Antena de microfita com resposta plana de potência operando na banda x

  • Número do pedido da patente:
  • PI 9004311-1 A2
  • Data do depósito:
  • 30/08/1990
  • Data da publicação:
  • 24/03/1992
Inventores:
  • Classificação:
  • H01Q 13/08
    Corneta ou bocais de guia de onda; Antenas de ranhura; Antenas de guia de onda com fuga; Estruturas equivalentes que causam radia??o ao longo do trajeto da transmiss?o de uma onda dirigida; / Extremidades de radia??o de linhas de transmiss?o de micro-ondas de dois condutores, p. ex. de linhas coaxiais, de linhas de microfitas ("microstrips");
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Documento

Relatório Descritivo da Patente de In venção: "ANTENA DE MICROFITA COM RESPOSTA PLANA DE POTÊNCIA OPERANDO NA BANDA X".

A presente invenção se refere a um a-ranjo de antenas, obtido através de um critério denominado "Critério de Resposta Plana" para o cálculo do escala-mento das frequências dos radiadores.

Uma das principais desvantagens das antenas de microfita consiste em sua estreita banda de o-peração, devido ao elemento radiador ("patch ou dipolo) ser ressonante. Uma das técnicas para a melhoria da carac terística da banda de operação é o arranjo log-periõdico de elementos. Porém, esse tipo de arranjo quando aplicado a radiadores planares, tem alguns inconvenientes devido a que o fator de qualidade QT de um radiador planar não é constante com a frequência. Isto significa que as bandas de bperaçao dos elementos individuais que compõem o arran jo não são constantes e, por isso, a aplicação da log-pe-riodicidade (fator de escala &) causa, nestes casos, flutuações de potência além do esperado na faixa de interesse.

Deste modo, foi formulado o "Critério da Resposta Plana" para c calculo do escalamento das frequências dos radiadores que compõem o arranjo de antenas, objeto deste pedido, cujas vantagens, ao invés do critério log-periõdico, são as seguintes:

- A flutuação mãxima de potência do arranjo é constante e, por isso, o seu uso i aconselhado em radiadores biomêdicos, em processos de biotermia para câncer, e outras doenças, pois as camadas dos tecidos que

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constituem a pele, como derine, epiderme, etc., são seleti vas em frequência. Deste modo, para um aquecimento unifor me, uma antena banda larga seria mais indicada que uma an tena de faixa estreita. Um outro fato a ser levado em con sideraçio é que os tecidos, submetidos a processos de bio termia, necessitam de uma quantidade de potência radiada, com flutuação mãxima constante, para que não haja a possi bilidade de que uma camada de tecido sofra mais radiação que a outra.

- A flutuação mãxima de potência do arranjo ê constante e deste modo, o seu uso como antena receptora em comunicações militares é aconselhado. Essa ca racteristica de flutuação é primordial para evitar procedimentos de contra-medidas eletrônicas (interferência pro posital) . Assim, uma antena com flutuação de potência cons tante tem um desempenho superior ao de outras antenas que não apresentam essa característica, quando se procura evi tar interferências propositais ("jamming") .

Em 19&1 foi publicado o artigo "Wide band quasi-log-periodic mãcrostrip antenna", IEE PROCE-EDINGS H, MICROWAVES & OPTICS and ANTENNAS, vol. 12§. No 3, onde uma antena com configuração similar, tendo como obje tivo um alargamento de faLxa de operação, é descrita. As diferenças entre essa antena e a presente invenção são as seguintes:

1    - A flutuação mãxima de potência na antena descrita no artigc é de 5,5 dB, enquanto que nesta invenção é de 1,9 dB, havendo portanto, uma melhoria significativa na característica de flutuação de potência.

2    - A antena descrita no artigo usa um escalamento log-periõdico em múltiplos de meios compri mentos de onda, escalados a partir da terminação em aberto no fim da linha de alimentação principal dos "patches".

Na presente invenção, usa-se um escalamento pelo "Critério da Resposta Plana" e usa-se uma terminação casada no final da linha principal de alimentação dos "patches".

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3    - A linha de alimentação principal na presente invenção tem 25 ohms de impedãncia caracteríjs tica, enquanto que na antena descrita no artigo essa impe dância característica é àe 50 ohrns. Também são utilizados na presente invenção, transformadores de quarto de compri mento de onda para o casamento de impedãncias entre a linha principal e a carga, com o propósito de casamento ban da larga, que no artigo não ê utilizado.

4    - A faixa de frequência onde a ante na, descrita no artigo, é projetada, e a banda S (2-4 GHz), enquanto que a presente invenção ê projetada na banda E (8-12 GHz}. Isto significa que ela tem um tamanho mais re duzido que a antena do artigo e que pode ser utilizada tan to em comunicações militares quanto em radiadores biomédi cos, devido âs frequêncies destas duas aplicações serem na banda X.

0 arranjo, objeto da presente invenção, foi projetado para ter uma resposta plana, com uma flutuação máxima de 2 dB na faixa de interesse ( 9,100 -- 10,991 GHz). 0 casamento dos "patches" de microfita à linha principal de alimentação i feito por meio de transformadores de quarto de comprimento de onda. Foi usada nes ta invenção uma configuração com terminação casada na por ta de saída. Esta configuração, apesar de ter uma eficiên cia menor, em relação âs outras configurações, tem a vantagem de manter o coeficiente de Onda Estacionária - COE baixo.

Para manter-se um carregamento dos "patches" ã linha de alimentação principal em níveis acei tãveis, foi utilizada uma linha principal de alimentação de 25 ohrns. Por outro lado, esta escolha causou a necessi. dade de um outro casamento ao gerador (50 ohrns) que foi feito por intermédio de transformadores de quarto de comprimento de onda nas portas de entrada e saída a fim de manter a estrutura simétrica com relação â linha de alimentação .

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Os "patches" retangulares de microfi-ta utilizados como radiadores nesta antena foram projetados nas seguintes frequências:

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9,100

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f2

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9,507

Gliz

f 3

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9,954

GHz

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10,446

GHz

f 5

=

10,991

GHz

Todos os transformadores utilizados na alimentação dos "patches1' tem impedância característica de 100 ohms, em virtude deste ser um valor otimo, para um carregamento razoável (nem alto, nem baixo) e devido ã 15 largura da linha requerida ser de fãcil implementação (lar gura = 1,20 mm) , nao ocorrendo assim o aparecimento de li. nhas muito finas na corrosão.

A linha principal de alimentação foi escolhida para ter uma impedância característica de 25 ohms 20 basicamente devido ao fato de que o carregamento que o conjunto dos cinco "patches" impõe â linha é muito forte.

Para um melhor entendimento do inven

to pretendido sao anexadas figuras que, de modo esquemãti co, representam:

25    Figura 1 - "lay-out" da antena.

Figura 2 - grafico da perda de retorne em função da frequência para o arranjo.

Figura 3 - grafico da perda de transmissão em função da frequência para o arranjo.

30    Figura 4 - grafico da flutuação de po

tência em função da frequência no plano E do arranjo.

Conforme pode ser observado através da figura 1, a antena de niicrofita com resposta plana ope rando na banda X, objeto da presente invenção, e consti-

35 tuída de radiadores do tipo "patch" retangulares de micro fita (1)i (2), (3), (4) e (5), cujas frequências de resso

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nância são calculadas pelo "Critério da Resposta Plana", alimentados diretamente da linha principal de alimentação (8) por meio de transformadores de quarto de comprimento de onda (9), numa configuração onde a linha principal de 5 alimentação (8) tem terminação casada e a sua impedância característica é menor que 50 ohms de modo a suportar um carregamento forte por parte dos radiadores "patch" retan guiares de microfita (1),    (2), (3), (4) e (5) utilizados.

A antena possui suas distâncias (10), (11), (12) e (13)

10 entre os transformadores de quarto de comprimento de onda de alimentação dos "patches" iguais â metade da soma dos meios comprimentos de onda referidos nas freqüências e f2 (10), f2 e f3 (11), f3 e f4 (12), f4 e fg (13); como artificio de projeto para a manutenção do caráter "broad-15 side" do arranjo banda Jarga.

Para que a linha de alimentação principal (8) tenha uma impedância menor que 50 ohms ê necessário um casamento de impedâncias entre a dita linha (8) e as linhas de ligação de 50 ohms que vem das portas (A)

20 ou (B)    (7), por intermédio de um transformador de quarto

de comprimento de onda de uma seção (6).

Conforme pode ser observado na figura 2, a perda de retorno do arranjo é menor que 10 dB em toda a faixa de operação í8,00 - 12,40 GHz), com um máximo 25 em f = 11 GHz, que significa um menor carregamento do con junto de 5 "patches" nesta freqüincia.

Da figura 3, pode ser observada uma perda de transmissão máxima de 11 dB, em torno do centro da faixa de operação em f = 10 GHz e que representa o pon 30 to em freqüência onde hã a maior perda por radiação e, por tanto onde hã a máxima eficiência do arranjo.

A figura 4 mostra a curva de potência radiada no plano E do arranjo, em função da freqüência. Co mo pode ser observado, «a. flutuação de potência do arranjo 35 em toda faixa útil é de, no máximo, 1,9 dB, caracterizando assim, um arranjo com resposta plana de potência.

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REIVINDICAÇÕES

1 - ANTENA DE MICROFITA COM RESPOSTA PLANA DE POTÊNCIA OPERANDO NA BANDA X, caracterizada por ser constituída de radiadores do tipo "patch" retangula-5 res de microfita (1),    (2), (3), (4) e (5), cujas freqüên-

cias de ressonância são calculadas pelo "Critério da Resposta Plana", alimentados diretamente da linha principal de alimentação (8) por meio de transformadores de quarto de comprimento de onda (9), numa configuração onde a li-10 nha principal de alimentação (8) tem terminação casada e a sua impedãncia característica é menor que 50 ohxus de mo do a suportar um carregamento forte por parte dos radiado res "patch" retangulares de microfita (1), (2), (3),    (4)

e (5) utilizados.

15    2 - ANTENA DE MICROFITA COM RESPOSTA

PLANA DE POTÊNCIA OPERANDO NA BANDA X, de acordo cornarei vindicaçao 1, caracterizada por ter suas distancias (10), (11), (12) e (13) entre os transformadores de quarto de comprimento de onda de alimentação dos "patches" iguais â 20 metade da soma dos meios comprimentos de onda referidos nas freqüências e f2 (L0>, f2 e f3 (11), f3 e (12), f4 e fg (13); como artifício de projeto para a manutenção do caráter "broadside" do arranjo banda larga.

3 - ANTENA DE MICROFITA COM RESPOSTA 25 PLANA DE FREQUÊNCIA OPERÃNDO NA BANDA X, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por ter uma linha de alimentação principal (8) com uma impedãncia menor que 50 ohms, sendo para isso necessário um casamento de impedâncias en tre a linha de alimentação principal (8) e as linhas de li 30 gaçio de 50 ohms que vem das portas 1 ou 2 (7), por inter

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médio de um transformador de quarto de comprimento de onda de uma seção (6).

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Perda de Retomo (dB)

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Fig. 2 - Perda de retorno em funçáo da frequência


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Perda de Transmissão (dB)

Fig. 3 - Perda de transmissão

em função da frequência


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Fig. 4 - Potência radiada no plano E em funpáo da frequência

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RESUMO

Patente de Invenção: "ANTENA DE MICROFITA COM RESPOSTA PLA NA DE POTÊNCIA OPERANDO NA BANDA X".

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A presente invenção se refere a uma 5 antena de microfita que ê constituída de radiadores do ti po "patch" retangulares de microfita (1) , (2) , (3), (4) e (5), cujas freqüências de ressonância são calculadas pelo "Critério da Resposta Plana", alimentados diretamente da linha principal de alimentação (8) por meio de transforma 10 dores de quarto de comprimento de onda (9), numa configuração onde a linha principal de alimentação (8) tem terini nação casada e a sua impedância característica é menor que 50 ohms de modo a suportar um carregamento forte por parte dos radiadores "patch" retangulares de microfita (1) 15 (2), (3), (4) e (5) utilizados.