Elaboração e construção de uma antena planar Explicação de um … · 2010-02-02 · AGENDA...
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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
Projecto “GEBA”
01-02-2010
•Introdução;
•Vantagens/Desvantagens;
•Pré-dimensionamento;
•Projecto;
•Simulações;
•Fabrico;
•Medições reais;
•Técnicas de ajuste da frequência de ressonância.
AGENDA
2/1/2010 2Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
•Necessidade de aumentar o alcance obtido com as
antenas omnidireccionais anteriores.
INTRODUÇÃO
2/1/2010 3Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
7,49 Km 68 KBps 544 Kbps
INTRODUÇÃO
2/1/2010 4Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
7,49 Km 68 KBps 544 Kbps
VANTAGENS/DESVANTAGENS
2/1/2010 5Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
Vantagens Desvantagens
Baixo PesoLargura de Banda útil
reduzida
Baixo Custo
Flexibilidade em termos de polarização e diagrama de
radiação
Para melhorar a eficiência da potência
disponível para a radiocomunicação, definiram-
se como requisitos para a antena direccional:
Frequência central2.462 GHz
(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 6Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
REQUISITOS DE PROJECTO
PRÉ-DIMENSIONAMENTOCom vista a estimar a dimensão, espaçamento,
disposição e número de elementos.
Com o software PCAAD, realizaram-se diversassimulações, sendo esta a solução adoptada:
Frequência 2.462 GHz
Nº elementos 4x4
Espaçamento entre elementos 9,15 cm
Distribuição de Amplitude e Fase Uniforme
Tipo de elemento Quadrado
Dimensões do elemento 3x3 cm
Directividade 20.1 dBi
L. Lóbulo PP (-3 dB) 17.22 2/1/2010 7
PRÉ-DIMENSIONAMENTO
2/1/2010 8
DIMENSIONAMENTOA tecnologia Microstrip - introdução
Dadas as características do substrato, a frequênciade trabalho e as dimensões das linhas/elementos, ter-se-ão impedâncias diferentes.
Uma estrutura bem adaptada (teoria das linha detransmissão) terá um factor de reflexão baixo (e porconseguinte poucas perdas).
Estrutura Microstrip Elemento alimentado por linha impressa
2/1/2010 9Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
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 10Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
DIMENSIONAMENTO
A tecnologia Microstrip – adaptação de impedâncias
2 técnicas simples:
Transformador de λ/4 (ideal para adaptar linhas de
impedância diferente).
Em linhas
Microstrip
Em linhas de
transmissão
2/1/2010 11Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
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 12Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
DIMENSIONAMENTO
A tecnologia Microstrip
Estrutura sobre a qual se irá construir a antena:
CobreEspessura = 0.035 mm
Condutância = 5.8 x 107S
Substrato
RT Duroid 5880
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 13Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
DIMENSIONAMENTO
DIMENSIONAMENTO
01-02-2010 14
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 15Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
DIMENSIONAMENTO
Linha de 150 Ω
Transformador de λ/4
2/1/2010 16Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
DIMENSIONAMENTO
Linha de 150 Ω
Transformador de λ/4
2/1/2010 17Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
DIMENSIONAMENTO
Linha de 150 Ω
Transformador de λ/4
2/1/2010 18Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
DIMENSIONAMENTO
DIMENSIONAMENTO
2/1/2010 19Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
Elemento com slots
para ter impedância
de entrada de 150 Ω
e dimensionado para
f=2,462GHz
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
SIMULAÇÃO
2/1/2010 20Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
Modelo a analisar Possível malha para análise
Simulações
01-02-2010 21
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7
S11
[d
B]
Frequência [GHz]
Banda (-10dB)
Banda IEEE 802.11g
FABRICO
2/1/2010 22Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
FABRICO
2/1/2010 23Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
FABRICO
2/1/2010 24Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
Produto Final
SIMULAÇÕES REAIS
2/1/2010 25Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
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
S11
[d
B]
Frequência [GHz]
ExperimentalSimulation
2/1/2010 26Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
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
S11
[d
B]
Frequência [GHz]
ExperimentalSimulation
SIMULAÇÕES REAIS
2/1/2010 27Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 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.
SUPERSTRATO
2/1/2010 28Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
•Consiste na utilização de uma camada de
dieléctrico com espessura e constante dieléctrica
rigorosamente conhecidos.
Plano de terra
Camada de Substrato
Elementos de CobreSuperstrato
SUPERSTRATO 0,3 mm
2/1/2010 29Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
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
S11
[d
B]
Frequência [GHz]
Experimental
Simulation
Er=2
Er=6
SUPERSTRATO 0,5 mm
2/1/2010 30Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
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
S11
[d
B]
Frequência [GHz]
Experimental
Simulation
Er=2
Er=6
Er=10
SUPERSTRATO
2/1/2010 31Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
•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.
STUB/SLOT
2/1/2010 32Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
Ws
Ls
d
W
L
•Consiste na utilização em
adicionar ou retirar um pedaço de
cobre ao elemento;
•Possibilita ter um comprimento
equivalente maior (stub) e menor
(slot);
•Maior comprimento equivalente
baixamos a frequência de
ressonância e vice-versa.
STUB/SLOT
2/1/2010 33Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
Ws
Ls
d
W
L
•Como Ls é muito pequeno
comparativamente com as
dimensões do elemento a
adaptação de impedâncias é
pouco influenciada.
STUB/SLOT
2/1/2010 34Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
Ws
Ls
d
W
L
Ws = 2 mm
Ls = 1 mm
Ls = -1 mm
STUB/SLOT
2/1/2010 35Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
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
S11
[d
B]
Frequência [GHz]
ExperimentalSimulationStub +1mmStub -1mm
STUB/SLOT
2/1/2010 36Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
Ws
Ls
d
W
L
Ws = 2 mm
Ls = 5 mm
Ls = -5 mm
STUB/SLOT
2/1/2010 37Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
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
S11
[d
B]
Frequência [GHz]
Experimental
Simulation
Stub +5mm
Stub -5mm
STUB/SLOT
2/1/2010 38Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
Ws
Ls
d
W
L
Ws = 4 mmLs = 1 mmLs = -1 mm
STUB/SLOT
2/1/2010 39Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
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
S11
[d
B]
Frequência [GHz]
Experimental
Simulation
Stub Ws=4 Ls=+1
Stub Ws=4 Ls=-1
STUB/SLOT
2/1/2010 40Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
Ws
Ls
d
W
L
Ws = 4 mmLs = 5 mmLs = -5 mm
STUB/SLOT
2/1/2010 41Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
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
S11
[d
B]
Frequência [GHz]
Experimental
Simulation
Stub Ws=4 Ls=+5
Stub Ws=4 Ls=-5
01-02-2010 42Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
Questões
01-02-2010 43Reunião Semanal de 26 de Janeiro de 2010
The End