Antena M1 BWA | WiMax | Fractal
Protótipo de uma antena BWA.
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0911 Horizon
COMUNICACAO MOVEL
RedesSemFioAula02
Antenas e Linhas de Transmissao
Antena Patch Quase-Fractal para Aplicações em Redes Sem Fio de Banda Larga
Marcelo da Silva Vieira, Rodrigo César Fonseca da Silva e Elder Eldervitch Carneiro de Oliveira
Centro de Ciências Exatas e Sociais Aplicadas Universidade Estadual da Paraíba Patos, Brasil
marcelo.mib00@gmail.com
Resumo—Este trabalho apresenta uma antena patch quase- fractal multibanda e baixo perfil utilizando a curva fractal de Minkowski para aplicações na faixa 2 – 11 GHz (Acesso a rede sem fio banda larga - BWA). A antena proposta foi excitada pela técnica de linha de microfita e posteriormente analisada no simulador de onda completa Ansoft Design TM baseado no método dos momentos. Após algumas simulações com o intuito de investigar o comportamento em frequência, um protótipo foi construído e medido no analisador de rede vetorial com a finalidade de validar a antena proposta. Resultados simulados e medidos são apresentados e discutidos.
Palavras-chaves—Antenas de microfita; fractal de Minkowski; baixo perfil; micro-ondas
Com o grande crescimento de dispositivos sem fio (wireless) e consequentemente a queda no custo associado ao mesmo, à busca por dispositivos mais leves, compactos e principalmente com o custo reduzido, vem atraindo a atenção dos pesquisadores da área de engenharia de micro-ondas [1]. Acompanhando essa evolução, surge um grande esforço por parte dos pesquisadores em projetar dispositivos pequenos, capazes de operar em várias bandas de frequência (multibanda) sem degradar seu desempenho em termos de eficiência e características de radiação [1], [2]. Dispositivos que operem com tecnologia sem fio, por exemplo, o GSM (sistema global para comunicações móveis), RFID (identificação por radiofrequências), bluetooth, Wi-Fi, WiMax, resulta em demandas crescentes por antenas que apresente como características, serem compactas, leves e/ou multibanda. Por exemplo, a tecnologia WiMax (padrão IEEE 802.16a) surge como uma evolução dos sistemas Wi-Fi (padrão IEEE 802.11b/g) com promessas de cobertura de 8 a 10 Km para distribuição e alcance de até 50 Km para operar entre 2,0 GHz – 11,0 GHz, sem a necessidade de linha de visada em um canal de 75 Mbps [3].
Este artigo apresenta uma antena quase-fractal com dimensões reduzidas com algumas características atrativas, tais como, baixo custo, operação multibanda e boas características de radiação. O projeto da antena apresenta uma perda de retorno bem abaixo da condição limite de -10 dB (correspondente a um coeficiente de onda estacionária, ou seja
Wellington Candeia de Araújo e Rômulo Rodrigues de Morais Bezerra
Centro de Ciências Exatas e Sociais Aplicadas Universidade Estadual da Paraíba Patos, Brasil wcandeia@gmail.com
VSWR=2), neste caso a perda de retorno obtida na primeira frequência de ressonância (F r = 2,41 GHz ) foi de -29,1 dB, próximo a frequência de projeto desejada, que é de 2,44 GHz (banda ISM – Industrial Cientific and Medical, IEEE 802.11b/g). O comportamento multibanda apresentado pela antena quase-fractal proposta, a torna uma boa candidata a ser utilizada em equipamentos de acesso à rede sem fio banda larga (do inglês Broadband Wireless Access – BWA), operando dentro da faixa compreendida entre 2,0 GHz – 11,0 GHz. O protótipo de antena proposto foi construído e medido em um laboratório de telecomunicações para efeitos de validação do modelo proposto. A comparação entre os resultados medidos e simulados obtidos utilizando o software Ansoft Designer TM , foi realizada e uma boa concordância entre os resultados foi observada [4].
Na Seção II, descrevem-se o processo de geração da curva fractal de Minkowski bem como a estrutura da antena quase- fractal proposta. Resultados simulados e experimentais são apresentados na Seção III. A seção IV apresenta as conclusões desse artigo.
ESTRUTURA DA ANTENA QUASE-FRACTAL PROSPOSTA
termo fractal foi introduzido em 1975 pelo matemático
polonês Benoit Mandelbrot, que a difundiu pelo mundo. Os fractais são estruturas (Figuras) com formato muito particular, além de apresentarem uma dimensão fracional, um pedaço e/ou seguimento retirado da figura é uma réplica idêntica ao todo [5]. Na engenharia de micro-ondas, as antenas fractais têm recebido grande atenção dos pesquisadores em devido a duas principais caraterísticas, são elas: autosimilaridade que é uma simetria que ocorre em diferentes fatores de escala, sendo responsável pelo comportamento multibanda das antenas. A segunda característica notável dessas estruturas fractais é a sua propriedade de preenchimento do espaço, que é responsável pelo aumento do perímetro das antenas e consequentemente pelo processo de redução de suas dimensões. Na área de engenharia de micro-ondas, Puente et al. [6] e Cohen [2] foram os pioneiros no estudo das antenas utilizando elementos fractais.
A curva fractal de Minkowski foi à utilizada nesse trabalho.
Para obtenção dessa curva fractal, partiu-se inicialmente de um seguimento de reta que é dividido em 4 (quatro) seguimentos
menores que são cópias idênticas de si mesmo obedecendo a um fator de escala de redução (s), que neste caso foi ¼ do comprimento do segmento de reta inicial, conforme ilustra a Fig. 1. A obtenção da curva de Minkowski se dá pelo método IFS (do inglês iterative function system) a partir de 8 (oito) transformações afins q i : R 2 → R 2 determinado pela equação (1)
q ( x,y ) =
) 
x 
As oito transformações fazem a contração de 1/4; A segunda transformação (q 2 ) faz uma rotação de π/2 rad e uma translação de 1 unidade para cima; q 3 realiza uma translação de 1 unidade para a direita e 1 unidade para cima; q 4 faz uma rotação de π/2 rad e uma translação de 2 unidade para a direita; q 5 realiza uma rotação de -π/2 rad e uma translação de 2 unidades para a direita; q 6 faz uma translação de 2 unidades para a direita e um deslocamento de 1 unidade para baixo; q 7 faz uma rotação de - π/2 rad e uma translação de 3 unidade para a direita; por fim, q 8 realiza uma translação de 3 unidades para a direta.
Fig. 1. Vários níveis da curva fractal de Minkowski.
A geometria da antena proposta é mostrada na Fig. 2, com suas dimensões em milímetros. Ela consiste de um elemento patch quase-fractal montado sobre uma camada dielétrica isotrópica depositada sobre um plano de terra. Um cabo coaxial de 50 Ω conecta-se à linha de alimentação do elemento patch através de um conector SMA. A técnica de inset-fed (y 0 ) foi utilizada para que se pudesse obter um melhor casamento de impedância da linha com o elemento radiante. O substrato utilizado foi um fibra de vidro (FR4) com 1,5 mm de espessura e uma permissividade elétrica relativa igual a 4,4.
Fig.2. Geometria da antena proposta.
Inicialmente, partiu-se de um projeto de uma antena patch retangular convencional baseado no método TLM descrito em [7], para a frequência de operação 2,44 GHz. Uma vez projetado o patch retangular a curva fractal de Minkowski foi aplicado às margens radiante e não radiante do patch, gerando dessa forma a estrutura proposta (Fig. 2). O comprimento (L) e a largura (W) da antena foram calculados através dos modelos matemáticos através das equações (2) – (5) [7], [8].
= 0 412
+ 0 300
+ 0 264
+ 0 813
Em que, F r é a frequência de ressonância, c é a velocidade da luz, ε r é permissividade elétrica relativa, ε reff é permissividade efetiva relativa, h é a espessura do substrato, ∆L é o comprimento fringe. A largura (x 0 =1,94 mm) dos inset- fed foi considerada igual à largura da linha de microfita (w 0 =1,94 mm), enquanto o valor inicial de seu comprimento
foi calculado através de fórmulas aproximadas dado pelas equações (6) e (7).
Em que, R in (0) é a resistência de entrada na frequência de ressonância, G 1 é a condutância na abertura radiante, G 12 é a condutância mútua entre os slots de radiação.
III. RESULTADOS DA ANTENA PROPOSTA
As dimensões físicas (em milímetros) da antena construída estão ilustradas na Fig. 2, e um protótipo da antena construída pode ser visualizado na Fig. 3. A técnica de inset-fed (y 0 ) foi utilizada com o intuito de se obter um melhor casamento de impedância entre a linha e o patch fractal, onde sua dimensão foi otimizada no simulado de onda completa, para um valor que fornecesse um valor de perda de retorno satisfatória e consequentemente melhor características de impedância. Os primeiros resultados obtidos foram simulados no software comercial Ansoft Designer TM que implementa o método dos momentos na análise da estrutura projetada [4].
Com o intuito de validar o modelo de antena proposto, o protótipo de antena da Fig. 3 foi medido e teve seus parâmetros eletromagnéticos, tais como: Frequência de ressonância (F r ), perda de retorno (RL), Largura de banda (BW), largura de banda percentual (BW%) e coeficiente de onda estacionária (VSWR), obtidos por um analisador de rede vetorial modelo R&S ZVB14.
Fig.3. Antena quase-fractal construída.
A Fig. 4 ilustra os resultados obtidos para a perda de retorno da antena, em que se observam três bandas de frequência compreendidas na faixa de frequência entre 2,0 GHz e 7,0 GHz, ou seja, dentro da faixa de frequência de
acesso à banda larga sem fio, compreendida no intervalo entre 2,0 GHz e 11,0 GHz. Também é possível observar uma boa concordância entre o resultado numérico e o experimental, com perdas de retorno abaixo de -10 dB. Os resultados experimentais se encontram resumidos na Tabela I.
Fig.4. Resultados de perda de retorno obtida para a antena proposta.
A Fig. 5 mostra uma comparação entre simulação e medição para o coeficiente de onda estacionária (VSWR) para a antena, em que se obteve um valor de 1,16 na primeira ressonância (F r =2,40GHz).
Fig. 5. Resultado simulado e medido do coeficiente de onda estacionária (VSWR).
A impedância de entrada medida na carta de Smith para a antena analisada é mostrado na Fig. 6, em que o valor de impedância obtido para a primeira ressonância foi de 52,13 Ω, caracterizando um bom casamento de impedância para essa estrutura, próximo aos 50 Ω desejado.
Fig.6. Impedância de entrada medida na carta de Smith.
TABELA I. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
(2,36 - 2,42) GHz
(2,78 - 2,86) GHz
(4,44 - 4,55) GHz
4,48 GHz
-15,8 dB
-20,2 dB
-26,2 dB
A Fig. 7 mostra o diagrama de radiação para a antena proposta. O diagrama obtido foi para a primeira ressonância em 2,40 GHz, onde a Fig. 7(a) mostra uma comparativo entre o diagrama de radiação 2D (plano H) simulado e medido, onde podemos observar para o diagrama medido um leve deslocamento do feixe direcional para a esquerda, possivelmente devido a condição não ideal de sua medição e ao ambiente não ser propício a tal experimento, em virtude da ausência de uma câmara anecóica. O diagrama de radiação 3D é visualizado na Fig. 7(b), a priori, com pouca ou nenhuma degradação em seu formato, apresentando um máximo da concentração de energia na região de campo distante (Região de Fraunhofer).
A distribuição de corrente no patch irradiante para a antena analisada é mostrado na Fig. 8, onde podemos observar que devido à natureza não simétrica desse fractal e consequentemente do patch irradiante, a uma tendência da corrente se concentrar mais de um lado do que de outro.
Fig. 7. Diagrama de radiação: (a) 2D normalizado – plano H; (b) 3D.
Fig.8. Distribuição de corrente no patch irradiante.
Neste trabalho uma antena patch quase-fractal projetada utilizando a curva de Minkowski foi proposta como uma candidata a aplicações em sistemas de comunicação sem fio na faixa de acesso à banda larga sem fio (BWA). A característica multibanda dessa antena é um atrativo a aplicações sistemas de comunicação sem fio. A antena apresentou boas características de radiação na frequência de 2,40 GHz, com baixas perdas de retorno. Uma boa concordância entre os resultados numéricos e experimentais foi observada. A estrutura fractal utilizada, proporcionou projetar uma antena para a faixa de frequência de 2,44 GHz com 33% de redução em sua área, quando comparado a um patch retangular convencional operando na mesma frequência. O erro estimado no projeto para a frequência de 2,44 GHz foi de 1,64% considerado tolerável, dentro das especificações do projeto inicial da antena.
Para trabalhos futuros, pretende-se investigar o comportamento dessa antena subindo o nível fractal, além de investigar alternativas de técnicas de excitação para esta antena.
Os autores do trabalho agradecem ao CNPq sob o convênio 472098/2013-6 e a Universidade Estadual da Paraíba- UEPB.
[1] K. Mandal and P. P. Sarkar, "A compact high gain microstrip antenna for wireless applications", International Journal of Electronics and Communications, vol 67, pp. 1010-1014, December 2013.
telecommunications," Proceedings of Electronics Industries Forum of New England, pp. 43-49, 1997.
D. Ma, W. X. Zhang, "Broadband CPW-fed RFID antenna at 5.8 GHz," Electron. Lett. 2006, vol. 42, no. 22, pp. 1258-1259.
Inc.) [Online]. Available:
www.ansoft.com. B. B. Mandelbrot, The Fractal Geometry of Nature, New York: W. H.
Freeman, 1983. C. Puente, J. Romeu, R. Pous and A. Cardama, "On the Behavior of the
Sierpinsk Multiband Fractal Antenna," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 46, pp. 517-524, 1998. C. A. Balanis, Antenna theory-analysis and design, 2rd, New York: John