Publicação: Antena de microfita multimodo (TM03/TM11) com ganho e largura de banda aprimorados para 5G em 3,5 GHz
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOES::TEORIA ELETROMAGNETICA, MICROONDAS, PROPAGACAO DE ONDAS, ANTENAS
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Orientador
Coorientador
Borges, Fábio Silva
Resumo
Este trabalho apresenta o projeto, a análise e a validação experimental de uma antena de
microfita desenvolvida para operar na faixa de 3,5 GHz, destinada a aplicações em sistemas de
comunicação sem fio de quinta geração (5G). A proposta baseia-se na combinação controlada
de modos superiores de ressonância em um patch retangular modificado por vias metálicas
de curto-circuito, possibilitando a excitação simultânea dos modos TM03-like e TM11-like. A
inserção dessas vias altera as condições de contorno eletromagnéticas da cavidade ressonante,
promovendo a aproximação entre duas ressonâncias e resultando em uma resposta de dupla
ressonância responsável pela ampliação da largura de banda. Inicialmente, foi analisada uma
antena de referência operando no modo fundamental TM10, com base no modelo de cavidade e
em simulações eletromagnéticas em onda completa no software Ansys HFSS. Em seguida, a
estrutura foi reprojetada para a faixa de interesse por meio do ajuste sistemático de seus parâmetros
geométricos, com destaque para a razão W/L, identificada como variável-chave no controle do
espaçamento entre as frequências ressonantes dos modos excitados. Os resultados simulados
indicaram largura de banda fracionária de 14,65% para o critério |S11| ≤ −10 dB, cobrindo a
faixa de 3,29 a 3,81 GHz, com ganho realizável variando entre 7,21 e 9,56 dBi e valor máximo
de 9,62 dBi. A validação experimental do protótipo fabricado, em termos de |S11|, mostrou boa
concordância com as previsões numéricas, evidenciando largura de banda de 16,03%, entre 3,27
e 3,84 GHz. Adicionalmente, os diagramas de irradiação simulados mostraram comportamento
estável ao longo da banda de operação, com irradiação predominantemente na direção broadside
e ausência de lóbulos laterais significativos. Os resultados demonstram que a estratégia de
combinação modal empregada constitui uma alternativa eficiente para o desenvolvimento de
antenas de microfita com largura de banda ampliada, ganho relativamente elevado e geometria simples, atendendo de forma adequada aos requisitos de operação na faixa de 3,5 GHz destinada ao 5G.
Abstract
This work presents the design, analysis, and experimental validation of a microstrip antenna
developed for operation in the 3.5 GHz band for fifth-generation (5G) wireless communication
systems. The proposed antenna is based on the controlled combination of higher-order resonant
modes in a rectangular patch modified by metallic shorting vias, enabling the simultaneous
excitation of the TM03-like and TM11-like modes. The introduction of these vias alters the
electromagnetic boundary conditions of the resonant cavity, bringing two resonances closer
together and producing a dual-resonance response responsible for bandwidth enhancement.
Initially, a reference antenna operating in the fundamental TM10 mode was analyzed based on
the cavity model and full-wave electromagnetic simulations performed in Ansys HFSS. Then,
the structure was redesigned for the target frequency range through the systematic adjustment of
its geometric parameters, with special emphasis on the W/L ratio, identified as the key variable
for controlling the frequency spacing between the excited resonant modes. The simulated results
showed a 14.65% fractional impedance bandwidth for the criterion |S11| ≤ −10 dB, covering
the frequency range from 3.29 to 3.81 GHz, with realized gain varying from 7.21 to 9.56 dBi
and reaching a peak value of 9.62 dBi. The experimental validation of the fabricated prototype,
in terms of |S11|, showed good agreement with the numerical predictions, yielding a measured
bandwidth of 16.03%, from 3.27 to 3.84 GHz. In addition, the simulated radiation patterns
exhibited stable behavior over the operating band, with predominantly broadside radiation and
no significant sidelobes. The obtained results demonstrate that the adopted modal-combination
strategy is an efficient approach for developing microstrip antennas with enhanced bandwidth,
relatively high gain, and simple geometry, thus properly meeting the operational requirements of
the 3.5 GHz 5G band.
Palavras-chave
Antena de microfita, Microstrip antenna, Modos superiores, vias de curto-circuito, largura de banda, ganho, 5G, higher-order modes, shorting vias, bandwidth, Gain
Citação
PAULINO, Joel Elias. Antena de microfita multimodo (TM03/TM11) com ganho e largura de banda aprimorados para 5G em 3,5 GHz. 2026. 37 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações) - Universidade Federal de Uberlândia, Patos de Minas, 2026.
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