Design de antenas patch retangular operando em modos de alta ordem

Abstract

O presente trabalho apresenta um estudo eletromagnético do comportamento de antenas patch operando em modos transversais magnéticos de terceira e quinta ordem (TM030, TM050), sujeitos à inserção de fendas na estrutura do patch metálico e a variação do material do substrato. A técnica de inclusão de fendas locais é empregada afim de garantir a redistribuição da densidade superficial de corrente no patch, de modo que o ganho da estrutura atinja valores preferencialmente acima de 8 dB. Além disso, a técnica tem como intuito também assegurar a minimização do nível de lóbulos laterais e redução da largura de feixe de meia potência, tornando-as mais diretivas. Durante o estudo do comportamento dessas antenas, constatou-se que materiais com permissividade a partir de 6.7, geram naturalmente redução dos lóbulos laterais sem a necessidade da inserção das fendas locais, embora seja necessário um estudo mais aprofundado para determinar adequadamente o ponto de inflexão em que esse efeito ocorre. O trabalho teve início reproduzindo e compreendendo a técnica empregada no artigo (ZHANG; ZHU; WU, 2018) para o caso TM030 e operando em 4.86 GHz. Posteriormente, realizou-se o estudo do impacto da permissividade do material do substrato sobre o diagrama de radiação para o modo fundamental TM010 em 1.6 GHz assim como no modo de terceira ordem TM030 para 4.86 GHz, usando como materiais: Duroid 5880, RT/duroid 6006 e RT/duroid 6010.2LM. A mesma análise foi aplicada para 20 GHz e 60 GHz, contudo, usando como materiais: RO3003G2, Membrana Alumina e RO3010. Em ambos os casos, evidenciou-se que materiais de alta permissividade reduzem naturalmente os lóbulos laterias. Para o modo de terceira ordem, operando em 60 GHz, foi aplicado o método das fendas para o material RO3003G2, no qual foi possível redistribuir a densidade superficial de corrente, retirando a região fora de fase, e garantindo, assim como em (ZHANG; ZHU; WU, 2018) a redução dos lóbulos laterais e aumento da diretividade da antena. Os métodos foram estendidos para uma antena operando no modo TM050 com o objetivo de aumentar ainda mais o ganho da estrutura. A análise eletromagnética dos dispositivos foi realizada no software Ansys Eletronic Desktop, módulo HFSS (High-Frequency Structure Simulator) usando o método FEM (Finite Element Method).

This final paper presents an electromagnetic study of the behavior of patch antennas operating in magnetic transverse modes of third and fifth order (TM030, TM050), subjected to the insertion of slots in their structures and variation of the substrate material. The technique of local slots inclusion was used in order to guarantee the redistribution of the surface current density in the patch so the structure gain reaches a much higher level when compared to conventional antennas, besides ensuring the minimization of side lobe levels and reducing the half-power beamwidth, making them more directive. However, this technique is only valid in cases where the substrate material contains low permittivity. During the study of the behavior of these antennas, it was found that materials with high permittivity naturally generates a reduction in the side lobes, without needing to insert local slots. The work began by reproducing and understanding the technique used in the article (ZHANG; ZHU; WU, 2018) for the case TM030 and operating at 4.86 GHz. Then, it was studied the impact of the permittivity of the substrate material on the radiation diagram for the fundamental mode TM010 at 1.6 GHz as well as in the third order mode TM030 for 4.86 GHz, using as materials: Duroid 5880, RT/duroid 6006 and RT/duroid 6010.2LM. The same analysis was applied for 20 GHz and 60 GHz, however, using as materials: RO3003G2, Alumina Membrane and RO3010. In both cases, it was evaluated that high permittivity materials naturally reduce the side lobes. For the third order mode, operating at 60 GHz, it was applied the slot method for the RO3003G2 material, in which it was possible to redistribute the surface current density, removing the out-of-phase region, and ensuring, as in (ZHANG; ZHU; WU, 2018), a reduction in the side lobe level and an increase in the antenna directivity. The methods were extendend to an antenna operating at the mode TM050 in order to further increase the gain of the structure. Electromagnetic analysis of the devices was performed using Ansys Electronic Desktop software, HFSS module (High-Frequency Structure Simulator) using the FEM method (Finite Element Method).