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Padrão de radiação de uma antena dipolo de meia onda (simulação HFSS)

Por meio do software de simulação eletromagnética HFSS da empresa ANSYS, desenvolvemos diversas simulações de campos eletromagnéticos por meio de elementos finitos. Nesta página, apresentamos a simulação de uma antena simples do tipo dipolo de meia onda com ênfase no padrão de radiação dessa antena.

Modelagem

A modelagem foi realizada por meio de dois cilindros de comprimento L cm (cada lado), diâmetro de 1mm, de material condutor teoricamente perfeito com distância entre os tubos de 2mm (gap) e um pequeno plano retangular entre os mesmos referente à porta de excitação necessária à simulação, conforme a imagem abaixo (alterei as dimensões somente na imagem do modelo para facilitar a visualização):

antena modelo

antena modelo

Parâmetro S11

Iniciamos com uma simulação rápida (cerca de uma hora) para conferir o modelo no software HFSS por meio da análise do parâmetro S11 em diversos comprimentos L (30cm, 25cm, 20cm e 15cm), que equivale a 1/4 do comprimento de onda, referentes às frequências de melhor radiação 228,57MHz, 278,57MHz, 350MHz e 464,28MHz, respectivamente. Por meio desses valores, é possível confirmar que o modelo está correto uma vez que o comprimento L equivale a 1/4 do comprimento de onda da radiação:

parametro s11

parametro s11

Parâmetro VSWR

Adiante, temos o parâmetro VSWR da antena dipolo de meia onda, que obviamente apresentam valores mínimos nas frequências de resonância supramencionadas e também indicam a variação da largura da banda com o comprimento:

parametro vswr

parametro vswr

Padrão de Radiação em 3D (Pattern Radiation)

Conforme previsto, o padrão de radiação de uma antena dipolo de meia onda com a visualização em 3D apresenta a forma de toróide ou torus em inglês, o que significa que a radiação é nula na direção do eixo Z, referente ao eixo de comprimento da antena e é máxima ao longo do plano XY, perpendicular ao eixo Z:

grafico radiacao 3d

grafico radiacao 3d

 

Na imagem a seguir, podemos visualizar o padrão de radiação em formato polar da antena dipolo de meia onda, que permite melhor visualização da diretividade da antena:

padrao radiacao

Ainda, é possível analisar o ganho total e o ganho realizado em dB ao longo do ângulo teta, com valores máximos no ângulo de 90° (plano XY) e mínimos em 0 e 180° (eixo Z) por meio das imagens abaixo. Perceba que o ganho máximo é não é exatamente o ganho máximo de um dipolo ideal teórico devido à modelagem e precisão estabelecida na simulação.

Ressaltamos que o software HFSS segue a definição da IEEE para o ganho, o que quer dizer que o "Ganho Total" em si não inclui perdas pelo não casamento de impedâncias, enquanto define o parâmetro "Ganho Realizado" (sempre inferior ao Ganho Total)  com a inclusão do termo "10*log10(1-|S11|²)" referente às perdas por reflexões na entrada da antena:

parametro ganho total

parametro ganho total

parametro ganho realizado

parametro ganho realizado

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