ANÁLISE DAS CARACTERÍSTICAS DE IRRADIAÇÃO DE ANTENAS DE MICROFITA QUASE QUADRADA E DE CANTO TRUNCADO D. C. Nascimento (PG), E. F. Rodrigues (IC), D.C.M. Maciel (PG) e J.C. da S. Lacava (PQ) danielcnascimento@ig.com.br, fonseca@redecasd.ita.br, mangia@ita.br, lacava@ita.br Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Eletrônica Praça Marechal Eduardo Gomes, 5 - Vila das Acácias CEP 12228-9 São José dos Campos SP Brasil Resumo Esse trabalho apresenta um estudo comparativo entre antenas de microfita circularmente polarizadas dos tipos canto truncado e quase quadrada. Análises são realizadas para diagramas de irradiação, impedância de entrada e razão axial. Desse estudo, conclui-se pela possibilidade de se utilizar as expressões de campo da antena quase quadrada para a determinação das características de irradiação da antena de canto truncado. As geometrias dessas antenas também são avaliadas com o objetivo de se determinar qual delas é menos susceptível a erros no processo de fabricação. Abstract This work presents a comparative study between truncated corner and nearly square microstrip circularly polarized antennas. Input impedance, axial ratio and radiation pattern are also analyzed. As results the fields expressions of nearly square antenna are used to characterize electrically the truncated corner antenna. The geometries of these antennas are also evaluated with the objective to determine which of them is less susceptible to errors in the manufacture process. 1. INTRODUÇÃO Antenas de microfita circularmente polarizadas têm sido utilizadas em modernos sistemas de comunicação e navegação via satélite [1]. Destes, destaca-se o Sistema de Monitoramento com Base no Solo (GBAS), constituído por um Pseudo-satélite e uma estação DGPS (GPS diferencial). Devido a sua importância, um Pseudo-satélite está sendo desenvolvido no ITA, com apoio da FINEP 1 e em parceria com a COMPSIS 2. Neste projeto, cabe ao Laboratório de Antenas e Propagação (LAP) o projeto da antena transmissora. Operando integrado ao GPS, esta antena deve ser circularmente polarizada, de acordo com as Especificações Gerais do Pseudo-Satélite GPS [2]. Um importante passo neste projeto é a escolha do elemento irradiador. Na literatura são encontradas várias geometrias que possibilitam a irradiação de ondas circularmente polarizadas [3-4]. Entretanto, as formas quase quadradas e as de canto truncados são as mais utilizadas. Através do modelo da cavidade ressonante é possível obter, para a antena quase quadrada, expressões fechadas para os campos irradiados, como apresentado em [5], de modo que suas características de irradiação podem ser avaliadas analiticamente. Entretanto, para a antena de canto truncado, não há expressão fechada conhecida, de modo que sua análise e, conseqüentemente, seu projeto, são realizados com auxílio de técnicas numéricas. Por ser esta última topologia muito utilizada, neste trabalho é realizado um estudo comparativo entre as características de irradiação destas duas geometrias visando verificar a possibilidade de se utilizar, para a de canto truncado, as expressões fechadas obtidas para a quase quadrada. Pode parecer inicialmente estranho esta análise, mas quando utilizadas em redes com apontamentos de feixe e controle de lóbulos secundários, o conhecimento de uma expressão fechada para os campos irradiados agiliza sobremaneira o procedimento de otimização e de obtenção dos pesos das correntes que alimentam cada um dos elementos da rede [6]. Outro foco importante desse estudo é a análise criteriosa para se determinar qual destas antenas é menos susceptível a erros no processo de fabricação. Simuladores eletromagnéticos de alto desempenho, como o Ansoft Designer [7] e o HFSS [8], são utilizados neste estudo. 1 Financiadora de estudos e projetos; 2 Empresa privada de computadores e sistemas.
2. ANTENA QUASE QUADRADA A geometria de uma antena quase quadrada é apresentada na Fig.1. É constituída por um plano de terra e por um substrato dielétrico de espessura h que sustenta um elemento irradiador retangular de lados A e B. Neste trabalho utilizou-se um substrato com permissividade elétrica relativa ε r = 2,55, tangente de perdas tgδ =,22 e espessura h = 3,48 mm. Também foi considerada uma cobertura com material de mesmas características elétricas do substrato, porém com espessura h c de,762 mm. Seguindo as especificações estabelecidas em [2], a antena deverá ser circularmente polarizada para a direita e projetada para operar na freqüência de 1,57542 GHz. Suas características de irradiação foram obtidas de simulações realizadas com o Ansoft Designer e o HFSS. A antena é alimentada na posição definida por (Alim X, Alim Y) e as otimizações foram executadas segundo técnicas apresentadas em [6]. Lado A Alim X Alim Y Lado B Fig.1.a - Geometria da antena quase quadrada. 2.1. Análise no Ansoft Designer Cobertura Antena Substrato Plano de Terra Fig.1.b - Corte transversal na estrutura. h c h A análise no Ansoft Designer foi feita considerando o plano de terra infinito e a antena sem cobertura. Primeiramente utilizou-se o módulo Estimate 3 para determinar as dimensões iniciais da antena a ser construída e após foram feitas otimizações para sintonizar a antena na freqüência de projeto. No procedimento de sintonia da antena colocou-se a ponta de prova de alimentação próxima ao centro, porém, sobre a diagonal ilustrada na Fig.1, garantindo, assim, que durante o processo de otimização a polarização se mantenha circular para a direita. O objetivo inicial foi estabelecer o tamanho do lado A com a finalidade de melhorar a razão axial no ponto de máxima irradiação. Em seguida atuouse no lado B também com o mesmo objetivo. Esse procedimento foi repetido sucessivamente até que as dimensões dos lados A e B produzissem um valor aceitável para a razão axial. Determinadas as dimensões do elemento retangular, deslocou-se a posição da ponta de prova de alimentação a fim de obter uma impedância de entrada próxima de 5 Ω, sem, no entanto, afetar substancialmente a razão axial obtida nos passos anteriores. Para executar esse procedimento, moveu-se a ponta de prova sobre a diagonal ilustrada na Fig. 1 até o ponto de impedância desejada. Isto feito, a ponta de prova foi deslocada ligeiramente na direção do eixo x, de modo a minimizar o valor da razão axial obtida nos processos anteriores. Na Tab.1 são apresentadas as dimensões da antena otimizada. Tab.1 - Dimensões da antena quase quadrada otimizada no Ansoft Designer. Dimensões da antena Posição da alimentação A 55,98 mm Alim X 2,36 mm B 57,59 mm Alim Y 2,63 mm 3 Módulo do software Ansoft Designer que determina de forma aproximada as dimensões da antena.
2.2. Análise no HFSS A análise no HFSS foi realizada considerando o plano de terra finito e a antena com cobertura. As dimensões do plano de terra, da cobertura e do substrato dielétrico foram estabelecidas considerando o critério dos campos de franja, onde a variável borda é da ordem de cinco vezes a altura do substrato. Dessa forma, essa grandeza ilustrada na Fig.1 tem a dimensão determinada pelo produto 5 h. Os resultados obtidos anteriormente no Ansoft Designer foram utilizados como dimensões iniciais na simulação da antena. O método para sintonizá-la foi o mesmo apresentado na seção anterior. Na Tab.2 são apresentadas as dimensões finais da antena otimizada. Tab.2 - Dimensões da antena quase quadrada otimizada no HFSS. Dimensões da antena Posição da alimentação Tamanho do plano de terra A 54,42 mm Alim X 18,69 mm 15,24 mm B 56,2mm Alim Y 19,33 mm 15,24 mm 3. ANTENA DE CANTO TRUNCADO Na análise da antena de canto truncado, ilustrada na Fig.2, foram utilizados o substrato e a cobertura de mesmas características elétricas empregadas no desenvolvimento da antena quase quadrada. Esta antena também foi projetada para operar circularmente polarizada para a direita na freqüência de 1,57542 GHz. Suas características de irradiação foram obtidas de simulações realizadas com o Ansoft Designer e o HFSS. As otimizações nas dimensões foram executadas segundo as técnicas apresentadas em [6]. Lado Lado/2 Lado Canto Profundidade Canto 3.1. Análise no Ansoft Designer Fig.2 Geometria da antena de canto truncado. A análise no Ansoft Designer foi realizada considerando o plano de terra infinito e a antena sem cobertura. As dimensões iniciais foram obtidas através do Estimate, seguido de otimizações nas dimensões para sintonizá-la na freqüência de projeto. Inicialmente, colocou-se a ponta prova de alimentação no meio de um dos lados do irradiador quadrado e a uma profundidade qualquer, da forma ilustrada na Fig.2, garantindo, dessa forma, que antena apresente polarização circular ao término do processo de otimização. Em seguida, atuou-se na dimensão dos lados do irradiador objetivando melhorar a razão axial no ponto de máxima irradiação. Isto feito, foram modificadas as dimensões dos
cantos, também com este objetivo. Os ajustes nas dimensões dos lados e dos cantos foram repetidos sucessivamente até a obtenção de um valor aceitável para razão axial. Finalmente, modificou-se a posição de penetração da ponta de prova de alimentação a fim de obter uma impedância de entrada próxima a 5 Ω. Na Tab.3 são apresentadas as dimensões finais da antena otimizada. Tab.3 - Dimensões da antena de canto truncado otimizada no Ansoft Designer. Dimensões da antena Posição da alimentação Lado 57,51 mm Profundidade 17,35 mm Canto 6,28 mm 3.2. Análise no HFSS Também neste caso, a análise no HFSS foi realizada considerando-se o plano de terra finito e a antena com cobertura. As dimensões do plano de terra, da cobertura e do substrato dielétrico foram estabelecidas considerando o critério dos campos de franja, onde borda é da ordem de cinco vezes a altura do substrato. Dessa forma, a borda ilustrada na Fig.2 tem a dimensão determinada pelo produto 5 h. As dimensões iniciais do projeto foram obtidas da simulação realizada no Ansoft Designer. O método para sintonizar a antena foi o mesmo apresentado na seção anterior. Na Tab.4 são apresentadas as dimensões da antena otimizada. Tab.4 - Dimensões da antena de canto truncado otimizada. Dimensões da antena Posição da alimentação Tamanho do plano de terra Lado 56,4 mm Profundidade 15,47 mm 15,24 mm Canto 6,28 mm 4. RESULTADOS OBTIDOS DE SIMULAÇÃO A seguir, de forma comparativa, são apresentados os resultados obtidos das simulações no HFSS para as duas antenas, ambas com planos de terra e dielétricos finitos. Os parâmetros utilizados para realizar as comparações são os diagramas de irradiação, impedância de entrada e a razão axial. 4.1. Diagrama Irradiação Nas Fig.3 e Fig.4 são apresentados os diagramas de irradiação para a polarização circular à direita, em decibéis, nos planos principais φ = e φ = 9 das antenas quase quadrada e de canto truncado. Todos os diagramas foram normalizados em relação à máxima irradiação de sua respectiva antena. Diagrama de Irradiação [db] -7-14 -21 27 3 33 Canto Truncado Fig.3 Diagrama de irradiação da polarização circular à direita traçado no plano φ =. 3 6 9 Diagrama de Irradiação [db] -7-14 -21 27 3 33 Canto Truncado Fig.4 Diagrama de irradiação da polarização circular à direita traçado no plano φ = 9. 3 6 9
4.2. Impedância de Entrada e Razão Axial As curvas das impedâncias de entrada versus freqüência, calculadas para ambas as antenas, são apresentadas sobre a carta de Smith na Fig.5. Nota-se haver uma boa concordância entre esses parâmetros. Na Fig.6 são mostradas as curvas de razão axial versus freqüência, calculadas na direção de máxima irradiação, isto é, em θ =. Considerando um critério de razão axial menor que 3 db, a antena de canto truncado opera adequadamente de 1,5675 GHz a 1,583 GHz, correspondendo a uma faixa de passagem de 15,5 MHz. A antena quase quadrada opera corretamente de 1,568 GHz a 1,584 GHz, correspondendo a uma faixa de 16 MHz. Ambas correspondem a aproximadamente 1 % da freqüência central. 5,j 25,j 1,5 GHz 1,j 4, 1,j 1,575 GHz 25,j 3,5 3, Canto Truncado 1,65 GHz 1, 25, 5, 1, 25, Razão Axial (db) 2,5 2, 1,5-1,j Canto Tuncado -25,j 1,,5-25,j -1,j -5,j Fig.5 Impedância de entrada., 1,566 1,568 1,57 1,572 1,574 1,576 1,578 1,58 1,582 1,584 1,586 Frequencia (GHz) Fig.6 - Razão axial. 5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS São apresentados na Fig.7 os diagramas de irradiação para uma antena de canto truncado com as seguintes dimensões finais em milímetros para o protótipo, obtidas no HFSS, Lado = 55,99, Canto = 6,25, plano de terra e cobertura iguais a 15,31 16,49, para as componentes E θ e E φ, traçados no plano yz. Nota-se haver uma boa concordância entre a previsão teórica e o resultado experimental. 33 3 33 3-1 -1 Diagrama de irradiação [db] -2-3 -4-3 -2 27 3 24 E θ (Plano yz) Medido HFSS TM 6 12 9 Diagrama de irradiação [db] -2-3 -4-3 -2 27 3 24 E φ (Plano yz) Medido HFSS TM 6 12 9-1 -1 21 15 21 15 Fig.7. Diagramas de irradiação das componentes E θ e E φ da antena de microfita de canto truncado.
6. CONLUSÃO Neste trabalho foram realizadas análises comparativas entre as antenas de microfita de canto truncado e quase quadrada, importantes irradiadores circularmente polarizados. Os diagramas de irradiação, as curvas para as impedâncias de entrada e de razão axial, se mostraram em boa concordância, constatando ser possível a utilização das expressões para os campos irradiados pela antena quase quadrada com a finalidade de caracterizar uma antena de canto truncado. Analisando-se criteriosamente as topologias dessas antenas verificou-se que na quase quadrada a razão axial e a impedância são parâmetros muito sensíveis à posição da ponta de prova que a alimenta e que o lugar geométrico desta posição (para uma irradiação circularmente polarizada) é próximo à diagonal do elemento irradiador, como comentado ao longo do processo de otimização descrito no item 2.1. Na antena de canto truncado, por outro lado, o lugar geométrico para a irradiação circularmente polarizada é de geometria mais simples e está localizado na normal a um de seus lados, como ilustrado na Fig.2. Portanto, com relação à posição da alimentação, a antena de canto truncado é menos susceptível a erros, uma vez que o casamento de impedância é realizado movendo-se a ponta de prova ao longo da normal a um de seus lados. Outro fato relevante está relacionado à prototipagem das antenas, quando se retira uma pequena área, equivalente para ambas, de um quadrado original, a fim de se obter uma irradiação circularmente polarizada. Na antena de canto truncado, este procedimento é menos problemático, uma vez que a retirada está concentrada nos cantos da estrutura, em comparação com a quase quadrada, onde a retirada do material ocorre ao longo de um dos lados do quadrado. AGRADECIMENTOS Este trabalho foi parcialmente financiado pela FAPESP, CAPES, CNPq, FINEP e projeto CNS- ATM. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Ohmori, S.; Wakana, H.; Kawase, S. Mobile Satellite Communications. Norwood: Artech House, Inc.; Boston, 1998. [2] Zandonadi Jr., D.; Walter, F.; Lacava, J. C. S.; Cividanes, L. Especificações Gerais do Sistema Pseudo-Satélite GPS, Publicação Interna da Divisão de Engenharia Eletrônica - ITA, 25. [3] Garg, R.; Bhartia, P.; Bahl, I.; Ittipiboon, A. Microstrip Antenna Design Handbook. Norwood: Artech House, Inc., 21. [4] James, J. R.; Hall, P. S. Handbook of Microstrip Antennas, Peter Peregrinus Ltd., London, Vol. 1-2, 1989. [5] Lumini, F.; Cividanes, L.; Lacava, J. C. S. Computer aided design algorithm for singly fed circularly polarized circularly rectangular microstrip patch antennas, Int. J RF and Microwave CAE, 1999, vol. 9, p. 32. [6] Maciel, D.C.M. Redes de Antenas de Microfita Circularmente Polarizadas com Apontamento de Feixe e Controle de Nível dos Lóbulos Secundários. Tese de mestrado Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, 25. [7] Ansoft Designer v. 2., Ansoft Corporation, USA, 24. Material de divulgação disponível em: < www.ansoft.com/products/hf/ansoft_designer/ >. Acesso em: Out. 24. [8] HFSS v. 9.2.1, Ansoft Corporation, USA, 24. Material de divulgação disponível em: < www.ansoft.com/products/hf/hfss/ >. Acesso em: Out. 24.