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Projecto de uma Antena Planar para Aplicação de

Telemetria em Ambiente Naval

Germano Gonçalves Capela (1) e Nuno Pessanha Santos (1)

(1) Escola Naval, Portugal

germanocapela@yahoo.com.br, nuno.pessanha.santos@marinha.pt

RESUMO

Ao longo dos anos, a tecnologia microstrip tem mostrado grande sucesso na concepção de antenas.

Com inúmeras aplicações em microondas e ondas milimétricas, reúne várias vantagens que lhe

proporcionaram grande sucesso: baixo peso, baixo custo e grande flexibilidade na escolha do diagrama de

radiação e polarização pretendidos. Porém, esta tecnologia possui algumas desvantagens, como por

exemplo, largura de banda estreita. Este tipo de projectos requer a utilização de software de cálculo que,

apesar dos seus rigorosos modelos matemáticos, acabam por gerar resultados simulados que muitas das

vezes têm diferenças quando comparados com resultados experimentais. O que geralmente acontece é que

as curvas simuladas e experimentais correspondentes ao factor de reflexão das antenas (S11) têm formas

semelhantes, mas encontram-se desfasadas em frequência. Este facto pode ser particularmente

constrangedor em aplicações de banda estreita, em que a falta de sintonia pode fazer com que a antena não

tenha o desempenho desejado.

Neste trabalho é apresentada uma técnica experimental para sintonia fina de antenas baseadas em

elementos microstrip. Este tipo de técnicas apenas é passível de ser aplicado em antenas onde se possam

modificar os elementos através de fresas para circuitos impressos ou através do processo fotolitográfico. Este

trabalho estuda dois tipos de abordagem: diminuir ligeiramente o tamanho dos elementos para aumentar a

frequência de ressonância da antena; adicionar um pequeno pedaço de cobre a cada elemento (o que torna

os elementos electricamente maiores) ou adicionar finas camadas de um superstrato à antena para aumentar

a frequência de ressonância da antena.

Ambos os processos são validados apenas com recurso a simulações por software. A antena em

causa é um agregado de 4x4 elementos rectangulares, impressos num RT/Duroid 5880 com 3,175 mm. Esta

antena foi projectada para uma aplicação de telemetria da Marinha Portuguesa. Este sistema de telemetria é

2

baseado no padrão IEEE 802.11g (f0 = 2.442 GHz, LB = 84 MHz = 3.4%) e requer um alcance de cerca de 10

km, o que requer que antena tenha pelo menos um ganho de 16 dBi. A antena foi projectada e optimizada

com recurso ao software ENSEMBLE. Após o fabrico do protótipo efectuou-se a medida do parâmetro S11, o

qual mostrou que a curva característica se encontrava deslocada 34 MHz (1.4 %) em relação à frequência

central do padrão.

O estudo baseado nas simulações permitiu determinar as regras para compensação do desvio em

frequência, quer superior quer inferior.

INTRODUÇÃO

No presente, encontra-se em desenvolvimento na Escola Naval um sistema de telemetria para possibilitar

a monitorização dos efeitos resultantes do impacto de mísseis em navios desmilitarizados. Este sistema é

baseado na tecnologia IEEE 802.11g para a comunicação sem fios e IEEE 802.3 para a comunicação feita

por fio, requerendo um alcance na ordem dos 10 km.

A concepção da antena direccional teve como objectivo aumentar o alcance do sistema de telemetria já

existente, tendo como pontos fortes o apresenta um baixo custo e a fácil execução. Para a concepção da

antena escolheu-se a tecnologia microstrip, tecnologia com muitas provas dadas, actual e acima de tudo

bastante versátil.

O processo de projecto e fabrico de uma antena requer a consideração de vários aspectos, como por

exemplo, os requisitos estabelecidos para os seus parâmetros (ex. ganho) ou o ambiente onde a antena vai

ser utilizada. Inicialmente é necessário efectuar uma abordagem do problema em que apenas é estimada a

sua geometria em função das características pretendidas. Esta fase é denominada de pré-dimensionamento.

Uma vez afinados os requisitos do projecto, projectaram-se os elementos e toda a sua malha de

alimentação através de ferramentas mais completas. Nesta fase foi também possível simular quais os

principais resultados expectáveis do protótipo.

Após a análise dos resultados obtidos (resultados experimentais), verificou-se que a sua frequência de

ressonância se encontrava ligeiramente deslocada para valores inferiores aos desejados. Para corrigir este

desvio, simularam-se algumas técnicas não destrutivas (conservando o protótipo inicial) que permitem fazer

pequenos ajustes na frequência de ressonância da antena sem afectar o diagrama de radiação ou o ganho.

Os resultados obtidos permitiram também generalizar a técnica de ajuste para compensar desvios para

frequências superiores e inferiores à frequência de ressonância desejada.

3

1. PRÉ-DIMENSIONAMENTO DA ANTENA

1.1. INTRODUÇÃO

O pré-dimensionamento tem como finalidade obter uma primeira aproximação àquilo que será o

desenho final utilizado para construção da antena. O nível de complexidade exigido obriga a que, pelo menos,

sejam determinadas quais as dimensões da antena, sendo para isso necessário determinar o número,

tamanho e espaçamento entre elementos.

Existem várias metodologias para abordar o desenvolvimento de antenas. Esta deve obedecer a um

conjunto de processos estruturados, em que a iteração é essencial para que no final o resultado seja o

desejado. Quer isto dizer que, ao longo do projecto, novas perspectivas e conclusões vão sendo alcançadas,

o que implica voltar à fase inicial.

A análise preliminar foi efectuada com recurso ao software de análise PCAAD 5, que oferece um

conjunto de ferramentas básicas e que permite uma abordagem inicial muito simples. Esta ferramenta

permite, por exemplo, estimar a directividade e o diagrama de radiação não tendo em conta, por exemplo, a

presença da malha de alimentação. Após a determinação dos elementos básicos para o desenho da antena,

foi necessário recorrer a um software de desenho e análise mais avançado, que oferece as ferramentas

necessárias para o correcto dimensionamento da malha de alimentação.

1.2. REQUISITOS DE PROJECTO

O principal requisito para o projecto era o elevado ganho, que deveria ser de 16 dBi. Além disso, para

compensar os balanços característicos do alto mar, as aberturas angulares (a -3 dB) deveriam ser de 15º. Os

requisitos permitiram construir a seguinte tabela:

Parâmetro Valor Fc 2.45 GHz

Largura de banda 22 MHz Directividade 16 dBi Polarização Horizontal

Abertura V (-3dB) 15º Abertura H (-3dB) 15º

Impedância de entrada 50 Ω Tabela 1 - Requisitos de projecto para a antena direccional.

A frequência central escolhida é a frequência do canal 11 do protocolo IEEE 802.11g (Figura 1) e 22

MHz a sua largura de banda. A polarização é horizontal para ser compatível com a antena omnidireccional já

4

existente no sistema (antena omnidireccional adquirida ao mercado). Para existir adaptação com a linha

coaxial que alimentará a antena, a impedância de entrada deve ser de 50 Ω.

Figura 1 – O espectro de frequências utilizado pela norma IEEE 802.11 Fonte: (Roshan and Leary 2003)

1.3. PROPOSTA DE PRÉ-DIMENSIONAMENTO

Uma vez definidos os requisitos básicos para o projecto da antena, utilizou-se a ferramenta para

análise de agregados do software PCAAD 5 denominada Uniform Rectangular Arrays Antenna Analysis, que

permite a análise de agregados com elementos uniformemente espaçados. Definiu-se a frequência de

trabalho, número de elementos, espaçamento entre elementos, distribuição de fase e amplitude (ambos

uniformes e por isso não utilizados) e ainda o tipo de elemento (definido como rectângulo microstrip).

Modificaram-se os valores do número de elementos e espaçamentos e elaboraram-se algumas tentativas para

alcançar os requisitos pretendidos (iterativamente). Os principais resultados obtidos encontram-se descritos

nas seguintes tabelas e figuras.

Parâmetro Valor Frequência: 2.462 GHz Nº elementos: 4x4 (16 elementos) Espaçamento entre elementos: 9,15 cm Distribuição de Amplitude e Fase: Uniforme Tipo de elemento: Quadrado Dimensões do elemento: 3x3 cm

Tabela 2 - Parâmetros de teste.

5

Figura 2 - Diagrama de radiação (plano H) de pré-dimensionamento.

Figura 3 - Diagrama de radiação (plano E) de pré-dimensionamento.

Parâmetro Valor Directividade: 20,1 dB

L. Lóbulo Principal (-3 dB): 17,22 ° NLS1: 11,9 dB

Tabela 3 - Resultados de pré-dimensionamento.

Os resultados da Tabela 3 foram os que mais se aproximaram dos requisitos iniciais. Alterando apenas

o espaçamento e o número de elementos, foi possível fazer com que o número de lobos secundários fosse o

menor possível não degradando em demasia a abertura do lóbulo principal. A directividade obtida conseguia

dar uma margem de segurança para alguns factores que não são tidos em conta nesta simulação (i.e. perdas

e radiação espúria).

1 NLS é o nível de lobos secundários, ou seja, é a relação de amplitude entre o lóbulo principal e os lobos secundários.

6

Para estimar as dimensões da antena, tiveram-se em conta as dimensões dos elementos, o

espaçamento entre elementos. Uma vez que as dimensões do plano terra devem exceder as dimensões da

antena, adicionou-se uma margem para o plano terra em cada um dos lados da antena (esta dimensão deve

ser tal que mesmo não estando perante um plano terra infinito, esse efeito seja atenuado) (Huang 1994).

Assim, com elementos de 3 cm, espaçamentos de 9,15 cm e margens de 5 cm, as dimensões da antena em

cada plano seriam de cerca de 50 cm.

1.4. CONCLUSÕES

Os resultados expostos anteriormente, como de início foi referido, foram o ponto de partida para uma

fase mais rigorosa do projecto da antena.

Através de um processo pouco complexo, verificou-se que com um arranjo de elementos bastante

simples, foi possível alcançar os requisitos definidos para este upgrade ao link Wi-Fi. De realçar a obtenção

de um valor elevado para a directividade, apesar da abertura do feixe a meia potência não ser exactamente a

definida inicialmente (mais 2º que o definido).

Apesar dos resultados obtidos nesta primeira aproximação serem bons resultados, houve plena

consciência que não foram tidos em conta vários factores importantes. Considerando os fenómenos

estudados e as limitações do programa de simulação, é importante perceber que não foram contabilizadas as

contribuições que a malha de alimentação traz em termos de perdas, radiação espúria, adaptação de

impedâncias e largura de banda. Também não foi contabilizado o contributo do substrato em termos de

perdas, largura de banda e dimensão dos elementos.

Outro aspecto importante a reter é a dimensão total da antena. Uma vez que os substratos sobre os

quais se fabricam as antenas microstrip1 requerem elevada precisão, é importante adaptar o desenho da

antena aos substratos disponibilizados pelos fornecedores e que muitas das vezes não têm as dimensões

desejadas.

2. PROJECTO DA ANTENA IMPRESSA DIRECCIONAL

2.1. INTRODUÇÃO

Concluída a fase de pré-dimensionamento, através do software de desenho e simulação Ensemble

Design 5.12 (ENSEMBLE 1998) citado por (Peixeiro and Salvatori 1999), efectuou-se o desenho e simulação

1Entenda-se que os substratos adquiridos no mercado normalmente compreendem também a camada de cobre inferior (plano terra) e a camada de cobre superior (onde são desenhados os elementos e a malha de alimentação). 2 Ensemble Design 5.1 da Ansoft Corporation – Boulder Microwave Division.

7

da estrutura completa da antena (elementos, malha de alimentação e substrato). Esta ferramenta permitiu a

elaboração do desenho utilizado para o fabrico da antena através da técnica de fotolitografia.

O software utilizado possui um vasto conjunto de ferramentas que permite dimensionar os elementos,

as linhas de alimentação e os transformadores de

, tendo em conta as propriedades do substrato utilizado.

2.2. PROJECTO DA ANTENA

O substrato disponível para fabrico da antena apresentava as características apresentadas na Tabela

4.

Plano Terra e Superficial Espessura = 0.035 mm

Condutância = 5.8 x 107 S

Substrato

RT Duroid 5880

Altura = 3.175 mm

Dimensões 445 x 304 mm

Tabela 4 - Características do substrato.

É de realçar que as dimensões do substrato não permitiram reproduzir as dimensões do pré-

dimensionamento, uma vez que este tinha uma largura ligeiramente mais pequena que o previsto. Este

aspecto fez com que a antena não pudesse ter as mesmas dimensões nos planos vertical e horizontal

(espaçamento e distância no plano vertical ligeiramente menores).

Outro aspecto importante que envolve o fabrico da antena, e que tem influência na performance da

mesma, tem que ver com um erro em frequência que o processo de fabrico do laboratório do Instituto Superior

Técnico introduz na antena fabricada. Este erro acontece sempre e concluiu-se assim que era esperado uma

ligeira diminuição da frequência de ressonância do protótipo produzido em relação às simulações efectuadas.

A escolha do canal 11 do IEEE 802.11g (frequência mais elevada do padrão) ajudou a precaver esta

limitação.

O primeiro passo na elaboração da estrutura da antena foi dimensionar e dispor espacialmente os

elementos. Utilizando a ferramenta do software ENSEMBLE para dimensionamento dos elementos,

determinou-se que estes deveriam ter 39,4 por 39,4 mm, o que corresponde a uma impedância de entrada no

bordo de cerca de 309 Ω. Uma vez que se pretende que a antena seja alimentada por uma linha coaxial de 50

Ω, era conveniente que o valor da impedância dos elementos tivesse uma impedância de valor mais próximo

8

à da alimentação principal para assim evitar transformadores de

com grandes descontinuidades (o que

aumenta as perdas).

Figura 4 - Geometria e disposição dos elementos.

No desenho da Figura 4 é possível verificar que os elementos encontram-se espaçados 91 mm na

horizontal e 63 mm na vertical. De notar que a alimentação é feita horizontalmente para que a polarização da

antena seja horizontal.

Centrando a alimentação principal na estrutura e realizando sucessivas divisões de alimentação ao

longo da linha (com recurso a transformadores de

para adaptação de impedâncias), desenhou-se a

estrutura apresentada na Figura 5.

Figura 5 - Desenho da antena com elementos e malha de alimentação.

A estrutura apresentada utiliza apenas três transformadores desde o ponto de alimentação principal

até cada elemento, o que corresponde a um compromisso entre a adaptação de impedâncias, divisão da

9

alimentação e redução do tamanho da malha de alimentação. Este desenho é resultado de um processo

iterativo que teve como objectivo optimizar o espaço, obter o máximo de largura de banda possível e cumprir

com os requisitos de projecto.

2.3. RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES

Efectuaram-se simulações com recurso ao Método dos Momentos através da ferramenta de simulação

do software ENSEMBLE e obtiveram-se os diagramas de radiação dos planos E e H e parâmetro S11. O

diagrama de radiação neste caso foi traduzido em diagrama de ganho, uma vez que o programa fornece

directamente o diagrama de radiação em função do ganho na direcção de máximo.

Gráfico 1 - Representação gráfica do parâmetro S11.

Numa primeira análise ao parâmetro S11, evidencia-se a ressonância da estrutura nos 2,5 GHz apesar

de esta ter sido dimensionada para 2,462 GHz. Este facto é facilmente explicado pela influência de toda a

malha de alimentação (incluindo a inserção feita em cada elemento para ajuste da impedância de entrada).

Tendo em conta que o processo de fabrico introduzirá um desvio negativo na frequência de ressonância, este

resultado foi bem aceite. Em termos de largura de banda, em muitos sistemas de telecomunicações, é tido

como largura de banda útil todas as frequências com factor de reflexão abaixo dos -10 dB. Assim, para o caso

da simulação, obteve-se cerca de 90 MHz de largura de banda, o que significa que se a frequência de

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8

S1

1 [

dB

]

Frequência [GHz]

10

ressonância coincidisse com a frequência central do IEEE 802.11g, esta antena cobriria toda a gama de

frequências do padrão.

Gráfico 2 - Diagramas de radiação planos E e H.

O aspecto mais importante desta simulação é o ganho na direcção de máximo (0º) muito próximo dos

20 dBi (19,3 dBi), uma vez que a directividade estimada no pré-dimensionamento era de 20,1 dB. Outro

aspecto notável é a distorção que o diagrama de radiação sofreu face ao pré-dimensionamento. Por efeito da

presença da malha de alimentação, o NLS é mais elevado (cerca de 15 dBi face aos 10 dBi do pré-

dimensionamento) e o número e ângulo dos zeros do diagrama não é o mesmo. As larguras do lóbulo

principal são, respectivamente para o plano vertical e horizontal de 18º e 16º, o que também corresponde com

o esperado.

2.4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Uma vez terminado o projecto da antena, passou-se ao seu fabrico. Após a conclusão do processo

fotolitográfico, obteve-se o protótipo apresentado na Figura 6.

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-90 -60 -30 0 30 60 90

Ga

nho

[dB

i]

Theta [O]

EPlane-sim

HPlane-sim

Posto isto, procedeu-se à medição experimental dos parâmetros necessários para caracterizar

confirmar o desempenho da antena.

instrumentos de medida e câmara anecóica do I.S.

a forma de diagrama de ganho).

11

Figura 6 – Fotografias da antena fabricada.

se à medição experimental dos parâmetros necessários para caracterizar

da antena. Para se medir estes parâmetros com elevado rigor, recorreu

anecóica do I.S.T. Mediu-se o parâmetro S11 e

se à medição experimental dos parâmetros necessários para caracterizar e

Para se medir estes parâmetros com elevado rigor, recorreu-se aos

e o diagrama de radiação (sob

12

Gráfico 3 - Comparação do parâmetro S11 obtido experimentalmente e por simulação.

O resultado do parâmetro S11 confirma tudo aquilo que foi assumido inicialmente. Em primeira lugar, é

notório o desvio da frequência de ressonância em aproximadamente 90 MHz (devido ao processo de fabrico).

Em segundo lugar, e como era de esperar, a largura de banda a -10 dB desceu para 75 MHz.

Visto que a largura de banda útil deste protótipo (2,375 GHz a 2,452 GHz) contemplava quase toda a

largura de banda do IEEE 802.11g (2,401 GHz a 2,473 GHz), tomou-se este resultado como muito

satisfatório. Nestas circunstâncias, os canais desde o 1 ao 6 puderam ser utilizados (2,401 GHz a 2,448 GHz),

o que possibilitava a escolha entre dois dos três canais que não se interceptam (1 e 6).

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3

S11

[dB

]

Frequência [GHz]

Experimental

Simulação

13

Gráfico 4 - Comparação do diagrama de ganho do plano E obtido experimentalmente e por simulação (f=2,41 GHz).

Gráfico 5 - Comparação do diagrama de ganho do plano H obtido experimentalmente e por simulação (f=2,41 GHz).

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-90 -75 -60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 75 90

Ga

nh

o [

dB

i]

Theta [o]

EPlane-sim

Eplane-Exp

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-90 -75 -60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 75 90

Gan

ho

[dB

i]

Theta [o]

HPlane-sim

Hplane-Exp

14

Resultados Simulado Experimental

Largura de banda (abaixo

dos -10dB) 2460MHz – 2540MHz (80MHz)

2.375MHz – 2,452MHz (77MHz) Canais 1 a 7 do Wi-Fi

Plano E Plano H Simulado Experimental Simulado Experimental

Ganho 0º 19,3 17,7 19,3 17,69 Ganho Máx 19,32 (1º) 17,89 (2º) 19,970 (-1º) 17,69 (0º)

Abertura feixe principal (-3dB)

18º 17º 25º 25º

Tabela 5 – Comparação entre os valores obtidos teoricamente e experimentalmente.

Os resultados obtidos experimentalmente, quando comparados com as simulações, revelam muitas

semelhanças e poucas diferenças. Em termos de forma, tanto no plano E como no H, o resultado obtido

experimentalmente assemelha-se muito à resposta experimental. O número e posição angular dos zeros é o

mesmo, a amplitude relativa e posição angular dos lobos secundários do resultado experimental são também

muito idênticos às medições experimentais. De salientar, também, a simetria do diagrama de radiação obtida

no plano H.

Em termos de valores de ganho, constata-se que não existe total consistência angular na diferença de

ganho obtido na medição experimental e na simulada. Na direcção de máximo, verifica-se que, no plano E e

no H, o valor simulado se encontra cerca de 1,6 dB acima do medido experimentalmente. A falta de calibração

da câmara anecóica posterior à sua actualização pode estar na origem da diferença nas medições do ganho

da antena.

2.5. CONCLUSÕES DA FASE DE PROJECTO E FABRICO

A principal conclusão que se pode retirar é a de que os objectivos propostos foram alcançados. Foi

proposto o projecto e fabrico de uma antena direccional com um ganho superior a 16 dBi e com aberturas de

feixe na ordem dos 15º (os 25º no plano H são resultado de uma limitação material), para operar com o

padrão IEEE 802.11g, o que foi conseguido com sucesso.

Verificou-se que o software utilizado proporciona um elevado nível de aproximação aos resultados

experimentais, o que traduz a sua fiabilidade para este tipo de projectos. É também importante notar que não

foi necessário utilizar nenhuma técnica no desenho com elevada complexidade (i.e. distribuição de fases ou

amplitudes) para se obter o ganho e diagrama desejados.

Outra consistência verificada diz respeito à frequência de ressonância e largura de banda. Verificou-

se que foi bem conseguido o dimensionamento da frequência de ressonância para valores superiores aos

desejados, uma vez que o desvio resultante do fabrico compensou positivamente os valores de projecto. Em

termos de largura de banda, apesar do desvio

um decréscimo significativo face ao esperado, uma vez que

trabalhar em 7 canais distintos do Wi-

3. AJUSTE DA FREQUÊNCIA DE RESSONÂNCIA DA ANTENA

Uma vez identificado o desvio em frequência é possível efectua

ressonância. Uma das formas de aumentar a frequência de ressonância da antena

tamanho dos elementos. Ao efectuar este corte dentro de certos limites, não

significativas na adaptação dos elementos

A diminuição do tamanho dos elementos po

bases dos elementos (∆L1 ou ∆L2), conforme a

Figura

Para efectuar cortes em todos os elementos da antena pode

uma fresa para circuitos impressos.

Para se verificar a relação entre a dimensão corte e o desvio obtido,

para várias profundidades de corte. Os resultados encontram

15

e banda, apesar do desvio de cerca de 32 MHz da frequência de ressonância

um decréscimo significativo face ao esperado, uma vez que com a largura de banda obtida é possível

Wi-Fi, dos quais 2 não se interceptam (canais 1 e 6).

AJUSTE DA FREQUÊNCIA DE RESSONÂNCIA DA ANTENA

identificado o desvio em frequência é possível efectuar pequenos ajustes

aumentar a frequência de ressonância da antena

efectuar este corte dentro de certos limites, não

dos elementos e consequentemente na largura de banda da antena.

A diminuição do tamanho dos elementos pode ser obtida através de um corte aplicado numa das

, conforme a Figura 7.

Figura 7 - Representação dos cortes no elemento.

Para efectuar cortes em todos os elementos da antena pode-se aplicar a técnica fotolitográfica ou

Para se verificar a relação entre a dimensão corte e o desvio obtido, efectuaram

para várias profundidades de corte. Os resultados encontram-se representados no

de cerca de 32 MHz da frequência de ressonância, não houve

com a largura de banda obtida é possível

(canais 1 e 6).

AJUSTE DA FREQUÊNCIA DE RESSONÂNCIA DA ANTENA

pequenos ajustes na frequência de

aumentar a frequência de ressonância da antena é diminuir ligeiramente o

efectuar este corte dentro de certos limites, não vão existir alterações

e consequentemente na largura de banda da antena.

de ser obtida através de um corte aplicado numa das

se aplicar a técnica fotolitográfica ou

efectuaram-se várias simulações

se representados no Gráfico 6.

16

Gráfico 6 – Factor de reflexão para os respectivos cortes.

A análise destes resultados permitiu concluir que o corte mais favorável, em termos de influência na

largura de banda, é o que é efectuado junto ao ponto de alimentação. Não foi testado o corte simultâneo nas

duas extremidades, uma vez que seria um resultado intermédio em relação aos obtidos. É possível também

verificar que à medida que se aumenta o tamanho do corte, a largura de banda diminui, o que leva a concluir

que este processo apenas é viável para pequenos ajustes/cortes.

Os resultados obtidos permitiram construir a seguinte relação:

Gráfico 7 - Relação entre dimensão do corte e deslocação da frequência de ressonância.

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

2,3 2,4 2,5 2,6 2,7

|S11

| [d

B]

Frequência [GHz]

DL = (0+0)DL = - (0.5+0) mmDL = - (0+0.5) mmDL = - (1.0+0) mmDL = - (0+1.0) mmDL = - (1.5+0) mmDL = - (0+1.5) mmDL = - (2.0+0) mmDL = - (0+2.0) mm

0

1

2

3

4

5

6

-5,5 -4,5 -3,5 -2,5 -1,5 -0,5

∆∆ ∆∆fo

/fo

[%

]

∆∆∆∆L/L [%]

-DL/L

Simulation

17

O Gráfico 7 ilustra a relação entre a percentagem de corte efectuado e o desvio em frequência obtido.

Esta relação obedece à seguinte regra: Dfo/fo = - DL/L. Assim, para este agregado, a percentagem de corte

aplicado é inversamente proporcional à percentagem de desvio na frequência.

Para corrigir os 32 MHz de desvio obtidos, pela análise dos resultados, verificou-se que seria

necessário cortar 0,5 mm em cada elemento.

Gráfico 8 - Largura de banda obtida em função do corte efectuado.

Como referido anteriormente, pela análise do Gráfico 8 confirma-se que esta técnica apenas pode ser

aplicada em pequenos ajustes sem grande prejuízo da largura de banda. Para cortes de dimensão superior,

os elementos deixam de estar adaptados à respectiva malha de alimentação, o que resulta numa redução da

largura de banda.

Uma vez identificado o procedimento para corrigir o agregado para a frequência de ressonância

correcta, passou-se ao estudo de outros métodos para ajuste de frequência, agora para casos em que a

frequência de encontra acima da desejada, e assim poder generalizar o procedimento de ajuste.

Para o caso de fazer deslocar a frequência de ressonância para valores inferiores, estudaram-se dois

métodos:

• Adicionar uma fina camada de superstrato à antena;

• Adicionar uma fina camada de superstrato com pequenos elementos de colados (que depois

ficam acoplados electromagneticamente aos elementos do agregado).

Adicionando camadas finas de 80 µm de película adesiva (esta película é normalmente utilizada no

dia-a-dia para p.ex. forrar livros), controlou-se a espessura do superstrato utilizado no primeiro método.

Experimentalmente verificou-se que este material tem uma constante dieléctrica efectiva εr=2.13.

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

-2 -1,5 -1 -0,5 0

La

rgu

ra d

e B

and

a

[%]

∆∆∆∆L [mm]

18

Através do resultado das simulações, representados no Gráfico 9Erro! A origem da referência não foi

encontrada., foi possível caracterizar o efeito deste método.

Gráfico 9 – Factor de reflexão em função da espessura do superstrato.

Os resultados obtidos permitiram concluir que este método apenas é viável para ajustes muito pequenos, tendo em consideração que existe um grande efeito na largura de banda. Não obstante os resultados obtidos, este método revela grande simplicidade.

O segundo método estudado para compensar desvios superiores da frequência de ressonância consistiu em colocar um superstrato do mesmo material do substrato, RT Duroid 5880, com apenas 0,117 mm de altura. No topo do superstrato e por cima de cada elemento colocaram-se pequenos elementos rectangulares de cobre para sintonia dos elementos.

O Gráfico 10 representa os resultados obtidos para elementos rectangulares de 10 mm de comprimento, colocados no lado oposto ao da alimentação, metade do seu comprimento sob o elemento radiante. Efectuando saltos de 2 mm na largura do elemento de ajuste, determinou-se o factor de reflexão do agregado.

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

2,3 2,4 2,5 2,6 2,7

Frequency [GHz]

|S11| [d

B]

h=0

h=0.080 mm

h=0.160 mm

h=0.400 mm

h=0.800 mm

19

Gráfico 10 - Factor de reflexão em função da largura dos elementos de ajuste.

Os resultados alcançados conferem a esta técnica vantagem em relação à anterior, uma vez que provocam um desvio efectivo na frequência de ressonância sem prejuízo na largura de banda. A complexidade deste método não é elevada, sendo apenas necessário centrar todos os elementos de ajuste com os elementos do agregado.

4. CONCLUSÕES Este trabalho relata todo o processo necessário para projecto e fabrico de uma antena que utiliza a

tecnologia microstrip. Projectou-se e fabricou-se uma antena direccional de 19 dBi de ganho, de acordo com um conjunto de pré-requisitos definidos para sua incorporação num sistema de telemetria baseado no padrão IEEE 802.11g.

Fruto de algumas diferenças encontradas nos padrões dos factores de reflexão, estudaram-se vários métodos para ajuste da frequência de ressonância.

No primeiro método, recorrendo apenas a simples cortes nos elementos, conseguiu-se o ajuste necessário para fazer aumentar a frequência de ressonância do agregado ao valor desejado. Determinou-se que efectuando 0,5 mm de corte no lado oposto ao lado da alimentação de cada elemento faria deslocar a frequência de ressonância do agregado em 32 MHz.

Como forma de generalizar o ajuste fino da frequência de ressonância em agregados deste tipo, estudaram-se mais dois métodos, desta vez para fazer descer a frequência de ressonância.

Colocando várias camadas de película adesiva no topo do agregado conclui-se que é possível fazer descer a frequência de ressonância, mas com grandes perdas em termos de largura de banda.

Recorrendo a um superstrato e elementos de sintonia, concluiu-se que é possível fazer deslocar para baixo a frequência de ressonância sem prejuízo na adaptação e largura de banda do agregado.

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

2,3 2,4 2,5 2,6 2,7

Frequency [GHz]

|S1

1|

[dB

]

No Supertsrate

No Stub

2.0mmx10.0mm

4.0mmx10.0mm

6.0mmx10.0mm

8.0mmx10.0mm

20

Este projecto permitiu a aplicação de vários conhecimentos académicos e desenvolvimento de actividades laboratoriais. Revelou ser um importante para a consolidação de uma temática muito abrangente, o projecto de antenas planares, contribuindo em muito para a formação profissional dos autores do trabalho.

REFERÊNCIAS E BIBLIOGRAFIA

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