Circuitos de alimentação para agrupamentos de antenas

Abstract

Este trabalho teve como objectivo principal o estudo e desenvolvimento de agrupamentos planares que permitissem o controlo do diagrama de radiação. Para isso, foram construídos dois agrupamentos com diferentes configurações, constituídos por 64 antenas S-P (Shorted-Patch) para os 2,42 GHz, sendo necessário para tal a análise de diversas técnicas para a sua implementação. A alimentação dos agrupamentos foi realizada através da utilização de um conjunto de 9 combinadores/divisores de potência de 8:1 portas, onde a interligação destes com as antenas foi feita através de cabos coaxiais RG58. De modo a prever e a optimizar as características de radiação das antenas a serem utilizadas no agrupamento, assim como o dimensionamento das linhas de transmissão impressas, foi necessário encontrar um simulador adequado. Dentro dos simuladores existentes para a área em questão, analisou-se o MSTRIP, o Sonnet e o FEKO, uma vez que têm a característica de fornecerem uma versão gratuita. O desempenho destes foi avaliado através da construção de antenas impressas para a frequência dos 2,42 GHz. A medição dos parâmetros que caracterizam as antenas e os combinadores/divisores de potência foi efectuada utilizando-se um analisador vectorial de redes, sendo necessário para tal a ligação dos mesmos ao equipamento através de cabos coaxiais. Para isso, foi necessário garantir que estes fossem múltiplos de meio comprimento de onda para a frequência de operação desejada, de modo a que os valores medidos pelo equipamento fossem os mesmos que os encontrados na outra extremidade do cabo. Para a construção de combinadores/divisores de potência com elevada eficiência foi preciso efectuar uma análise aprofundada das linhas de transmissão impressas, nomeadamente nas descontinuidades mais utilizadas neste tipo de circuitos, como a junção – T, o degrau e a linha de transmissão com canto. Devido aos vários cálculos e considerações que devem ser tidos em conta nas linhas com descontinuidades, no âmbito deste projecto desenvolveram-se duas aplicações em Matlab, uma que permite o dimensionamento das linhas para uma determinada impedância característica e a segunda que apresenta as dimensões que estas devem ter na existência de uma descontinuidade. Ainda foi necessário analisar qual o melhor substrato a ser utilizado, FR4 ou Duroid, na construção dos combinadores. De entre os vários combinadores construídos escolheu-se o que apresenta um melhor desempenho na frequência de interesse. Este foi, ainda, comparado com um modelo comercial. Os agrupamentos foram construídos com o combinador escolhido, tendo-se implementado um agrupamento rectangular e um agrupamento circular concêntrico. As ligações entre as antenas e os combinadores foram realizadas com cabos coaxiais. A medição das principais características de radiação dos agrupamentos foi realizada de modo a avaliar o desempenho de cada um deles e consequentemente foram comparadas com duas antenas parabólicas e um agrupamento de antenas impressas implementadas em Duroid, no qual foram verificadas as vantagens da utilização dos agrupamentos planares construídos.

This work aimed to study and develop a planar array that allows the control of the radiation pattern. For this purpose, two antenna arrays were built with different configurations, containing 64 antennas SP (Shorted-Patch) for 2.42 GHz. Different implementation techniques were analyzed. The array feeding network was performed by using a set of nine power combiners of 8:1 ports, where the interconnection of these to the antennas was performed using coaxial cable. In order to predict and optimize the radiation characteristics of the antennas to be used in the array, as well as the design of the microstrip transmission lines, it was necessary to find an appropriate simulator. Within the existing simulators in the area of interest, the MSTRIP, the Sonnet and the FEKO were analyzed, since they provide a free version. Their performance was evaluated through the construction of microstrip antennas for the frequency of 2.42 GHz. The measurements of the parameters of the antennas and power combiners were performed by the use of a vector network analyzer, with the connections to the device made through coaxial cables. For a correct measurement, it was necessary to ensure that the cables have multiples of half wavelengths for the desired operating frequency, so that the values measured by the equipment were the same as those found at the other end the cable. For the construction of power combiners with high efficiency it was necessary to make an in-depth analysis of the transmission lines, including the discontinuities most commonly used in these circuits, such as the T-junction, the step and the mitered bend. In order to perform the necessary calculations and considerations, which must be taken into account in transmission lines with the discontinuities, two applications in Matlab were developed. The first one allows the planning of the transmission lines for a given characteristic impedance. The second one shows the dimensions that the transmission lines should have when a discontinuity exists. It was also necessary to examine the best substrate to be used for the power combiner construction. Among the implemented power combiners, the one with the best performance in the frequency of interest was chosen. This one was compared with a commercial model. The arrays, rectangular and concentric ring, were fed using the chosen power combiner. The connections between the antennas and the power combiners were made using coaxial cables. The measurement of the main radiation characteristics of the array were carried out to evaluate the performance of each array. After that, these were compared with a parabolic antenna and a microstrip antenna implemented on Duroid substrate in order to demonstrate the advantages of the planar arrays.