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1
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE – UFRN
CENTRO DE TECNOLOGIA – CT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE COMUNICAÇÕES – DCO
CURSO DE ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES – CETEL
Investigação de ganho de antena de microfita com elementos refletores
Paulo Cezar Martins Veiga
Orientador – Prof. Dr. Hertz Wilton de Castro Lins
Natal, 2019
2
Paulo Cezar Martins Veiga
Investigação de ganho de antena de microfita com elementos refletores
Trabalho de Curso submetido à
Universidade Federal do Rio
Grande do Norte como parte dos
requisitos, necessários à
obtenção do Grau de
Engenheiro de
Telecomunicações sob a
orientação do Professor Dr.
Hertz Wilton de Castro Lins.
Natal, 2019
3
AGRADECIMENTOS
Agradeço a toda a minha família especialmente aos meus pais que batalharam
muito para me oferecer uma educação de qualidade e sempre tiveram uma palavra de
incentivo, por me ensinarem valores importantes e contribuírem para a minha educação.
Quero agradecer á minha esposa e ao meu filho pela compreensão nos momentos em que
permaneci distante e ocupado nos últimos meses. Muito obrigado especial ao meu
orientador Prof. Dr. Hertz e aos professores, que acompanharam a minha jornada
acadêmica de perto e deram apoio em sala de aula e no laboratório, agradeço a dedicação
e confiança para chegar ao final do curso de Engenharia de Telecomunicações em uma
das melhores universidade do país. Aos meus amigos que diretamente ou indiretamente
ajudaram, torceram e vibraram com mais essa conquista, meu muito obrigado.
4
RESUMO
Nesta monografia são apresentados alguns métodos para melhorar o ganho de antenas
de microfita. Estas são constituídas por duas placas paralelas, um plano de terra e um
plano chamado de ‘patch’ (elemento irradiador) com um elemento dielétrico entre
elas chamado substrato. Usada principalmente na faixa de micro-ondas (0,3 GHz a
300 GHz), tem como principais vantagens o baixo custo, tamanho pequeno, é fácil
de simular e montar, mas tem como a principal desvantagem de apresentar baixo
ganho. Surgindo assim o interesse na pesquisa de técnicas para o melhoramento de
ganho para antenas de microfita que podem ser usadas tanto em aplicações
comerciais, militares e mais recentemente na área de saúde. As técnicas para
melhorar o ganho em antenas de microfita foram simuladas no software HFSS, os
dados gerados pelas simulações foram analisados após a criação de um Dataset para
então escolher qual a melhor técnica que deveria ser usada na antena proposta. A
antena foi fabricada, medida e os resultados foram comparados com os simulados. O
estudo da correlação mostrou a influência das variações da entrada com os
parâmetros de saída.
Palavras chave: Antena de microfita, Técnicas para aumentar ganho, Correlação.
5
ABSTRACT
In this monograph are presented some methods to improve the gain of microtrip antennas,
these consist of two parallel plates, a plane of land and a plane called a patch with a
dielectric element between them called substrate, mainly used in the microwave range
(0.3 GHz to 300 GHz), has as main advantages the low cost, small size, is easy to simulate
and assemble, but has as main disadvantage of presenting low gain, hence the interest in
the research arose techniques for improving gain for microtrip antennas that can be used
both in commercial, military and more recently in health applications. The techniques to
improve the gain in microtrip antennas were simulated in HFSS software, the data
generated by the simulations were analyzed after the creation of a Dataset to then choose
which technique should be used in the proposed antenna, the antenna was assembled,
measured and the results were compared with the simulated, the correlation study showed
the influence of input variations with output parameters.
Keywords: Microstrip Antenna, Techniques for Increasing Gain, Correlation.
6
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Antena proposta para o estudo das técnicas de ganho.................................16
Figura 2 – Antena com elementos parasitas na parte superior e inferior......................17
Figura 3 – Boxplot (Diagrama de caixa) ......................................................................20
Figura 4 – Protótipo para medições..............................................................................21
Figura 5 – Medição do coeficiente de reflexão (S11) no laboratório...........................21
Figura 6 – Coeficiente de reflexão (S11) medida no laboratório .................................22
Figura 7 – Coeficiente de reflexão (S11) simulada no HFSS.......................................22
Figura 8 – Carta de Smith simulada no HFSS..............................................................23
Figura 9 – Ganho simulado no HFSS...........................................................................24
Figura 10 – Carta de Smith medida no laboratório.......................................................25
Figura 11 – Gráfico com coeficiente de reflexão (S11) simulada e medida.................25
7
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Artigos para estudo das técnicas ...................................................................... 13
Tabela 2. Legenda da classificação de métodos .............................................................. 14
Tabela 3. Referências do ganho dos artigos selecionados ............................................... 15
Tabela 4: Medidas da antena que apresentaram maior ganho ......................................... 18
Tabela 5: Mapa de correlação .......................................................................................... 19
8
LISTA DE SIGLAS
dB – Decibel
dBi – Decibel Isotrópico
HFSS – High-Frequency Structure Simulator
CAPES – Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
MEC – Ministério da Educação
UFRN – Universidade Federal do Rio Grande do Norte
TCC – Trabalho de Conclusão de Curso
CA – Cellular Automata
EBG – Eletromagnetic Band Gap
GHz – Gigahertz
LTCC – Low Temperature Co-fired Ceramic
FR4 – Flame Retardant 4
SMA – SubMiniature A
S11 – Perda de retorno
9
SUMÁRIO
1. Introdução ............................................................................................................................. 10
2. Métodos ................................................................................................................................. 10
3. Desenvolvimento ................................................................................................................... 11
3.1 Analisar os artigos selecionados .................................................................................. 11
3.2 Primeiras simulações no HFSS ..................................................................................... 11
3.2.1 As técnicas com os melhores ganhos....................................................................12
3.2.2 Combinação das 3 técnicas....................................................................................12
3.3. Tabelas ......................................................................................................................... 12
4. Investigação .......................................................................................................................... 16
4.1 Explorações no espaço de busca...................................................................................16
4.2 Adição de elementos parasitas......................................................................................17
5. Correlação...............................................................................................................................18
5.1 Mapa de correlação......................................................................................................19
5.2 Boxplot (Diagrama de caixa) .......................................................................................19
6. Resultados..............................................................................................................................20
6.1 Características da antena..............................................................................................20
6.2 Setup de medição .........................................................................................................21
6.3. Simulações .................................................................................................................. 22
6.4. Carta de Smith e coeficiente de relexão ...................................................................... 24
6.5. Comparação entre resultados medidos e simulados. ................................................... 25
7. Conclusão .............................................................................................................................. 26
8. Referências .......................................................................................................................... 266
10
1. Introdução
Nesta monografia são apresentados alguns métodos para melhorar o ganho de antenas
de microfita que são uma das maiores inovações no estudo de antenas. Estas são
constituídas por duas placas paralelas, um plano de terra e um plano chamado de ‘patch’
(elemento irradiador) com um elemento dielétrico entre elas chamado substrato, usada
principalmente na faixa de micro-ondas (0,3 GHz a 300 GHz),(Ladhar et al., 2015).
As antenas de microfita são indispensáveis em qualquer sistema de comunicação e
tem como principais vantagens o baixo custo, tamanho pequeno, é fácil de simular e
fabricar, mas tem como a principal desvantagem de apresentar baixo ganho. Surgindo
assim o interesse na pesquisa de técnicas para o melhoramento de ganho para antenas de
microfita que podem ser usadas tanto em aplicações comerciais, militares e mais
recentemente na área de saúde, (Hong et al., 2013).
A análise dos dados através da correlação mostra as melhores decisões paraotimizar
o ganho da antena proposta para esse estudo pode aumentar significativamente assim
podemos analisar qual variável de entrada terá maior influência nos parâmetros de saída.
Portanto torna-se possível aumentar o ganho ou a largura de banda da antena sem
degradar outros parâmetros importantes. Esta análise de dados pode ser aplicada para
resolver problemas em diferentes áreas de atuação.
A antena foi simulada, fabricada e medido no laboratório. Observou-se a melhora
significativa do ganho da antena e o surgimento de uma nova frequência de ressonância
que aumenta as suas aplicações.
Na seção 2 descreve pesquisa de algumas técnicas que melhoram o ganho da antena
de microfita. A seção 3 mostra o desenvolvimento do trabalho. A seção 4 descreve
investigação dos parâmetros da antena e a seção 5 descreve a correlação. As seções 6 e 7
mostram os resultados e a conclusão respectivamente.
2. Métodos
A pesquisa começou em março de 2018 inicialmente na base de dados do portal de
periódicos CAPES/MEC com os termos de busca “enhancement”, “gain”, “antenna”,
“microstrip”, apenas em descritores em inglês. A pesquisa no portal da CAPES
11
direcionou as seguintes bases de dados: ieeexplore.ieee.org; sciencedirect.com;
googleacademico.com; onlinelibrary.willey.com; webofscience.com; link.springer.com.
A soma de todos os documentos encontrados entre artigos, teses e dissertações foi de
17.162 para o período de publicação de 2015 até 2018, no entanto documentos anteriores
a este período foram incluídos no estudo.
3. Desenvolvimento
3.1 Analisar os artigos selecionados
Nesta etapa a leitura de cada artigo foi realizada e as técnicas foram adaptadas
para simulação da antena. Algumas técnicas não foram aplicadas porque alguns artigos
não informaram o tipo de material utilizado nas camadas do patch, outros apresentavam
formas irregulares dificultando a simulação, por exemplo. Analisar cada técnica
individualmente é um trabalho que requer muito tempo e torna-se importante porque a
melhora de um parâmetro frequentemente é acompanhada da degradação de outro
parâmetro, tornando necessário encontrar equilíbrio entre eles.
3.2 Primeiras simulações no HFSS e resultados iniciais
Após cumprir a etapa da pesquisa para a identificação de técnicas para melhorar
o ganho de antenas de microfita, o próximo passo foi utilizá-las para a simulação de uma
antena proposta no software HFSS v17.2 e assim verificar o ganho apresentado e se
manteve a frequência de ressonância.
Inicialmente a antena apresentava um ganho de 6 dB, a frequência de ressonância
em 2,15 GHz, o return loss de -29,03 dB e uma largura de banda de 0,1777 GHz, o
objetivo era melhorar esse valor e várias simulações foram realizadas com algumas
apresentando valor menor que o inicial.
12
3.2.1 As técnicas com os melhores ganhos
O artigo A COMPACT HIGH GAIN MICROSTRIP ANTENNA FOR
WIRELESS APPLICATIONS que apresenta cortes no plano de terra da antena,
apresentou um ganho de 6,40 dB que representa um aumento de 6,66 % sendo o maior
simulado. O artigo GAIN ENHANCEMENT OF MICROSTRIP PATCH ANTENNA
BY USING COMPLEMENTARY EBG GEOMETRIES que faz cortes redondos no
patch radiante da antena apresentou um ganho de 6,20 dB que representa um aumento de
3,43 % sendo o segundo maior simulado. O artigo HIGHER ORDER MODE
EXCITATION FOR HIGH GAIN MICROSTRIP PATCH ANTENNA que acrescenta
duas figuras geométricas fractais do tipo estrela no patch radiante da antena apresentou
um ganho de 6,06 dB que representa um aumento de 0,96 % sendo o terceiro maior
simulado, a frequência de ressonância foi mantida nas 3 simulações.
3.2.2 Combinação das 3 técnicas
A combinação das 3 técnicas também foi simulada, a primeira ocorreu entre o
artigo que apresenta corte no plano de terra e o artigo que faz cortes redondos no patch
irradiante da antena essa combinação apresentou um ganho de 6,48 dB que representa um
aumento de 8,11 %. A segunda combinação de técnicas ocorreu entre o artigo que
acrescenta duas figuras geométricas fractais do tipo estrela com o artigo que faz cortes
redondos no patch radiante da antena apresentando um ganho de 6,16 dB que representa
um aumento de 2,81 % e a terceira combinação simulada entre o artigo que acrescenta
duas figuras geométricas fractais do tipo estrela com o artigo que apresenta corte no plano
de terra apresentou ganho de 6,27 dB que representa um aumento de 4,59 %.
3.3 Tabelas
Selecionou-se 13 artigos para criar a Tabela 1 com ganho apresentado, o autor e o
ano de publicação, eficiência em porcentagem, viabilidade de construção, frequência de
13
ressonância antes e depois da aplicação do método. Essa parte de leitura e análise dos
artigos é muito importante porque poucos artigos apresentam todas as informações
necessárias para o estudo. É muito importante que apresentem as comparações entre antes
e depois da aplicação da técnica e a comparação entre a medição na simulação e na
montagem da antena.
N AUTOR/ANO G T M E V FA FD
1 LADHAR et al., 2015 11 dB Fractal de formato irregular
cellular-automata(ca) 1 450% Regular
3,1 E 10,6
GHZ
3,1 E 10,6
GHZ
2 FALLAH-RAD;
SHAFAI, 2008 8,3 dB
Antena embutida em meio
dielétrico 2 13.33% Regular
Não é
indicado
Não é
indicado
3
GNANAGURUNAT
HAN; SELVAN,
2012
40% ATÉ 50%
Estrutura bandgap (EBG)
complementar circular e
quadrada
3 45% Boa 8 GHZ 8 GHZ
4 KHAN; IHSAN, 2014 10,21 dB Excitação de ordem superior,
mudanças geométricas 4 34.29% Boa
2,5 GHZ; 7 GHZ E
16 GHZ
16 GHZ
5 AZARI, 2011 9,5 dB Geometria fractal ortogonal 1 950% Regular Não é
indicado
10 GHZ
Até 50 GHZ
6 HONG et al., 2013 3,52 dB Geometria fractal com
polarização circular 1 134.67% Regular
Não é
indicado 2 GHZ
7 ATTACHI; SALEH;
BOUZOUAD, 2017 9 dB Camadas de Metamaterial 5 123.28% Regular 43,5 GHZ 43,5 GHZ
8 GAO; CAI; ZHU, 2016
2,2 dB Metamaterial de permissibilidade negativa
5 34.42% Regular
4,33 GHZ
Até 5,56
GHZ
5,2 GHZ
Até 6,75
GHZ
9 PARK et al., 2010 6,5 dB Estrutura bandgap (EBG)
circular e camada de ar 2,3 83.07% Regular 3,08 GHZ
2,96 GHZ Até 3,25
GHZ
10 GANGWAR; DAS;
YADAVA, 2017 7,6 dB
Metamaterial ressoador com
anel dividido 2,5 114.63% Regular 5,9 GHZ
4,5 GHZ
Até 7 GHZ
11 KENARI;
MOGHADASI, 2014 3,96 dB Metamateriais 5 865.85% Regular
Não é
indicado
2,25 Até
4,7 GHZ
12 MANDAL;
SARKAR, 2013 7,2 dB
Cortes no plano do solo e
polarizada circularmente 2,4 44% Bom 5,2 GHZ
3 GHZ E
5,2 GHZ
13 MEKKI et al., 2015 9,5 dB Camada refletora 2,3 131% Bom Não é
indicado 2,45 GH
N número do artigo, G ganho final apresentado pelo artigo, T técnica apresentada para melhorar o ganho, M classificação dos métodos
utilizados conforme tabela 2, E eficiência apresentada percentualmente, V viabilidade de construção da antena, FA frequência de ressonância apresentada antes da aplicação da técnica, FD frequência de ressonância apresentada depois da aplicação da técnica.
Tabela 1: Artigos para estudo das técnicas
Alguns artigos apresentam mais de um método para melhorar o ganho da antena,
a eficiência de ganho com o objetivo de priorizar os artigos na parte de simulação, a
viabilidade de simulação e construção da antena tendo em vista que alguns artigos
apresentam, por exemplo, formas incomuns ou materiais difíceis de encontrar para a
14
construção da antena, as duas últimas colunas são a frequência de ressonância antes da
aplicação da técnica que aumenta o ganho e frequência de ressonância e após a aplicação
da técnica mostrando se ocorreu alguma mudança significativa.
A primeira coluna classifica os artigos de 1 até 13, a segunda coluna contém o
nome do autor e o ano de publicação do artigo utilizado no estudo e a terceira coluna
apresenta o ganho em dB comparando com o radiador isotrópico, as colunas seguintes
mostram a técnica para melhorar o ganho, a numeração de cada classificação dos métodos
que está legendado na Tabela 2.
LEGENDA DA CLASSIFICAÇÃO DE MÉTODOS
1-FRACTAL
2-CAMADAS
3- ESTRUTURAS PERIÓDICAS
4-TIPOS GEOMETRICOS
5-METAMATERIAL
Tabela 2: legenda da classificação de métodos
Cada método apresenta uma solução diferente para melhorar o ganho da antena
de microfita. A geometria fractal tem formas semelhantes e podem ser subdivididas em
partes que são uma cópia de tamanho reduzido do todo, têm formas complicadas e
irregulares que aumentam a largura de banda e a radiação efetiva de antenas(Azari, 2011).
O método de estruturas periódicas acrescenta diferentes formas complementares a antena
impedindo as ondas eletromagnéticas de superfície irradiarem em uma determinada banda
de frequência melhorando o padrão de radiação na frequência de transmissão e
consequentemente o ganho da antena(Gnanagurunathan; Selvan, 2012).
Os metamateriais são produzidos artificialmente e possuem características físicas que
não são encontradas na natureza, aumentando a permissividade de um substrato é possível
melhorar a diretividade e o ganho de uma antena de microfita(Gangwar; Das; Yadava,
2017). Os tipos geométricos têm comportamento parecido com os fractais sem a
necessidade das partes reduzidas. Projetando essas geometrias aumentamos as ondas de
superfície em determinadas frequências aumentando assim o ganho da antena(Khan;
Ihsan, 2014). O método de camadas aumenta o ganho devido ao aumento na área de
radiação e a distribuição de corrente de fase ao longo das bordas radiantes(Khan; Ihsan,
2014).
15
A tabela 3 foi criada somente com as referências, (Chang; Jiang, 2009), (Gonzalo;
De Maagt; Sorolla, 1999), (Fallah-Rad; Shafai, 2003), (Attia et al., 2013), (Jackson;
Alexopoulos, 1985), (Ju et al., 2009), (Boutayeb; Denidni, 2007), (Yiren Wang; Chieh;
Anh-Vu Pham, 2011), (Liu; Wang; Zeng, 2013), (Sheng Ye et al., 2012), (Guha;
Banerjee; Kumar, 2012), (Perron; Denidni; Sebak, 2009), (Fazal; Khan; Ihsan, 2012),
(Hsieh; Lee, 2000), (Nasimuddin; Esselle; Verma, 2005), (Quan Li; Zhongxiang Shen,
2002) voltadas para o ganho da antena de cada artigo selecionado, contendo o número
dos artigos de cada referência, autor e ano, ganho, método para melhorar o ganho,
deixando de fora as referências que tratam de outros assuntos para a construção da antena.
A Tabela 3 mostra as referências dos 13 artigos selecionados inicialmente que estão
relacionados ao ganho, a primeira coluna mostra o número do artigo da Tabela 1, as
colunas seguintes contêm o nome do autor e ano de publicação do artigo, o ganho
apresentado e a técnica usada para aumentar o ganho.
N AUTOR/ANO G T
6 CHANG; JIANG, 2009 9,3 DB Antena polarizada e fractal
3 GONZALO; DE MAAGT; SOROLLA, 1999 10 DB Substrato fotônico
3 FALLAH-RAD; SHAFAI, 2003 3,4 DB Estruturas periódicas eletromagnéticas (EBG)
10 ATTIA et al., 2013 3,4 DB Substrato com índice de elevação elevado
10, 9, 4 JACKSON; ALEXOPOULOS, 1985 6 DB Substrato dielétrico
10 JU et al., 2009 5 DB Substrato de Metamaterial
9 BOUTAYEB; DENIDNI, 2007 2,9 DB Substrato cristal
8 YIREN WANG; CHIEH; ANH-VU PHAM,
2011 4,57 DB Substrato de polímero de cristal líquido
8 LIU; WANG; ZENG, 2013 1,5 DB Metamaterial de permeabilidade negativa em substrato cerâmico
8 SHENG YE et al., 2012 34,1 DB Arranjos de antenas
4 GUHA; BANERJEE; KUMAR, 2012 8 DB Ressoador dielétrico cilíndrico
4 PERRON; DENIDNI; SEBAK, 2009 11,9 DB Ressonador dielétrico híbrido
4 FAZAL; KHAN; IHSAN, 2012 9,44 DB Fractal
12 HSIEH; LEE, 2000 18,5 DB Dupla estrutura
12 NASIMUDDIN; ESSELLE; VERMA, 2005 4,2 DB Polarização circular
12 QUAN LI; ZHONGXIANG SHEN, 2002 6,1 DB Estrutura invertida, o substrato está invertido
N número do artigo, G ganho apresentado pelo artigo, T técnica apresentada para melhorar o ganho
Tabela 3: referências do ganho dos artigos selecionados
Cada artigo da Tabela 1 apresenta as referências de muitos assuntos voltados para a
justificativa do trabalho. A Tabela 3 apresenta apenas as referências voltadas ao ganho da
16
antena, sendo utilizada para trazer a teoria das técnicas e assim justificar o uso de cada
técnica que será aplicada na antena de microfita.
4. Investigação
4.1 Explorações no espaço de busca
Três parâmetros da antena, mostrada na Figura 1, foram mudadas para observar os
efeitos causados no ganho, frequência de ressonância, return loss e largura de banda, um
dataset foi criado com 135 resultados dessas simulações.
(a)
(b)
Figura 1: Antena proposta para o estudo das técnicas de ganho. Vista
superior(a) e vista inferior(b)
17
Inicialmente as variações foram 0,5 mm e encontramos o maior valor do ganho sendo
6,82 dB que representa 13,66 % a mais que o valor inicial, a frequência de ressonância de
2,2 GHz, o return loss de -18,61 dB e uma largura de banda de 0,14 GHz.
Ocorreu a mudança do material da antena para FR4 por ser o material encontrado no
laboratório para confecção da antena pesquisada. Com a essa mudança o maior ganho
encontrado que tinha sido de 6,82 dB caiu para 5,10 dB, tal queda ocorreu por que a
permissibilidade saiu de 2,17 com o Arlon CuClad 217 para 4,4 com o FR4_epoxy
influenciando assim diretamente o ganho da antena. Outras técnicas que aumentassem o
ganho da antena foram pesquisadas e simuladas, a primeira delas foi acrescentar
elementos parasitas (Mekki et al., 2015) afastados 2 mm da parte superior da antena, na
simulação chamado DS, e inferior da antena, na simulação chamado de DI, em formato
retangular mostrado na Figura 2. Inserindo 3 dessas formas com tamanho de 8mm X
30mm conseguimos melhorar o ganho que chegou a 5,95 dB, uma frequência de
ressonância em 2,15 GHz e return loss de -17,64 dB, um detalhe importante foi o
surgimento de uma nova frequência de ressonância em 3,95 GHz com return loss de -
16,66 dB.
(a) (b)
Figura 2: Antena com elementos parasitas na parte superior e inferior. Vista
superior(a) e vista lateral(b)
4.2 Adição de elementos parasitas
18
Observando o primeiro dataset chegou-se à conclusão que dois parâmetros têm maior
influência sobre o ganho, nomeados de R2 e R3 mostrado na Figura 2. Um novo dataset
foi gerado desprezando o valor de R1 e acrescentando o valor da distância superior (DS)
e distância inferior (DI) dos parasitas em relação a antena, R2 e R3 com 81 resultados,
tabela 7 mostra os melhores resultados encontrados para o ganho.
Tabela 4: Medidas da antena que apresentaram maior ganho
Para escolher os valores para fabricação da antena no laboratório o maior return
loss foi considerado e influenciou diretamente na escolha das medidas para R3=3,0 mm,
R2=-10 mm, DS=2,5 mm e DI=-1,5mm.
5. Correlação
Com duas ou mais variáveis além das medidas individuais, também é de interesse
conhecer se elas têm algum relacionamento entre si, isto é, se valores altos (baixos) de
uma das variáveis implicam em valores altos (ou baixos) da outra variável, esse
relacionamento é conhecido como correlação. O número que mede esse relacionamento
é chamado de coeficiente de correlação, pode variar de –1,00 a + 1,00, com um coeficiente
de +1, indicando uma correlação linear positiva perfeita e um coeficiente de correlação
de –1, indica correlação linear perfeita negativa. Uma correlação de +1 ou –1 é raramente
observado. O mais comum é que o coeficiente fique situado no intervalo entre estes dois
valores. Um coeficiente de correlação “0”, significa que não existe um relacionamento
linear entre as duas variáveis,(VIALI, [s.d.]).
19
5.1 Mapa de correlação
Os valores do dataset foram usados para observar a correlação entre as variações de
tamanho da antena com os parâmetros desejados. Os valores do dataset foram utilizados
nos softwares python, pandas, numpy, matplotlib para gerar a tabela de correlação
mostrada na Tabela 5 e o boxplot mostrado na Figura 3. Podemos observar na tabela de
correlação que a variável DS tem a maior correlação com o ganho da antena, isso mostra
que as mudanças realizadas nos valores de DS terão maior influência no ganho final. Se
a intenção é mudar a Frequência de Ressonância 1 (FR1) as variações feitas em DS terão
mais efeitos, já no return loss 1 (RL1) as variações em DI terão maior influência que as
outras variáveis de entrada, variando o valor de R3 terá melhor efeito no Bandwidth
(WB1).
Tabela 5: Mapa de correlação
5.2 Boxplot
O boxplot ou diagrama de caixa é uma ferramenta gráfica que permite visualizar a
distribuição e valores discrepantes dos dados, fornecendo assim um meio complementar
para desenvolver uma perspectiva sobre o caráter dos dados. Além disso, o boxplot
também é uma disposição gráfica comparativa. Falando estatisticamente que a variável
de entrada DI tem comprimento de caldas de distribuição maior que R3 e DS, a dispersão
da correlação é praticamente a mesma entre DS, DI e R3, pois o tamanho das caixas é
20
visualmente igual, pela posição das caixas observamos correlação positiva em R3 e DI
enquanto DS correlação negativa. Por fim a linha vermelha indica que a mediana de R3,
DS e DI estão próximas de correlação nula.
Figura 3: Boxplot
6. Resultados
6.1 Características da antena
Usando o substrato FR4 com permissividade de 4,4 a antena proposta foi fabricada
no laboratório de antenas localizado no centro tecnológico da UFRN. Primeiramente, os
adesivos com as medidas da antena foram impressos em uma gráfica particular, o passo
seguinte foi fixar os adesivos no FR4 cortado no tamanho da antena e fazer a corrosão
usando Percloreto de Ferro, o próximo passo foi soldar a conector SMA para alimentação
da antena e por último fixar as camadas parasitas na parte superior e inferior da antena
usando espaçadores de polímero Politetrafluoretileno conhecido como teflon, esses
espaçadores causam poucas interferências nas medições e foram colados na superfície da
antena, o resultado final da antena pronta para as medições é mostrado na Figura 4.
21
Figura 4: Protótipo para medições
6.2 Setup
As medições da antena foram feitas no laboratório de antenas da Instituto Federal da
Paraíba (IFPB), foram medidos o coeficiente de reflexão (S11) mostrado nas Figuras 5 e
6, a carta de Smith mostrada na Figura 10.
Figura 5: Medição do coeficiente de reflexão (S11) no laboratório
22
Figura 6: Coeficiente de reflexão (S11) medida no laboratório
6.3 Simulações
As simulações feitas no software HFSS que gerou o S11 simulado mostrado na
Figura 7, a carta de Smith na Figura 8 e na Figura 9 é mostrado o ganho simulado no
HFSS.
Figura 7: Coeficiente de reflexão (S11) simulada no HFSS
23
Devido à utilização de conectores do tipo SMA com impedância característica de 50,
deve-se encontrar um ponto no patch onde a impedância de entrada seja equivalente à
impedância do conector, otimizando o coeficiente de reflexão da antena. As diferenças
encontras entre a carta de Smith simulada na Figura 8 e medida, apresentada na Figura
10 são devido a solda do conector SMA e a distância de aproximadamente 1 mm dele
para o substrato da antena.
Figura 8: Carta de Smith simulada no HFSS
O diagrama de radiação de uma antena pode ser definido como uma função
matemática ou representação gráfica das propriedades de radiação de uma antena em
função de coordenadas espaciais. A determinação do padrão de radiação de uma antena é
feita a partir da força medida em campos distantes em relação à antena. A Figura 9 mostra
a representação gráficas para análise do padrão de radiação da antena simulada no HFSS,
sendo possível obter o ganho simulado que corresponde a 6,25 dB.
A leitura do diagrama de radiação permite a obtenção de parâmetros importantes para
caracterizar a aplicabilidade de uma antena. Através dele é possível conhecer a
diretividade, analisando o lóbulo principal e a formação de lóbulos laterais e traseiros.
24
Figura 9: Ganho simulado no HFSS
6.4 Carta de Smith
A carta de Smith é uma ferramenta gráfica de auxílio à resolução de problemas
em linhas de transmissão desenvolvida em 1939 por P. Smith nos laboratórios da Bell
Telephone. Entre outros métodos de análise de impedância e coeficientes de reflexão, ela
é a mais conhecida e utilizada. Além disso, o uso da carta de Smith é de suma importância
para o projeto de antenas de microfita, pois com a análise dos parâmetros fornecidos por
ela, torna-se possível a otimização do casamento de impedância entre a carga e a linha de
transmissão.
25
Figura 10: Carta de Smith medida no laboratório
6.5 Comparação entre simulado e medido
Usando o software MatLab foi possível fazer a comparação entre os gráficos do
S11 medido e simulado, gerando o gráfico da Figura 11, sendo possível observar a
semelhança entre as curvas simulada e medida. Algumas diferenças são devidas as perdas
na fabricação da antena como solda do conector e o alinhamento entre as placas com os
elementos parasitas. Ao observar o gráfico da Figura 11 a simulação apresentou as
frequências de ressonâncias em 2,2 e 3,5 GHz enquanto na medição os valores foram
aproximadamente 2,5 e 3,5 GHz, os valores do S11 simulados são -23,46 e -16,73 dB
enquanto os medidos são aproximadamente -17 e -14 dB.
Figura 11: Gráfico com coeficiente de reflexão (S11) simulada e medida
26
7. Conclusão
Neste trabalho foram investigadas técnicas para a melhoria de ganho da antena de
microfita proposta, o estudo passou por etapas teóricas desde a pesquisa de artigos com
técnicas que melhoram o ganho, criação de um dataset, estudo da correlação, simulações
no HFSS e MatLab e na etapa prática a construção da antena ajudou a tornar o trabalho
completo.
Com os resultados das simulações do software HFSS construiu o dataset, enquanto
os softwares python, pandas, numpy, matplotlib forneceram os mapas de correlação e o
boxplot mostrando a eficiência de uma investigação, comprovando que o estudo da
correlação foi utilizado para identificar a sensibilidade das variáveis em função dos
parâmetros. Existem muitos métodos para aumentar o ganho da antena. Alguns métodos
foram estudados neste trabalho e aplicados na antena proposta que teve o ganho final
maior e o surgimento de uma frequência ressonância que amplia as suas aplicações.
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