Como aferido anteriormente, a inserção do recorte no plano terra provoca maiores larguras de banda decorrentes da redução dos níveis do coeficiente de reflexão, assim sendo todas as antenas propostas a seguir receberão essa fenda. A partir da estrutura ilustrada na Figura 4.1 (a), algumas outras estruturas foram propostas variando-se os raios internos do patch principal e outras com a inserção de elementos parasitas circulares concêntricos ao patch em anel.
Para chegar aos valores dos raios internos do patch principal e dos raios dos elementos parasitas, r = 16,6 mm foi multiplicado pelas razões de variação 0,25, 0,33 e 0,20, respectivamente. Os valores resultantes foram subtraídos gradativamente do raio externo de forma que permitiu encontrar diversos valores inferiores a ele, cujos quais foram utilizados nos raios internos. Em outras palavras, cada um desses raios é uma dedução de r, atendendo a
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uma das razões, o que resulta em quantidades variadas de possíveis raios internos. Há exceção, apenas, para as estruturas representadas na Figura 4.16 (b) e Figura 4.17 (b), onde a separação entre o patch principal e o elemento parasita é fixada em 1 mm, não variando de acordo com as razões supracitadas.
As estruturas propostas, com a inserção de elementos parasitas, estão ilustradas em Figura 4.16, Figura 4.17 e Figura 4.18. As dimensões e larguras de banda dessas estruturas, sem e com a inserção de elementos parasitas, estão elencadas em Tabela 4.2 e Tabela 4.3, respectivamente.
(a) (b)
Figura 4.16 - Estruturas consideradas para analise da inserção de elementos parasitas atendendo à razão de 0,25, em que: (a) Estrutura 1, (b) Estrutura 2.
(a) (b)
Figura 4.17 - Estruturas consideradas para analise da inserção de elementos parasitas atendendo à razão de 0,33, em que: (a) Estrutura 1, (b) Estrutura 2.
(a) (b)
Figura 4.18 - Estruturas consideradas para análise da inserção de elementos parasitas atendendo à razão de 0,20, em que: (a) Estrutura 1, (b) Estrutura 2.
r1 r r2 r r1 r2 r1 r r2 r r1 r2 r1 r r2 r1 r r2
Essas estruturas for comportamentos em relação à 4.20 e Figura 4.21, para a razã Figura 4.25, para 0,20.
(a)
Figura 4.19 – (a) Frente e (b) ver
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oram construídas e estão representadas na F à frequência de ambas as estruturas estão ilustr zão de 0,25, Figura 4.22 e Figura 4.23, para 0,33
(b) erso das antenas construídas com recorte no plano terra e el
Figura 4.19. Os strados na: Figura 33, e Figura 4.24 e
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Figura 4.20 - Comparativo entre simulações e caracterização experimental da Estrutura 1 com recorte no plano terra e atendendo à razão de 0,25.
Figura 4.21 - Comparativo entre simulações e caracterização experimental da Estrutura 2 com recorte no plano terra e atendendo à razão de 0,25.
r1 r r2 r r1 r2
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Figura 4.22 - Comparativo entre simulações e caracterização experimental da Estrutura 1 com recorte no plano terra e atendendo à razão de 0,33.
Figura 4.23 - Comparativo entre simulações e caracterização experimental da Estrutura 2 com recorte no plano terra e atendendo à razão de 0,33.
r1 r r2 r1 r r2
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Figura 4.24 - Comparativo entre simulações e caracterização experimental da Estrutura 1 com recorte no plano terra e atendendo à razão de 0,20.
Figura 4.25 - Comparativo entre simulações e caracterização experimental da Estrutura 2 com recorte no plano terra e atendendo à razão de 0,20.
r1 r r2 r r1 r2
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As dimensões e respostas em frequência extraídas das simulações para as seis estruturas apresentadas nesta seção estão elencadas na Tabela 4.2 e Tabela 4.3
Tabela 4.2 – Comparativo entre as frequências obtidas para as estruturas propostas, sem elemento parasita. r1 (mm) finf (GHz) fsup (GHz) BW (GHz) 0,2 5 Estrutura 1 12,450 1,5 15,8 14,3 Estrutura 2 8,300 1,6 12,3 10,7 Estrutura 3 4,150 1,6 12,4 10,8 0,3 3 Estrutura 1 11,122 1,5 12,6 11,5 Estrutura 2 5,644 1,6 12,4 10,8 0,2 0 Estrutura 1 13,280 1,5 12,8 10,9 Estrutura 2 9,960 1,6 12,4 10,8 Estrutura 3 6,640 1,6 12,4 10,8 Estrutura 4 3,320 1,6 12,5 10,9
Tabela 4.3 – Comparativo entre as frequências obtidas para as estruturas propostas, com elemento parasita. r1 (mm) r2 (mm) finf (GHz) fsup (GHz) BW (GHz) 0,25 Estrutura 1 8,300 4,150 1,6 12,3 10,7 Estrutura 2 9,300 8,300 1,6 12,2 10,6 0,33 Estrutura 1 11,122 5,644 1,5 12,5 11,0 Estrutura 2 6,644 5,644 1,5 12,7 11,2 0,20 Estrutura 1 13,280 6,640 3,0 12,7 9,7 Estrutura 2 9,960 3,320 1,5 12,5 11,0
Com base nos resultados obtidos na Tabela 4.2 e Tabela 4.3, é possível afirmar que todas as antenas propostas atendem às exigências de largura de banda para sistemas de banda ultra larga, oferecendo frequências inferior e superior até além do que está especificado pela FCC. Ademais, percebe-se aumento da largura de banda apenas para a Estrutura 2, atendendo à razão 0,33, e para Estrutura 2, atendendo à razão 0,20, no entanto a primeira foi aquela que ofereceu o pior resultado quanto a largura de banda, enquanto que a segunda apresentou o melhor quando comparada àquelas estruturas com elemento parasita. Contudo, considerando todas elas, sem e com elemento parasita, a que ofereceu melhor resultado foi a Estrutura 1 sem elemento parasita, atendendo à razão 0,25, que ofereceu uma BW de 14,3 GHz.
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As correntes de superfície das seis estruturas apresentadas nesta seção, simuladas pelo Ansoft HFSS®, estão ilustradas através da Figura 4.26, Figura 4.27 e Figura 4.28.
(a)
(b)
Figura 4.26 – Distribuição do campo elétrico simulada no Ansoft HFSS® para: (a) Estrutura 1 e (b) Estrutura 2,
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(a)
(b)
Figura 4.27 – Distribuição do campo elétrico simulada no Ansoft HFSS® para: (a) Estrutura 1 e (b) Estrutura 2,
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(a)
(b)
Figura 4.28 – Distribuição do campo elétrico simulada no Ansoft HFSS® para: (a) Estrutura 1 e (b) Estrutura 2,
ambas atendendo à razão de 0,20, frequência de 7,3 GHz.
A seguir, estão dispostos as Cartas de Smith e os diagramas de radiação com base no ganho das antenas, ambos extraídos do Ansoft HFSS®, relativos a cada uma das seis estruturas
propostas nesta seção. As Cartas de Smith foram obtidas para a faixa de 1 GHz a 20 GHz e os diagramas de radiação, tanto em duas como em três dimensões, foram obtidos para quatro
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frequências: 3,1 GHz, 5,8 GHz (frequência de operação do WiMAx no Brasil), 7,3 GHz e 10,6 GHz.
Figura 4.29 –Carta de Smith da Estrutura 1 atendendo à razão de 0,25.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 4.30 – Diagramas de radiação 3D para a Estrutura 1 atendendo à razão de 0,25: (a) 3,1 GHz, (b) 5,8 GHz, (c) 7,3 GHz e (d) 10,6 GHz.
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(a)
(b)
Figura 4.31 – Diagramas de radiação 2D da Estrutura 1 atendendo à razão de 0,25: (a) Cortes horizontais (φ, θ=90) e (b) Cortes verticais ou azimutal (θ, φ=0).
Freq. = 3,1 GHz Freq. = 5,8 GHz Freq. = 7,5 GHz Freq. = 10,6 GHz Freq. = 3,1 GHz Freq. = 5,8 GHz Freq. = 7,5 GHz Freq. = 10,6 GHz
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Figura 4.32 –Carta de Smith da Estrutura 2 atendendo à razão de 0,25.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 4.33 – Diagramas de radiação 3D para a Estrutura 2 atendendo à razão de 0,25: (a) 3,1 GHz, (b) 5,8 GHz, (c) 7,3 GHz e (d) 10,6 GHz.
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(a)
(b)
Figura 4.34 – Diagramas de radiação 2D da Estrutura 2 atendendo à razão de 0,25: (a) Cortes horizontais (φ, θ=90) e (b) Cortes verticais ou azimutal (θ, φ=0).
Freq. = 3,1 GHz Freq. = 5,8 GHz Freq. = 7,5 GHz Freq. = 10,6 GHz Freq. = 3,1 GHz Freq. = 5,8 GHz Freq. = 7,5 GHz Freq. = 10,6 GHz
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Figura 4.35 –Carta de Smith da Estrutura 1 atendendo à razão de 0,33.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 4.36 – Diagramas de radiação 3D para a Estrutura 1 atendendo à razão de 0,33: (a) 3,1 GHz, (b) 5,8 GHz, (c) 7,3 GHz e (d) 10,6 GHz.
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(a)
(b)
Figura 4.37 – Diagramas de radiação 2D da Estrutura 1 atendendo à razão de 0,33: (a) Cortes horizontais (φ, θ=90) e (b) Cortes verticais ou azimutal (θ, φ=0).
Freq. = 3,1 GHz Freq. = 5,8 GHz Freq. = 7,5 GHz Freq. = 10,6 GHz Freq. = 3,1 GHz Freq. = 5,8 GHz Freq. = 7,5 GHz Freq. = 10,6 GHz
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Figura 4.38 –Carta de Smith da Estrutura 2 atendendo à razão de 0,33.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 4.39 – Diagramas de radiação 3D para a Estrutura 2 atendendo à razão de 0,33: (a) 3,1 GHz, (b) 5,8 GHz, (c) 7,3 GHz e (d) 10,6 GHz.
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(a)
(b)
Figura 4.40 – Diagramas de radiação 2D da Estrutura 2 atendendo à razão de 0,33: (a) Cortes horizontais (φ, θ=90) e (b) Cortes verticais ou azimutal (θ, φ=0).
Freq. = 3,1 GHz Freq. = 5,8 GHz Freq. = 7,5 GHz Freq. = 10,6 GHz Freq. = 3,1 GHz Freq. = 5,8 GHz Freq. = 7,5 GHz Freq. = 10,6 GHz
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Figura 4.41 –Carta de Smith da Estrutura 1 atendendo à razão de 0,20.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 4.42 – Diagramas de radiação 3D para a Estrutura 1 atendendo à razão de 0,20: (a) 3,1 GHz, (b) 5,8 GHz, (c) 7,3 GHz e (d) 10,6 GHz.
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(a)
(b)
Figura 4.43 – Diagramas de radiação 2D da Estrutura 1 atendendo à razão de 0,20: (a) Cortes horizontais (φ, θ=90) e (b) Cortes verticais ou azimutal (θ, φ=0).
Freq. = 3,1 GHz Freq. = 5,8 GHz Freq. = 7,5 GHz Freq. = 10,6 GHz Freq. = 3,1 GHz Freq. = 5,8 GHz Freq. = 7,5 GHz Freq. = 10,6 GHz
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Figura 4.44 –Carta de Smith da Estrutura 2 atendendo à razão de 0,20.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 4.45 – Diagramas de radiação 3D para a Estrutura 2 atendendo à razão de 0,20: (a) 3,1 GHz, (b) 5,8 GHz, (c) 7,3 GHz e (d) 10,6 GHz.
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(a)
(b)
Figura 4.46 – Diagramas de radiação 2D da Estrutura 2 atendendo à razão de 0,20: (a) Cortes horizontais (φ, θ=90) e (b) Cortes verticais ou azimutal (θ, φ=0).
Freq. = 3,1 GHz Freq. = 5,8 GHz Freq. = 7,5 GHz Freq. = 10,6 GHz Freq. = 3,1 GHz Freq. = 5,8 GHz Freq. = 7,5 GHz Freq. = 10,6 GHz
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Mais uma vez, devido à complexidade dos campos, uma análise relacionando a distribuição de campo elétrico com os modos existentes é limitada de acordo com as ilustrações da distribuição de campo elétrico. Entretanto, observa-se uma concentração do campo elétrico na região do recorte no plano terra, o que favorece o acoplamento entre os modas.
A partir de aproximadamente 2 GHz, observa-se nas Cartas de Smith que a parte real da impedância varia entre 25 Ω e 100 Ω, para uma impedância normalizada em relação a 50 Ω. É possível perceber que os diagramas de radiação são semelhantes para todas as antenas analisadas com elemento parasita, apresentando comportamento quase onidirecional nos cortes horizontais, principalmente no início da banda de interesse (3,1 GHz), apesar desta oferecer menor ganho. À medida que a frequência aumenta, com a excitação de modos superiores, a geometria do diagrama de radiação torna-se mais complexa.
A Estrutura 1, atendendo à razão de 0,20, ilustrada na Figura 4.18 (a), foi a que ofereceu maior ganho, segundo a simulação representada pela Figura 4.18 (d), alcançando o valor de 6,1020 dBi nos lóbulos de maior intensidade.
4.4. Síntese do capítulo
Neste capítulo, foram apresentadas algumas propostas de estruturas envolvendo patches com e sem recorte no plano terra deslocado (monopolo). Posteriormente, foram propostas outras estruturas sem e com elemento parasita, ambas com recorte no plano terra, para que fossem obtidos menores níveis de perda de retorno. Para todas elas, seus coeficientes de reflexão (S11) foram simulados, os caracterizados experimentalmente e comparados entre
si. Para aquelas antenas com elemento parasita, foram obtidas suas distribuições de corrente de superfície, diagramas de radiação em duas e três dimensões, bem como suas Cartas de Smith, ambos simulados no Ansoft HFSS®. No intuito de facilitar a percepção das antenas que foram comparadas, suas dimensões e respostas em frequência foram dispostas em tabelas.
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