Não precisamos ressaltar que a melhor antena não é a que tem maiores dimensões, mas sim aquela em que as dimensões se casam com o comprimento da onda que deve ser recebida ou transmitida. Nas aplicações atuais, em que os comprimentos de onda são muito pequenos está se destacando o uso das antenas microfita ou microstrip. Neste artigo, detalhamos o seu princípio de funcionamento.
No início das telecomunicações, quando as faixas do espectro exploradas eram as de frequências mais baixas, as dimensões das antenas eram expressas em metros. Assim, as bandas de radioamadores de 80, 40, 20 e 10 metros eram e são populares ainda hoje, assim como as bandas da faixa de VHF terminando em 300 MHz ou 1 metros.
No entanto, as tecnologias evoluíram e as faixas do espectro mais altas começaram a ser exploradas, chegando ao UHF, SHF e EHF com comprimentos de onda expressos em centímetros e em milímetros.
Isso significa que as antenas para essas faixas de onda também devem ter dimensões que se expressam nas mesmas unidade. Em suma, quando as frequências passam de 1 GHz, as formas tradicionais de antenas já não mais se aplicam e uma nova tecnologia deve ser empregada.
Nas aplicações em IoT que operam nessas faixas de ondas, nas novas gerações de celulares temos então novas topologias para as antenas, com o destaque as antenas tipo microstrip ou se usarmos o termo em português antenas microfita.
Essa fita condutora pode ser obtida de diversas formas. Assim, numa forma mais simples, que pode ser usada para as faixas de VHF e UHF, podemos elaborar a antena usando uma fita de cobre ou mesmo traçando-a numa placa de circuito impresso, conforme mostra a figura 1.
Encontramos muitos projetos de transmissores ou receptores para a faixa de UHF em que as antenas estão na própria placa de circuito impresso.
Essa antenas podem ser usadas em uma ampla faixa de frequências, normalmente a partir de uns 300 MHz até a faixa de GHz como as usadas em IoT, 5G e mesmo 6G.
Para as frequências mais altas, essas antenas podem ser integradas em componentes específicos, os quais podem ser adquiridos para uma ampla gama de frequências, como os mostrados na figura 2.
A utilização da antena já pronta elimina os fatores críticos na sua construção como, por exemplo, as linhas de transmissão e sua eventual montagem numa placa cujas características elétricas podem variar.
Assim, contando com antenas prontas específicas para determinadas faixas de frequências, pode-se garantir um elevado desempenho na aplicação desejada.
Entretanto, essas antenas também apresentam suas desvantagens tais como:
- Baixa eficiência
- Baixa potência
- Alto Q
- Polarização pobre
- Faixa de frequências de operação estreita
Na figura 3 temos a estrutura típica de duas antenas desse tipo.
Na sua estrutura básica essas antenas microfita consistem em uma área cobreada que pode ter os mais diversos formatos apoiada num dielétrico tendo uma segunda área que funciona como um plano de terra. Na figura temos áreas ativas cobreadas quadrada e redonda.
Como em toda antena, as dimensões dos elementos são calculadas de acordo com o comprimento de onda do sinal a ser transmitido ou recebido, assim como das características dos materiais usados.
A espessura da fita é muito pequena, colocada sobre uma camada de dielétrico da ordem de 0,003 a 0,05 do comprimento de onda (h na figura 4).
O elemento L normalmente tem 1/3 ou ¼ do comprimento de onda do sinal com que se trabalha. Na prática são usados substratos com constantes dielétricas (€r) de 2,2 a 12. As dielétricos mais grossos com constantes dielétricas menores são preferidas por possibilitarem a obtenção de faixas de ondas mais largas e maior eficiência. Por outro lado, os dielétricos com constantes mais elevadas são preferidos para as faixas de microondas.
Acoplamento
O acoplamento dessas antenas aos circuitos exige técnicas especiais, pois determina a impedância e as características da antena. Muito cuidado deve ser tomado no projeto deste elemento da antena.
Existem duas formas de se acoplar uma antena microstrip (MAS).
- Excitação direta:
A primeira é através de excitação direta, para o que podemos usar um cabo coaxial ou então uma linha microstrip. Trata-se de uma tira de cobre com uma largura bem menor que o elemento radiante, conforme mostra a figura 5.
Este tipo de acoplamento tem por vantagem sua facilidade de implementação já que pode ser fabricado junto com os demais elementos da antena. Com desvantagem temos o fato de que esse elemento se torna um elemento
adicional de irradiação dos sinais, podendo gerar sinais espúrios.
- Conector coaxial
Esta é uma outra forma de se fazer o acoplamento destas antenas; Uma conexão através do material dielétrico acessa um conector, conforme mostra a figura 6.
Nesta conexão, o condutor central é ligado ao elemento irradiante enquanto blindagem é conectada ao plano terra.
A principal vantagem deste tipo de conexão está no curto comprimento do fio ao elemento ativo o que minimiza a produção de radiação espúria. Um fato importante é que o ponto de conexão pode ser feito em qualquer lugar da área irradiante sem afetar a impedância.
A desvantagem está ainda na faixa passante estreita além da dificuldade de implementação prática. Esse tipo de conexão também torna a antena um elemento assimétrico.
- Acoplamento por abertura
Esta é uma técnica que visa evitar os principais problemas dos acoplamentos descritos anteriormente. O que se faz é acoplar o sinal ao elemento irradiante através de uma abertura ou slot cortado no plano de terra, conforme mostra a figura 7.
Nesse acoplamento temos dois substratos separados por um plano terra. No substrato de baixo existe uma microstrip que é a linha de alimentação cuja energia é transferida por uma abertura no plano de terra que separa os dois substratos.
Nesta configuração um material de constante dielétrica alta é usado no substrato de baixo e um material de constante dielétrica baixa no substrato de cima. O plano terra também isola a alimentação do elemento irradiante minimizando a produção de radiação espúria.
Algumas características importantes neste tipo de acoplamento devem ser ressaltadas tais como:
a) As dimensões dos elementos podem ser otimizadas para se obter o melhor desempenho.
b) A abertura do slot pode ser ressonante o que melhora a largura de banda.
- Acoplamento por proximidade
Trata-se de um acoplamento eletromagnético. Neste acoplamento a linha de sinal é colocada entre o elemento irradiante e plano terra, sendo separados por dois meios dielétricos. Os comprimentos dos elementos são usados para se obter o acoplamento ideal.
Neste tipo de acoplamento temos a eliminação da radiação espúria e com a escolha dos materiais dos dielétricos pode-otimizar o desempenho trabalhando com a largura de baixa.
Na figura 8 temos o modo como esse acoplamento é feito.
Tipos comerciais
Para os projetos de dispositivos IoT que operem com a transmissão e recepção de sinais podemos contar com uma enorme gama de antenas e microstrip e acessórios tais como conectores, facilitando assim a vida do desenvolvedor.
Navegando no site da Mouser Electronics encontramos diversos dispositivos dos quais selecionamos alguns para que o projetista tenha uma ideia com que pode contar.
Maxtena MPA-258- Wifi – Antena Microstrip
Esta é uma antena cerâmica de alto ganho para a faixa Wi-Fi de 2,4 GHz medindo 25 mm x 245mm x 4,5 mm contendo cabo e conector.
A antena MPA-258-WIFI contém sua própria placa PCB de aterramento. Esta antena utiliza um material especial à base de semicerâmica que leva a uma maior eficiência da parte superior e uma relação axial mais baixa em comparação com as antenas patch regulares. Isso permite que a antena seja superior e a melhor escolha para os exigentes requisitos de antenas Wi-Fi multibanda/multifrequência.
A antena MPA-258-WIFI opera em uma faixa de temperatura de -40°C a 105°C. As aplicações típicas incluem aplicativos móveis, drones, robótica, aplicativos IoT, aplicativos VR/AR e controles industriais.
Mais informações podem ser obtidas no datasheet em:
https://www.mouser.com/new/maxtena/maxtena-mpa-258-wifi-microstrip-antenna/
MPA-1516 – Antena Maxtena para GPS
Estas antenas patch são perfeitas para projetos com escopo e orçamento menores para os quais alto desempenho e baixo peso não são um fator primário a ser considerado para a antena.
Elas são ideais para aplicações menos exigentes, onde o desempenho extremo e a vida útil da bateria podem ser sacrificados às custas do custo do dispositivo.
Esta antena foi projetada para aplicações incorporadas, como unidades portáteis de GPS, dispositivos móveis e dispositivos de rastreamento. Possui maior eficiência do parte superior e uma relação axial mais baixa em comparação com as antenas patch regulares.
O conector de interface é uma solução de pinos passantes.
Datasheet em:
https://www.mouser.com/ProductDetail/Maxtena/MPA-1516?qs=W%2FMpXkg%252BdQ5%2FHUSzXNkbAw%3D%3D
