Circular polarizado 3D

Dec 23, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11838 (2023) Citar este artigo

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Este artigo apresenta uma antena ressonadora dielétrica cilíndrica impressa em 3D operando a 5,8 GHz que atinge polarização circular integrando uma hélice parasita totalmente dielétrica com uma permissividade maior que o ressonador cilíndrico. A polarização da antena pode ser destra ou canhota dependendo do sentido de rotação da hélice. Um extenso estudo paramétrico foi feito para o projeto da hélice para avaliar os efeitos das dimensões e da constante dielétrica da hélice sobre o casamento e a razão axial da antena. A fabricação é feita utilizando filamentos dielétricos de baixa perda e uma impressora 3D de baixo custo. Os resultados de simulação e medição mostram que ambas as antenas são bem combinadas e operam com a polarização circular correspondente, com uma largura de banda de relação axial compatível com aplicações de UAV.

A polarização circular (CP) tem sido utilizada em uma ampla variedade de aplicações de comunicação sem fio, como comunicações via satélite e veículos não tripulados1, devido às suas inúmeras vantagens. Por exemplo, ao usar CP o spread de atraso pode ser reduzido, garantindo níveis mais elevados de potência recebida2, e esta polarização tem maior resistência a interferências multipercurso3,4. Diferentes métodos podem ser encontrados na literatura para obtenção de antenas polarizadas circulares, que se baseiam principalmente na modificação da estrutura radiante ou da rede de alimentação da antena .

Na perspectiva de implementação de antenas CP, também podem ser encontradas antenas ressonadoras dielétricas polarizadas circulares (DRA), que podem ser candidatas interessantes para as aplicações mencionadas, devido à sua versatilidade em termos de formatos, padrões de radiação e possibilidades de implementação. No entanto, os DRAs podem ser limitados ao projetar formas complexas se forem utilizadas técnicas tradicionais de fabricação dielétrica, resultando em custos mais elevados7. Uma tecnologia que pode superar esse problema é a sua implementação por meio da manufatura aditiva.

A fabricação aditiva ou impressão 3D é adequada para muitas aplicações em engenharia8, incluindo topologias de alta frequência9 devido à disponibilidade de filamentos dielétricos de baixo custo e baixas perdas e impressoras 3D de alta precisão. Isto tornou possível implementar topologias com formas que eram demasiado caras ou impossíveis de implementar sem esta tecnologia10. Alguns exemplos de implementação de DRAs utilizando impressão 3D podem ser encontrados na literatura, como estruturas de alto ganho11, estruturas multi-anel12, e o documento de conferência contendo o trabalho preliminar sobre o projeto aqui apresentado13.

A antena apresentada neste artigo consiste no projeto, estudo paramétrico, análise modal, implementação e medição de uma antena ressonadora dielétrica cilíndrica (DRA) operando em 5,8 GHz, que utiliza uma hélice dielétrica parasita com alta permissividade para obter polarização circular. O sentido de rotação da hélice determina o sentido da polarização como polarização circular para destros (RHCP) ou polarização para canhotos (LHCP).

Proposta de CDRA com hélice e estrutura de alimentação. (a) Vista lateral (b) Vista superior (c) Estrutura dielétrica em hélice para LHCP e RHCP.

A antena proposta é mostrada na Fig. 1. Ela consiste em duas estruturas dielétricas: uma antena ressonadora dielétrica cilíndrica (CDRA) e uma hélice dielétrica parasita colocada ao redor do CDRA. Primeiro, as dimensões do CDRA são projetadas para uma frequência de ressonância \(f_0\) a 5,8 GHz excitando o modo HEM\(_{11\Delta }\)14,15, usando uma alimentação de acoplamento de slot7 definida pela Eq. (1):

onde c é a velocidade da luz, \(r_{DRA}\) é o raio do DRA (\(d_{DRA}/2\)) e \(h_{DRA}\) a altura do DRA. O fator de forma selecionado para este DRA dá uma dimensão para o rádio de \(r_{DRA}=9\) mm e uma altura \(h_{DRA}=16\) mm, usando um material com permissividade relativa \(\varepsilon _{r2}=9\). 2, o \(|S_{11}|\) simulado do CDRA projetado e o padrão de radiação simulado para ambos os planos em 5,8 GHz são mostrados. Podemos ver que o CDRA tem um ganho máximo em torno de 6 dBi, embora esteja bem compatível com a frequência de projeto.