PROJETO DE DEFASADORES E ATENUADORES USANDO ELEMENTOS CONCENTRADOS

Resumo

Circuitos atenuadores e defasadores são fundamentais em projetos de redes de antenas, visto que estes dispositivos possibilitam o ajuste das amplitudes e das fases dos coeficientes de excitação dos elementos quando conectados em cascata. Assim, a direção do feixe principal e o nível dos lóbulos secundários do diagrama de irradiação podem ser controlados, o que permite aumentar a interoperabilidade do sistema de comunicação. Neste trabalho são apresentados projetos de circuitos atenuadores e defasadores, onde suas propriedades são analisadas através da matriz de espalhamento [S]. Os parâmetros S podem ser representados por um número complexo na forma exponencial, descrito através de magnitude e fase. Um circuito atenuador com dimensão muito menor que o comprimento de onda guiado na estrutura e composto por resistores hipoteticamente ideais permite ajustar a amplitude de saída sem modificar a fase do sinal através de configurações T ou π. Um atenuador de duas portas apresenta simetria (S11 = S22) e reciprocidade (S21 = S12), em que a magnitude de S11 deve estar abaixo de -10 dB para toda a banda do projeto, garantindo assim o casamento de impedância da entrada quando uma carga casada é conectada na saída, enquanto que a magnitude de S21 deve ser especificada conforme a atenuação desejada. A rede T é composta por três resistores, sendo dois em série (R1T) e um em paralelo (R2T). Os valores das resistências são determinadas por R1T = [(1-S21)/(1+S21)]Z0 e R2T = [Z0²/R1T-R1T]/2, onde Z0 é a impedância característica da linha de transmissão. A rede π é composta por três resistores, sendo dois em paralelo (R1π) e um em série (R2π). Os valores das resistências são determinadas por R1ℼ = [(2S21)/(1-S21)+1]Z0 e R2ℼ = [2R1ℼZ0²]/[R1ℼ²-Z0²]. Enquanto isso, circuitos defasadores com elementos concentrados são compostos por indutores e capacitores, e possibilitam realizar o controle da fase desejada na saída. Defasadores que priorizam o uso de capacitores, ou seja, possuem dois capacitores, apresentam configuração de filtro passa-alta (rede T) ou passa-baixa (rede π). Para ambas estruturas considera-se que a magnitude S21 é unitária, enquanto que a fase deve ser especificada. O circuito defasador com topologia T é composto por dois capacitores em série e um indutor em paralelo, com capacitâncias iguais a CT e indutância LT, e permite avançar a fase na saída dentro da faixa de 0 < Ѱ < π rad. As impedâncias capacitiva e indutiva dos elementos são determinadas por ZCT = [1-xp(jѰ)]/[1+exp(jѰ)]Z0 e ZLT = [Z0²/ZCT- ZCT]/2. O circuito defasador com topologia π é composto por dois capacitores em paralelo e um indutor em série, com capacitâncias iguais a Cℼ e indutância Lℼ, e permite atrasar a fase na saída dentro da faixa de -π < Ѱ < 0 rad. As impedâncias capacitiva e indutiva dos elementos são determinadas por ZCℼ = [[2exp(jѰ)]/[1-exp(jѰ)]+1]Z0 e ZLℼ = [2ZCℼZ0²/[ZCℼ²-Z0²]. Os valores das capacitâncias e indutâncias para ambos os defasadores são obtidos por Cν = [-j]/[2πfν] e Lν =[-j𝜁 ]/[2πf], sendo f a frequência do projeto, ν = ZCℼ ,ZCT e 𝜁 = ZLℼ ,ZLT. Os componentes dos circuitos foram modelados no simulador eletromagnético HFSS e inseridos em uma placa de circuito impresso na tecnologia de guia de onda coplanar aterrado (CPWG). O laminado utilizado foi o Rogers RO4360G2, com permissividade relativa εr = 6,15, tangente de perdas 0,0038 e espessura h = 0,61 mm. As linhas de transmissão (LTs) em CPWG foram projetadas na frequência central de 2,4 GHz para uma impedância característica de 50 Ω e gap de 0,2 mm, resultando em um comprimento de onda guiado de λg = 66,87 mm e LTs de largura w = 0,5 mm. Os indutores, capacitores e resistores do circuito possuem encapsulamento 0402 imperial. Para fins de validação da formulação desenvolvida para os circuitos, foram projetados dois circuitos atenuadores de 3 dB, sendo obtido os seguintes valores para os componentes: R1T = 8,5 Ω e R2T = 141,9 Ω, e R1π= 292,4 Ω e R2π= 17,6 Ω, resultando em S11 de -29,5 dB e -35,6 dB para as redes T e , respectivamente. Para ambos os casos, o S21 π foi de -3 dB. Já para os defasadores, projetou-se redes T ou π para obter sinais de saída com fase de ±90°. Os componentes calculados foram: CT = 1,3 pF e LT = 3,3 nH, e Cℼ = 0,9 pF e Lℼ = 4,7 nH para as redes T e π, respectivamente, resultando em fases de 81,6° e -97,0°. Percebe-se que ambos os resultados não atendem as fases especificadas devido à forte influência das capacitâncias parasitas entre as conexões dos componentes. Desta forma, ajustes nos componentes foram necessários, obtendo-se os seguintes valores: CT = 1,2 pF e LT = 3,0 nH, e Cℼ = 1,1 pF e Lℼ = 3,2 nH, o que resultou em fases de 89,7° e -89,3°, e S11 = -16,7 dB e S11 = -13,6 dB. Por fim os circuitos apresentaram bom desempenho e serão utilizados na alimentação de antenas embarcadas em veículos aéreos não-tripulados (VANTs).