Estudo das Propriedades de Radiação de uma Antena

de Microfita para Diferentes Configurações de

Estruturas EBG/PBG

Humberto Dionísio de Andrad, Raclenir L. G. Júnior, Humberto César Chaves Fernandes e Magno M. de Araújo

Universidade Federal Rural do Semi-Árido,

Programa de Pós-Graduação em Sistemas de Comunicação e Automação – PPgSCA

Mossoró-RN, Brasil

humbertodionisio@ufersa.edu.br, raclenirjunior@hotmail.com, humbeccf@ct.ufrn.br e magnomedeiros@gmail.com

Resumo – Neste trabalho é analisada a influência de uma

estrutura EBG/PBG sobre as propriedades de radiação de uma

antena de microfita, tais como: perda de retorno, largura de

banda, ganho e densidade superficial de corrente sobre o

elemento irradiador. A estrutura EBG/PBG proposta é

configurada de três maneiras distintas, fazendo-se variar a

profundidade do elemento cilíndrico no substrato dielétrico,

visando comparar os dados obtidos para cada configuração e

para a antena padrão. Foi observado o comportamento das

características de radiação a partir das variações propostas.

Keywords—EBG/PBG; Antena de microfita; propriedades de

radiação;substrato.

I. INTRODUÇÃO

As antenas são dispositivos capazes de irradiar ou receber ondas de rádio [1] e exercem um papel importante nos sistemas de comunicação. O desempenho desses dispositivos influenciam significativamente na eficiência dos sistemas dos quais fazem parte, e para descrever tal desempenho se faz necessária a análise de diversos parâmetros, tais como: diagrama de radiação, largura de feixe, diretividade, ganho, largura de banda, etc.

Dentre os vários tipos de antenas existentes, um dos tipos mais utilizados devido as suas características para aplicação em sistemas de comunicação modernos são as antenas de microfita [2]. Dentre as vantagens das antenas de microfita, podem-se destacar: facilidade de se moldar às superfícies planas e não planas, construção simples, baixo custo, versatilidade em termos da frequência de ressonância, polarização, diagrama de radiação e impedância. Esses tipos de antenas apresentam algumas desvantagens, tais como: baixa eficiência, baixa potência, baixa diretividade e pequena largura de banda (de alguns poucos por cento) [3].

Para solucionar o problema referente à estreita largura de banda das antenas de microfita, algumas técnicas têm sido descritas na literatura. Uma delas seria a utilização de estruturas de bandas proibidas (EBG – Eletromagnetic Band Gap e PBG – Photonic Band Gap) presentes no substrato da antena.

Estruturas PBG são àquelas que apresentam periodicidade na sua forma e onde a propagação das ondas eletromagnéticas

em certas faixas de frequências não são permitidas (bandas proibidas) [4]. Esse tipo de estrutura foi originalmente pesquisada na região óptica, sendo proposta por E. Yablonovitch [5] e S. John [6], mas devido ao fato desta estrutura apresentar suas propriedades aplicáveis a um amplo espectro de frequência, pesquisas na região de microondas têm sido observadas nos últimos anos, e nessa região, essas estruturas recebem a terminologia EBG (Eletromagnetic Band Gap) [7]. Esses tipos de estruturas permitem um aumento na largura de banda do dispositivo sem aumentar as dimensões do mesmo, bem como um aumento na eficiência de radiação da antena.

O presente trabalho se dispõe a analisar o comportamento de uma antena padrão patch retangular alimentada por linha de microfita, projetada para uma frequência de ressonância de 10 GHz e comparar esse modelo elementar com uma estrutura EBG/PBG proposta, fazendo-se variar – nessa estrutura – a profundidade dos elementos cilíndricos da estrutura periódica, com o intuito de se analisar as perdas de retorno, as larguras de banda, os ganhos e as densidades de corrente sobre o irradiador metálico. O software de simulação Ansoft HFSS ® foi utilizado para se realizar as análises computacionais.

II. PROJETO DA ANTENA PADRÃO E DA ESTRUTURA

EBG/PBG

Para a antena padrão utilizada nesse trabalho foi adotada uma estrutura patch retangular alimentada por linha de microfita projetada para a frequência de 10 GHz, com largura (W) de 9,12 mm e comprimento (L) de 6,43 mm. O substrato dielétrico utilizado foi a fibra de vidro (FR4), com permissividade relativa (εr) de 4,4 e tangente de perdas (tg δ) de 0,02. A altura (h) adotada para o substrato foi de 1,58 mm. O comprimento da linha de microfita (Lo) adotado foi de λ/4, levando em consideração o comprimento de onda no dielétrico, resultando em um valor de 3,91 mm e a largura da linha de microfita adotada foi de 1,14 mm. O material adotado para o patch, plano de terra e linha de microfita foi o PEC (Perfect Electric Conductor) com espessura de 0,05 mm. A figura 1 mostra a antena modelada no software Ansoft HFSS ®.

Figura 1: Antena padrão modelada no Ansoft HFSS ®.

A estrutura EBG/PBG proposta nesse trabalho consiste de uma malha retangular com seis linhas e seis colunas, totalizando trinta e seis elementos cilíndricos (preenchidos com ar), onde cada cilindro apresenta raio (r) de 0,75 mm. A periodicidade (ou constante da rede) da malha (a) apresenta valor de 2,25 mm, o que resulta em uma razão r/a de 0,3333. Nessa estrutura periódica são realizadas três variações quanto a profundidade do cilindro no interior do substrato, sendo assim caracterizadas: configuração 1 – profundidade de 1,58 mm (100%); configuração 2 – profundidade de 0,79 mm (50%); configuração 3 – profundidade de 0,395 mm (25%). A figura 2 mostra a antena modelada com a estrutura EBG/PBG e a figura 3 evidencia as diversas configurações para a profundidade dos cilindros no interior do substrato.

Figura 2: Antena com estrutura EBG/PBG modelada no Ansoft HFSS ®.

Figura 3: Configurações dos cilindros na estrutura EBG/PBG: a) configuração 1 com profundidade h = 1,58 mm; b) configuração 2 com profundidade h = 0,79 mm; c) configuração 3 com profundidade h = 0,395 mm.

Após a modelagem da antena padrão e das configurações propostas para a estrutura PBG, foram realizadas simulações utilizando o software Ansoft HFSS ®, visando obter dados comparativos para: perdas de retorno (S11), larguras de banda, ganho e distribuição das correntes superficiais sobre o patch. Os resultados das simulações realizadas serão descritas na próxima seção.

III. SIMULAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS

Para a antena padrão e para as configurações propostas para a estrutura EBG/PBG descritas na seção anterior, foram realizadas simulações visando obter valores das perdas de retorno em função da frequência, bem como valores das larguras de banda e dos diagramas de radiação visando obter o ganho. A maneira como as correntes superficiais se distribuem ao longo do patch em cada configuração também foi analisada. Todos esses valores obtidos foram comparados a fim de se verificar as características de todas as configurações.

A figura 4 mostra os valores das perdas de retorno em função da frequência de operação para a antena padrão e para as configurações propostas para a estrutura EBG/PBG. É possível perceber o deslocamento na frequência de operação da antena quando se utiliza as estruturas EBG/PBG, onde a medida que a profundidade do cilindro vai aumentando a frequência de operação da antena também segue aumentando. Através dos valores é possível perceber uma melhora na largura de banda para todas as configurações propostas para a estrutura EBG/PBG. Os valores das perdas retorno, das frequências de operação e das larguras de bandas absolutas para a antena padrão e demais configurações estão mostradas na tabela 1.

Figura 4: Valores das perdas de retorno (S11) em função da frequência de operação da antena padrão e das configurações adotadas para a estrutura EBG/PBG proposta.

Tabela 1: Valores das perdas de retorno, frequências de operação e largura de banda para a antena padrão e demais configurações.

Estrutura

Perda

de retorno

(dB)

Frequência

de operação

(GHz)

Largura de

banda

(MHz)

Antena padrão -28,3295 9,4550 670

PBG com h = 1,58 mm -20,3883 11,0700 700

PBG com h = 0,79 mm -24,0504 10,5950 730

PBG com h = 0,395 mm -27,9420 10,2150 750

As figuras 5, 6, 7 e 8 mostram os diagramas de radiação em 2D e em 3D da antena padrão, da configuração 1 (h = 1,58 mm), da configuração 2 (h = 0,79 mm) e da configuração 3 (h = 0,395 mm), respectivamente.

A antena padrão apresentou um ganho de 5,3070 dB. As configurações 1, 2 e 3 apresentaram os seguintes ganhos, respectivamente: 5,9576 dB, 5,8843 dB e 5,7511 dB. Com esses valores observa-se uma melhoria no ganho da antena para qualquer configuração proposta da estrutura EBG/PBG, sendo a configuração com profundidade h = 1,58 mm a que apresentou o melhor ganho.

Figura 5: Diagrama 2D e 3D da antena padrão.

Figura 6: Diagrama 2D e 3D da configuração 1 (h = 1,58 mm).

Figura 7: Diagrama 2D e 3D da configuração 2 (h = 0,79 mm).

Figura 8: Diagrama 2D e 3D da configuração 3 (h = 0,395 mm).

As figuras 9, 10, 11 e 12 mostram o comportamento das densidades de correntes superficiais sobre o patch irradiador para a antena padrão, para a configuração 1 (h = 1,58 mm), para a configuração 2 (h = 0,79 mm) e para a configuração 3 (h = 0,395 mm), respectivamente.

Figura 9: Densidade de corrente superficial sobre o patch para a antena padrão.

Figura 10: Densidade de corrente superficial sobre o patch para a configuração 1 (h = 1,58 mm).

Figura 11: Densidade de corrente superficial sobre o patch para a configuração 2 (h = 0,79 mm).

Figura 12: Densidade de corrente superficial sobre o patch para a configuração 3 (h = 0,395 mm).

É possível perceber que a antena com a estrutura EBG/PBG possui os níveis de densidade de corrente reduzidos ao longo das bordas do elemento irradiador para qualquer uma das configurações propostas. A medida que a profundidade dos elementos cilíndricos da estrutura periódica vão aumentando, os níveis de densidade de corrente próximo as bordas do patch vão atenuando, o que reduz o efeito de ondas de superfícies, melhorando assim o ganho da antena.

IV. CONCLUSÕES

Neste trabalho uma antena patch retangular de microfita foi projetada para operar em 10 GHz e suas propriedades de radiação foram analisadas utilizando o software de simulação Ansoft HFSS ®. Uma estrutura EBG/PBG foi proposta e três diferentes configurações dos elementos cilíndricos da estrutura periódica foram analisadas, visando obter dados comparativos com o modelo da antena padrão, tais como: perda de retorno (S11) em função da frequência de ressonância, largura de banda, ganho e densidade de corrente superficial sobre o elemento irradiador.

Portanto, ocorre uma melhoria na largura de banda para todas as configurações propostas para a estrutura EBG/PBG em comparação com o modelo da antena padrão. Outra característica das configurações propostas foi o deslocamento

na frequência de operação da antena, onde a medida que a profundidade do cilindro no interior do substrato dielétrico aumentava o mesmo acontecia para a frequência de operação do dispositivo.

O ganho da antena aumentou para todas as configurações propostas em relação ao ganho da antena padrão. A configuração 1 (com h = 1,58 mm) apresentou o maior ganho, com um valor de 5,9576 dB. Nos diagramas 2D e 3D apresentados é possível perceber a característica de diretividade da antena de microfita.

Com a utilização das configurações propostas para a estrutura EBG/PBG foi possível perceber a redução das densidades superficiais de corrente ao longo das bordas do elemento irradiador, diminuindo assim as perdas por efeito de franjamento (fringing effect), o que contribui para um ganho mais alto das configurações em relação a antena padrão.

Em suma, percebeu-se a melhora nas propriedades de irradiação quando as configurações EBG/PBG são utilizadas, evidenciando o potencial dessas estruturas para a aplicação em áreas como: sistemas de comunicação móvel, aviação, sistemas de satélite e etc.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Norte (FAPERN), a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

REFERENCES

[1] IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vols. AP-17, no. 3, May 1969; AP-22, No. 1, January 1974; and AP-31, No. 6, Part II, November 1983.

[2] Wu Y. Qiang, Fu Tao, "The Study on a Patch Antenna with PBG Structure," Third International Symposium on Intelligent Information Technology Application (2009).

[3] C. A. Balanis,, [Antenna Theory], Wiley-Interscience, New Jersey, 146-149 (2005).

[4] J. D. Joannopoulos, R. D. Meade, and J. N. Winn, Photonic Crystals:Molding the Flow of Light. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1995.

[5] E. Yablonovitch, Inhibited spontaneous emission in solid state physics and electronics. Phys. Rev. Let. Vol 58(20), 1987, pp.2059-2062.

[6] S. John, Strong localization of photon in certain disordered dielectric super lattice. Phys. Rev. Let. Vol 58(23), 1987, pp.2486-2489.

[7] Andrade, H. D. Desenvolvimento de um Ressoador Retangular de Fenda com Múltiplas Camadas de Substrato e com Utilização de Material PBG para Sistema de Comunicação Sem Fio [tese]. Natal: Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN; 2013.

[8] Almeida, J. F., Sobrinho, C. L.S. S., “Influência do Posicionamento de uma Estrutura PBG sobre a Largura de Banda de uma Antena de Microfita”, IEEE Latin America Transactions, Vol. 2, No. 1, March, 2004.

[9] Radisic, V., Qian, Y., Coccioli, R., Itoh, T., “Novel 2-D Photonic Bandgap Structure for Microstrip Lines”, IEEE Microwave and guided wave letters, Vol. 8 No. 2 Feb. 1998.

[10] W.Y. Qiang, F. Tao, “The Study on a Patch Antenna with PBG Structure”, Third International Symposium on Intelligent Information Technology Application, pp 565-567, 2009.