1. O kit de desenvolvimento de 60 GHz da Pasternack ajuda os designers a se acostumarem com a fronteira de ondas milimétricas.

Guia de ondas faz um retorno em 5G – para antenas

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Para a maioria dos engenheiros de design, o estudo da tecnologia do guia de ondas terminou quando eles obtiveram seu último diploma. O único momento em que o guia de ondas surge é usá-lo como último recurso em aplicações como medições de ondas milimétricas (mmWave), onde o cabo coaxial é muito com perdas, caro e frágil. Isso não quer dizer que o guia de ondas não seja mais usado, mas não é considerado uma tecnologia “moderna” e de pouco uso em aplicativos como o sem fio. No entanto, essa percepção está começando a mudar, e as necessidades dos benefícios do guia de ondas nas frequências mmWave para 5G estão impulsionando quantidades substanciais de pesquisas em todo o mundo.

O mercado do guia de ondas e os componentes feitos a partir dele são notavelmente estáveis ​​e continuam a crescer. Dependendo dos analistas, esse crescimento deverá ser de 5% a 20% até o início da década de 2020. No “Millennium Wave Technology Market 2019-2023”, a 360 Research Reports observa: “Houve um aumento notável no desenvolvimento de antenas a partir de antenas de slot de guia de onda”, impulsionadas por radares mmWave e interesse no “projeto e implementação de antenas eficientes e miniaturizadas para equipamento de comunicações móveis e de radiocomunicação ”.

Isso é notável em uma época em que sistemas de todos os tipos estão encolhendo e alimentados por dispositivos de estado sólido de baixa potência e, exceto para aqueles que o buscam ativamente, informações sobre antenas de guia de onda raramente são abordadas na mídia. No entanto, muitos trabalhos de pesquisa sobre novos designs de antenas de guia de ondas aparecem todos os anos. Muitos deles não estão relacionados a aplicativos tradicionais, como sistemas de defesa, mas ao uso potencial na implantação de redes sem fio comerciais.

A razão para esse interesse está nas características básicas do guia de ondas, que, quando comparado com sua contraparte, a linha de transmissão coaxial, traz benefícios exclusivos. Por exemplo, embora o cabo coaxial seja muito mais fácil de usar, seu desempenho diminui com a frequência. E em comprimentos de onda milimétricos acima de 30 Hz, a perda de inserção se torna cada vez mais problemática e seu tamanho diminui para o tamanho de uma ponta de lápis, tornando-a extremamente frágil e cara.

Somente o ar tem menor perda de inserção que o guia de ondas e é praticamente impermeável à interferência externa, lida com níveis muito mais altos de potência de RF e opera com larguras de banda amplas. A capacidade de manipulação de energia de RF de cabos coaxiais é bastante alta em altas frequências, especialmente quando se utiliza ar em vez de PTFE como dielétrico, mas diminui rapidamente com frequência a um watt ou menos em comprimentos de onda milimétricos altos

Dito isto, em frequências mais baixas, o guia de ondas de metal é enorme quando comparado ao cabo coaxial, e para aplicações a 1 GHz e abaixo é realmente enorme, cumprindo seu apelido depreciativo como “canalização de microondas”. Mesmo as versões flexíveis do guia de ondas são comparativamente difíceis de instalar. e requer acoplamentos especiais.

Devido ao seu tamanho, a maioria das aplicações de guia de ondas hoje está restrita a sistemas de teste e medição, radar e guerra eletrônica, links ponto a ponto, terminais de satélite, transmissores de transmissão, sistemas médicos, aceleradores lineares e outros sistemas científicos. Porém, em frequências acima de 30 GHz, o guia de ondas se destaca e, à medida que a frequência aumenta, torna-se a única solução razoável para transferir energia através de um meio físico com baixa perda. No futuro, também possui um grande potencial para as antenas mmWave.

Guia de ondas para 5G?

Um dos princípios fundamentais da quinta geração de comunicações sem fio é o uso de frequências mmWave. Eles são necessários para acomodar as larguras de banda de canal extremamente amplas exigidas pelo streaming de vídeo de alta definição e outros aplicativos com uso intenso de dados, bem como a baixa latência exigida por aplicativos como veículos autônomos, tele-cirurgia, jogos e muitas aplicações industriais. Para realizar operações nessa região espectral, arquiteturas avançadas de antenas serão cruciais. Embora as antenas baseadas em guia de ondas raramente sejam mencionadas na mesma frase que 5G, elas provavelmente desempenharão um papel importante em comprimentos de onda milimétricos.

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Para facilitar o desenvolvimento da tecnologia mmWave em torno de 60 GHz para Wi-Fi e potencialmente a próxima geração de tecnologia celular, a Pasternack em 2014 introduziu o sistema de desenvolvimento de transmissão / recepção PEM003-KIT para criar caminhos de transmissão a distâncias variadas e parâmetros-chave para verificar e otimizar o desempenho dos projetos. No momento em que foi lançado, 60 GHz parecia um pouco distante em termos de implantação. No entanto, nos últimos dois anos, o kit ganhou popularidade à medida que designers e experimentadores percebem que 60 GHz provavelmente estarão à vista mais cedo ou mais tarde.

O PEM033-KIT consiste em placas de circuito impresso de transmissor e receptor e módulos de antena de guia de onda WR15 / WG2 que criam caminhos de transmissão e recepção, juntamente com o software Windows que atua como painel de controle para monitoramento, configuração e experimentação do sistema (Figura 1). Dois módulos de antena estão disponíveis: Para distâncias entre 30 a 50 m, uma antena WR-15 oferece ganho de 15 dBi e para distâncias entre 200 a 300 m, uma antena corneta WR15 fornece 34 dBi de ganho.

1. O kit de desenvolvimento de 60 GHz da Pasternack ajuda os designers a se acostumarem com a fronteira de ondas milimétricas. 1. O kit de desenvolvimento de 60 GHz da Pasternack ajuda os designers a se acostumarem com a fronteira de ondas milimétricas.

Guia de Ondas do Século XXI

Uma variedade de técnicas de antena de guia de onda pode ser usada para obter excelentes resultados combinando as características inerentes ao guia de onda e fabricação usando métodos econômicos. Dependendo da arquitetura, essas antenas podem fornecer cobertura direcional ou omnidirecional e vigas direcionadas eletronicamente. A direção de vigas ativa, independentemente da tecnologia usada para implementá-la, é essencial para combater as características de propagação desafiadoras em comprimentos de onda milimétricos.

A maioria das antenas de guia de onda tradicionais são cornetas de ganho retangulares ou cônicas padrão, com padrões de radiação direcional. Para aplicativos de comunicação sem fio, como 5G, outros padrões de radiação podem ser necessários para a cobertura desejada, como padrões omnidirecionais e setoriais. Além disso, polarização dupla e polarização circular podem ser necessárias para comunicações otimizadas. A Pasternack introduziu essas categorias de antenas de guia de ondas, bem como buzinas de alto ganho para lentes.

Uma dessas antenas é o conjunto de antenas de guia de onda com fenda (SWAA), usado desde a Segunda Guerra Mundial em várias aplicações de radar, especialmente os radares marítimos comerciais de banda S (2 a 4 GHz) rotativos, em que custo e simplicidade são medidas-chave. Os SWAAs consistem em comprimentos de guia de ondas circulares ou retangulares com fendas fresadas em suas paredes condutoras. Esses slots introduzem descontinuidades no condutor e interrompem o fluxo de corrente na parede do guia de ondas. À medida que a corrente flui pelas bordas dos slots, elas atuam como antenas dipolo. O próprio guia de ondas atua como a linha de transmissão que alimenta os elementos da antena.

Pesquisadores do Instituto Nacional de Telecomunicações e da Universidade Federal de Itajubá, no Brasil, desenvolveram SWAAs com potencial para uso em redes 5G.1 Um deles, projetado para operação entre 24 e 33 GHz, combina alto ganho e cobertura omnidirecional usando guia de ondas circular preenchido com PTFE que atua como suporte mecânico para a estrutura da antena (Figura 2).

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2. A antena SWAA omnidirecional baseada em anel de pesquisadores no Brasil foi projetada para oferecer cobertura em ambientes internos ou externos com ganho substancial.2. A antena SWAA omnidirecional baseada em anel de pesquisadores no Brasil foi projetada para oferecer cobertura em ambientes internos ou externos com ganho substancial.

As ranhuras circulares no guia de ondas são igualmente espaçadas. Eles agem como anéis de metal dentro de uma haste dielétrica, na qual as ondas funcionam como uma antena de ondas soltas. A energia de RF é irradiada para fora através dos slots, produzindo cobertura omnidirecional. A buzina cônica da parte inferior da antena mede 15 × 9,9 mm e é alimentada por um conector K. A antena produz um ganho de cerca de 12 dBi a 28 GHz e possui uma largura de banda de 2,15 GHz. Ele declarou que as aplicações incluem shopping centers, teatros, centros de convenções e estádios.

Os pesquisadores também desenvolveram um SWAA de banda dupla que usa conjuntos de slots em cada face mais larga do guia de ondas retangular, um para 28 GHz e outro para 38 GHz, permitindo que ambas as bandas sejam usadas simultaneamente. A antena mede 1,7 × 24 × 87 mm e fornece larguras de banda de 24,72 a 32,2 GHz e 35,5 a 39,15 GHz com ganho de 12,6 e 15,6 dBi, respectivamente.

Uma das antenas SWAA de grande escala mais impressionantes foi anunciada no início do ano passado pela Mitsubishi Electric e pelo Instituto de Tecnologia de Hiroshima (Fig. 3). A matriz polarizada dupla de 2.000 elementos foi projetada para clima, radar de aeroporto, radar de sensoriamento remoto e comunicações por satélite, mas o conceito pode ser aplicado a matrizes menores em frequências mais altas. Por ser feita de resina moldada por injeção em vez de metal, é 40% mais leve e 90% mais barato que uma matriz de remendo do mesmo tamanho. Além disso, oferece 60% de supressão do lóbulo lateral, uma redução de 90% na polarização cruzada e 10% maior eficiência.

3. Este SWAA de 2.000 elementos do Mitsubishi Electric e do Instituto de Tecnologia de Hiroshima foi projetado para uso em radares climáticos e de vigilância.3. Este SWAA de 2.000 elementos do Mitsubishi Electric e do Instituto de Tecnologia de Hiroshima foi projetado para uso em radares climáticos e de vigilância.

Outra tecnologia promissora é o guia de ondas integrado ao substrato (SIW), que utiliza estruturas impressas que emulam o guia de ondas de metal, mas são leves, têm baixo perfil e baixa perda de inserção e são fáceis de fabricar. A tecnologia SIW permite a integração de componentes e antenas passivos e ativos em um único substrato. É uma tecnologia promissora não apenas para antenas, mas para deslocadores de fase, osciladores, ressonadores, filtros e outros componentes passivos, formando circuitos integrados de substrato (SiCs). Eles podem ser conectados diretamente a circuitos planares, como a linha de micro trilho e o guia de onda coplanar, tornando-o adequado para produção em massa.

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O SIW fica entre a linha de microchips e o guia de ondas cheio dielétrico, no qual o metal nos dois lados de um substrato dielétrico (laminado de micro-ondas) atua como as paredes superior e inferior do guia de ondas. Uma matriz densa de pinos metalizados se conecta às placas superior e inferior do substrato. Existem várias variações no SIW que aprimoram seus recursos enquanto reduzem o tamanho e a complexidade.

Por exemplo, o SIW de meio modo reduz a quantidade de metalização vertical para metade da de uma implementação completa de SIW, aumenta a largura de banda operacional e pode funcionar efetivamente até cerca de 100 GHz. As versões mais recentes desta técnica eliminam os orifícios de passagem e o substrato dielétrico, substituindo-o por uma estrutura cheia de ar, mantendo a vantagem da integração em um substrato plano.2 Como resultado, a técnica pode permitir que o SIW esteja em frequências ainda mais altas.

Outros pesquisadores desenvolveram uma antena de slot SIW de elemento 4×4 de dupla face usando um cabo de alimentação de linha.3 A antena e sua alimentação são fabricadas em um único substrato com duas camadas dielétricas e três camadas de cobre, resultando em seu tamanho pequeno, baixo perfil, baixo custo e duas direções de radiação. A antena pode ser usada em 25 e 28 GHz com ganho de 8 dBi, 63 graus. largura de feixe de meia potência e largura de banda de 2 GHz.

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Ainda outra técnica é o guia de ondas composto a meio modo (MCW). Consiste em estruturas de guia de ondas internas e externas, nas quais a estrutura externa atua como uma linha coaxial retangular para operação de baixa frequência, enquanto a estrutura interna atua como um guia de ondas retangular para operação de alta frequência. Uma versão no modo meio (HMCW) possui guia de onda interno e externo que opera no modo meio. Quando comparado ao tamanho equivalente, ocupa metade do espaço com perda de inserção comparável.

Por fim, a Gapwaves, uma empresa sueca fundada pelo falecido Per-Simon Kildal, pesquisador e professor da Universidade de Tecnologia de Chalmers, desenvolveu um produto comercial baseado em técnicas bastante diferentes de outras chamadas guia de ondas de abertura. Uma superfície de metal estruturada e uma superfície de metal plana são colocadas próximas umas das outras, com a superfície estruturada tendo pinos que formam uma superfície de metamaterial referida como condutor magnético artificial (Fig. 4).

4. A tecnologia “gap gap guide” da Gapwaves pode ser usada para criar uma matriz faseada compacta de 28 GHz enquanto integra componentes ativos para produzir um subsistema completo.4. A tecnologia “gap gap guide” da Gapwaves pode ser usada para criar uma matriz faseada compacta de 28 GHz enquanto integra componentes ativos para produzir um subsistema completo.

Os pinos impedem que a energia de RF se propague em direções indesejadas. Assim, os pinos substituem efetivamente as paredes em um guia de onda retangular convencional – sem a necessidade de uma caixa metálica selada. As ondas se propagam no espaço de ar entre as cristas e a superfície superior do metal com baixa perda, e não é necessário contato metálico entre as duas partes; portanto, a montagem é comparativamente simples.

Um array em fases de 28 GHz usando essa tecnologia pode fornecer potência irradiada efetiva de 65 dBm em um pequeno fator de forma. Ele também permite a integração e o contato direto da antena com outros componentes ativos ou passivos, substituindo a superfície plana do metal por uma placa de circuito. A empresa está integrando módulos front-end GaN, filtros, um conjunto de chips para formação de feixe e outros componentes para produzir um subsistema completo.

Sumário

Eles representam apenas algumas das muitas maneiras pelas quais os pesquisadores estão explorando as propriedades do guia de ondas para criar antenas que, uma década atrás, teriam sido de pouco interesse para aplicações comerciais. No entanto, se houver algum mercado que promova o desenvolvimento contínuo da tecnologia de guia de ondas nos próximos anos, será o setor de telefonia móvel, porque nenhum outro precisa mais.

Mark Miller é gerente de linha de produtos da Pasternack Enterprises.

Referências

1. Arismar Cerqueira Sodre e outros, Instituto Nacional de Telecomunicações (INATEL), “Matrizes de antenas baseadas em guia de onda para redes 5G”, Revista Internacional de Antenas e Propagação, Volume 2018.

2. Lindo Ouseph, Anju Mathews e Aanandan Chandroth, MPRL, Departamento de Eletrônica, CUSAT, Índia, Guia de ondas integrado ao substrato sem postes de parede metalizados, MPRL, Departamento de Eletrônica, CUSAT, Índia.

3. Roberto Di Renna, LJ Matos, Tadeu N. Ferreira, Jorge Souza, “Uma nova antena de matriz de slots de guia de onda integrada com substrato de dupla face para aplicações 5G”, Simpósio Internacional IEEE de 2019 sobre Antenas e Propagação e USNC-URSI Radio Science Meeting , APSURSI 2019 – Anais.

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