Projeto de uma Antena de Folha para 700 MHz Paulo Fernandes da Silva Júnior, Jefferson Costa e Silva, Paulo Henrique da Fonseca Silva Grupo de Telecomunicações e Eletromagnetismo Aplicado, GTEMA Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba, IFPB João Pessoa, PB, Brasil pfs1224@gmail.com; jefferson@ifpb.edu.br; henrique@ifpb.edu.br Resumo Este trabalho apresenta os resultados simulados e experimentais do projeto de uma antena de microfita com modelo bioinspirado em forma de folha de cana-de-açúcar para a faixa de freqüências do sistema de comunicação de quarta geração (4G) que está entre 698 MHz a 806 MHz. Para comparação dos resultados, foi simulado e construído uma antena patch retangular, e simulado uma antena monopolo quadrado, ambos em microfita. A antena de folha apresenta o resultado que mais se aproxima da faixa de 4G, demonstrandose a eficiência do modelo bioinspirado empregado, a facilidade de construção e aplicabilidade do projeto. Palavras-chaves 4G. Modelo bioinspirado; Antenas de folha; I. INTRODUÇÃO As plantas podem ser um objeto interessante de estudo para trabalhos que utilizam o espectro eletromagnético, pois as mesmas, em seu cotidiano, utilizam os raios solares para produzirem energia. Os raios solares são ondas eletromagnéticas com comprimento de onda entre 400 700 nm (nanômetros) [1], Assim uma planta pode ser entendida como uma antena receptora de ondas eletromagnéticas. A partir deste princípio, este trabalho utiliza o modelo de uma planta de cana-de-açúcar como proposta de uma antena em microfita para aplicação nos sistemas de comunicações móveis de quarta geração (4G LTE), na faixa de 700 MHz, com otimização realizada através de um algoritmo de otimização bioinspirado (Algoritmo Genético), comparando o modelo apresentado com uma antena de microfita com patch retangular, para a mesma faixa de operação. Este trabalho está dividido nas seguintes seções: a seção II trata dos modelos bioinspirados e sua aplicação em antenas de microfita, a seção III aborda a tecnologia 4G e seu uso no Brasil, logo após, na seção IV, é apresentado o projeto da antena de microfita bioinspirada em uma planta de cana-deaçúcar, com seus resultados comparativos com uma antena patch retangular e um monopolo quadrado, e, na seção V, são feitas as considerações finais. II. ANTENAS BIOINSPIRADAS EM FOLHAS Como as folhas e flores das plantas utilizam energia eletromagnética para produzirem energia química, podem ser entendidas então como antenas receptoras, e sua geometria é otimizada, por milhares de gerações para atuação na faixa de freqüência da luz visível. Estas geometrias, resguardando as devidas proporções, podem ser utilizados como modelos para uso no espectro eletromagnético das transmissões wireless. A. Pesquisas e trabalhos sobre antenas em formato de folhas A pesquisa em antenas com formato em folhas é relativamente nova e ainda possui poucos trabalhos desenvolvidos. Entre os mais relevantes podem ser citados os trabalhos de Leyestanak [2], que utiliza o modelo de uma flor de quatro pétalas, construída em microfita, sendo sua alimentação por cabo coaxial, com 10 cm de afastamento entre o elemento radiador e o plano terra. Seu projeto se propõe a atuação na faixa de UWB, tendo resultados entre 4,3 8,12 GHz. Tomando como base a Maple-leaf, a folha representada na bandeira do Canadá, Haraz e Sebak [3], simulou e mediu uma antena em microfita, para faixa de UWB, largura entre 5 GHz 6 GHz. O mesmo realizou corte na antena proporcionando o seccionamento das diversas folhas sendo observadas modificações nas freqüências de ressonância e nos diagramas de radiação. Seus resultados apresentam-se acima de 3 GHz. Em outra pesquisa, Singh [4], para uma antena do tipo abertura em microfita, apresenta freqüências de ressonância acima de 4 GHz. Sua geometria é de um retângulo de 30 mm 40 mm, com corte semelhante a uma folha alongada, e alimentação por linha de microfita. Estes trabalhos apresentam resultados consideráveis na pesquisa de formas bioinspiradas em folhas, suas aplicações são variadas, mesmo não apresentando resposta para faixa de 4G, o qual é a proposta deste trabalho, estes trabalhos demonstram a busca por modelos otimizados bioinspirados para melhor aproveitamento do espectro eletromagnético. III. TECNOLOGIA 4G NO BRASIL O padrão de sistema de comunicação móvel de quarta geração (4G) utilizado no Brasil é o LTE Release 10, na faixa de 700 MHz, que também é utilizada em países como Japão e Estados Unidos, sendo divido em duas faixas de freqüência: a faixa de 2,6 GHz (compreendendo a faixa de 2,5 a 2,69 GHz), que já está em operação e a faixa de 700 MHz (compreendendo a faixa de 698 MHz e 806 MHz), que atualmente ainda se encontra alocada para os canais em UHF (Ultra High Frequency) da televisão aberta, que estão compreendidos entre os números 52 e 69 [5]. O governo pretende, de acordo com a Resolução 625 de 11 de Novembro de 2013, do Ministério das Comunicações, licitar e alocar esta última faixa para o uso do sistema 4G. O uso da faixa de freqüência de 700 MHz facilitaria o ingresso, no éëè
Brasil, de muitos dispositivos fabricados para trabalhar com esta freqüência, tais como smartphones e tablets, sem a necessidade de um modelo específico para ser comercializado no país. Além disso, existe outra vantagem que a faixa de 700 MHz tem em relação à atualmente utilizada (2,5 GHz), que é uma melhor penetração em ambientes fechados, o que diminuiria a quantidade de antenas utilizadas para uma mesma cobertura. O padrão LTE foi desenvolvido pelo 3GPP (Third- Generation Partnership Project), empresa que desenvolveu o padrão de comunicações móveis do Global System for Mobile Communications (GSM), conhecida como a segunda geração (2G) e dos sistemas de terceira geração (3G) [6], [7]. O padrão LTE surgiu como uma evolução dos sistemas anteriores e suas características, segundo Carriel [8], são apresentadas na Tabela 1. TABLE I. TABELA 1- PARÂMETROS DO SISTEMA LTE Parâmetros Requisitos do LTE a Valores l Velocidade de downlink 100 Mb/s 2 Velocidade de uplink 50 Mb/s 3 Largura de banda 1.4 MHz a 20 MHz. 4 Protocolos de operação FDD, TDD e IP 5 Protocolo de voz VOIP 6 Faixas de frequência brasileira 700 MHz e 2,5 GHz 7 Utilização de modulação adaptativa QPSK, 16 QAM e 64 QAM 8 Suporte a múltiplas antenas SIMO e MIMO 2x2 e 4x4 9 Eficiência espectral 2-4 vezes maior que a tecnologia precedente. 10 Latência > 10 ms 11 Mobilidade Até 350 Km/h a. Requisitos de LTE segundo Carriel [8] Até o presente momento a faixa de freqüência indicada pela Resolução 625, é utilizada para transmissão do sinal de TV aberta. A própria resolução, baseada no art. 10 do Decreto nº 5.820, de 29 de junho de 2006, prevê o fim do uso desta faixa para 2016. Até lá as operadoras e fabricantes de Por este motivo torna-se necessário o desenvolvimento de equipamentos e antenas que venham trabalhar nesta faixa de freqüência da maneira mais eficiente possível, com dimensões reduzidas, baixo custo e resultados eficientes. O uso desta faixa de freqüência tem como vantagens oferecer um melhor aproveitamento do espectro eletromagnético, que para freqüência mais baixas há uma melhor propagação do sinal, proporcionando o uso reduzido de estações rádio base (ERB) e uma maior área efetiva de cobertura. IV. ANTENA DE FOLHA DE CANA DE AÇUCAR O presente trabalho foi dividido em duas partes: Projeto e simulações, com dimensionamento da antena de folha, do patch retangular, e do monopolo quadrado com simulações e refinamentos dos resultados, utilizando o software comercial Ansoft Desinger; e Construção e medições, efetuados a partir dos resultados simulados, ambos realizados no laboratório de medidas do IFPB. As medições foram realizadas utilizando o Analizer Network, da Agilent Tecnologies, Modelo N5230 A, PNA R, com faixa de atuação de 300 KHz 13,5 GHz. A partir do modelo de uma cana-de-açúcar, foi confeccionada uma antena de microfita utilizando uma placa laminada com substrato em fibra de vidro, com altura de 1,5 mm e r = 4,4. A microfita foi escolhida para o projeto por apresentar características de baixo, custo, fácil manipulação e considerável eficiência [9], [10]. A alimentação é por meio de linha de transmissão, com plano de terra truncado. Além disso, foi construída também uma antena de microfita com patch retangular modelo InsetFed, e uma antena monopolo quadrado, com plano de terra truncado para servir de comparação com a antena bioinspirada. O método utilizado para dimensionamento da antena planta de Cana-de-Açúcar, e determinação do comprimento e largura utilizados no projeto, foi empírico, com diversas tentativas para adequação à faixa de freqüência de 4G. Para análise dos resultados entre as antenas construídas e simuladas são utilizados parâmetros de: Largura de banda (BW - Bandwidth), que é a relação entre a maior e a menor freqüência para o mesmo valor de perda de retorno, em db [9]. Assim: A freqüência de ressonância (f r) de cada antena é um parâmetro avaliado, sendo o ponto do casamento de impedância entre a linha de transmissão e a antena, a qual pode ser visualizada pela Carta de Smith, onde a curva que se aproxima do numeral 1 da carta, informa a freqüência na qual São utilizados ainda os gráficos do diagrama de radiação das antenas, apresentando a forma de propagação da energia radiada pelas antenas. A seguir são apresentadas as figuras das antenas simuladas e construídas com suas respectivas dimensões. Para os casos do monopolo quadrado e antena de folha de planta de Cana-de-Açúcar os planos de terra são apresentados ao lado da antena. As Figs. 1 e 2 apresentam as antenas simuladas com suas respectivas dimensões em milímetros (mm) e a antena construída em microfita. (1) éëç
ÓÑÓßÙ îðïìæ ïêf ÍÞÓÑ ó Í ³ - ± Þ» ± ¼» Ó ½ ±ó±²¼» Ñ ±»»,² ½» ïïf ÝÞÓ ¹ ó ݱ²¹» ± Þ» ± ¼» a) Fig. 1. b) Fig. 3. Comparação entre a Antena de planta de Cana-de-Açúcar e da Antena Patch Retangular construídas. Antena Planta de Cana-de-Açúcar simulada (a) e construída (b). Fig. 4. Antena Monopolo Quadrado simulado. a) b) A partir dos dados pode-se comparar que a antena planta de Cana-de-Açúcar com o Patch Retangular o qual teve uma redução de: Fig. 2. Antena Patch Retangular simulada (a) e construída (b). Na Fig. 3 as antenas construídas são colocadas lado a lado para percepção da diferença entre as dimensões das mesmas. Pode-se notar que a antena de planta de Cana-deAçúcar possui dimensão bem inferior ao Patch Retangular. W da antena 1,88%; L da antena 75,13%; Comprimento do plano de terra O Monopolo Quadrado simulado com suas dimensões é apresentado na Fig. 4 Largura do plano de terra 86,66%; 75,13%; Comprimento da linha de transmissão 68,28%; Comprimento total 33,62%. Em comparação com o Monopolo Quadrado, a antena de planta de Cana-de-Açúcar apresentou redução: W da antena 77,89%; L da antena 12,78%; Comprimento do plano de terra 73,31%; éêð
Largura do plano de terra 72,72%; Comprimento da linha de transmissão 72,35%; Comprimento total 41,15%. A Fig. 5 apresenta os resultados medidos e simulados da antena de planta de Cana-de-Açúcar, podendo ser observados na Tabela 2: TABLE II. TABELA 2 RESULTADOS DA ANTENA PLANTA DE CANA-DE-AÇÚCAR SIMULADA E MEDIDA Antena Planta de Cana-de-Açúcar (MHz) Modelo BW em -10 db f menor f maior fr central l Simulada 60 2 Construída 96 721 781 750 682 778 742 Entre a antena de Planta de Cana-de-Açúcar construída apresenta um deslocamento de 8 MHz da freqüência de ressonância simulada, representando 1,06% de deslocamento. Fig. 6. Comparação entre os resultados medidos e simulados para a Antena de microfita com Patch Retangular convencional. TABLE III. TABELA 3 RESULTADOS DA ANTENA PATCH RETANGULAR SIMULADA E MEDIDA Antena Patch Retangular (MHz) Modelo BW em -10 db f menor f maior fr central 1 Simulada 12 2 Construída 18 742 754 750 751 769 760 Fig. 5. Comparação entre os resultados medidos e simulados para a Antena de Cana-de-Açúcar. Em um exemplo utilizando uma antena de microfita com patch retangular para antenas inteligentes, Balanis [10], apresenta dois pontos para medições de largura de banda: um destes pontos está em -10 db e o segundo com a perda de retorno em meia potência, ou seja, na marca de -3 db. Assim, para níveis teóricos, a perda de retorno em -3 db, pode ser considerada como uma marca significativa, porém na prática, é usada uma largura de banda menor que a de -10 db. Considerando como base de medição para a largura de banda o nível de perda de retorno em -3 db, a antena construída apresenta-se na faixa de 661 MHz 847 MHz, com largura de 186 MHz, que é maior que a necessária para uso da tecnologia 4G para faixa de 700 MHz. Para a antena de microfita com Patch Retangular convencional, a Fig. 6 apresenta os resultados medidos e simulados, os quais podem ser comparados na Tabela 3. A diferença entre a f r medida e simulada é de 10 MHz, representando 1,33% de deslocamento; Considerando-se a largura de banda em -3 db, o Patch Retangular apresenta resultados medidos entre 730 MHz 790 MHz, com largura de banda de 60 MHz, apresentado característica de banda estreita. O Monopolo Quadrado apresentou f r em 751 MHz, com freqüência em -10 db entre 514 MHz 886 MHz, com BW de 372 MHz, assim apresenta largura de banda muito superior ao da faixa de 4G, com característica de antena banda larga. Os resultados apresentam uma pequena diferença entre os resultados medidos e simulados, com diferença menor de 1,5% entre as antenas construídas e simuladas, o que demonstra que a simulação tem representatividade no modelo construído. As Fig. 7 apresentam a superposição dos resultados simulados da antena Planta de Cana-de-Açúcar, patch Retangular convencional e o Monopolo Quadrado. Na Fig. 8 pode-se observar a comparação dos resultados sobrepostos da antena de planta de cana-de-açúcar com a de patch retangular convencional. Ao se sobrepor os resultados, na Fig. 7, pode-se verificar que a largura de banda, e perda de retorno, apresenta melhor resultado na antena de Planta de Cana-de-Açúcar, com freqüência central, f r, mais próxima de 750 MHz. Fig. 7. Comparação entre os resultados simulados da Antena Cana-de- Açúcar, Patch Retangular e o Monopolo Quadrado. éêï
5.00 ÓÑÓßÙ îðïìæ ïêf ÍÞÓÑ ó Í ³ - ± Þ» ± ¼» Ó ½ ±ó±²¼» Ñ ±»»,² ½» ïïf ÝÞÓ ¹ ó ݱ²¹» ± Þ» ± ¼» a) b) Fig. 8. Comparação entre os resultados medidos da Antena Cana-de- Açúcar e o Patch Retangular. Nos resultados observar-se, que a antena de planta de cana-de-açúcar, apresentou perda de retorno menor que -30 db, mostrando ser mais eficiente que a antena com patch retangular convencional. A antena Planta de Cana-de-Açúcar construída apresentou BW, em -10 db 533,33% maior que o do patch retangular. O Monopolo Quadrado, apesar de apresentar um BW, superior ao da Antena Planta de Cana-de-Açúcar, ultrapassa muito a faixa de freqüência de 4G, atingindo faixas utilizadas por outras tecnologias. As Fig. 9 e 10 trazem, respectivamente, as Cartas de Smith e os diagramas de radiação das antenas. Pela carta de Smith pode-se perceber que as antenas estão casadas com linha de microfita, com seu resultado se aproximando do numerador um, no centro do diagrama, Pelos diagramas de radiação da Fig. 10, pode-se observar que a antena de Planta de Cana-de-Açúcar, tem características omnidirecionais. Isto acontece por que ter a antena o plano terra truncado na altura da linha de transmissão, o mesmo pode ser aplicado ao Monopolo Quadrado. 160 170 180-170 -160 150 0.00 0.00-150 140 0.20-0.20-140 Carta de Smith - Cana-de-Açúcar 130-130 120 0.20 0.50-0.50-120 110 100 0.50 90 1.00 1.00 80 70 2.00-1.00-110 -100-90 -80-70 a) b) Fig. 9. Carta de Smith da Antena Cana-de-Açúcar a), e do Patch Retangular b). 60 2.00-2.00-60 50-50 40 5.00-5.00-40 30-30 20 10 0-10 -20 c) Fig. 10. Diagrama de radiação da Antena Cana-de-Açúcar a), do Patch Retangular b), e do Monopolo Quadrado c). A antena patch retangular por possuir plano terra, apresenta radiação apenas na direção contrária ao plano terra, comportando-se como uma antena patch convencional. Com os dados apresentados pode-se identificar a antena de planta de cana-de-açúcar como um projeto eficiente, com melhores resultados de largura de banda, dimensões e perda de retorno para a antena construída, sendo um projeto de fácil construção e resposta eficiente se comparado à antena com patch retangular convencional. V. CONSIDERAÇÕES FINAIS O presente trabalho utilizou o modelo bioinspirado de uma planta de cana-de-açúcar, para simular, construir e medir uma antena em microfita para faixa de freqüência de 700 MHz e aplicação em sistemas 4G, procurando comparar os resultados encontrados com os obtidos através de uma antena de microfita com Patch Retangular convencional e uma antena Monopolo Quadrado, para mesma faixa de freqüência. Pelos resultados pode-se observar que: a antena Planta de Cana-de-Açúcar apresentou um resultado mais próximo da faixa de freqüência para 4G, 698 MHz 806 MHz, se comparado ao Patch Retangular convencional; a antena canade-açúcar apresentou BW, em -10 db, 533,33% maior que a do Patch Retangular convencional; a relação entre as antenas simuladas e construídas apresentaram deslocamento das freqüências centrais inferiores a 1,5%; a antena Plana Canade-Açúcar apresentou também redução de 34,02% quando comparada com o Patch Retangular, e 45,15% inferior ao Monopolo Quadrado; e a antena Plana Cana-de-Açúcar se mostrou eficiente, de baixo custo e resultados satisfatórios. VI. REFERÊNCIAS [1] E. Okuno e M. A. C. Vilela, Radiação ultravioleta: características e efeitos. 1ª ed. São Paulo. Editora Livraria da Física: Sociedade Brasileira de Física, 2005, pp. 9-13. éêî
[2] rose leaf microstrip patch -168, 2008. [3] INTEC, 2013, pp. 125-152. Diponível em: http://www.intechopen.com/books/export/citation/endnote/advancem ent-in-microstrip-antennas-with-recent-applications/uwb-antennasfor-wireless-applications. Acesso: 24 Mar 2014. [4] Vol. 2. ISSN: 2278-7798. IJSETR, 2013, pp. 807-809. [5] MINISTÉRIO DAS COMUNICAÇÕES AGENCIA NACIONAL Regulamento sobre Condições de Uso de Radiofrequência na faixa de [6] 2013. Diário Oficial da União, seção 1, ISSN 167-7042, nº 221, p. 129. Congresso de Iniciação Científico do INATEL INCITEL, 2012, pp. 73-78. [7] Technical Specification Group Radio Access Network Requirements, 3GPP TR 25.913 V9.0.0 (2009-12) Release 9. [8] V. S. Carriel, A evolução do LTE até o padrão 4G de 1Gbtis/s. São Paulo. Revista de Tecnologia da Informação e Comunicação, Vol. 3, nº. 1, Outubro 2013, pp. 30-33. [9] C Vol. 1. Rio de Janeiro. LTC, 2009, 345p. [10] Vol. 2. Rio de Janeiro. LTC, 2009, 312p. éêí