Estudo de antenas de microfita com dupla-banda e dupla-polarização para aplicação em redes retro-diretivas

Abstract

O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de uma antena dupla-faixa e com dupla-polarização para instalação em plataformas de alta altitude (do inglês, HAPs – High-Altitude Platforms). Como principal contribuição científica, o objetivo foi a obtenção de um irradiador com as características acima citadas e com duas portas, uma para cada banda de operação, altamente isoladas. A antena foi desenvolvida em tecnologia de microfita e pode ser utilizada para a composição de uma rede de antenas retro-diretiva. Dada a alta isolação obtida entre as portas, pode-se utilizar o irradiador desenvolvido simultaneamente nos modos de recepção (em 5,8 GHz) e transmissão (em 7,0 GHz). Esta antena caracteriza-se como contribuição original desta dissertação. Diferentes técnicas que possibilitam a obtenção de característica dupla-faixa e dupla-polarização para antenas construídas em tecnologia de microfita são estudadas, especificamente voltadas para aplicações em redes retro-diretivas. As faixas de interesse encontram-se no intervalo de 5,75 GHz a 5,85 GHz para a banda inferior e 6,95 GHz a 7,05 GHz para a banda superior. Além de atender às especificações técnicas nas faixas de frequência especificadas, os requisitos de bom coeficiente de reflexão, polarização circular, ganho e impedância de entrada devem ser devidamente satisfeitos. Primeiramente, visando a obter uma geometria para compor uma rede de antenas retro-diretivas, quatro estruturas com característica de dupla-banda e dupla-polarização são estudadas. Os princípios de funcionamento e particularidades de cada geometria estão detalhadamente descritos ao longo do trabalho. Os resultados preliminares de duas das quatro geometrias de antenas são apresentados através de simulação com os pacotes Ansoft Designer® e ANSYS HFSSTM. Foram levantados e estudados os parâmetros elétricos de cada irradiador em função da variação de suas dimensões físicas. Finalmente, dentre as antenas analisadas foi realizada a construção de duas geometrias com a finalidade de validar experimentalmente suas características de irradiação. Os resultados numéricos e experimentais obtidos permitem afirmar que uma das geometrias construídas é capaz de operar em duas bandas e também com polarização circular à direita e à esquerda nas bandas inferior e superior, respectivamente.

This work presents the development of a dual-band and dual-polarized antenna for installation in High-Altitude Platform Station (HAPs). As the main scientific contribution, the objective was to obtain a radiator with the above mentioned features and with two ports with high isolation between then, whereby one port should be used for one operating band. The antenna is designed in microstrip technology and can be used to compose a retrodirective antenna array. With the high isolation achieved between the two ports, the developed radiator can be used simultaneously in the receiving (at 5.8 GHz) and transmitting modes (at 7 GHz). This antenna is an original contribution of this dissertation. Different techniques that allow obtaining the dual-band and dual-polarization characteristics for antennas implemented in microstrip technology are studied, especially those suitable for application in retrodirective arrays. The bands of interest are in the range of 5.75 GHz to 5.85 GHz for the lower band and 6.95 GHz to 7.05 GHz for the upper band. In addition to meeting the technical specifications in this frequency bands, the requirements of good reflection coefficient, circular polarization, gain and input impedance must be satisfied. Firstly, in order to obtain a geometry to compose a retrodirective antenna array, four structures with dual-band and dual-polarization characteristics are studied. The operating principles and the main features of each geometry are described in detail along the work. Preliminary results for two of them are presented through simulation packages Ansoft Designer® e ANSYS HFSSTM. The electrical parameters of each radiator have been studied by means of parametric simulations of its physical dimensions. Finally, among the analyzed antennas, two geometries were prototyped in order to validate experimentally their radiation properties. The numerical and experimental results validate that one of built geometries can be operate in the two bands and with RHCP and LHCP in the lower and higher bands, respectively.