A study of beamforming and beamshaping techniques for uniformly and non-uniformly spaced arrays

Abstract

O principal objetivo deste trabalho foi desenvolver uma ferramenta computacional em MATLAB capaz de otimizar as fases, as amplitudes e os espaçamentos de uma rede de antenas, a fim de satisfazer um determinado objetivo. De posse dessa ferramenta, foi possível analisar a influência do espaçamento relativo entre os elementos de uma rede no diagrama da mesma. Dois métodos de otimização foram implementados: PSO (Particle Swarm Opmitization), baseado na interação social e no movimento de um enxame, e o método de Taguchi, que utiliza matrizes ortogonais para diminuir o número de testes necessários para otimizar uma variável. Diferentes cenários foram analisados de forma a permitir uma comparação entre os dois métodos. O código desenvolvido foi aplicado a dois problemas práticos. No primeiro deles, uma rede de antenas dupla-faixa para emprego em estações rádio base de sistemas de comunicações móveis foi modelada e suas amplitudes, fases e espaçamentos foram otimizados. Como na banda mais alta o espaçamento entre os elementos não podia ser menor que λ0., fez-se necessário otimizar os espaçamentos para controle dos grating lobes. O diagrama dessa rede foi também conformado seguindo um contorno em cossecante ao quadrado, para iluminar uma certa região com potência uniforme. Os resultados de todas as otimizações em ambas bandas foram validados usando o software Ansys HFSS e um estudo sobre a influência do acoplamento mútuo foi feito. O segundo caso consistiu na otimização de uma rede de antenas com conformação de feixe. Foi possível diminuir o número de elementos de sete para quatro em comparação a uma rede com elementos uniformemente espaçados. A otimização foi dividida em duas partes para compensar o efeito do acoplamento mútuo. Para a rede otimizada, um sistema alimentador passivo foi desenvolvido e um protótipo foi fabricado. Os resultados foram validados com simulações no software comercial Ansys HFSS e, também, por medições. Todo o projeto da rede e do alimentador é detalhado neste trabalho. Finalmente, o desenvolvimento de um circuito transmissor para beamshaping adaptativo ´e detalhado. Tal sistema é composto por um defasador e um amplificador de ganho variável, com os quais é possível inserir as amplitudes e fases, otimizadas pelo código proposto, em uma rede de antenas. Desenvolveu-se um transmissor modular, a fim de aumentar a flexibilidade do sistema. A frequência de entrada do transmissor é de 500 MHz, que é transladada para 7 GHz antes de ser entregue à rede de antenas. Foram fabricados oito transmissores, os quais foram acoplados a uma rede de antenas para testar suas funcionalidades. Os diagramas de irradiação foram medidos em câmera anecóica. Todo o desenvolvimento e medições de cada componente do transmissor são também mostrados neste trabalho.