Publicação: antena de microfita de dupla polarização de alto ganho e banda larga baseada em perturbação modal e ressonadores de 𝜆/4
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOES::TEORIA ELETROMAGNETICA, MICROONDAS, PROPAGACAO DE ONDAS, ANTENAS
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Resumo
Neste trabalho, apresentam-se o projeto, a análise e a validação experimental de uma antena de
microfita quadrada de dupla polarização com largura de banda e ganho realizado aprimorados.
A antena proposta opera em modos do tipo TM10 e TM01 modificados, os quais são excitados
de forma independente por meio de duas portas ortogonais. O incremento de ganho é obtido
pela incorporação de quatro vias metálicas posicionadas simetricamente entre o elemento
radiador e o plano de terra; tal configuração perturba a distribuição do campo eletromagnético
no substrato, tornando a antena eletricamente maior em relação ao comprimento de onda na
frequência de ressonância. Simultaneamente, a ampliação da largura de banda é alcançada
através de um sistema de alimentação composto por pares de ressonadores de linha de microfita
de um quarto de comprimento de onda (𝜆𝑔/4). Estes ressonadores introduzem uma ressonância
adicional vinculada à rede de alimentação, funcionando como um filtro integrado que, ao
ser devidamente acoplado ao modo fundamental modificado do ressonador, resulta em uma
expansão significativa da largura de banda de impedância. Diferentemente de abordagens
convencionais, este trabalho integra ambas as técnicas em uma única arquitetura de dupla
polarização, preservando a compacidade e o baixo perfil da estrutura. O processo de design foi
otimizado via método de elementos finitos (FEM), seguido pela fabricação e caracterização de
um protótipo em substrato Rogers CuClad 250GX. Os resultados experimentais demonstraram
excelente concordância com as predições computacionais. O dispositivo final alcança uma largura
de banda de aproximadamente 7,5% (6,93–7,47 GHz) para |𝑆𝑛𝑛| ≤ −10 dB. Na frequência de
operação de 7,25 GHz, a antena exibe ganho realizado de pico de 10,3 dBi, isolamento entre
portas superior a 25,0 dB e discriminação de polarização cruzada de 22,2 dB. Adicionalmente,
análises em domínio do tempo confirmam que os parâmetros dispersivos e o atraso de grupo
da estrutura não impõem limitações significativas ao desempenho de sistemas de comunicação
digital.
Abstract
This work presents the design, analysis, and experimental validation of a dual-polarized square
microstrip patch antenna with enhanced bandwidth and realized gain. The proposed antenna
operates under modified TM10 and TM01 modes, which are independently excited through two
orthogonal feed ports. The gain enhancement is achieved by incorporating four metallic vias
symmetrically positioned between the radiator and the ground plane; this configuration perturbs
the electromagnetic field distribution within the substrate, making the antenna electrically larger
relative to the resonant wavelength. Simultaneously, bandwidth enhancement is attained through
a feeding system composed of pairs of quarter-wavelength (𝜆𝑔/4) microstrip line resonators.
These resonators introduce an additional resonance associated with the feed network, functioning
as an integrated filter that, when properly coupled to the modified fundamental mode of the
patch, results in a significant expansion of the impedance bandwidth. Unlike conventional
approaches, this work integrates both techniques into a single dual-polarization architecture while
maintaining the structure’s compactness and low profile. The design process was optimized
using the Finite Element Method (FEM), followed by the fabrication and characterization of a
prototype on a Rogers CuClad 250GX substrate. Experimental results demonstrated excellent
agreement with computational predictions. The final device achieves a fractional bandwidth of
approximately 7.5% (6.93–7.47 GHz) for |𝑆𝑛𝑛| ≤ −10 dB. At the 7.25 GHz operating frequency,
the antenna exhibits a peak realized gain of 10.3 dBi, port-to-port isolation greater than 25.0 dB,
and cross-polarization discrimination of 22.2 dB. Additionally, time-domain analyses confirm that
the dispersive parameters and group delay of the structure do not impose significant limitations
on digital communication system performance.
Palavras-chave
Alto ganho, Antena de microfita, Banda larga, Dupla polarização, Perturbação de modos, Ressonador de um quarto de onda.
Citação
SOUSA, Natanael Magalhães Lima de. Antena de microfita de dupla polarização de alto ganho e banda larga baseada em perturbação modal e ressonadores de 𝜆/4. 2026. 41 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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