Discente: Guilherme Rodrigues Santos
Orientadora: Prof. Dr. Renan Alves dos Santos
Título: Antena de microfita com fenda em U de banda larga e polarização circular para redes celulares 5G
Este Projeto Final de Curso desenvolvido pelo Guilherme Rodrigues dos Santos tem como objetivo o projeto de uma antena de microfita quadrada com fenda no formato de U assimétrico inserida no elemento ressonador. Tal geometria é responsável por apresentar polarização circular em largura de faixa larga. Assim, pode ser vista como elemento potencial em aplicações que requerem alta confiabilidade, como as redes de comunicação móvel de quinta geração (5G). Desse modo, o projeto foi desenvolvido para operar na faixa de frequências no entorno de 3,5GHz padronizada pela Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel).
Introdução
O 5G é uma das tecnologias essenciais para a implementação dos novos sistemas de comunicação telecomunicações, envolvendo desde comunicações de altíssima velocidade até sistemas autônomos inteligentes. Estes sistemas serão capazes de aprimorar tanto a velocidade de conexão na internet de usuário comum, como também mudar totalmente a dinâmica de diversos segmentos (como indústrias, cidades e campo) com aplicações de Internet das Coisas (IoT do inglês Internet of Things).
Para tornar o 5G uma realidade, países no mundo todo têm realizado investimentos em pesquisa e desenvolvimento de novos dispositivos e sistemas para adequarem sua infraestrutura para o novo padrão de comunicação móvel. Um dos dispositivos de grande importância é a antena, esse dispositivo será trabalhado neste trabalho de conclusão de curso, que tem como objetivo geral realizar o projeto numérico, utilizando o programa de simulação Ansys Electronics Desktop, de uma antena com fenda em U de banda larga e polarização circular operando na faixa de 3,5GHz (faixa padronizada para o 5G no Brasil).
Antena referência
Um dos objetivos desse projeto final de curso é o reprojeto da antena referência utilizada do artigo base para para operar na faixa de frequências no entorno de 3,5GHz. Além disso, nesta mesma antena será feita uma análise numérica buscando atingir as melhores condições possíveis para antena baseada nas condições desejadas.
Ilustração da antena de microfita com fenda no formato de U assimétrico inserida no elemento ressonador para operação banda larga com polarização circular.
A antena apresenta as seguintes características:
(a) Um elemento ressonador metálico quadrado (com largura wp e comprimento lp) no qual há uma fenda no formato de U assimétrico (controladas pelas variáveis a, b, c, d e u).
(b) Um laminado dielétrico (com largura ws, comprimento ls, altura h, permissividade dielétrica relativa εr e tangente de perdas tan(δ)).
(c) Um plano de terra metálico (com largura wg e comprimento lg).
(d) Uma sonda coaxial de alimentação com impedância característica Zo = 50Ω (deslocada do centro do eixo de coordenadas nas direções x e y, respectivamente, pelas variáveis xf e yf).
Reprojeto da antena para a faixa de 3,5 GHz
Para o reprojeto da antena foi feito um estudo para cada variável da antena em questão, sua modificação muda as características da antena e cada variação pode mudar seu ganho ou faixa de operação por exemplo.
Ao final das análises chega-se em 4 modelos que suprem as necessidades definidas que é basicamente uma antena que opera por volta dos 3,5GHz, observando que as únicas variáveis que de fato mudam entre os modelos são as variáveis ls/ws, xf e yf.
Todas as configurações finais que atendem a banda.
Dimensões (mm) | Modelo 01 | Modelo 02 | Modelo 03 | Modelo 04 |
lp/wp | 19,75 | 19,75 | 19,75 | 19,75 |
a | 3,56 | 3,56 | 3,56 | 3,56 |
b | 14,06 | 14,06 | 14,06 | 14,06 |
c | 11,51 | 11,51 | 11,51 | 11,51 |
d | 3,89 | 3,89 | 3,89 | 3,89 |
u | 1,20 | 1,20 | 1,20 | 1,20 |
h | 9,00 | 9,00 | 9,00 | 9,00 |
lg/wg | 92,83 | 92,83 | 92,83 | 92,83 |
ls/ws | 43,45 | 43,45 | 41,48 | 43,45 |
xf | -2,43 | -2,40 | -2,40 | -2,40 |
yf | +3,44 | +3,36 | +3,49 | +3,50 |
Escolhendo uma das configurações para apresentar o modelo final, neste caso foi escolhido a configuração 2, pode-se mostrar os resultados e validação da proposta do trabalho.
A figura (a) abaixo mostra a banda do modelo reprojetado, que varia de 3,27GHz até 3,8GHz em termos de casamento de impedâncias, o que remete a uma banda percentual de aproximadamente 15,0%. Já a figura (b) mostra que o modelo opera de 3,30GHz à 3,99GHz em termos de polarização circular, o que remete a uma banda percentual de aproximadamente 18,9%. Ainda na figura (b) nota-se que na faixa de operação de 3,5GHz o ganho realizável é de 7,7dBi e em toda sua banda esse ganho é maior ou igual a 6dBi. Analisando os resultados das figuras (a) e (b) fica claro que a banda real da antena é de 3,30GHz à 3,80GHz, Bw = 14,1%. Assim, tem-se uma antena capaz de operar em todas as subfaixas do 5G no entorno de 3,5GHz.
Respostas de frequência dos parâmetros de casamento de impedância e irradiação do modelo final da antena reprojetada para a faixa de 3,5GHz.
(a) Coeficiente de reflexão.
(b) Razão axial e ganho realizável.
A Figura abaixo apresenta o diagrama de irradiação para a antena final na frequência de 3,5GHz, os planos xz (variando θ com φ = 0º) e yz (variando θ com φ = 90º). A polarização observada é a circular à esquerda, LHCP, de modo que se observa alta rejeição de polarização circular à direita, RHCP.
Diagramas de irradiação de ganho realizável do modelo final da antena proposta na frequência de 3,5 GHz.
Conclusão
Este projeto final de curso apresentou de forma detalhada as etapas de desenvolvimento de uma antena de microfita com fenda no formato de U assimétrico inserida no elemento ressonador para operação em banda larga com polarização circular na faixa de frequências de 3,5GHz.
Ao decorrer do projeto foi apresentado técnicas de projeto para a concepção da geometria proposta, além da análise minuciosa de cada parâmetro de projeto e um ajuste fino para que a antena consiga cobrir toda a banda do 5G brasileiro, buscando o desenvolvimento necessário para obter o modelo final da antena.
O trabalho apresentou uma antena com características potenciais para operação em redes 5G no entorno de 3,5GHz. Entretanto, essa geometria pode ser usada em outras faixas do 5G ou mesmo em outras aplicações. Uma proposta para trabalhos futuros seria analisar o projeto em laminados dielétricos com outros valores de permissividade dielétrica relativa
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