do valor da constante L, é possível calcular o valor do comprimento do patch (L) através da seguinte equação: h L = L eff 2 L (4.5) Para o dimensionamento das linhas de transmissão presentes nas antenas, também é necessário calcular parâmetros elétricos como: condutância (G 1 ), admitância total ressonante na entrada do patch retangular (Y in ) e a impedância ressonante de entrada do patch retangular (Z in ). A condutância é dada pela seguinte equação: G 1 = 1 W 2 90 λ 0, 1 W 120 W λ0 λ 0, W λ 0 (4.6) A admitância total ressonante na entrada do patch retangular é real e dada por: Y in = 2G in (4.7) Como a admitância é real, a impedância ressonante de entrada também real e é representada pela seguinte equação: Z in = 1 Y in = R in = 1 2G in (4.8) 4.5 Antena de Microfita Elíptica A antena de microfita de patch elíptico é, talvez, a menos utilizada, pois a sua análise matemática requer a utilização de algumas funções complexas, como a Função Modificada de Mathie [19], entretanto, o patch elíptico apresenta uma maior flexibilidade no projeto da antena, possibilidade de polarização circular e liberdade para alterar os eixos maior e menor da elipse. A maior vantagem da antena de microfita elíptica é a possibilidade de se obterem dois modos, even e odd, com frequências de operação distintas, apenas mudando a posição do ponto de alimentação. A

31 Figura 4.8 ilustra as configurações dos dois modos, onde a é o semieixo maior e b o semieixo menor da elipse, ε r é a permissividade relativa do substrato dielétrico e h é a espessura do substrato: 18 Figura 4.8: Antena de microfita elíptica nos modos even (a) e odd (b) [3]. Para dimensionamento da antena de microfita elíptica é necessário ter alguns dados de entrada como: a espessura do substrato (h), constante dielétrica relativa do substrato (ε r ) e a frequência de operação (f c ). Para calcular as dimensões da antena elíptica, é necessário, primeiramente, calcular o semieixo maior da elipse [20], que é dado pela seguinte equação: a = 0, 275 f c µε (4.9) onde µ e ε são a permeabilidade magnética absoluta e a permissividade elétrica absoluta do material dielétrico da antena, respectivamente. Considerando que a permeabilidade magnética do material dielétrico é igual a do vácuo (µ 0 ), e que ε = ε r ε 0, encontra-se a seguinte equação: onde c é a velocidade da luz no vácuo. a = 0, 275 = 0.275c (4.10) f c µ0 ε r ε 0 f c εr Com o semieixo maior da elipse calculado, é possível encontrar o semieixo maior efetivo através da seguinte equação: [ ( ) { 2h ( a ) a eff = a 1 + ln + (1, 41ε r + 1, 77) + h }] 1 aπε r 2h a (0, 268ε 2 r + 1, 65) (4.11) A Equação (4.12) fornece uma relação entre a excentricidade da elipse e a Função de Mathie aproximada (q 11 ), para ambos os modos. 15 e = πf c a eff q e,o 11 ε r (4.12)

32 19 As Equações (4.13) e (4.14) apresentam a Função de Mathie aproximada (q 11 ) no modo dominante (T M 11 ) para os modos even e odd, respectivamente. Com essas equações e a Equação (4.12) será possível encontrar a excentricidade da elipse. q e 11 = 0, 0049e + 3, 7888e 2 0, 7278e 3 + 2, 314e 4 (4.13) q o 11 = 0, 0063e + 3, 8316e 2 1, 1351e 3 + 5, 2229e 4 (4.14) Por fim, utiliza-se a fórmula da excentricidade da elipse 4.15 para encontrar o semieixo menor (b). a2 + b e = 2 (4.15) a Com as dimensões da elipse definidas, o próximo passo é calcular a impedância de entrada do patch elíptico. Para isso, é possível usar as equações do patch circular para calcular a impedância do elíptico. Basta calcular a impedância do patch circular utilizando os semieixos da elipse como raio e, por fim, fazer a média das duas impedâncias encontradas. A Figura 4.9 mostra alguns parâmetros e a geometria de uma antena de microfita de patch circular: Figura 4.9: Geometria básica da antena de microfita de circular [2] Primeiramente, é necessário calcular o raio efetivo para patch circular (r eff ), que é dado por: onde r é o raio do patch circular. { r eff = r 1 + 2h [ ( πr ) ] } 1 2 ln + 1, 7726 πrε r 2h (4.16) Para encontrar a impedância de entrada da antena de microfita de patch circular, é necessário encontrar a condutância total da antena (G t ). Tal parâmetro é dado pela seguinte equação: G t = G rad + G c + G d (4.17)

33 20 onde G rad é a condutância presente entre o patch e o plano de terra, G c é a condutância devido à condução (ôhmica) e G d é a condutância devido às perdas dielétricas. Através das Equações (4.18), (4.19) e (4.20), é possível calcular G rad, G c e G d, respectivamente. G rad = (k 0r eff ) 2 ( 1, (k 0r eff ) 2 sen 2 θ + 1 ) (k 0r eff ) 4 sen 4 7 θ (k 0r eff ) 6 sen 6 θ (4.18) G c = ɛ m0π(πµ 0 f r ) 3 2 4h 2 σ [(kr eff ) 2 m 2 ] (4.19) G d = ɛ m0 tan(δ) 4µ 0 hf r [(kr eff ) 2 m 2 ] (4.20) onde k 0 = 2πfr c, ɛ m0 = 1 para m = 0, ɛ m0 = 1 para m 0, σ é a condutividade do condutor elétrico presente na antena, tan δ é a tangente de perda do substrato e k = 2π λ. Com a condutância total da antena calculada através da Equação (4.17), é possível encontrar a impedância de entrada do patch circular através da seguinte expressão: a seguir: R in = 1 G t (4.21) Finalmente, para encontrar a impedância da antena de microfita elíptica, basta utilizar a equação R in = 2 G t r=a + G t r=b (4.22)

34 Capítulo 5 Dimensionamento das Antenas de Microfita Ao longo deste Capítulo, será feita uma abordagem a respeito dos materiais e parâmetros utilizados para simulação das antenas, além dos métodos de alimentação e desenvolvimento das antenas de microfita de patch elíptico e retangular. 5.1 Seleção do Material A placa tomada como parâmetro para as simulações foi a RT/Duroid 5880LZ da Rogers Corporation. Ela foi escolhida, pois apresenta uma constante dielétrica do substrato de 1, 96 ± 0, 04, considerada bastante baixa, e uma perda dielétrica baixa que a torna adequada para aplicações em alta frequência e banda larga. Ademais, a placa 5880LZ apresenta baixa densidade, é leve e a constante dielétrica é uniforme ao longo da frequência [21]. Tais características justificam o uso dessa placa para a simulação e fabricação de antenas de microfita na frequência de 28 GHz. A placa 5880LZ possui uma camada de substrato revestida por cobre. O cobre possui espessura de 35 µm. O substrato dielétrico apresenta um conjunto de espessuras padrão que podem ser vistos a seguir: 0, 254 mm ±001; 0, 508 mm 4 ± 001; 0, 635 mm ±0015; 0, 762 mm ±002; 1, 026 mm ±002; 1, 270 mm ±002; 2, 540 mm ±004.

35 22 As dimensões das antenas serão calculadas considerando todos os valores de espessuras do substrato da placa RT/Duroid 5880LZ, com o intuito de comparar e analisar as antenas de microfita com diferentes espessuras. 5.2 Método de Alimentação A alimentação utilizada no projeto foi a alimentação por linha de microfita devido as suas características e vantagens vistas na Seção Foi utilizada uma variante da alimentação por linha de microfita conhecida como edge-fed. Nessa configuração, é colocado um transformador de quarto de onda entre o patch e o trecho de 50 Ω, para que essas duas partes estejam devidamente casadas. A Figura 5.1 mostra uma antena de microfita com alimentação do tipo edge-feed. Figura 5.1: Configuração básica de uma antena de microfita alimentada por linha de transmissão do tipo edge-fed O dimensionamento dos dois trechos é similar. A diferença está no comprimento elétrico e na impedância. O comprimento elétrico do transformador de quarto de onda (θ) deve ser igual a π 2, e do trecho de 50 Ω, mπ, onde m > 0. Já a impedância do transformador é dada pela seguinte expressão: Z λ 4 = Z patch Z (5.1) onde Z patch é a impedância de entrada do patch e Z é a impedância do trecho de 50 Ω. Sabendo a impedância de cada trecho de linha de transmissão, é possível encontrar a sua largura (w) e constante dielétrica relativa efetiva (ε eff ) através das seguintes equações: ε eff = ε r ε r h w (5.2)

36 Z 0 = 60 εeff ln ( 8h w + ) w 4h, w h 1 120π εeff[ w h +1,393+0,667 ln( w h +1,444)], 23 w h 1 (5.3) onde h é a espessura do substrato e Z 0 é a impedância característica do trecho da linha de transmissão. Para dada impedância característica da linha de microfita (Z 0 ) e constante dielétrica relativa do substrato (ε r ), a razão w h é encontrada através da seguinte expressão: onde w h = 8e A e 2A 2, [ 2 π B 1 ln (2B 1) + εr 1 2ε r {ln (2B 1) + 0, 39 0,61 ε r } ] w h < 2 w, h > 2 (5.4) A = Z 0 60 ε r ε ( r 1 0, ε r + 1 ) 0, 11 ε r (5.5) B = 377π 2Z 0 εr (5.6) Por fim, o comprimento da linha de transmissão de microfita é dado por: onde θ é o comprimento elétrico do trecho da linha de transmissão. l = θλ 0 2π ε eff (5.7) 5.3 Modelagem das Antenas Nesta Seção, serão vistos todos os passos para cálculo das dimensões das antenas levando em consideração a espessura do substrato, igual a 0,508 mm, porém a mesma metodologia foi utilizada para calcular esses parâmetros das antenas de microfita retangular e elíptica considerando as outras espessuras padrões da placa RT/Duroid 5880LZ e tais valores podem ser vistos nos Apêndices A e B, respectivamente. Os parâmetros de entrada para cálculo das dimensões das antenas são vistos na Tabela 5.1. Tabela 5.1: Parâmetros de entrada. Parâmetro Símbolo Valor Constante dielétrica do substrato ε r 1,96 Espessura do cobre t 35 µm Espessura do substrato t 0,508 mm Frequência de operação f 28 GHz Além disso, as dimensões do trecho de 50 Ω são comuns às duas antenas. Utilizando as equações vistas na Seção 5.2, o script mostrado no Anexo A e definindo o comprimento elétrico (θ) desse trecho como sendo igual a π, é possível encontrar os seguintes valores de largura (w 50 ) e comprimento (l 50 ) da linha de transmissão:

37 24 Tabela 5.2: Parâmetros do trecho de 50 Ω. Parâmetro Valor w 50 l 50 1,5230 mm 3,8265 mm Modelagem da Antena de Microfita Retangular Nesta Subseção, são dados os parâmetros particulares das antenas de microfita de patch retangular. A Figura 5.2 mostra o posicionamento de cada parâmetro da antena retangular. Figura 5.2: Parâmetros da antena de microfita retangular. A primeira parte da antena a ser calculada é o patch retangular. Utilizando as equações vistas na Seção 4.4 e o script do MATLAB presente no Anexo B, é possível encontrar a largura (W ), o comprimento (L) e a impedância de entrada (Z patch ) do patch. Tais valores são mostrados na Tabela 5.3. Para calcular as dimensões do transformador de quarto de onda, é necessário primeiramente encontrar a sua impedância característica através da Equação (5.1), encontrando: Z λ 4 = 133, 20Ω 50, 00Ω = 81, 61Ω (5.8)

38 25 Tabela 5.3: Dimensões do patch retangular. Parâmetro Valor W 4,4035 mm L 3,2857 mm Z patch 133,2 Ω (w λ 4 Com Z λ calculado e definindo o comprimento elétrico (θ) como π 4 2, a largura (l ) e o comprimento λ 4 ) do transformador são calculados e o resultado pode ser visto na Tabela 5.4. Tabela 5.4: Dimensões do transformador de quarto de onda da antena de microfita de patch retangular. Parâmetro w λ 4 l λ 4 Valor 0,6332 mm 1,9133 mm A largura (L g ) e comprimento (W g ) mínimos do substrato e do plano de terra são dados por: L g = 6h + Y (5.9) W g = 6h + X (5.10) onde h é a espessura do substrato, Y é o somatório do comprimento do patch e das linhas de transmissão, e X é a maior largura entre o patch, transformador de quarto de onda e o trecho de 50 Ω. Considerando Y = l 50 + l λ + L e X = W, pode-se encontrar os valor de L g e W g para a antena 4 de microfita de patch retangular, que estão ilustrados na Tabela 5.5. Tabela 5.5: Dimensões do substrato e plano de terra para a antena de microfita retangular. Parâmetro Valor W g L g 7,4515 mm 12,0735 mm Com isso, todas as dimensões da antena retangular foram calculadas para o substrato de espessura de 0,508 mm. De maneira análoga, as dimensões dessas antenas também foram calculadas para todos os outros padrões de espessura de substrato da placa RT/Duroid 5880LZ e estão reunidos no Apêndice A Modelagem da Antena de Microfita Elíptica De maneira análoga ao método de modelagem utilizado para antena de microfita retangular, primeiramente serão calculadas as dimensões da elipse da antena. A Figura 5.3 mostra a posição de cada parâmetro citado e calculado ao longo desta Subseção. Considerando o valor da excentricidade da elipse (e) igual a 0,278 e utilizando as equações vistas na Seção 4.5, encontraram-se os valores dos semieixos maior (a) e menor (b) e a impedância de entrada da elipse, que podem ser vistos na Tabela 5.6.

39 26 Figura 5.3: Parâmetros da antena de microfita elíptica. Tabela 5.6: Dimensões do patch elíptico. Parâmetro Valor a 2,1046 mm b 2,0216 mm Z patch 242,15 Ω Com as dimensões do patch devidamente calculadas, é necessário calcular a impedância do transformador de quarto de onda que é dado por: Z λ 4 = 145, 7840Ω 50, 0000Ω = 85, 3768Ω (5.11) A Tabela 5.7 mostra as dimensões do transformador de quarto de onda, levando em consideração o valor de Z λ e θ igual a π 4 2. Utilizando o mesmo critério visto na Subseção anterior para cálculo da largura (W g ) e comprimeto (L g ) do substrato e patch é possível chegar aos valores mostrados na Tabela 5.8, considerando Y = l 50 e W = 2a.

40 27 Tabela 5.7: Dimensões do transformador de quarto de onda da antena de microfita de patch elíptico. Parâmetro w λ 4 l λ 4 Valor 0,5742 mm 1,9133 mm Tabela 5.8: Dimensões do substrato e plano de terra para a antena de microfita elíptico. Parâmetro Valor W g L g 7,2572 mm 9,7830 mm Todas as dimensões das antenas elípticas para os valores de espessura da placa RT/Duroid 5880LZ também foram calculados e podem ser vistas no Apêndice B.

41 Capítulo 6 Simulação e Análise das Antenas de Microfita Durante o presente capítulo serão apresentados os conceitos utilizados durante a simulação no software HFSS e uma análise dos resultados encontrados para ambas as antenas. 6.1 Caracterização das Antenas no HFSS O Ansys HFSS é um simulador de campos eletromagnéticos de onda completa (EM) em alta frequência. Ademais, utiliza o Método dos Elementos Finitos (FEM) para obter maior desempenho e precisão durante o processo de simulação. Através dele, são possíveis realizar simulações de objetos 3D e obter diversos parâmetros como o diagrama de irradiação, parâmetros de espalhamento, ganho, largura de feixe, entre outros. O primeiro passo no HFSS é montar as antenas de acordo com as dimensões e materiais vistos nos capítulos anteriores. O HFSS apresenta uma interface bastante amigável, tornando intuitivo o processo de caracterização das antenas. As Figuras 6.1 e 6.2 apresentam as antenas de microfita retangular e elíptica já modeladas no HFSS, respectivamente. Figura 6.1: Antena de microfita retangular no HFSS.

42 29 Figura 6.2: Antena de microfita elíptica no HFSS. É importante ressaltar que qualquer estrutura sólida gerada no HFSS em que o material não for especificado pelo usuário, o software irá, por definição, atribuir o vácuo como material. Portanto, é necessário atribuir o cobre como material do plano de terra, patch, transformador de quarto de onda e trecho de 50 Ω; e criar um material na biblioteca do HFSS com as características do substrato presente na placa RT/Duroid 5880LZ [21] e atribuí-lo ao substrato da antena no software. Com a antena caracterizada, é fundamental definir portas de excitação para as antenas. O HFSS trabalha, principalmente, com dois tipos de portas de excitação como: wave port e lumped port. A wave port representa uma superfície externa, na qual o sinal entra e sai da estrutura da antena. Comporta-se, basicamente, como se um guia de onda semi-infinito estivesse conectado à antena. Além disso, a wave port calcula, automaticamente, a impedância característica da linha de transmissão, desde que a porta esteja apropriadamente dimensionada. A lumped port é uma porta de excitação que deve estar localizada no interior da estrutura 3D. Além disso, é necessário conhecer a impedância característica da linha de transmissão de microfita na qual a porta estará conectada. Esta suporta apenas um modo de propagação, ao passo que a wave port suporta vários. Por conta do modelo 3D das antenas caracterizado, torna-se imprescindível optar por uma superfície externa de excitação, portanto, utilizando a wave port. A Figura 6.3 mostra as dimensões ideais para a wave port aplicada à linha de microfita. As dimensões da porta são iguais para as duas antenas, visto que essa depende somente da espessura do substrato (h) e da largura do trecho de 50 Ω (w 50 ) que são iguais para ambas as antenas. Além de definir a porta de excitação, também é fundamental definir as condições de contorno. No ambiente do HFSS, as condições de contorno apresentam dois propósitos principais: definir se trata de um modelo eletromagnético fechado ou aberto, para simplificar a complexidade do modelo eletromagnético ou geométrico. Dentre a vasta gama de tipos de condições de contorno presentes no HFSS, a utilizada neste projeto foi a Radiation Boundary. Tal condição é utilizada para simular um problema aberto no qual se permite que as ondas radiem infinitamente no espaço, até o limite da condição definida. O HFSS absorve as ondas na condição de fronteira e tal método é chamado como Condições de Contorno Absorventes (Absorbing Boundary Condition, ABC). Na maioria das aplicações, as superfícies das condições devem estar distantes da fonte de radiação de pelo menos um quarto de comprimento de onda. Para definir a Radiation Boundary é necessário, primeiramente, criar uma caixa ao redor da

43 30 Figura 6.3: Parâmetros da wave port para linha de microfita. antena e, posteriormente, atribuir o material dessa caixa como sendo o ar. A técnica utilizada define que a altura da caixa deva ser dez vezes a altura do substrato e que as outras faces da caixa de ar distem de, pelo menos, um quarto de comprimento de onda do patch. A Figura 6.4 ilustra um exemplo genérico de caixa de ar no HFSS com os critérios supracitados e as suas variáveis de dimensionamento, onde W g é a largura do substrato e L g é o comprimento. Ademais, as Tabelas 6.1 e 6.2 mostram os valores das dimensões da caixa para as antenas de microfita retangular e elíptica,respectivamente, com a espessura do substrato sendo igual a 0,508 mm. Figura 6.4: Caixa de ar no HFSS. 6.2 Simulação e Resultados Com as antenas devidamente caracterizadas, o processo de simulação das antenas é realizado. O primeiro parâmetro das antenas a ser analisado é a perda de retorno. Através dela também é possível observar largura de banda das antenas, que será calculada para o S 11 igualado a -10 db. As Figuras 6.5 e 6.6 mostram, respectivamente, os gráficos de coeficiente de reflexão das antenas retangulares e elípticas

44 31 Tabela 6.1: Dimensões da caixa de ar da antena de microfita retangular. Dimensão Valor Altura 5,0800 mm Largura 12,8086 mm Comprimento 12,3705 mm Tabela 6.2: Dimensões da caixa de ar da antena de microfita elíptico. Dimensão Valor Altura 5,0800 mm Largura 12,6143 mm Comprimento 12,8310 mm considerando os padrões de espessura da placa RT/Duroid 5880LZ. Figura 6.5: Curvas de coeficiente de reflexão das antenas retangulares para as espessuras padrão da placa RT/Duroid 5880LZ.

45 32 Figura 6.6: Curvas de coeficiente de reflexão das antenas elípticas para as espessuras padrão da placa RT/Duroid 5880LZ. Analisando os dois gráficos anteriores, nota-se que a perda de retorno da antena retangular melhora com o aumento da espessura do substrato, considerando apenas os valores no intervalo entre 0,254 mm e 1,126 mm. Para antena elíptica, a melhora do valor da perda de retorno com o aumento da espessura do substrato dielétrico ocorre para os valores de situados entre 0,254 mm e 0,762mm. Ademais, observa-se que para as placas com substrato de 1,270 mm e 2,540 mm, ambas as antenas apresentaram péssimos valores de perda de retorno e as curvas não convergiram para nenhum valor de frequência no intervalo analisado (25 GHz - 31 GHz). As Tabelas 6.3 e 6.4 mostram os valores de perda de retorno na frequência de 28 GHz e as larguras de banda calculados em -10 db para as antenas retangulares e elípticas. Tabela 6.3: Perdas de retorno e larguras de banda das antenas retangulares. Espessura do substrato Perda de retorno Largura de banda 0,254 mm 14,95 db 0,7839 GHz 0,508 mm 18,85 db 1,3482 GHz 0,635 mm 19,92 db 1,9899 GHz 0,762 mm 22,57 db 2,4422 GHz 1,126 mm 47,66 db 3,7688 GHz

46 33 Tabela 6.4: Perdas de retorno e larguras de banda das antenas elípticas. Espessura do substrato Perda de retorno Largura de banda 0,254 mm 20,51 db 0,8141 GHz 0,508 mm 22,48 db 1,3869 GHz 0,635 mm 24,11 db 1,5678 GHz 0,762 mm 24,42 db 2,1106 GHz 1,126 mm 15,83 db 2,8945 GHz Nota-se que, além da melhora da perda de retorno com o aumento da espessura do substrato, também ocorre o aumento da largura de banda das antenas. Devido à presença da placa de 0,508 mm no estoque do Laboratório de Antenas e Propagação (LaProp) da UFF, essa espessura será considerada para os outros parâmetros simulados no HFSS. A Figura 6.7 mostra as curvas de S 11 das antenas retangular e elíptica com o substrato de espessura de 0,508 mm. Figura 6.7: Comparação do S 11 entre as antenas microfita de patch retangular e elíptico para o substrato de 0,508 mm. Através das curvas de S 11 vistas na Figura 6.7 e das Tabelas 6.3 e 6.4, nota-se que a antena retangular em questão apresentou um valor comparativamente pior de perda de retorno do que a antena elíptica. A antena elíptica apresentou um valor de largura de banda maior. Visando a conectorização das antenas, que será realizada durante as medições, em que o conector utilizado possuirá um material metálico, será necessário aumentar a distância entre o conector e o patch, para diminuir a interferência entre eles. Isso será feito aumentando o trecho de alimentação de 50 Ω, para isso foi considerado o comprimento elétrico desse trecho como sendo igual a 5π. Com isso, o comprimento físico desse trecho para as duas antenas é de 19,13 mm. A Figura 6.8 mostra o gráfico de perda de retorno

47 34 das antenas com as novas dimensões para o trecho de alimentação. Figura 6.8: Comparação do S 11 entre as antenas microfita de patch retangular e elíptico. Através do gráfico, observa-se que a antena retangular apresentou na frequência de operação, 28 GHz, uma perda de retorno de 17,93 db e a elíptica, 21,87 db, portanto, a antena elíptica um valor de perda de retorno mais satisfatório. A antena elíptica também apresentou uma largura de banda maior, 1,78 GHz, ao passo que a antena retangular apresentou 1,57 GHz de largura de banda. O diagrama de irradiação também é considerado bastante importante para análise do desempenho de antenas de microfita. Através dele é possível encontrar, entre outros parâmetros, o ganho e a largura de feixe. A Figura 6.9 mostra o diagrama de irradiação 3D das antenas. (a) (b) Figura 6.9: Diagrama de irradiação 3D das antenas retangular (a) e elíptica (b).

48 35 Através dos gráficos de diagrama de irradiação 3D nota-se que a antena retangular atingiu um ganho máximo de 8,63 db e a elíptica, 7,73 db. Para encontrar a largura de feixe, é necessário traçar o diagrama de irradiação polar, em db normalizado. A Figura 6.10 mostra os diagramas nos planos E e H para as antenas. As Tabelas 6.5 e 6.6 comparam as larguras de feixes das antenas no plano H e E, respectivamente. (a) (b) Figura 6.10: Diagrama de irradiação polar para os plano E (φ = 0 ) e H (φ = 90 ) das antenas retangular (a) e elíptica (b). Tabela 6.5: Largura de feixe das antenas no Plano H. Antena Largura de feixe Retangular 65, 36 Elíptica 71, 42 Tabela 6.6: Largura de feixe das antenas no Plano E. Antena Largura de feixe Retangular 66, 41 Elíptica 74, 38 É possível notar que a antena elíptica apresentou maior largura de feixe, sendo assim menos diretiva que a antena retangular, porém, as larguras de feixe de ambas as antenas são consideradas boas, pois se as antenas fossem posicionadas na quina de uma sala, por exemplo, elas seriam capazes de prover cobertura de sinal para todo o ambiente. O último parâmetro analisado e simulado no HFSS foi VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) e a Figura 6.11 mostra as curvas para as duas antenas em db. Na frequência central, 28 GHz, a antena

49 36 retangular apresentou 2,22 db e a elíptica, 1,40 db. Dessa maneira, a antena de microfita elíptica apresentou melhor valor de VSWR, portanto, ambas as antenas apresentaram bons valores durante as simulações, o que justifica a fabricação das mesmas. Figura 6.11: VSWR da antena retangular no HFSS

50 Capítulo 7 Fabricação e Medição das Antenas de Microfita Após as antenas mostrarem bom desempenho no software HFSS, o próximo passo foi a fabricação e medição dos parâmetros calculados durante as simulações. Ao longo deste capítulo, será visto o processo de fabricação, medições e, além disso, uma comparação e análise entre os resultados encontrados. O processo foi realizado no LaProp/UFF. 7.1 Processo de Fabricação A prototipadora LPKF ProtoMat S103, mostrada na Figura 7.1, foi utilizada para a fabricação das antenas. Esse equipamento realiza fresagem, perfuração e cortes em placas de circuito impresso adequadas para altas frequências e microondas. Além disso, utiliza um conjunto de brocas de vários diâmetros manuseadas por um braço mecânico, que podem ser vistos na Figura 7.2, para obter maior precisão durante o processo de fabricação das antenas. Figura 7.1: Prototipadora LPKF S103 [4]. A LPKF S103 trabalha em conjunto com o software CircuitPro 2.1. Através desse software, é

51 38 (a) (b) Figura 7.2: Conjunto de brocas utilizada pela LPKF S103 [4]. realizada toda configura c ao pr e-fabrica c ao e tamb em e poss ıvel analisar, detalhadamente, o processo de fabrica c ao, pois o bra co mecˆ anico, al em de manejar as brocas, possui uma cˆ amera de v ıdeo que envia simultaneamente as imagens do processo de fabrica c ao das antenas para a interface do CircuitPro. Os arquivos das antenas foram exportados do HFSS no formato gerber e importados pelo CircuitPro. Para melhor an alise do desempenho das antenas, foi fabricado um par de cada tipo de antena simulada. A Figura 7.3 mostra o processo de fabrica c ao das antenas e a Figura 7.4 mostra a frente e o verso das antenas fabricadas. (a) (b) Figura 7.3: Processo de fabrica c ao das antenas.

52 39 Figura 7.4: Antenas fabricadas na LPKF S Medi co es e Resultados O conector utilizado foi o SMA do tipo macho para placas de circuito impresso, que suporta frequˆencias acima de 20 GHz, de maneira que o pino do conector fosse posicionado sobre o trecho de 50 Ω. Para viabilizar as medi c oes na frequˆencia de 28 GHz, foi necess ario a utiliza c ao do Analisador Vetorial de Redes VectorStar MS4647B cedido, temporariamente, pela Anritsu, que e apresentado na Figura 7.5. Atrav es dele e poss ıvel conectar o par de antena nas suas portas e, de maneira simultˆ anea, analisar os parˆ ametros de espalhamento e Carta de Smith, por exemplo. Figura 7.5: Analisador Vetorial de Redes VectorStar MS4647B. O cen ario de testes foi montado no LaProp/UFF em uma sala de aproximadamente 10 m2, representando o que seria uma femtoc elula no sistema 5G. A Figura 7.6 mostra o cen ario de testes durante uma das medi c oes.

53 40 Figura 7.6: Cen ario de teste no LAProp. Assim como durante as simula c oes, o primeiro parˆ ametro analisado foi o S11. Durante essa medi c ao, somente uma antena de cada tipo foi conectada ao Analisador Vetorial de Redes por vez. As Figuras 7.7 e 7.8 mostram as perdas de retorno das antenas retangular e el ıptica, repectivamente. Figura 7.7: S11 medido da antena de microfita retangular. A antena de microfita retangular apresentou perda de retorno igual a 24,58 db na frequˆencia central de 28,35 GHz e a el ıptica, 15,75 db em 28,14 GHz, portanto, conclui-se que a antena retangular apresentou uma perda de retorno melhor do que a antena el ıptica, ou seja, houve mais reflex ao na porta 1 desta. Al em disso, com a largura de banda sendo medida para uma perda de retorno de -10 db, a antena

54 41 Figura 7.8: S 11 medido da antena de microfita elíptica. retangular apresentou 0,35 GHz e a elíptica 0,8 GHz. Os gráficos de VSWR também confirmam a conclusão chegada a partir do gráfico de S 11. As Figuras 7.9 e 7.10 mostram o VSWR das antenas retangular e elíptica, nessa ordem. O VSWR está sendo mostrado em db, sendo assim, é desejável que as antenas apresentem na frequência central um valor de VSWR que seja o mais próximo possível de 0 db. A antena retangular apresentou VSWR igual a 1,14 db e a elíptica, 2,35 db, confirmando que a antena retangular apresenta menos reflexão na sua porta. Figura 7.9: VSWR medido da antena de microfita retangular.

55 42 Figura 7.10: VSWR medido da antena de microfita elíptica. Um outro experimento consistiu em utilizar um par de antenas do mesmo tipo sendo uma transmissora e outra receptora. A antena transmissora estava posicionada no centro de um semicírculo de 70 cm de raio, enquanto a receptora estava na borda desse semicírculo de maneira que a sua posição angular era gradativamente alterada e o S 21, em db normalizado, era medido. A Figura 7.11 ilustra essa configuração, onde AVR é o Analisador Vetorial de Redes. Com isso, foi possível realizar um teste de mobilidade angular das antenas indoor através de uma caracterização experimental da perda de transmissão. As Figuras 7.12 e 7.13 mostram essa caracterização para as antenas de microfita retangular e elíptica, respectivamente. Através desses gráficos é possível inferir que a antena retangular apresentou um ganho maior do que a elíptica, tanto no lóbulo principal quanto nos secundários. Figura 7.11: Configuração do teste de mobilidade angular das antenas indoor.

56 43 Figura 7.12: Caracterização experimental da perda de transmissão do canal para a antena retangular. Figura 7.13: Caracterização experimental da perda de transmissão do canal para a antena elíptica. Também foi realizada a medição da perda de inserção do conjunto transmissor-canal-receptor utilizando antenas do mesmo tipo. Esse experimento consistiu em posicionar duas antenas do mesmo tipo a uma distância considerada de campo distante (23 cm para ambas as antenas) e, gradualmente, afastá-las até 267 cm, em linha reta, enquanto o parâmetro S 21, em db, foi medido, conforme ilustra a Figura 7.14, onde d é distância entre as antenas. A Figura 7.15 mostra as curvas da perda de percurso pela distância em escala logarítmica da distância para as antenas de microfita retangular e elíptica.

57 44 Figura 7.14: Configuração do teste de mobilidade espacial. Figura 7.15: Perda de inserção medida das antenas de microfita. A Figura 7.15 mostra que o S 21 inicial da antena elíptica é mais baixo do que o da antena retangular, porém, a antena retangular apresentou uma queda mais acentuada do nível de sinal, ao passo que na antena elíptica esse nível atenuou mais lentamente ao longo do percurso. 7.3 Análise dos Resultados Ao se comparar as perdas de retorno das antenas obtidas nas simulações e medições, é possível notar que houve um pequeno desvio em relação à frequência central, sendo 0,35 GHz para a antena retangular e 0,14 GHz para a elíptica. Além disso, houve diferença entre as perdas de retorno, essas

58 45 diferenças são devido às imperfeições durante o processo de fabricação das antenas. As Figuras 7.16 e 7.17 fazem uma comparação entre as curvas de S 11 encontradas nas simulações e medições para as antenas retangular e elíptica, respectivamente. Além disso, as Tabelas 7.1 e 7.2 resumem os valores encontrados nessas curvas. Figura 7.16: Comparação entre as curvas S 11 encontradas na simulação e medição da antena retangular. Figura 7.17: Comparação entre as curvas S 11 encontradas na simulação e medição da antena elíptica. A diferença entre os valores encontrados na simulação e fabricação é esperada, pois o valor de 1,96 de constante dielétrica da placa RT/Duroid 5880LZ foi validado para a frequência de 10 GHz. Para os outros valores de frequência, há uma incerteza de ± 0,04. Além disso, as antenas fabricadas apresentaram uma largura de banda comparativamente menor do que as antenas simuladas. Tal fato ocorre, pois o

59 46 Tabela 7.1: Perda de retorno das simulações e medições. Antena Simulação Medição Retangular 18,80 db em 28 GHz 24,58 db em 28,35 GHz Elíptica 19,93 db em 28 GHz 15,75 db em 28,14 GHz Tabela 7.2: Largura de banda das simulações e medições Antena Simulação Medição Retangular 1,70 GHz 0,93 GHz Elíptica 1,30 GHz 0,80 GHz software HFSS leva em consideração um ambiente ideal, ou seja, livre de interferências, ao passo que as simulações foram realizadas em um ambiente sujeito a diversos tipos de interferências do ambiente e de conectorização, por exemplo.

60 Capítulo 8 Conclusão Neste trabalho foi proposto o uso de antenas de microfita de patch elíptico e retangular para utilização em ambiente indoor na arquitetura do 5G. Foram mostradas as metodologias utilizadas para dimensionamento das antenas de microfita e suas linhas de transmissão. Além disso, foram vistas as técnicas utilizadas para caracterizar, simular e analisar as antenas no software HFSS. Também foi feito um detalhamento de todo o processo de fabricação, montagem dos experimentos e medições. Comparando as antenas fabricadas, as duas antenas apresentaram valores satisfatórios de perda de retorno e largura de banda. A antena de microfita retangular apresentou melhor valor de perda de retorno, enquanto a elíptica apresentou maior banda. Quanto à perda de sinal com a distância, para uma mesma potência de transmissão, observa-se que a antena microfita retangular apresentou uma queda mais acentuada com a distância em escala logarítmica. A antena elíptica apresentou um nível de sinal mais baixo, porém a curva de perda de inserção se manteve com uma queda mais lenta com a distância. O fato da antena elíptica ser menos diretiva do que a antena retangular, explica o fato do nível de sinal inicial da antena de patch retangular ser mais alto. Os resultados obtidos mostram que as antenas propostas são adequadas à arquitetura amplamente sugerida para a quinta geração de comunicações móveis. Este trabalho foi apresentado na 68 a Reunião da Sociedade Brasileira para o Progresso da Ciência na sessão de pôster [22]. Além disso, foi classificado entre os 10 melhores da categoria Engenharia no Prêmio Vasconcellos Torres de Iniciação Científica de 2016 e foi aceito no XXXV Simpósio Brasileiro de Telecomunicações e Processamento de Sinais [23].

61 Capítulo 9 Sugestões para Trabalhos Futuros/em Andamento Com base no trabalho desenvolvido, será feita uma modelagem de um ambiente indoor completo 3D no software ANSYS HFSS, fazendo uma transmissão OFDM (Multiplexação por divisão de frequências ortogonais) do sinal em 28 GHz, utilizando as antenas de microfita retangular e elíptica e analisando, além de parâmetros eletromagnéticos, a taxa de erro de bits e o diagrama de olho, por exemplo. O objetivo é reproduzir no HFSS de forma mais fiel possível uma femtocélula da arquitetura 5G real, como por exemplo um escritório. A Figura 9.1, mostra um dos modelos de ambiente 3D completo no HFSS, em que todos os componentes deste ambiente possuem as suas características eletromagnéticas de acordo com a realidade. Figura 9.1: Femtocélula 3D modelada no HFSS