ANTENA PLANAR UWB SOB O EFEITO DE UMA ESTRUTURA METAMATERIAL

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1 ANTENA PLANAR UWB SOB O EFEITO DE UMA ESTRUTURA METAMATERIAL CHAGAS, M. D. O. marceloderick@gmail.com SILVA, W. R. wervesonr@gmail.com Humberto Xavier de Araujo hxaraujo@uft.edu.br Universidade Federal do Tocantins, Departamento de Engenharia Elétrica Resumo. Este artigo, apresenta a aplicação de uma estrutura metamaterial sobre uma antena planar de UWB de ranhura retangular, para aplicações de banda ultralarga. Para tal, aplicou-se a célula unitária CLL com o objetivo de melhorar o desempenho da antena em análise. A proposta deste artigo é mostrar a influência da tecnologia metamaterial em dispositivos de telecomunicação, realizando um comparativo da antena antes e depois da aplicação da tecnologia em questão. Palavras-chave: Banda larga, Antena, Metamaterial. 1. INTRODUÇÃO A norma IEEE Definições Padronizadas de Termos para antenas (IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas IEEE Std ) define antena como, dispositivo para a radiação ou recepção de ondas de rádio. Existem vários tipos de antenas como, por exemplo, as antenas de filamentos, abertura, microfita, refletoras e antena-lente. O conceito de antena de microfita surgiu em 1953 por Deschamps, mas apenas em 1970 que estas receberam atenção considerável. (BALANIS, 2005) Com o rápido desenvolvimento das telecomunicações, em especial das comunicações de banda ultra larga, as antenas que apresentam essas tecnologias se mostram cada vez mais necessárias. As antenas planares UWB (Ultra Wide Band), possuem como sua principal característica a alta taxa de transmissão de dados. De acordo com a atribuição da Comissão Federal de Comunicações (FCC), a gama de frequências para aplicações comerciais de banda ultra larga, é de 3,1 a 10,6 GHz. (MOHAMMAND; KOOHESTANI, 2011) Antenas de microfita consistem em uma plaqueta metálica colocada sobre um substrato aterrado. Metais como o cobre e o ouro são os mais utilizados, e a espessura dos substratos variam geralmente de 0,5mm a 1,6mm sendo sua faixa de constante dielétrica de 2,2 εr 12. As formas geométricas mais comuns são os formatos quadrado, circular, retangular e dipolo, pois os mesmos apresentam facilidade na sua construção e interpretação dos resultados. Para atender especificações como, alto desempenho, boas características de radiação, facilidade de instalação, simplicidade, baixo custo de fabricação, leveza e perfil aerodinâmico as antenas de microfita são as mais utilizadas. Entretanto a mesma apresenta algumas desvantagens operacionais, como, baixa eficiência, baixa potência, fraca pureza de polarização, mau desempenho de varredura e largura de banda de frequência muito estreita. Para diminuir tais desvantagens operacionais, utiliza-se métodos como aumentar a espessura do substrato, ou aplicando estrutura metamaterial sobre a estrutura, onde pode-se ter um aumento de ganho em db em uma dada frequência e de largura de banda, os mesmos otimizam as características de tais dispositivos melhorando-o para sua determinada aplicação. Os metamateriais são estruturas periódicas que possuem um comportamento eletromagnético diferente de todos os materiais encontrados na natureza, ou seja, são artificiais, que visam aumentar o desempenho de uma determinada antena (ARAUJO; KRETLY, 2011). As principais características dos metamateriais são valores negativos dos parâmetros constitutivos, permeabilidade (μ) e permissividade (ε) (CAPOLINO, 2009). Sendo assim, neste artigo utilizamos uma antena planar UWB de ranhura retangular, estando a estrutura da mesma dotada com metamateriais, de forma que observa-se os efeitos causados sobre a antena, após isto observa-se os resultados obtidos podendo assim ver a melhor aplicação da mesma, havendo ainda um comparativo de otimização da antena antes e após a aplicação das células metamateriais. 2. ANTENA PLANAR DE UWB COM RANHURA Antena UWB (Ultra Wide Band), apresenta como sua principal característica a alta taxa de transmissão de dados. A mesma apresenta diversas aplicações como, dispositivos de comunicação móvel, sistemas militares, comerciais, médicos, em radares e outros. (JO; KIM; KIM, 2010). A dificuldade encontra pelas antenas planares é a largura de banda, pois para transmitir altas taxas de dados é essencial que a mesma possua uma boa largura. A antena em questão, apresenta uma estrutura bem simples, possuindo uma geometria retangular, e para aumentar seu ganho e melhorar suas limitações de banda aplicou-se sobre a mesma, células metamateriais dispostas em posições estratégicas. 114

2 Esta antena possui um baixo custo de fabricação, e origina-se de um monopólo retangular convencional, sendo a mesma realizada através da adição de entalhes e ranhuras para o radiador com um remendo simples. A antena está localizada no plano x-y e o eixo z é a direção normal. (MOHAMMAND; KOOHESTANI, 2011) A antena retangular planar UWB foi projetada a partir do substrato RT/DuroidTM 5870, com tangente de perda de 0,0012, εr = 2,33 de permissividade e espessura de 0,787 mm. O seu plano de terra é de cobre, local onde será construída a antena, possuindo uma espessura de 35 µm. É importante lembrar que sobre o plano de terra há uma ranhura retangular 50mm x 28 mm de dimensão que desempenha um papel importante, ajudando no aumento da largura de banda desta antena através do acoplamento eletromagnético. A dimensão total da antena é de 70 mm x 60 mm. As demais especificações e medidas estão dispostos na Figura 1 e Tabela I, respectivamente. Figura 1 Geometria, designs e parâmetros da antena. Fonte: MOHAMMAND; KOOHESTANI, 2011, p. 1 Tabela I Dimensões da antena proposta (mm) a b c d e f g i j k l t w ESTRUTURA METAMATERIAL APLICAÇÃO NA ANTENA Metamateriais ou materiais artificiais, são materiais não encontrados diretamente na natureza, sabe-se, pois, que nos dias atuais há um grande desejo de descobrir propriedades físicas e químicas em materiais não encontradas prontamente na natureza, e com isso aumentar ainda mais o incentivo a ciência, pesquisa e a tecnologia. Estes se tornam diferentes por apresentarem características peculiares, como, a possibilidade de se controlar a permeabilidade magnética (µ) e permissividade elétrica (ε), ambos os dois parâmetros são negativos. Esses dois parâmetros permissividade elétrica e permeabilidade magnética juntos determinam a resposta de um material a uma radiação eletromagnética. (ARAUJO, 2012) A célula ou estrutura metamaterial pode ser elaborada sobre o substrato, plano de terra ou ainda através da inserção de camadas entre a estrutura radiante e o plano de terra, sua forma, dimensão e arquitetura são definidas de acordo com a frequência da aplicação, que é geralmente em ordem de milímetros como é o caso desta antena. Existem diversas estruturas metamateriais na literatura. Neste trabalho, usou-se sobre a antena a estrutura metamaterial CLL, pelo fato da mesma, após exaustivas simulações, apresentar melhor resposta ao ser inserida na antena investigada neste trabalho. A direção da onda de polarização define o comportamento desta topologia, podendo ela se comportar como um condutor elétrico ou magnético, isto ocorre pelo fato desta estrutura conter um capacitor e um indutor, sendo o capacitor encontrado em sua parte inferior e o indutor na superior. (ERENTOK; LULJAK; ZIOLKOWSKI, 2005) As dimensões da célula unitária CLL para esta antena foram definidas considerando uma frequência de 10 GHz e também através das equações (1) a (4). Como mostrado na Fig. 2, as dimensões L, S e δ são definidas a partir da frequência, f, de atuação da antena. Para o cálculo destas dimensões, considera-se o comprimento de onda definido por (Araujo, 2011): 115

3 c 0 (1) f Sendo c a velocidade da luz no vácuo. A partir do valor obtido, temos as seguintes equações: L = λ 0 10 δ = L 6 (2) (3) S = δ 2 (4) Figura 2 Célula metamaterial CLL, dimensões. Fonte: GUELBER, 2014, p. 18. Aplicou-se sobre a antena 24 células unitárias CLL, estando as mesmas espaçadas 6 mm das laterais, 8 mm da parte superior total da antena e 1,5 mm da parte superior do corpo da antena retangular de ranhura, o espaçamento de uma célula unitária para outra foi de 3 mm, ficando 12 células para cada lado, divididas por uma lacuna 10 mm ente elas, podese observar isto na Fig. 3. Figura 3 24 células unitárias CLL sobre a antena. 4. RESULTADOS A antena foi construída no simulador CST (Computer Simulation Technology) exatamente como foi projetada por Mohammad Nasser-Moghadasi e Mohsen Koohestani, respeitando os dimensões e materiais estabelecidos, Fig. 4. Por conseguinte, a estrutura foi construída como é ilustrado na Fig

4 Figura 5 Estrutura original antena planar UWB. Para melhorar a eficiência da antena, e principalmente melhorar a perda por retorno no pico de ressonância próximo a frequência de 10 GHz, aplicou-se uma estrutura metamaterial visando melhorias significativas, mostrando assim que é possível obter melhores resultados em uma antena fazendo apenas o uso dessa tecnologia. Em seguida, construiu-se a estrutura metamaterial com base no que foi apresentado na seção 3, de modo que a antena venha a obter uma melhora na frequência de 10 GHz ou próximo a isto. Vários arranjos foram realizados e simulados exaustivamente até que se obtivessem resultados satisfatórios quanto ao número de estruturas, espaçamento e local onde elas deveriam ser aplicadas. Foram realizados também alguns testes com outras estruturas como a Cruz de Jerusalém e a Fractal, mas sem resultados satisfatórios. A Fig. 6 mostra a estrutura que apresentou o melhor resultado. Figura 6 Antena com célula unitária CLL. A Fig. 7 mostra o gráfico de perda por retorno da estrutura original (cor vermelha) e da estrutura otimizada com metamaterial (cor azul). Através dos resultados obtidos, pode-se observar claramente uma melhoria significativa no padrão S11 da antena, o que significa dizer que uma quantidade menor de potência do sinal será perdida na mesma. Figura 7 -Perda de retorno medida e simulada antes e após aplicação da estrutura metamaterial. 117

5 Com o diagrama de radiação em formato 3D, pode-se observar que a parte em cor vermelha é onde há maior intensidade de radiação, localizada nas extremidades laterais do diagrama. Já a parte em azul claro mostra os valores nulos parte onde há pouquíssima ou nenhuma radiação do sinal. No caso da diretividade que será mostrado na Fig. 8, onde há maior intensidade de coloração vermelha indica o maior foco de direção desta antena. Figura 8 Diagrama de radiação 3D da diretividade, antena original e antena com 24 células CLL. A Tabela II apresenta um resumo comparativo entre a antena original e a antena modificada com metamateriais. Através dos resultados obtidos, observa-se claramente uma melhoria no desempenho da antena em função da inserção de estruturas metamateriais, validando assim a metodologia aplicada. Tabela II Resultados das simulações em comparação. Antena Ganho (db) Diretividade (db) S11 (db) em 10 ghz 2º pico de ressonância (db) ORIGINAL 3,11 3,3-18,09-21,68 24 CÉLULAS CLL 3,3 3,48-20,88-37,3 5. CONCLUSÃO Portanto, como base no que foi explanado é possível observar que foi obtido uma melhoria significativa ao adicionar metamaterial na estrutura da antena, de forma que a mesma apresentou um pico de ressonância bem próximo à frequência de 10 GHz. Contudo, a largura de banda continuou praticamente a mesma, melhorando a perda por retorno em vários pontos, bem como o seu ganho e sua diretividade. Pôde-se perceber também que em certos pontos houve uma melhoria da banda, apresentado apenas poucas regiões em que o parâmetro S11 não melhorou, mas sempre maior que - 10 db. REFERÊNCIAS A. C. Balanis. Antenna Theory analys is and design. 3rd ed, John Wiley & Sons, Inc., pp , Hoboken, New Jerey, Erentok, A., P. Luljak, and R. W. Ziolkowski (editors), Antenna performance near a volumetric metamaterial realization of an artificial magnetic conductor, IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 53, , Federal Communications Commission, First report and order, revision of Part 15 of Commission s rule regarding ultrawideband transmission system FCC Washington, DC, F. Capolino. Metamaterials Handbook: Theory and Phenomena of Metamaterials. CRC Press, H. X. Araújo and L. C. Kretly, The Effect of Metamaterial Patterning to Improve the Septum GTEM Chamber Performance, PIERS Proceedings, Marrakesh, MOROCCO, march 20-23, H. X. Araujo. Projeto e implementação de câmara GTEM-Giga Hertz Transverse Eletromagnetic - para testes de compatibilidade eletromagnética de circuitos e sistemas eletrônicos. 154 f Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) -Universidade Estadual de Campinas - Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação. Campinas. Janeiro Mohammad Naser-Moghadasi, Mohsen Koohestani. Simple UWB Microstrip-Fed Planar Rectangular Slot Monopole Antenna, 2011 Loughborough Antenas & Propagation Conference, November 2011, Loughborough, UK. Nam-I Jo, Dang-Oh Kim, Che-Young Kim. A Compct Band Notched UWB Antenna for Mobile Applications. Progress in Electromagnetics Research Symposium, Vol.6, No.2, pp ,