PROJETO DE UM SISTEMA ALIMENTADOR PARA UMA REDE PLANAR DE ANTENAS EM BANDA S UTILIZANDO UMA HÍBRIDA DE 180° MINIATURIZADA

  • Gabriel Paulena
  • Marcos Vinicio Thomas Heckler
Rótulo Rede, Antenas, dielétricas, Acopladores, Híbridos

Resumo

A partir dos anos 1980, o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) desenvolveu dois satélites para coleta de dados ambientais do território nacional: SCD-1 e SCD-2. Estes satélites fazem parte do Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais (SBCDA), que tem como objetivo coletar, analisar e divulgar dados sobre o meio ambiente. O SBCDA é composto basicamente por plataformas de coleta de dados ambientais (PCDs), responsáveis pelo armazenamento e transmissão dos dados, e o Centro de Missão de Coleta de Dados (CMCD), plataformas terrestres que recebem os dados transmitidos pelos satélites. Dada a importância do SBCDA e a defasagem tecnológica dos satélites que compõem o sistema, surgiu o projeto CONASAT. Este projeto consiste no desenvolvimento de satélites de pequeno porte para operar no SBCDA, com custos reduzidos e melhoras na tecnologia embarcada. Basicamente, o funcionamento do SBCDA ocorre da seguinte forma: os satélites em órbita retransmitem a mensagem proveniente das plataformas terrestres (PCDs) espalhadas pelo território nacional, para o CMCD, que armazena e analisa os dados recebidos. O enlace de subida, realizado das PCDs para os satélites, ocorre em duas faixas de frequência em UHF: 401,62 MHz e 401,65 MHz. O enlace de descida, realizado do satélite para o CMCD, ocorre em 2,26 GHz (Banda S). As antenas utilizadas neste sistema apresentam um papel fundamental para o funcionamento da missão, pois são responsáveis pela interface entre o espaço livre e os dispositivos eletrônicos, realizando o enlace de comunicação através de ondas eletromagnéticas. Com relação às características eletromagnéticas das antenas para operação no enlace de descida, estas devem apresentar polarização circular à direita (RHCP), isolação entre polarizações superior a 15 dB e frequência central de 2,26 GHz. Neste trabalho, propôs-se o desenvolvimento de uma rede planar composta por 4 antenas dielétricas de um quarto de cilindro sintonizadas em 2,26 GHz, para atender as especificações do SBCDA. Com intuito de atender ao requisito de polarização RHCP, os elementos que compõem a rede são dispostos com rotação sequencial; ou seja, cada elemento é rotacionado fisicamente de 90° em relação um ao outro. Para avaliar as características eletromagnéticas da rede proposta, utilizou-se o software de simulação eletromagnética HFSS. Após a simulação da estrutura, o diagrama de irradiação resultante do ganho RHCP, no plano Φ = 0°, apresentou uma magnitude equivalente a 7,24 dBi na direção boresight. Com relação à isolação entre a polarização cruzada LHCP, o nível de isolação obtido foi superior a 30 dB. Portanto, para que a rede funcione adequadamente, deve-se projetar um sistema de alimentação capaz de atribuir a defasagem progressiva de +90° entre cada elemento da rede. Basicamente, há duas formas de se projetar este sistema alimentador: uma delas é através de divisores de potência assimétricos e outra é através de acopladores híbridos de 90° e 180°. Neste trabalho, optou-se por projetar o sistema de alimentação utilizando dois acopladores híbridos de 90° e um acoplador híbrido de 180°. O processo de construção destes dispositivos apresenta certo grau de flexibilidade, pois os acopladores podem ser construídos utilizando-se elementos concentrados, linhas de microfita, stripline ou guias de onda. A principal vantagem de se utilizar acopladores híbridos está relacionada à garantia da defasagem em uma ampla faixa de frequências. Com o intuito de evitar o curto-circuito entre o sistema de alimentação e o plano de terra da rede, os acopladores híbridos foram projetados em tecnologia stripline que tem como geometria básica uma linha de cobre simetricamente posicionada entre dois planos de terra, separados por um dielétrico de baixas perdas em micro-ondas e com estrutura homogênea. Dada a disponibilidade de materiais no Laboratório de Eletromagnetismo Micro-Ondas e Antenas (LEMA), o laminado escolhido para construção dos acopladores foi o Rogers RO4003C. As dimensões das linhas de transmissão que compõem os acopladores foram obtidas utilizando-se o software TXline, que, a partir das características constitutivas do dielétrico da estrutura, calcula as dimensões da linha de transmissão, para que esta sintetize a impedância característica desejada. Dadas as limitações das dimensões do plano de terra da rede, optou-se por projetar o acoplador híbrido de 180° com geometria miniaturizada. Para fins de comparação, uma híbrida de 180° com geometria convencional em anel também foi projetada em stripline. Analisando-se as geometrias, a híbrida em anel possui raio de 1,68 cm, resultando em uma área ocupada de 8,87 cm². A dimensão total da híbrida miniaturizada projetada e construída é de 1,72 cm 2,66 cm, resultando em uma área de 4,57 cm². Desta forma, obteve-se redução de 48,4% da área ocupada pela híbrida de 180°, o que representa uma redução considerável de volume e custos de implementação.

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Publicado
2022-11-23
Como Citar
PAULENA, G.; VINICIO THOMAS HECKLER, M. PROJETO DE UM SISTEMA ALIMENTADOR PARA UMA REDE PLANAR DE ANTENAS EM BANDA S UTILIZANDO UMA HÍBRIDA DE 180° MINIATURIZADA. Anais do Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão, v. 2, n. 14, 23 nov. 2022.