Projeto e Construção de Monopolos de Faixa Larga

ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO INATEL - INCITEL 2012 265 Projeto e Construção de Monopolos de Faixa Larga Danilo Jose Alfredo Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel Danilo.alfredo@gee.inatel.br Gabriela Freire Figueiredo Instituto Nacional de Telecomunicações - Inatel gffigueiredo@gee.inatel.br Orientador: Prof. José Antônio Justino Ribeiro Resumo Desenvolveram-se dois monopolos para operação na faixa de UHF com os quais fosse possível a operação em larguras de faixa superiores aos monopolos tradicionais construídos com condutores cilíndricos. Neste desenvolvimento, foram experimentados modelos construídos com chapas metálicas planas de formatos triangular e hexagonal. A largura de faixa foi analisada em termos do comportamento da perda de retorno em um cabo coaxial de 50Ω. Palavras chave Monopolos planos. Antenas de faixa larga I. INTRODUÇÃO Existem sistemas modernos de radiocomunicações que operam em faixa larga ou demandam a possibilidade de operar em diferentes condições. Nas freqüências superiores da faixa de VHF e início da faixa de UHF, estão em atividades diversos destes sistemas. É o caso, por exemplo, das operações de rádio cognitivo, equipamentos que se adaptam a diferentes canais de transmissão para garantirem a qualidade do serviço prestado. 1 Por outro lado, há, ainda, sistemas de elevada capacidade que operam em grandes larguras de faixa em torno de um valor central previamente estabelecido. Estas referências mostram a necessidade de elementos irradiadores capazes de acompanharem as demandas dos respectivos equipamentos. Neste trabalho, discutem-se dois modelos de antenas nas quais se verificaram os comportamentos e os procedimentos que permitissem operações em faixa larga. II. CONSTRUÇÃO DOS PROTÓTIPOS DOS MONOPOLOS Os dois protótipos em análise, um monopolo triangular e um hexagonal, são feitos de alumínio e seguiu-se o mesmo princípio adotado para o monopolo retangular construído em uma etapa anterior do desenvolvimento. 2 Obedecendo a esses critérios, as alturas (L) dos monopolos foram ajustadas para a condição de ressonância na freqüência de projeto especificada. Segundo a modelagem proposta, admitiu-se um cilindro que tivesse um comportamento equivalente à estrutura plana. Assim, é necessário obter um diâmetro desse cilindro e com ele chegar-se ao comprimento em que a impedância de entrada ficasse predominantemente real. Há alguns procedimentos conhecidos 3 e, neste caso, utilizou-se a fórmula empírica: 4 1 L 4 1 0, 7904 n 2 r 0, 3138 0. 2133 n 2 eq r eq em que r eq é o raio do cilindro equivalente. Chegou-se ao valor de 22,3cm para a freqüência de operação de 300MHz. O irradiador foi montado sobre um plano de terra constituído de uma chapa de alumínio quadrada de 45cm de lado. W L Fig. 1. Esquema básico do monopolo planar triangular (a) e do monopolo planar hexagonal (b). Ambas as antenas são eqüiláteras nesta primeira abordagem. Para se obter o comprimento (W) da antena triangular e o tamanho do raio circunscrito ( ) para a antena hexagonal, adotou-se o procedimento proposto por Kumar e Ray. 5 Considerando que se trata de triângulo e hexágono eqüiláteros, encontraram-se, respectivamente, 2 1 (1) 3W L (2) 2 2L (3) Baseado nos valores obtidos construíram-se os protótipos das Figuras 2 e 3, com os quais se realizaram os testes e ensaios de laboratório. III. LEVANTAMENTO DA RESPOSTA EM FREQÜÊNCIA Um critério comum para se fixar a faixa útil da antena é estabelecer o coeficiente de onda estacionária (SWR) máximo aceitável. Em geral, considera-se este limite como sendo igual ou inferior a 2,0 o que implica em perda de retorno mínima de 9,5dB. Efetuaram-se as medições com o equipamento Site Máster na faixa especificada de freqüências. Mediram-se as impedâncias de entradas com objetivo de compará-los com W L

266 ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO INATEL - INCITEL 2012 simulações por meio de programa desenvolvido na plataforma MatLab e com os resultados de estudos teóricos. Nas tabelas abaixo, encontram-se as impedâncias, nas freqüências que a- presentaram os menores coeficientes de onda estacionária para excitação com um cabo coaxial de 50 Nas Figuras 4 e 5, mostram-se os menores valores de SWR = 2,67 em 522,50MHz no monopolo triangular e SWR = 2,40 no monopolo hexágonal, em 539,50MHz. Apesar de próximos a valores aceitáveis, não são satisfatórios para a maior parte das aplicações em sistemas de radiocomunicações reais. Então, estabeleceu-se a necessidade de novas medições, aperfeiçoamento na modelagem matemática e a exigência de novos procedimentos de cálculo e de construção dos protótipos. 484 0,42 0,53 488 0,51 0,64 493 0,61 0,74 498 0,76 0,85 502 0,93 0,92 507 1,12 0,99 512 1,39 103 516 1,80 1,01 521 2,15 0,81 526 2,42 0,42 530 2,44-0,05 535 2,28-0,47 540 2,05-0,75 544 1,75-0,99 549 1,44-1,12 554 1,15-1,11 558 0,90-1,01 563 0,69-0,88 TABELA 2 COMPORTAMENTO DE IMPEDÂNCIA E DO COEFICIENTE DE ONDA ESTACIONÁRIA DO MONOPOLO TRIANGULAR Fig. 2. Protótipo do monopolo planar triangular eqüilátero sobre um plano de terra quadrado com 45cm de lado. TRIANGULAR (REFERÊNCIA 50 ) FREQÜÊNCIA (MHZ) PARTE REAL PARTE IMAGINÁRIA SWR 483 0,48-0,93 4,123 485 0,45-0,81 3,872 488 0,43-0,71 3,654 492 0,41-0,62 3,501 495 0,39-0,54 3,408 498 0,38-0,46 3,262 501 0,37-0,39 3,168 504 0,37-0,32 3,018 507 0,37-0,26 2,912 510 0,37-0,20 2,827 513 0,37-0,15 2,773 516 0,37-0,10 2,734 519 0,37-0,06 2,714 523 0,37-0,02 2,704 526 0,37 0,02 2,704 529 0,37 0,07 2,718 532 0,37 0,12 2,748 535 0,37 0,18 2,804 538 0,37 0,24 2,881 541 0,38 0,30 2,904 544 0,39 0,36 2,947 547 0,40 0,43 3,033 550 0,42 0,50 3,071 554 0,45 0,56 3,040 557 0,49 0,63 3,008 560 0,54 0,72 3,021 563 0,59 0,80 3,041 Fig. 3. Protótipo do monopolo planar hexagonal, montado sobre um plano de terra quadrado com 45cm de lado. TABELA 1 COMPORTAMENTO DE IMPEDÂNCIA E COEFICIENTE DE ONDA ESTACIONÁRIA DO MONOPOLO HEXAGONAL. HEXAGONAL (REFERÊNCIA 50Ω) FREQÜÊNCIA (MHZ) PARTE REAL PARTE IMAGINÁRIA 474 0,33 0,30 479 0,37 0,41

ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO INATEL - INCITEL 2012 267 Fig. 4. Comportamento do coeficiente de onda estacionária do monopolo triangular entre 200MHz e 600MHz para excitação com o cabo coaxial de 50. É importante destacar que são identificados condições de ressonância na antena, quando sua impedância de entrada torna-se puramente real. No monopolo hexagonal da primeira montagem, o fato ocorreu em 530MHz, aproximadamente, com uma resultante de 122. Para o monopolo triangular, nas mesmas condições, foi em 524MHz, dando uma impedância de entrada da ordem de 18,5. Ambas são responsáveis por altos valores de SWR em relação à linha de 50. (a) Figura 5. Comportamento do coeficiente de onda estacionária do monopolo hexagonal entre 200MHz e 800MHz para excitação com o cabo coaxial de 50. IV. MELHORIA NO DESEMPENHO DO MONOPOLO TRIANGULAR Com algumas análises, viu-se que seria possível melhorar as montagens dos monopolos e conseguir desempenho mais próximo do esperado. Inicialmente, alterou-se a ligação do monopolo triangular e adaptou-se um conector N ao irradiador, ao plano de terra e ao cabo coaxial. Na Fig. 6, indicam-se duas situações ensaiadas, que correspondem aos primeiros resultados e aos obtidos com a segunda montagem. Apesar dos cuidados com os primeiros ensaios, a conexão de terra do sistema de alimentação teve séria influência sobre a resposta do conjunto. A segunda opção mostrou-se muito mais eficiente na faixa especificada de freqüências. (b) Fig. 6. (a) Primeira conexão do elemento irradiador, que levou a uma resposta em freqüência muito limitada para a antena. (b) Adaptação do conector N que permitiu ampliar a largura de faixa da antena para pequeno coeficiente de onda estacionária. Como observado na Fig. 7 e na Tabela 3, o coeficiente de onda estacionária melhorou significativamente. Nas novas condições, a antena apresentou largura de faixa de aproximadamente 256MHz para SWR 2, em torno do valor central de 775MHz ou 33% de faixa relativa. Se for tolerado um coeficiente ligeiramente superior a 2, como 2,04, por exemplo, a largura de faixa vai a 271MHz ou 35% do valor central, com limites em 640MHz e 911MHz. O melhor casamento de impedância foi em 826MHz com SWR = 1,29. Na Fig. 8, apresenta-se a impedância de entrada na carta de Smith. Para o mínimo de SWR, a impedância normalizada da antena ficou em (0,80 j 0,11), o que corresponde a um valor verdadeiro de (40 j 5,5). As novas condições desta antena mostraram mais de um ponto de ressonância na faixa de freqüências ensaiada. O fato fica evidenciado na carta de Smith todas as vezes que o gráfico cruza o eixo real. Por exemplo, a primeira ressonância ocorreu em 671MHz, com resultante de 28, a segunda é em 752MHz com 71,5 a terceira é em 852MHz com impedância de

268 ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO INATEL - INCITEL 2012 36,5 V. MELHORIA NO DESEMPENHO DO MONOPOLO HEXAGONAL A partir dos resultados com o monopolo triangular, fez-se a adaptação do monopolo hexagonal, seguindo os mesmos critérios de aperfeiçoamento na excitação. Entretanto, escolheu-se o conector SMA que se julgou melhor para adaptação entre o plano de terra e o elemento irradiador. Suas conexões são mais curtas e, como visto nas primeiras medições, têm grande influência na faixa de freqüência dos ensaios. Destaca-se que, como no caso do conector N, suas dimensões transversais são convenientemente escolhidas para garantir boa eficácia em uma linha com impedância característica de 50. Na Fig.9 observa-se a nova montagem. Fig. 7. Coeficiente de onda estacionária do monopolo triangular, com a nova montagem. O melhor casamento ocorreu em 826MHz, com SWR = 1,29. 651 0,59-0,30 1,92 659 0,57-0,16 1,81 667 0,56-0,06 1,79 674 0,56 0,04 1,81 682 0,57 0,14 1,81 690 0,62 0,26 1,79 698 0,71 0,38 1,75 702 0,77 0,42 1,71 705 0,82 0,45 1,70 713 0,96 0,49 1,65 721 1,12 0,51 1,65 729 1,26 0,40 1,53 736 1,37 0,32 1,52 744 1,46 0,14 1,48 752 1,43 0,00 1,43 760 1,41-0,12 1,43 764 1,36-0,18 1,41 771 1,30-0,24 1,40 779 1,21-0,32 1,42 783 1,12-0,34 1,41 791 0,99-0,31 1,36 798 0,91-0,27 1,35 806 0,83-0,21 1,34 810 0,81-0,18 1,33 818 0,79-0,13 1,31 826 0,80-0,11 1,29 833 0,78-0,07 1,30 841 0,75-0,02 1,34 849 0,74 0,03 1,36 857 0,72 0,10 1,42 864 0,71 0,14 1,46 872 0,68 0,23 1,60 880 0,70 0,35 1,74 887 0,78 0,51 1,85 895 0,94 0,64 1,93 903 1,25 0,74 1,99 911 1,68 0,66 2,04 919 2,03 0,33 2,10 Fig. 8. Comportamento da impedância do monopolo triangular na carta de Smith com o novo conector, normalizada com 50 TABELA 3 IMPEDÂNCIA E COEFICIENTE DE ONDA ESTACIONÁRIA DO MONOPOLO TRIANGULAR COM O NOVO CONECTOR FREQUÊNCIA (MHZ) PARTE REAL PARTE IMAGINÁRIA SWR 624 0,98-0,75 2,10 636 0,67-0,58 2,10 640 0,67-0,50 2,04 647 0,61-0,36 1,93

ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO INATEL - INCITEL 2012 269 689 0,60 0,04 1,68 702 0,65 0,29 1,74 714 0,95 0,51 1,68 727 1,44 0,31 1,56 739 1,45-0,31 1,57 751 0,91-0,50 1,70 764 0,37-0,25 1,92 770 0,47-0,08 2,13 782 0,49 0,31 2,27 799 0,80 0,76 2,35 801 1,22 0,95 2,36 Fig. 9. Monopolo hexagonal com excitação através de um conector SMA. Esta opção garantiu melhora significativa na resposta em freqüência da antena. Houve necessidade de inserir um adaptador de SMA para conector N que permitisse a ligação da antena ao Site Máster. Isto melhorou o desempenho do monopolo hexagonal, verificada por menores coeficientes de onda estacionária. A seguir, tem-se a tabela das medidas e os gráficos dos valores do SWR e as respectivas impedâncias, normalizadas em relação a 50Ω. A curva do coeficiente de onda estacionária está na Fig. 10. Os limites de freqüência para SWR 2 ficaram em 550MHz e 765MHz. Portanto, tem-se largura de faixa de 215MHz o que dá 32,7% em torno do valor central de 657,5MHz. Como no monopolo triangular, identificam-se freqüências de ressonância. Citam-se, por exemplo, valores próximos de 524MHz (resultante de 22 ), em 566MHz (resistência de 77 MHz (resistência de 28 ), etc.. TABELA 4 IMPEDÂNCIA E COEFICIENTE DE ONDA ESTACIONÁRIA DO MONOPOLO HEXAGONAL COM O CONECTOR SMA FREQÜÊNCIA (MHZ) PARTE REAL PARTE IMAGINÁRIA SWR 503 0,82 0,77 2,32 510 0,60-0,52 2,26 516 0,46-0,27 2,34 516 0,46-0,27 2,37 522 0,42-0,06 2,37 534 0,51 0,35 2,25 547 0,92 0,70 2,04 559 1,64 0,39 1,79 572 1,46-0,32 1,58 584 0,91-0,43 1,58 596 0,64-0,23 1,70 609 0,56 0,04 1,79 621 0,64 0,39 1,90 634 1,07 0,66 1,89 634 1,07 0,66 1,89 646 1,68 0,14 1,70 658 1,21-0,49 1,66 665 0,96-0,47 1,61 677 0,67-0,23 1,63 Fig.10. Coeficiente de onda estacionária do monopolo hexagonal com o conector SMA. Nota-se uma variação mais suave na faixa de freqüências de interesse. Fig. 11. Comportamento da impedância do monopolo hexagonal na carta de Smith, normalizada com 50. VI. CONCLUSÕES Efetuaram-se ensaios com um monopolo triangular e com um monopolo hexagonal, dimensionados para UHF. O objetivo foi verificar seus desempenhos em grandes larguras de faixa. Fixou-se como valor tolerado para o SWR o limite usual, no qual se garante perda de retorno melhor ou igual a 9,5dB. O modelo triangular com ângulos internos idênticos apresentou maior largura de faixa relativa do que o hexagonal. Todavia, na faixa ensaiada, os resultados para ambos permitem especificar largura de faixa superior a 30% em torno da freqüência central. Embora os ensaios fossem na faixa de UHF, adotando um fator de escala conveniente, é possível estender o projeto para outras regiões do espectro. REFERÊNCIAS

270 ANAIS DO CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DO INATEL - INCITEL 2012 [1] HUGINE, A. L. Antenna selection for a public safety cognitive radio. Virginia Polutechnique Institute and State University. Thesis (Master of Science in Electrical Engineering). Virginia, 2000. [2] BOAVENTURA, E.; FIGUEIREDO, G. F.; GARNICA, O. A. Antena planar para aplicações em sistemas de grandes larguras de faixa. Projeto de Iniciação Científica. Santa Rita do Sapucaí: Instituto Nacional de Telecomunicações, 2010. [3] KRAUS, J. D. Antennas. 2nd. Ed. New York: McGraw- Hill, 1998. [4] RIBEIRO, J. A. J. Engenharia de antenas. Santa Rita do Sapucaí: Instituto Nacional de Telecomunicações, 2010. [5] KUMAR, G.; RAY, K. P. Broadband microstrip antennas. Boston: Artech House, 2003. Danilo José Alfredo nasceu em Santa Rita do Sapucaí, MG, em outubro de 1987. Recebeu o título de técnico em Eletrônica ( ETE "FMC, 2005). De 2006 a 2007 prestou suporte técnico para o Banco do Brasil e Caixa Econômica Federal, mediante a da empresa Equinorte LTDA. Desde julho de 2007 está cursando ensino superior em Engenharia Elétrica no Instituto Nacional de Telecomunicações ( INATEL ). Gabriela Freire Figueiredo nasceu em Itajubá, MG, em Novembro de 1988. Graduada em Engenharia Elétrica no Instituto Nacional de Telecomunicações ( INATEL ) desde Dez/2011. Atualmente reside na cidade de Campinas, SP