TÍTULO: DESENVOLVIMENTO DE ANTENAS IMPRESSAS
CATEGORIA: EM ANDAMENTO
ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURA
SUBÁREA: ENGENHARIAS
INSTITUIÇÃO: UNIVERSIDADE DE FRANCA
AUTOR(ES): DANIEL APARECIDO PIRES
ORIENTADOR(ES): ANTÓNIO CARLOS MARANGONI, HENRIQUE JOSÉ DA SILVA
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1. RESUMO
Neste trabalho, de vertente científica e tecnológica, estudam-se, projetam-se,
constroem-se e medem-se diversas antenas impressas. Apresentam-se as
vantagens deste tipo de antenas, a estrutura mecânica e modelagem
matemática. As antenas são construídas num substrato convencional FR-4 e
projetadas para 2.4 GHz. São integrados componentes eletrônicos, como
osciladores, misturadores e amplificadores. Serão apresentados resultados de
simulação e práticos, que mostram a eficiência das antenas construídas.
2. INTRODUÇÃO
Antenas são dispositivos que emitem ou captam ondas eletromagnéticas,
possibilitando a comunicação entre dois ou mais sistemas eletrônicos (RIOS E
PERRI, 2002). Existem diferentes tipos de antenas, mas para altas frequências
acima de 1 GHz, é muito comum o uso de antenas impressas. Este tipo de antenas
apresenta diversas vantagens como: pequenas dimensões, facilidade de construção,
robustez mecânica, são leves, possibilitam a integração de dispositivos eletrônicos,
podem-se adaptar a superfícies curvas, e a construção de agregados de antenas
torna-se mais simples (RIBEIRO, 2012). Algumas desvantagens são o fato de
apresentarem estreitas faixas de frequência, perdas significativas dependendo do
dielétrico, impureza de polarização e de não trabalharem com elevadas potências
(RIBEIRO, 2012). As muitas vantagens permitem, no entanto, a sua utilização numa
grande variedade de sistemas de telecomunicações, fixos e móveis.
3. OBJETIVOS
O objetivo do trabalho é projetar, simular e construir antenas impressas,
evidenciando os problemas mais comuns e contribuir para a sua resolução através
da alteração da estrutura e desenho da antena ou pela integração de dispositivos
eletrônicos ativos que vão modificar as características da antena passiva.
4. JUSTIFICATIVA
Os sistemas de telecomunicações tendem sempre a utilizar frequências
mais altas pois, dessa forma, se conseguem maiores larguras de faixa e se
consegue também um nível de miniaturização mais elevado tanto no âmbito da
eletrônica como das antenas. A grande variedade de aplicações das antenas
impressas na banda das microondas, justifica o seu estudo e desenvolvimento
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intensivo, aprimorando as suas características e descobrindo novas possibilidades.
5. METODOLOGIA
Observam-se as características fundamentais das antenas impressas, em
particular a sua estrutura mecânica e construção. Utilizando-se um substrato
convencional, também usado em eletrônica, projetam-se e constroem-se diferentes
modelos de antenas visando o controle da largura de faixa, do diagrama de
radiação, do ganho e da polarização. Criam-se protótipos passivos e ativos, pela
integração de componentes eletrônicos e observam-se as melhorias obtidas para
cada protótipo. O estudo tem assim características evolutivas partindo-se de
protótipos mais simples passivos até protótipos mais complexos e ativos.
6. DESENVOLVIMENTO
Para a construção de uma antena impressa considera-se uma estrutura
inicial simples, composta por um elemento radiante sobre um substrato que tem a
outra face totalmente coberta de metal e constitui o plano de terra - Figura 1.
h
L
Linha de
Alimentação
W
z
y
Elemento
Radiante
x
Substrato
r
Plano de Terra
Figura 1: Estrutura básica de uma antena impressa.
Fonte: O autor.
A constante dielétrica do substrato - r, a espessura do substrato - h, e
as dimensões do elemento L e W, definem muitas das características da antena
(BARBOZA & NETO, 2014), (NASCIMENTO et al, 2007), (COSTA & DMITRIEV, 2004).
Tipicamente utilizam-se substratos de maior espessura e baixa constante dielétrica e
as dimensões do elemento influenciam na impedância de entrada, no diagrama de
radiação, na frequência de ressonância e na largura de faixa de frequência.
7. RESULTADOS PRELIMINARES
A primeira antena, projetada, tem geometria retangular, como se mostra
na figura 2-A. O substrato utilizado é o FR-4 com constante dielétrica 4,4 e 1,5 mm
de espessura. A alimentação é feita por linha de transmissão no plano do elemento
radiante. A dimensão ressonante do elemento para 2.4 GHz é de 29 mm e no
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mesmo foi aberta uma cavidade de 8,7 mm de profundidade por forma a obter uma
impedância de 50 . Conforme pode ser observado na figura 2-B o parâmetro S11,
simulado, apresenta um valor melhor que -10 dB numa largura de faixa de
aproximadamente 11 MHz. Em 2.4 GHz o valor de S11 chega a -40 dB. Na figura
2-C mostra-se a distribuição de densidade de corrente na superfície do elemento e
em 2-D, observa-se na carta de Smith a variação de impedância. O primeiro
protótipo está em fase de construção e será apresentado junto com as medidas.
0
-5
33
-10
29
S11 [dB]
-15
9
8.7
-20
-25
-30
-35
B
-40
A
-45
2,39 2,392 2,394 2,396 2,398
2,4
2,402 2,404 2,406 2,408 2,41
Frequência [GHz]
C
D
Figura 2: Projeto da antena e resultados obtidos por simulação.
Fonte: O autor.
8. FONTES CONSULTADAS
BARBOZA, A. G.; NETO, P. da S. Antena de Microfita com Patch Retangular
Impressa em Diferentes Meios Materiais. Semana do Ensino, Pesquisa e
extensão do Campos Caraúbas, outubro 2014.
COSTA, K. Q. da; DMITRIEV, V. A. Combinações de Dipolos Elétricos e
Magnéticos com Simples Alimentação para Aumento da Largura de Banda. XXI
Simpósio Brasileiro de Telecomunicações - SBT, setembro de 2004, Belém-PA.
NASCIMENTO, D. C.; MORES Jr, J. A.; SCHILDBERG, R.; LACAVA, J. C. da S.
Antenas de Microfita Linearmente Polarizadas: Novas Estratégias de Projeto.
Journal of Microwaves, Optoelectronics and Eletromagnetic Applications, Vol. 6, No.
2, December 2007.
RIBEIRO, J. A. J. Engenharia de Antenas: Fundamentos, Projetos e Aplicações.
1.Ed. São Paulo: Érica, 2012.
RIOS, L. G; PERRI, E. B. Engenharia de Antenas. 2.Ed. São Paulo: Edgard
Blücher, 2002.