Projecto “GEBA”
Elaboração e construção de uma antena planar
Explicação de um projecto
ASPOF EN-AEL Gonçalves Capela
ASPOF EN-AEL Pessanha Santos
Reunião Semanal
26 de Janeiro de 2010
01-02-2010
AGENDA
•Introdução;
•Vantagens/Desvantagens;
•Pré-dimensionamento;
•Projecto;
•Simulações;
•Fabrico;
•Medições reais;
•Técnicas de ajuste da frequência de ressonância.
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
2
INTRODUÇÃO
•Necessidade de aumentar o alcance obtido com as
antenas omnidireccionais anteriores.
7,49 Km
2/1/2010
68 KBps
544 Kbps
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
3
INTRODUÇÃO
7,49 Km
2/1/2010
68 KBps
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
544 Kbps
4
VANTAGENS/DESVANTAGENS
Vantagens
Desvantagens
Baixo Peso
Largura de Banda útil
reduzida
Baixo Custo
Flexibilidade em termos de
polarização e diagrama de
radiação
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
5
REQUISITOS DE PROJECTO
Para melhorar a eficiência da potência
disponível para a radiocomunicação, definiramse como requisitos para a antena direccional:
2.462 GHz
Frequência central
(canal 11 IEEE802.11g)
Largura de banda
22MHz (1 canal)
Ganho
> 16dBi
Polarização
Horizontal
Abertura V (-3dB)
15o
Abertura H (-3dB)
15o
Impedância de entrada
50 Ω
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
6
PRÉ-DIMENSIONAMENTO
Com vista a estimar a dimensão, espaçamento,
disposição e número de elementos.
Com o software PCAAD, realizaram-se diversas
simulações, sendo esta a solução adoptada:
Frequência
Nº elementos
Espaçamento entre elementos
Distribuição de Amplitude e Fase
Tipo de elemento
Dimensões do elemento
Directividade
L. Lóbulo PP (-3 dB)
2/1/2010
2.462 GHz
4x4
9,15 cm
Uniforme
Quadrado
3x3 cm
20.1 dBi
17.22
7
PRÉ-DIMENSIONAMENTO
2/1/2010
8
DIMENSIONAMENTO
A tecnologia Microstrip - introdução
Estrutura Microstrip
Elemento alimentado por linha impressa
Dadas as características do substrato, a frequência
de trabalho e as dimensões das linhas/elementos, terse-ão impedâncias diferentes.
Uma estrutura bem adaptada (teoria das linha de
transmissão) terá um factor de reflexão baixo (e por
conseguinte poucas perdas).
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
9
DIMENSIONAMENTO
A tecnologia Microstrip – adaptação de impedâncias
Da teoria das linhas de transmissão…
A adaptação óptima corresponde ao factor de reflexão Γ=0.
Com as linhas impressas acontece o mesmo, ou seja, as
linhas têm de estar adaptadas aos elementos(cargas).
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
10
DIMENSIONAMENTO
A tecnologia Microstrip – adaptação de impedâncias
2 técnicas simples:
Transformador de λ/4 (ideal para adaptar linhas de
impedância diferente).
Em linhas de
transmissão
Em linhas
Microstrip
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
11
DIMENSIONAMENTO
A tecnologia Microstrip – adaptação de impedâncias
Modificando a impedância de entrada dos elementos
(para adaptar uma linha a um elemento).
Ao mover-se o ponto de alimentação do elemento,
consegue-se uma diminuição da sua impedância de
entrada.
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
12
DIMENSIONAMENTO
A tecnologia Microstrip
Estrutura sobre a qual se irá construir a antena:
Espessura = 0.035 mm
Cobre
Condutância = 5.8 x 107S
RT Duroid 5880
Substrato Espessura = 3.175 mm
εr=2.19 + j1.314 x 10-3
Destes parâmetros vão depender a dimensão de todos
os elementos do circuito, as perdas da antena e a
largura de banda .
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
13
DIMENSIONAMENTO
01-02-2010
14
DIMENSIONAMENTO
A ideia principal será utilizar o mínimo de transições
entre linhas para evitar perdas (poucas linhas, curvas e
transformadores).
Começámos com o primeiro troço de alimentação, o
que ligará a antena a uma ficha co-axial de 50 Ω:
Linha de 100 Ω
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
15
DIMENSIONAMENTO
Linha de 150 Ω
Transformador de λ/4
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
16
DIMENSIONAMENTO
Linha de 150 Ω
Transformador de λ/4
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
17
DIMENSIONAMENTO
Linha de 150 Ω
Transformador de λ/4
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
18
DIMENSIONAMENTO
Elemento com slots
para ter impedância
de entrada de 150 Ω
e dimensionado para
f=2,462GHz
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
19
SIMULAÇÃO
Utilizando o Método dos Momentos (MoM), que é um
modelo que se baseia em métodos numéricos para
resolver as equações de Maxwell aplicadas à estrutura
em estudo.
Software: Ensemble 5.1
Modelo a analisar
2/1/2010
Possível malha para análise
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
20
Simulações
0
-5
-10
S11 [dB]
-15
-20
Banda (-10dB)
-25
Banda IEEE 802.11g
-30
-35
-40
2,2
2,25
01-02-2010
2,3
2,35
2,4
2,45
2,5
Frequência [GHz]
2,55
2,6
2,65
2,7
21
FABRICO
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
22
FABRICO
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
23
FABRICO
Produto Final
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
24
SIMULAÇÕES REAIS
0
-5
-10
S11 [dB]
-15
-20
-25
-30
Experimental
Simulation
-35
-40
2 2,05 2,1 2,15 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 2,85 2,9 2,95 3
Frequência [GHz]
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
25
0
SIMULAÇÕES REAIS
-5
-10
S11 [dB]
-15
-20
-25
-30
-35
Experimental
Simulation
-40
2 2,05 2,1 2,15 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 2,85 2,9 2,95 3
Frequência [GHz]
26
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
2/1/2010
TÉCNICAS DO AJUSTE DO S11
•Foram abordadas duas técnicas distintas para o
ajuste da frequência de ressonância, essas técnicas
foram:
•Utilização de um superstrato;
•Utilização de um stub.
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
27
SUPERSTRATO
•Consiste
na
utilização
de
uma
camada
de
dieléctrico com espessura e constante dieléctrica
rigorosamente conhecidos.
Superstrato
Elementos de Cobre
Camada de Substrato
Plano de terra
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
28
0
SUPERSTRATO 0,3 mm
-5
-10
S11 [dB]
-15
-20
Experimental
-25
Simulation
-30
Er=2
-35
Er=6
-40
2 2,05 2,1 2,15 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 2,85 2,9 2,95 3
Frequência [GHz]
29
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
2/1/2010
0
SUPERSTRATO 0,5 mm
-5
-10
S11 [dB]
-15
-20
-25
-30
-35
Experimental
Simulation
Er=2
Er=6
Er=10
-40
2 2,05 2,1 2,15 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 2,85 2,9 2,95 3
Frequência [GHz]
30
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
2/1/2010
SUPERSTRATO
•Esta solução não se verificou eficaz pois apesar de
existir
um
deslocamento
na
frequência
de
ressonância, não existia uma correcta adaptação;
•Obtendo-se valores de coeficiente de reflexão (S11)
superiores ao desejado;
•Valor de referência situado nos -10 dB.
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
31
STUB/SLOT
•Consiste
Ws
na
utilização
em
adicionar ou retirar um pedaço de
Ls
cobre ao elemento;
•Possibilita ter um comprimento
equivalente maior (stub) e menor
L
d
(slot);
•Maior comprimento equivalente
W
baixamos
a
frequência
de
ressonância e vice-versa.
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
32
STUB/SLOT
Ws
Ls
•Como
Ls
é
muito
comparativamente
dimensões
L
adaptação
d
do
de
pequeno
com
as
elemento
a
impedâncias
pouco influenciada.
W
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
33
é
STUB/SLOT
Ws = 2 mm
Ws
Ls
L
d
Ls = 1 mm
Ls = -1 mm
W
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
34
0
STUB/SLOT
-5
-10
S11 [dB]
-15
-20
-25
-30
-35
Experimental
Simulation
Stub +1mm
Stub -1mm
-40
2 2,05 2,1 2,15 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 2,85 2,9 2,95 3
Frequência [GHz]
35
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
2/1/2010
STUB/SLOT
Ws = 2 mm
Ws
Ls
L
d
Ls = 5 mm
Ls = -5 mm
W
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
36
STUB/SLOT
0
-5
-10
S11 [dB]
-15
-20
Experimental
-25
Simulation
-30
Stub +5mm
Stub -5mm
-35
-40
2 2,05 2,1 2,15 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 2,85 2,9 2,95 3
Frequência [GHz]
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
37
STUB/SLOT
Ws
Ls
L
d
Ws = 4 mm
Ls = 1 mm
Ls = -1 mm
W
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
38
0
STUB/SLOT
-5
-10
S11 [dB]
-15
-20
Experimental
-25
Simulation
-30
-35
Stub Ws=4 Ls=+1
Stub Ws=4 Ls=-1
-40
2 2,05 2,1 2,15 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 2,85 2,9 2,95 3
39
Reunião Semanal
de 26 de
Janeiro de 2010
Frequência
[GHz]
2/1/2010
STUB/SLOT
Ws
Ls
L
d
Ws = 4 mm
Ls = 5 mm
Ls = -5 mm
W
2/1/2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
40
0
STUB/SLOT
-5
-10
S11 [dB]
-15
-20
Experimental
-25
Simulation
-30
-35
Stub Ws=4 Ls=+5
Stub Ws=4 Ls=-5
-40
2 2,05 2,1 2,15 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 2,85 2,9 2,95 3
41
Reunião Semanal
de 26 de
Janeiro de 2010
Frequência
[GHz]
2/1/2010
Questões
01-02-2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
42
The End
01-02-2010
Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
43