Antena multi-banda para comunicações móveis

O desenvolvimento dos sistemas de comunicações móveis tem vindo a ser cada vez maior, fazendo com que os sistemas funcionem em várias bandas de operação. Neste sentido, surge a necessidade de desenvolver antenas que superem aquelas já existentes, ao nível das suas propriedades electromagnéticas, para que os sistemas apresentem uma maior qualidade e possam corresponder às exigências inerentes ao desenvolvimento das sociedades. O objectivo desta dissertação de Mestrado é dimensionar, construir e medir uma antena multi-banda para comunicações móveis, com base em estruturas EBG (Electromagnetic Band-Gap) que melhorem o comportamento electromagnético daquelas já existentes, para a banda de frequências de 2.4 GHz e de 5.2 GHz. Começa-se por fazer-se um estudo acerca do estado da arte de estruturas EBG, muito utilizadas em várias áreas, nomeadamente a área das antenas, área sobre a qual esta dissertação assenta. Posteriormente é feita uma breve introdução às antenas microstrip, particularizando de seguida para antenas PIFA e as suas características. Posteriormente é feito o estudo de uma antena PIFA, com e sem a influência de estruturas EBG, para as bandas de 2.4 GHz e 5.2 GHz. Posteriormente são apresentados e comparados resultados das várias antenas. Da análise desses resultados, verifica-se que é possível obter uma antena de baixo perfil com a utilização de estruturas EBG como plano de massa. Além disso, verifica-se também que é possível diminuir a radiação traseira e aumentar a largura de banda. Finalmente, são apresentadas algumas conclusões e várias propostas de trabalho futuro.

Antenas compactas de microondas de banda larga e banda ultra-larga (UWB)

Nos últimos anos, com o surgimento de novos serviços e equipamentos para o sistema de comunicação móvel com maiores larguras de banda de operação e ocupando espaços cada vez menores, o desenvolvimento de novas antenas de bandas largas e com dimensões pequenas se tornou um dos principais desafios das pesquisas na área de antenas. Neste trabalho, duas estruturas de antenas de bandas largas e dimensões reduzidas foram analisadas e otimizadas. Na primeira parte, a antena filamentar monopolo dobrado (Wire Built-in Folded Monopole Antenna, W-BFMA) foi investigada e teve sua largura de banda otimizada, conectada a linha de alimentação em diferentes impedâncias. Para modelar a estrutura da antena W-BFMA foi usado o método numérico dos momentos (Method of Moments - MoM), e para sua otimização os métodos: paramétrico, hill climbing e algoritmo genético (AG). Programas computacionais baseados na linguagem Matlab foram desenvolvidos para modelagem, otimização e cálculos das principais curvas características da antena W-BFMA. Na segunda parte, duas diferentes configurações de antenas monopolos planos usando a tecnologia de banda ultra-larga (Ultra- Wideband Antenna, UWB) foram investigadas e otimizadas com a ajuda do programa comercial Computer Simulation Technology (CST) Microwave Studio. Ambas as antenas UWB foram alimentadas por uma linha de microfita (microstrip line) na impedância de 50Ω. A antena UWB que apresentou melhor resultado teve o seu protótipo construído, as principais curvas características, tais como: perda de retorno, ganho, distribuição de corrente e diagrama de radiação foram analisadas. Os resultados simulados foram comparados com resultados obtidos experimentalmente.

Antena plana Banda Ku en tecnología SIW

This document contains the different parts of a plain antenna which is able to establish a satellite communication. This antenna has been designed in Ku Band. Nowadays this band is specially used by satellite communications and shows numerous advantages, for instance the antennas have small size therefore these antennas are cheaper. The SIW technology is a fundamental part of this project from start to end, because this technology has a lot of applications and leads in this field. Not only have been simulated all the elements of this antenna but also have been built to compare both simulations and measurements.

Análise e síntese de antenas e superfícies seletivas de frequência utilizando computação evolucionária e inteligência de enxames

The frequency selective surfaces, or FSS (Frequency Selective Surfaces), are structures consisting of periodic arrays of conductive elements, called patches, which are usually very thin and they are printed on dielectric layers, or by openings perforated on very thin metallic surfaces, for applications in bands of microwave and millimeter waves. These structures are often used in aircraft, missiles, satellites, radomes, antennae reflector, high gain antennas and microwave ovens, for example. The use of these structures has as main objective filter frequency bands that can be broadcast or rejection, depending on the specificity of the required application. In turn, the modern communication systems such as GSM (Global System for Mobile Communications), RFID (Radio Frequency Identification), Bluetooth, Wi-Fi and WiMAX, whose services are highly demanded by society, have required the development of antennas having, as its main features, and low cost profile, and reduced dimensions and weight. In this context, the microstrip antenna is presented as an excellent choice for communications systems today, because (in addition to meeting the requirements mentioned intrinsically) planar structures are easy to manufacture and integration with other components in microwave circuits. Consequently, the analysis and synthesis of these devices mainly, due to the high possibility of shapes, size and frequency of its elements has been carried out by full-wave models, such as the finite element method, the method of moments and finite difference time domain. However, these methods require an accurate despite great computational effort. In this context, computational intelligence (CI) has been used successfully in the design and optimization of microwave planar structures, as an auxiliary tool and very appropriate, given the complexity of the geometry of the antennas and the FSS considered. The computational intelligence is inspired by natural phenomena such as learning, perception and decision, using techniques such as artificial neural networks, fuzzy logic, fractal geometry and evolutionary computation. This work makes a study of application of computational intelligence using meta-heuristics such as genetic algorithms and swarm intelligence optimization of antennas and frequency selective surfaces. Genetic algorithms are computational search methods based on the theory of natural selection proposed by Darwin and genetics used to solve complex problems, eg, problems where the search space grows with the size of the problem. The particle swarm optimization characteristics including the use of intelligence collectively being applied to optimization problems in many areas of research. The main objective of this work is the use of computational intelligence, the analysis and synthesis of antennas and FSS. We considered the structures of a microstrip planar monopole, ring type, and a cross-dipole FSS. We developed algorithms and optimization results obtained for optimized geometries of antennas and FSS considered. To validate results were designed, constructed and measured several prototypes. The measured results showed excellent agreement with the simulated. Moreover, the results obtained in this study were compared to those simulated using a commercial software has been also observed an excellent agreement. Specifically, the efficiency of techniques used were CI evidenced by simulated and measured, aiming at optimizing the bandwidth of an antenna for wideband operation or UWB (Ultra Wideband), using a genetic algorithm and optimizing the bandwidth, by specifying the length of the air gap between two frequency selective surfaces, using an optimization algorithm particle swarm

Desenvolvimento de estruturas integradas de filtros e antenas para aplicações em sistemas de comunicações sem fio

This paper presents a study of the integration of filters and microstrip antennas, yielding devices named as filtennas for applications in wireless communications systems. The design of these structures is given from the observation of filtennas based integration between horn antennas and frequency selective surfaces (FSS), used in the band X. The choice of microstrip line structures for the development of a new configuration filtennas justifies the wide application of these transmission lines, in recent decades, always resulting in the production of circuit structures with planar light-weight, compact size, low cost, easy to construct and particularly easy to integrate with other microwave circuits. In addition, the antenna structure considered for the composition of filtennas consists of a planar monopole microstrip to microstrip filters integrated in the feed line of the antenna. In particular, are considered elliptical monopole microstrip (operating in UWB UWB) microstrip filters and (in structures with associated sections in series and / or coupled). In addition, the monopole microstrip has a proper bandwidth and omnidirectional radiation pattern, such that its integration with microstrip filters results in decreased bandwidth, but with slight changes in the radiation pattern. The methods used in the analysis of monopoles, and filters were filtennas finite elements and moments by using commercial software Ansoft Designer and HFSS Ansoft, respectively. Specifically, we analyze the main characteristics of filtennas, such as radiation pattern, gain and bandwidth. Were designed, constructed and measures, several structures filtennas, for validation of the simulated results. Were also used computational tools (CAD) in the process of building prototypes of planar monopoles, filters and filtennas. The prototypes were constructed on substrates of glass-fiber (FR4). Measurements were performed at the Laboratory for Telecommunications UFRN. Comparisons were made between simulated and measured, and found good agreement in the cases considered

Anàlisi de radiació en vaixells i disseny d'una antena en la banda d'HF

El projecte està dividit en dues parts, per una banda l’anàlisi de radiació en vaixells i per altra banda el disseny d’una antena en la banda d’ HF. La primera part s’inicia amb un estudi de l’escenari marítim a nivell de comunicacions, vaixells i antenes i, a continuació, s’estudia el camp proper sobre les superfícies del vaixell per al posicionament d’antenes amb el màxim aïllament. La segona part tracta el disseny d’una antena en HF a 6 MHz partint d’una antena tipus ranura, de baix perfil. Per validar el seu funcionament es construeix i mesura un prototipus en la banda d’UHF (2 GHz).

Antena impresa para comunicaciones por satélite en banda Ka: Esquema de array y elementos radiantes

Este trabajo fin de grado versa sobre el diseño y simulación del elemento radiante de una antena impresa con polarización circular, operativa en la banda Ka de frecuencias (18 – 31 GHz) para un sistema de comunicaciones entre aviones y satélites. Su principal característica es que la antena está formada por placas de circuito impreso apiladas. En las placas superiores se sitúan los elementos radiantes, mientras que en las capas internas se diseñan las líneas de transmisión, que forman la alimentación del array. Como elementos radiantes se ha recurrido a la tecnología de parches apilados, para conseguir un ancho de banda relativamente alto en una estructura multicapa de dieléctricos plásticos. Para excitarlos se han desarrollado dos tipos de red de alimentación, para comprobar con cuál se obtiene una mejor respuesta. Los tipos que se usan son: mediante sonda coaxial y por línea de transmisión, concretamente stripline. Respecto a la polarización circular del elemento (en tecnología stripline), se desarrolla una red de polarización haciendo uso de una doble alimentación y un híbrido 90º. Entre los elementos de este tipo de estructuras se produce un fuerte acoplo. Para reducir el efecto de este acoplo, se realiza un análisis optimizando el diseño

Simulación de los diagramas de radiación de una antena de estación terrena de 6m en banda S/K

El presente Trabajo fin de Grado recoge las simulaciones de los diagramas de radiación secundarios de una antena receptora de estación terrena de 6m para observación de la tierra. Se encuentra enmarcado en el proyecto “Prototype of K-Band Ground Station Antenna (6m aperture) for Earth Observation Application”, propuesto por la Agencia Europea del Espacio (ESA) y desarrollado por la empresa INDRA. Se ha diseñado, construido y medido un alimentador dual S/K, que incorpora las dos puertas RHCP y LHCP en banda S y K (Recepción y Tracking). Los diagramas de este alimentador serán la base para las simulaciones de los diagramas secundarios de nuestra antena. A lo largo del documento se interpretarán los diagramas de radiación obtenidos y se compararán los resultados con las especificaciones de diseño de la antena; además se verificará el cumplimiento de la recomendación de la ITU-R S.580-6. Este trabajo pone de manifiesto las dificultades de medir con precisión los diagramas de radiación en banda K para este tipo de alimentadores duales.

Antena para sistema de localização interior

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Diseño y fabricación de una antena con diversidad en polarización para redes WIFI a 2,4 GHz

Existeixen diferents tecnologies de transmissió sense fils, però la més coneguda és la tecnologia WIFI (Wireless Fidelity) que opera a la banda dels 2,4 GHz a Europa. Aquest tipus de xarxes opera en entorns indoor, on el canal està sotmès a una aleatorietat i complexitat elevades degut a la presència d’una gran quantitat d’elements que poden fer que la senyal rebuda presenti variacions importants en les seves característiques (nivell de senyal, polarització...). Aquest fet motiva la necessitat de desenvolupar i implantar sistemes de comunicacions amb solucions per poder minimitzar els efectes provocats per l’entorn a la senyal. Per poder pal·liar aquestes variacions, en aquest projecte s’ha dissenyat i fabricat una antena formada per dos dipols disposats un ortogonal a l’altre de manera que existeixi diversitat en polarització. La freqüència de treball de la antena és de 2,4 GHz. Rebuda una senyal de RF, el circuit de commutació permetrà seleccionar el dipol pel qual es rep la senyal de RF amb una major potència.

GNSS array: diseño de una antena con polarización circular

Aquest projecte es centra en el disseny d’una antena microstrip per a GNSS. Una antena per a GNSS ha de tenir adaptació de impedància d’entrada i polarització circular a dretes, com a principals especificacions, en el rang de 1.15-1.6 GHz. El tipus d’alimentació d’una antena microstrip amb el major ample de banda d’adaptació és l’alimentació mitjançant acoblament per apertura. Si a l’antena s’introdueixen dos apertures de forma ortogonal, alimentades amb un desfasament de 90º entre elles, s’aconsegueix polarització circular. L’opció de separar les apertures redueix la transferència de potència entre elles, i disminueix el guany de polarització creuada. La xarxa d’alimentació dissenyada és un divisor de Wilkinson amb una línia de λ/4 a la freqüència central, encara que el desfasament als extrems de la banda no sigui de 90º. Com a xarxa d’alimentació es va provar un hibrid de 90º, però l’elevat valor del paràmetre S21 de l’antena impossibilita l’adaptació a l’entrada del hibrid.

Disseny, modelat i fabricació d'una antena "trap" per aplicacions WLAN

En aquest treball s’ha dissenyat i fabricat una antena monopol en estructura planar capaç de treballar correctament a les freqüències WLAN de 2,45-2,5 GHz (802.11b/g) i 4,9-5,875 GHz (802.11a/h/j). Per arribar a aquest objectiu primer s’ha presentat el model de línia de transmissió acabada en circuit obert per simular el comportament d’una antena. S’han comparat i verificat els resultats amb el model d’antena de fil. Seguidament, s’ha estudiat el comportament que introdueix el fet de carregar l’antena amb un ressonador LC. Finalment, s’ha passat del model d’antena de fil a una estructura planar. Aquesta geometria ha permès la realització del trap LC de forma distribuïda a través d’un ressonador CLL. El principi de disseny de l’antena està basat en la introducció d’aquest ressonador CLL amb freqüència de ressonància situada entre les dos bandes de treball i que junt amb l’ajust dels diversos paràmetres que defineixen l’antena han permès obtenir més 1 GHz d’ample de banda a la freqüència de 5 GHz.

Efeito do ganho da antena nas perdas de percurso de uma ligação

O presente trabalho tem como objectivo principal a realização de um estudo do efeito do ganho das antenas nas perdas de percurso de uma ligação na banda de frequência ISM (Insdustrial Scientific and Medical) nos 2,4 GHz. Para tal, foram utilizadas 14 antenas de 7 tipos diferentes (2 monopolo, 2 colineares, 2 grelhas, 2 Yagi, 2 painéis, 2 parabólicas e 2 helicoidais) com ganhos a variar desde os 1,3 a 23 dBi. Inicialmente, obtiveram-se os parâmetros fundamentais das antenas utilizadas, nomeadamente o diagrama de radiação e o ganho. Desenvolveu-se um sistema, que permite a medição do diagrama de radiação de forma automática através de um motor passo a passo. Uma aplicação desenvolvida em ambiente Matlab realiza o controlo do motor e desenha o respectivo diagrama em tempo real. Para a realização das medições da propagação do sinal desenvolveu-se um sistema que interliga a antena receptora a um computador portátil através de um analisador de espectros. À medida que as medições são efectuadas, a atenuação do sinal em função da distância é determinada e apresentada graficamente no computador sendo, ainda, representada a atenuação esperada no espaço livre. Para isto, implementou-se uma aplicação em ambiente Matlab que faz o tratamento e representação dos dados. Tendo-se conhecimento dos parâmetros das antenas, e com o sistema de medição implementado, passou-se às medições da propagação do sinal em diferentes meios, tais como, meio sem obstáculos, meio urbano, meio florestal caracterizado por troncos no percurso de propagação e meio florestal caracterizado por folhagem no percurso de propagação. Em cada meio foram efectuadas medições para 37 combinações de antenas, com ganhos conjuntos a variar desde os 2,6 até o 46 dBi. As medições foram efectuadas com a colocação da antena emissora numa posição fixa e com o afastamento da antena receptora em intervalos de 5 metros, até os 150 metros, seguindo a linha de máxima radiação entre ambas as antenas. Ainda, para os meios sem obstáculos e florestais, foram efectuadas medições para dois ângulos em relação à linha indicada, sendo estes de 30° e 330°, respectivamente. Com base nos resultados obtidos, verificou-se um aumento da atenuação à medida que se passou para meios mais obstruídos, sendo que, para o meio sem obstáculos a atenuação aproxima-se da curva do espaço livre. No meio urbano observou-se que a atenuação aumentou ligeiramente. No entanto, esta não é muito significativa quando comparada com a atenuação no espaço livre. Por último, notou-se um grande aumento da atenuação nos meios florestais, ao nível dos troncos e da vegetação, sendo superior para esta última. Relativamente às antenas, verificou-se que existe um aumento da atenuação na medida que o ganho destas aumenta, sendo mais visível para meios com maior obstrução (florestais). Para a situação em que as antenas encontram-se com desvios de 30° e 330°, verificou-se que este aumento é mais significativo para as antenas directivas (ganhos superiores).

Otimização dos parâmetros de monopolos planares de microfita para aplicações em sistemas de banda ultra larga

This work presents a theoretical and experimental investigation about the properties of microstrip antennas for ultra-wideband systems. Configurations of elliptic monopoles with different eccentricities and circular monopoles are considered. Two prototypes for each antenna configuration were built, one with the typical microstrip configuration and the other is similar to the first, except for a small aperture in the ground plane. Therefore, this work proposes to modify the configuration of the ground plane of the monopoles designed adding a rectangular stub, in order to optimize and improve the performance of such structures. The obtained results show that the introduction of that rectangular aperture in the ground plane allows an improvement of the frequency response for the considered antenna propotypes. It is observed a good agreement between the measured and simulated results. Finally, some proposals for future works are presented