Carlos Augusto Teixeira Coelho

Transcrição

1 Universidade Federal Fluminense Escola de Engenharia Curso de Graduação em Engenharia de Telecomunicações Carlos Augusto Teixeira Coelho Superfícies Seletivas em Frequência aplicadas a Projeto de Antena Dual-Band para a faixa ISM Niterói RJ 2018

2 i Carlos Augusto Teixeira Coelho Superfícies Seletivas em Frequência aplicadas a Projeto de Antena Dual-Band para a faixa ISM Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Telecomunicações da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do Grau de Engenheiro de Telecomunicações. Orientador: Prof. a Dr. a Leni Joaquim de Matos Co-orientador: Prof. Dr. Maurício Weber Benjó da Silva Niterói RJ 2018

3 Ficha catalográfica automática - SDC/BEE C672s Coelho, Carlos Augusto Teixeira Superfícies Seletivas em Frequência aplicadas a Projeto de Antena Dual-Band para a faixa ISM / Carlos Augusto Teixeira Coelho ; Leni Joaquim de Matos, orientadora ; Maurício Weber Benjó da Silva, coorientador. Niterói, f. : il. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Telecomunicações)-Universidade Federal Fluminense, Escola de Engenharia, Niterói, Antena (Eletrônica). 2. Eletromagnetismo. 3. Microonda. 4. Radiofreqüência. 5. Produção intelectual. I. Título II. Matos,Leni Joaquim de, orientadora. III. Silva, Maurício Weber Benjó da, coorientador. IV. Universidade Federal Fluminense. Escola de Engenharia. Departamento de Engenharia de Telecomunicações. CDD - Bibliotecária responsável: Fabiana Menezes Santos da Silva - CRB7/5274

4 iii Carlos Augusto Teixeira Coelho Superfícies Seletivas em Frequência aplicadas a Projeto de Antena Dual-Band para a faixa ISM Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Telecomunicações da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do Grau de Engenheiro de Telecomunicações. Aprovada em 10 de dezembro de BANCA EXAMINADORA Prof. a Dr. a Leni Joaquim de Matos Orientadora Universidade Federal Fluminense UFF Prof. Dr. Maurício Weber Benjó da Silva Co-orientador Universidade Federal Fluminense UFF Prof. a Dr. a Vanessa Przybylski Ribeiro Magri Universidade Federal Fluminense UFF Niterói RJ 2018

5 iv Resumo A evolução dos sistemas de comunicação móveis e sem fio tem promovido, nos últimos anos, uma demanda crescente por soluções compactas e que atendam requisitos de operação em múltiplas faixas de frequência. Nesse sentido, para o domínio das micro-ondas, as antenas em microfita são vantajosas por apresentarem dimensões reduzidas, leveza e grande versatilidade, adaptando-se a diversos perfis de superfícies, no entanto, alguns tipos de antenas de microfita apresentam baixa largura de banda e pouco ganho e diretividade. Desse modo, conforme a aplicação desejada, faz-se necessário pensar em maneiras de melhorar o desempenho desse tipo de antena. Um desses modos consiste no desenvolvimento e emprego de superfícies seletivas em frequência (FSS), que fazem o papel de filtros de radiofrequência e, de acordo com seu projeto geométrico e de materiais utilizados, podem acarretar aumento das larguras de banda de uma antena e de seus parâmetros de desempenho em função da frequência, através da reflexão, transmissão e/ou absorção das ondas emitidas pela mesma. A proposta deste trabalho é apresentar uma combinação de duas superfícies seletivas em frequência, acopladas a uma antena em microfita de banda dupla para faixas ISM, todas desenvolvidas no Laboratório de Antenas e Propagação da Universidade Federal Fluminense, com o intuito de melhorar a performance da antena, no que tange o comportamento de seu ganho, diretividade, relação frente costas e parâmetros de espalhamento. Foram feitos levantamentos teóricos e, em seguida, foram descritos os devidos passos para os projetos da antena e de ambas as FSSs, levando em consideração a escolha de sua geometria e dos materiais empregados, e as respectivas simulações em software. Ao final, os resultados obtidos, via simulação, são comparados entre si e conclusões são tiradas de forma a verificar o cumprimento dos requisitos do projeto e, também, são estipuladas as escolhas para futuras etapas.

6 Palavras-chave: Antena de Banda Dupla, CST, ISM, Microfita, Micro-ondas, Superfície Seletiva em Frequência. v

7 vi Abstract The evolution of mobile and wireless comunication systems has promoted in recent years a rising demand towards solutions that are compact and attend operation requirements for multiple frequency bands. With this respect, for the microwave dominion, microstrip antennas show advantages due to their reduced dimensions, lightness and great versatility, adapting to several surface profiles, however, certain types of microstrip antennas feature short bandwidth and low gain and directivity. Therefore, depending on the desired application, it is necessary to think of ways to improve its performance. One of such ways consists on the development and usage of frequency-selective surfaces (FSS), which play the role of radiofrequency filters and, according to its geometric and material-wise project, are able to bring about expansion of an antenna s bandwidths and its performance parameters in function of frequency and space, through reflection, transmission and/or absorption of the waves emitted by it. The proposal of this monograph is to present a combination of two frequencyselective surfaces, linked to a dual-band ISM microstrip antenna, all of which having been developed at the Laboratory of Antennas and Propagation of the Fluminense Federal University, whose goal is to improve the antenna performance, with respect to its gain, directivity, front-to-back ratio and scattering parameters. Theoretic research was made and, later, the proper steps to the designs of the antenna and both FSSs were described, taking into account the choice of their geometry and used materials, and their software simulations. Eventually, the results gathered via simulation are compared and conclusions are taken in order to confirm the fulfillment of the project requirements; in addition, choices for future project steps are stablished. Keywords: Dual-Band Antenna, CST, ISM, Microstrip, Microwaves, Frequencyselective surface.

8 vii A meu pai, Carlos Renato, pelo amor e carinho fundamentais. A meu primo, Pedro, exemplo de persistência e de dedicação.

9 viii Agradecimentos À minha família, pelo infinito carinho, amor e dedicação durante toda a minha vida, sem os quais não haveria trilhado o mesmo caminho que sigo hoje. À Prof. a Dr. a Leni Joaquim de Matos, pela imensa cooperação durante minha estada no Laboratório de Antenas e Propagação da UFF, e pela orientação no projeto de Iniciação Científica, no qual o conhecimento e experiência prática adquiridos foram fundamentais para o desenvolvimento e execução deste trabalho. Ao Co-orientador, Prof. Dr. Maurício Weber Benjó da Silva, pelos esclarecimentos prestados durante o projeto, pelo auxílio dado à utilização do software para simulação em micro-ondas e, principalmente, pela excelente relação mantida. À colega e amiga, Roberta Neves Guimarães de Carvalho, pela ajuda e orientação dadas durante o projeto de iniciação científica, iniciado por ela e herdado por mim, que deu origem a este trabalho. À colega e amiga, Carla Florentino Schueler, por toda a ajuda e companheirismo durante minha convivência no Laboratório de Antenas e Propagação da UFF. À professora e membro da banca, Prof. a Dr. a Vanessa P. R. Magri, por toda orientação dada durante o estudo da teoria e fabricação de circuitos impressos, fundamentais à correta execução deste trabalho. A todos os amigos que fiz, durante e fora do curso de Engenharia de Telecomunicações, pelo amparo, compreensão e força que me deram. À Universidade Federal Fluminense, por ter-me proporcionado conhecimento crucial para minha formação acadêmica, profissional e pela minha formação como cidadão.

10 Lista de Figuras 2.1 Diagrama de radiação de uma antena omnidirecional [3] Diagrama de radiação de uma antena em escalas linear e logarítmica [3] Diagrama de radiação de uma antena, com as larguras de feixe assinaladas [3] Esquematização de uma antena conectada a um gerador e seus terminais Parâmetros de espalhamento em um sistema de 2 portas [2] Largura de banda delimitada segundo o critério de 10 db de perda de retorno [2] Antenas filamentares [3] Antenas em abertura [3] Antenas refletoras parabólicas [3] Antenas em conjuntos matriciais Exemplo de antena lenticular de formato convexo convexo [3] Esquematização de uma antena de microfita [3] Exemplos de formatos de um patch [2] Alimentação por cabo coaxial [3] [12] Alimentação por acoplamento por proximidade [3] Alimentação por acoplamento por abertura [3] Esquematização de uma superfície seletiva em frequência e seus componentes [2] Representação de fitas condutoras paralelas e seus circuitos equivalentes em função do vetor E 0 [2] Fitas condutoras não contínuas e seu circuito equivalente Grades metálicas e seus circuitos equivalentes Grupo de FSS formado por elementos radiais ix

11 x 3.6 Grupo de FSS formado por elementos cíclicos Grupo de FSS formado por elementos sólidos Exemplos de estruturas com combinações [2] Representação dos tipos de substrato e seu comportamento [2] [33] Efeito promovido pelo substrato dielétrico sobre o padrão de ressonância da FSS [2] Representação da redução do espaçamento efetivo da FSS em função do ângulo de incidência da onda [2] [33] Demonstração do funcionamento de um radome, onde F1 é a frequência de trabalho da antena e F2 é qualquer frequência indesejada [2] [41] Representação de uma antena de banda dupla com sub-refletores [2] Esquema da antena de microfita e seus componentes [2] [50] Parâmetros dimensionais da antena [2] [50] Diagrama do coeficiente de reflexão da antena (S 11 ) [2] Parâmetros de radiação da antena em função da frequência [2] Parâmetros de radiação da antena em função da frequência [2] Parâmetros dimensionais da primeira FSS [2] Malha completa da primeira FSS [2] Diagrama dos coeficientes de reflexão (S 11 ) e de trasmissão (S 21 ) da primeira FSS [2] Demonstração do padrão de campo elétrico ao longo do plano transversal à FSS [2]. Em todas as figuras, supõe-se que a antena esteja localizada na parte inferior dos gráficos, com a face do plano de terra voltada para a FSS Representação da antena de microfita integrada à primeira FSS projetada [2] Diagrama do coeficiente de reflexão da antena (S 11 ), em função da frequência, comparada à sua integração com a primeira FSS [2] Comparação entre os parâmetros de radiação originais da antena, em função da frequência, e os da antena integrada à FSS [2]. Linhas retas indicam simulações efetuadas apenas em dois valores de frequência

12 xi 4.13 Parâmetros de radiação da antena em função da frequência (em vermelho, de a a d), comparados à sua integração com a primeira FSS (em verde, de a a d) [2] Estrutura da célula unitária da segunda FSS Diagrama do coeficiente de transmissão da segunda FSS em seu primeiro dimensionamento (S 21 ) Novo dimensionamento da segunda FSS. (Cobre em dourado, substrato em bege.) Diagrama do coeficiente de transmissão da segunda FSS em seu segundo dimensionamento (S 21 ) Representação da antena de microfita integrada a ambas as FSS projetadas Diagrama da perda de retorno da antena (S 11 ) comparada à sua integração com a primeira FSS e com as duas FSS Comparação entre os parâmetros de radiação da antena integrada à primeira FSS, em função da frequência, e os da antena integrada às duas FSS. Linhas retas indicam simulação apenas para dois valores fixos de frequência Parâmetros de radiação da antena em função da frequência, em sua integração com ambas as FSSs Máquina prototipadora LPKF Protomat S103 [51] Analisador Anritsu MS2034A [2]

13 xii Lista de Tabelas 2.1 Materiais utilizados como substrato e suas características [2] [14] Comparação de desempenho entre geometrias diferentes [2] Parâmetros de dimensionamento da antena de microfita Caracterização obtida das bandas de operação da antena de microfita Parâmetros de radiação da antena de microfita Dimensões da primeira FSS encontradas por simulação Caracterização obtida das bandas de operação da primeira FSS Caracterização obtida das bandas de operação da antena integrada à primeira FSS, comparada à situação anterior Parâmetros de radiação da antena de microfita, integrada à primeira FSS Dimensões da segunda FSS encontradas por simulação Primeira caracterização obtida das bandas de operação da segunda FSS Dimensões da segunda FSS encontradas por simulação Caracterização obtida das bandas de operação da segunda FSS Caracterização obtida das bandas de operação da antena integrada às duas FSS Parâmetros de radiação da antena de microfita integrada às duas FSS

14 Sumário Resumo Abstract Agradecimentos Lista de Figuras Lista de Tabelas iv vi viii xi xii 1 Introdução Objetivo Estrutura da monografia Aspectos importantes da teoria de antenas Parâmetros das antenas Diagrama de radiação Diretividade Ganho Eficiência Larguras de feixe HPBW FNBW Impedância de entrada e parâmetros de espalhamento Largura de banda Relação frente costas Classificação das antenas xiii

15 xiv Filamentares Em abertura Refletoras Antenas em arranjos (conjuntos) Lenticulares Microfita Antenas de microfita Estrutura Patch Substrato Alimentação Por linha de microfita Por cabo coaxial Por acoplamento por proximidade Por abertura Superfícies Seletivas em Frequência Principais aspectos teóricos Circuito equivalente de uma FSS Geometria Substrato dielétrico Ângulo de incidência Aplicações FSSs metálicas e resistivas Projeto e simulação da estrutura Antena de microfita Projeto da antena Simulação da antena Primeira FSS Projeto da FSS Simulação da FSS Integração da antena à primeira FSS

16 xv Projeto do conjunto Simulação do conjunto Segunda FSS Projeto da FSS: primeira etapa Simulação: primeira etapa Projeto da FSS: segunda etapa Simulação: segunda etapa FSSs integradas à antena Projeto da estrutura final Simulação da estrutura final Conclusão 56 6 Sugestões para trabalhos futuros Fabricação da FSS Medições em laboratório Medições em câmara anecoica Substituição por FSS resistiva Referências Bibliográficas 61

17 Capítulo 1 Introdução A utilização e o desenvolvimento de tecnologias de comunicação sem fio vêm apresentando um considerável crescimento, principalmente nas faixas de frequência não licenciadas ISM (sigla do inglês Industrial, Scientific and Medical) de 2,4 e 5,8 GHz [1]. As bandas ISM são reservadas para o estudo e implementação nas áreas industrial, científica e médica, com seu emprego regulamentado por normas que regem parâmetros como largura de banda e potência máxima de transmissão. Podemos destacar o emprego dessas faixas pelos sistemas WLAN (do inglês Wireless Local Area Network), convenientes pela flexibilidade, no que diz respeito à área de cobertura e melhor aproveitamento do espaço físico. Com a evolução dos sistemas de comunicações móveis, podemos notar a necessidade da construção de antenas com dimensões cada vez mais compactas. Tendo em vista a quantidade de serviços operando em faixas de frequências distintas, é interessante a proposta de antenas que atuem em sistemas multibanda. É importante ressaltar que a transmissão de sinais de rádio pode causar interferência entre sistemas coexistentes, quando os sinais se propagarem além de seus receptores. Para tanto, é essencial assegurar que os efeitos de interferência entre os sistemas sejam reduzidos ou investir no desenvolvimento de técnicas que possibilitem a operação adequada dos sistemas coexistentes, mesmo na presença deste fenômeno. Assim, antenas compactas multibanda podem ser desenvolvidas, permitindo passagem de sinais nas faixas de frequências desejadas e rejeitando as demais frequências. Para esta finalidade, antenas de microfita são comumente empregadas. Algumas antenas em microfita apresentam baixa largura de banda e níveis não satisfatórios de ganho e diretividade, o que pode limitar a sua utilização em algumas

18 2 aplicações. Assim, para melhorar seu desempenho, são utilizadas superfícies seletivas em frequência, que possibilitam melhores resultados nos parâmetros de radiação e, desta forma, um melhor desempenho. Uma superfície seletiva em frequência (FSS, do inglês frequency-selective surface) é um conjunto periódico de elementos do tipo patch condutor ou abertura isto é, o elemento consiste em uma região vazada de um plano condutor, ou, ainda, uma combinação dos dois tipos de elementos. Esses arranjos comportam-se de maneira similar aos filtros de circuitos tradicionais de radiofrequência, assumindo características de resposta em frequência análogas às de filtros passa-altas, passa-baixas, passa-faixas e rejeita-faixas. 1.1 Objetivo O objetivo deste trabalho é descrever a continuação de um projeto corrente de antenas em microfita, o qual foi iniciado pela aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Telecomunicações (PPGEET) da Universidade Federal Fluminense, Elidiane Mirella Farias Fernandes, e exposto em sua Dissertação de Mestrado no ano de 2016, referenciada em [2]. Tal projeto trata do desenvolvimento e fabricação de uma antena em microfita, a análise dos seus parâmetros de irradiação e espectrais e, posteriormente, a sua integração com uma única superfície seletiva em frequência, projetada com o intuito de melhorar o desempenho e diretividade da antena por meio da reflexão dos sinais irradiados atrás da mesma. Para a nova fase do projeto, foi desenvolvida uma segunda FSS, com o objetivo de continuar a busca por melhorias no desempenho da antena ao trabalhar em conjunto com a primeira FSS desenvolvida anteriormente. Foram realizados testes, por meio de simulação em software, baseados em uma FSS metálica. 1.2 Estrutura da monografia A presente monografia organiza-se, excetuada a introdução, em cinco capítulos, a saber: O capítulo 2 introduz a teoria de antenas e discorre sobre seus principais parâmetros de desempenho, além de apresentar os tipos de antenas mais conhecidos e utilizados. Ao

19 3 final, uma atenção especial é dada às antenas de microfita, objeto de estudo do trabalho, descrevendo suas estruturas específicas e de alimentação. O capítulo 3 tem como tema as superfícies seletivas em frequência (FSS), apresentando sua definição e exemplificando seus diferentes tipos e as respectivas respostas em frequência. São abordados os principais fatores de influência em seu desempenho, bem como suas principais aplicações. O capítulo 4 detalha, em um primeiro momento, as etapas de projeto e simulação das FSSs em software e expõe os resultados obtidos pelas mesmas, principalmente as frequências de ressonância e largura de banda obtidas. Em seguida, relata-se a integração com a antena, efetuando-se assim a comparação dos resultados finais com aqueles vistos previamente com a antena isolada. Por fim, os capítulos 5 e 6 apresentam, respectivamente, as conclusões tomadas e os resultados obtidos ao longo do trabalho; e uma discussão sobre possíveis sugestões de etapas posteriores do projeto.

20 Capítulo 2 Aspectos importantes da teoria de antenas Uma antena pode ser definida como um dispositivo projetado para a transmissão e recepção de ondas eletromagnéticas, fazendo assim o papel de interface entre o meio externo e meios confinados por estruturas físicas. Tal função torna a antena a base de qualquer projeto de comunicação sem fio. Determinadas aplicações de antenas, tais como RFID (identificação por radiofrequência), telefonia celular e sistemas de posicionamento como GPS e GLONASS, demandam leveza e baixo custo de fabricação, como é o caso das antenas planares. Este capítulo se dispõe, primeiramente, à descrição dos parâmetros mais importantes de caracterização e avaliação de desempenho de uma antena e, em seguida, a apresentar brevemente os tipos de antenas mais utilizados. Ao final, será dada ênfase às antenas construídas em microfita, que é o tipo a ser adotado neste trabalho. 2.1 Parâmetros das antenas Diagrama de radiação Também conhecido como padrão de radiação (do inglês radiation pattern), trata-se de uma representação tridimensional ou bidimensional onde o domínio é o espaço e a antena se encontra na origem a qual representa as propriedades de irradiação da antena, tais como polarização, diretividade e intensidade de radiação [3]. Costuma-se representar o diagrama de radiação para uma antena linearmente pola-

21 5 rizada na forma bidimensional, fixando-se os planos E (contendo o vetor campo elétrico) e H (contendo o vetor campo magnético) e também outro plano perpendicular aos anteriores [4]. Um exemplo de diagrama de radiação é ilustrado na figura 2.1. Figura 2.1: Diagrama de radiação de uma antena omnidirecional [3]. Para facilitar a análise dos diagramas, outras duas práticas comuns são a normalização dos padrões de campo ou potência segundo seu máximo valor e a plotagem dos valores em escala logarítmica (decibéis db), esta com o intuito de evidenciar melhor possíveis lóbulos laterais, isto é, regiões com baixos ou muito baixos valores absolutos. Este método é ilustrado e comparado com a escala linear na figura 2.2. Figura 2.2: Diagrama de radiação de uma antena em escalas linear e logarítmica [3].

22 Diretividade A diretividade de uma antena é definida como a relação, apresentada na equação 2.1, entre a intensidade de radiação avaliada em determinada região do espaço (U) e a média da radiação tomada para todas as direções isto é, a radiação de uma fonte isotrópica (U 0 ). Fontes isotrópicas são aquelas que irradiam para todas as regiões do espaço de maneira uniforme ou constante [3]. D = U U 0 = 4π U P rad (2.1) Sem uma especificação da direção, entende-se a diretividade em seu valor máximo, ou seja, tomado na direção de máxima intensidade de radiação (D max ), de acordo com a equação 2.2: Ganho D max = U max U 0 = 4π U max P rad (2.2) Definido de forma análoga à diretividade, o ganho de uma antena é a relação entre a intensidade de radiação em determinado ponto do espaço e a potência de entrada da antena. Também pode ser definida como o produto da diretividade pela eficiência, apresentada na equação 2.3 [3]. G = 4π U P i = ηd (2.3) Eficiência Define-se eficiência como a razão entre a potência entregue (irradiada) pela antena (P rad ) e a potência de entrada que chega à antena (P i ); portanto, trata-se de uma medida que varia entre zero e um este último sendo o caso de uma antena sem perdas [5]. A eficiência também pode ser entendida como a razão, apresentada na equação 2.4, entre o ganho de uma antena e sua diretividade, assim, essas duas grandezas são iguais em uma antena sem perdas Larguras de feixe η = P rad P i = G D (2.4) Considerando o diagrama de radiação de uma antena e o seu lóbulo principal, isto é, a região que apresenta maior intensidade de irradiação, torna-se necessário avaliar a con-

23 7 centração de energia do mesmo ao redor da direção de máxima radiação. Isso pode ser feito adotando-se critérios de medição da largura de feixe do lóbulo, em valor angular. Os dois tipos mais comumente empregados de larguras de feixe são a largura de feixe de meia potência (HPBW) e a largura de feixe dos primeiros nulos (FNBW), descritas a seguir. A largura de feixe possui uma relação inversa com o nível de lóbulos laterais (SLL), portanto sua diminuição implica aumento na intensidade dos mesmos e vice-versa. A figura 2.3 ilustra o padrão de radiação de uma antena, com o lóbulo principal em destaque e os ângulos de HPBW e FNBW discriminados. Figura 2.3: Diagrama de radiação de uma antena, com as larguras de feixe assinaladas [3] HPBW A largura de feixe de meia potência (do inglês half-power beamwidth, HPBW), como sugere o nome, é o ângulo de separação entre os pontos do lóbulo principal nos quais a potência irradiada (e consequentemente a intensidade de radiação) é exatamente igual à metade do máximo do lóbulo. Como o fator 1 é aproximadamente igual a 3,01 db, pode-se 2 chamar também a HPBW de largura de feixe entre pontos de 3 db, sendo que tais pontos localizam-se 3 db abaixo do ponto máximo [3].

24 FNBW Outro fator de mérito importante é a largura de feixe dos primeiros nulos (do inglês first null beamwidth, FNBW). Em vez de tomar os pontos de meia potência, mede-se o ângulo de separação entre os pontos em que não há nenhuma potência irradiada (nulos). Tratase, portanto, da região de fronteira do lóbulo principal. Notar que, em db, o fator zero equivale a uma queda ao infinito negativo ( ) [3] Impedância de entrada e parâmetros de espalhamento A impedância de entrada (Z i ) é o valor de impedância medido nos terminais de entrada da antena (ilustrados na figura 2.4), sendo calculado por meio da razão entre os valores de tensão (V i ) e corrente (I i ) vistos entre tais terminais, sem adição de cargas, conforme a equação 2.5. Z i = R i + jx i = V i I i, (2.5) onde R i e X i são respectivamente a resistência e a reatância de entrada. Figura 2.4: Esquematização de uma antena conectada a um gerador e seus terminais. Costuma-se, também, normalizar a impedância (Z i ) com relação à impedância característica (Z 0 ) da linha de transmissão. Diz-se que há um casamento de impedâncias quando Z i = Z 0, e como consequência, não há reflexão (Γ = 0). Z i = Z i Z 0 (2.6) Os parâmetros de espalhamento (ou parâmetros S) dizem respeito às relações entre os sinais ou ondas que incidem e refletem nas portas de uma linha de transmissão [6]. Aqui, terão maior destaque os parâmetros S 11 e S 21, a serem descritos a seguir. A figura 2.5 ilustra um sistema de 2 portas, em que a 1 = V + 1 Z0 e a 2 = V + 2 as ondas que incidem, respectivamente, nas portas 1 e 2, e b 1 = V 1 Z0 Z0 e b 2 = V 2 Z0 as refletidas nas mesmas portas [6], sendo Z 0 a impedância característica da linha. indicam indicam

25 9 Figura 2.5: Parâmetros de espalhamento em um sistema de 2 portas [2]. Tais ondas relacionam-se segundo a equação matricial 2.7, b 1 b 2 = S 11 S 12 S 21 S 22 a 1, (2.7) onde S ij (i, j = 1 ou 2) são os parâmetros de espalhamento da linha em questão. No âmbito deste trabalho, os parâmetros de espalhamento mais importantes são os da primeira coluna da matriz S, ao se considerar a porta 1 como principal. O parâmetro S 11 também é chamado coeficiente de reflexão, descrito na equação 2.8, por medir o grau de reflexão na porta 1, e é encontrado quando a porta 2 está com uma carga casada, ou seja, a 2 = 0. S 11 = b 1 a 1 a2 =0 = V 1 a 2 V 1 + a2 =0 (2.8) O parâmetro S 21, por sua vez, chama-se alternativamente perda por inserção ou perda de transmissão e avalia o grau de transmissão da porta 1 até à porta 2, na mesma condição de carga casada na última, conforme a equação 2.9. S 21 = b 2 = V Largura de banda a 1 a2 =0 V 1 + a2 =0 (2.9) A largura de banda, ou largura de faixa, de uma antena é uma determinada região do espectro de frequências dentro da qual a antena deverá operar de acordo com um padrão técnico previamente especificado [3]. Pode-se considerá-la como uma faixa, centrada em uma frequência central (f c ), em que as características fundamentais da antena são preservadas a patamares aceitáveis. Define-se, então, a largura de banda (BW, do inglês bandwidth), em termos absolutos, segundo a seguinte fórmula: BW = f 2 f 1, (2.10)

26 onde f 1 e f 2 são, respectivamente, as frequências de limiar inferior e superior da banda de operação, e também em termos proporcionais: 10 BW % = f 2 f 1 f c (2.11) Um dos critérios utilizados para definir a larguda de banda de uma antena é, considerando o seu gráfico de coeficiente de reflexão, estabelecer como limites as frequências nas quais a perda seja igual a 10 db. Tal valor equivale a 0,10 em escala linear, denotando 90% de absorção de energia nesses pontos, como demonstra a figura 2.6 [2]. Figura 2.6: Largura de banda delimitada segundo o critério de 10 db de perda de retorno [2] Relação frente costas A relação frente costas de uma antena é a razão entre a potência máxima entregue no lóbulo principal (expressa na fórmula a seguir por P LP ) e o valor de potência irradiada no sentido oposto ao mesmo (expressa por P LO ). FBR [db] = 10 log P LP P LO (2.12) 2.2 Classificação das antenas Filamentares Trata-se do tipo mais simples de antena e um dos mais versáteis e baratos, possuindo um formato filamentar que pode assumir diversas formas, tais como fio reto (dipolo), espira quadrada ou circular e helicoide [3]. Essas antenas são ilustradas pela figura 2.7.

27 11 (a) Antena dipolo. (b) Antena em espira, circular ou quadrada. (c) Antena helicoidal. Figura 2.7: Antenas filamentares [3]. Dipolos são mais comumente dimensionados à metade ou quarto do comprimento de onda em que operam. Enquanto o dipolo de meio comprimento de onda é alimentado por uma linha de transmissão em seu centro e é polarizado horizontalmente (se deitado), o dipolo de quarto de comprimento de onda é usado, normalmente, com polarização vertical, e é disposto acima de um plano condutor infinito (plano de terra). Quanto às espiras, o formato mais comum é o circular, por sua simplicidade de análise e construção. Antenas helicoidais, por sua vez, permitem a geração de ondas com polarização circular e que se deslocam no formato de uma espiral. São comuns em sistemas como o GPS, por não necessitarem de ajustes de polarização [2] [7] Em abertura Antenas em abertura são úteis em aplicações aeroespaciais, pois é possível montá-las de forma conveniente no corpo de uma aeronave ou espaçonave [3]. São, preferencialmente, utilizadas para sistemas onde se empregam guias de onda, e podem promover alto ganho e diretividade, determinados em função de seu dimensionamento [8]. A figura 2.8 ilustra alguns tipos de antenas em abertura.

28 12 (a) Abertura simples de um guia de onda retangular. (b) Abertura piramidal. (c) Abertura cônica. Figura 2.8: Antenas em abertura [3] Refletoras A necessidade de comunicações em escala global gera uma demanda por antenas que sejam capazes de irradiar sinais por milhares de quilômetros de distância. Um grupo que satisfaz essa meta são as antenas refletoras, cujo representante mais popular é a antena parabólica. A figura 2.9 demonstra seu princípio de funcionamento: os raios emitidos onidirecionalmente pela antena são refletidos por uma superfície curva, localizada a sua frente, e passam a se propagar de forma paralela no espaço. De forma distinta, a parabólica Cassegrain envia os raios para um refletor secundário e este, por sua vez, os direciona para o refletor principal [3]. (a) Antena parabólica comum. (b) Antena Cassegrain. Figura 2.9: Antenas refletoras parabólicas [3] Antenas em arranjos (conjuntos) Determinadas aplicações pedem padrões de radiação que podem não ser atendidos por um único elemento, no entanto, tais demandas podem ser satisfeitas através de um agrupamento de elementos radiantes, organizados de acordo com sua geometria ou características eletromagnéticas [3]. Antenas em arranjo podem tanto ser feitas por elementos fisicamente separados,

29 tais como a antena Yagi-Uda (figura 2.10a), quanto por elementos montados em uma estrutura unificada, como é o caso dos conjuntos em microfita (figura 2.10b). 13 (a) Antena Yagi-Uda. (b) Antena matricial de microfita. Figura 2.10: Antenas em conjuntos matriciais Lenticulares Este grupo de antenas possui elementos auxiliares com formato de lente, e sua proposta de funcionamento é direcionar os feixes irradiados, transformando-os assim em ondas planas e impedindo a propagação dos sinais em direções indesejadas, conforme esquematiza a figura Figura 2.11: Exemplo de antena lenticular de formato convexo convexo [3]. Devido às propriedades similares, antenas lenticulares podem ter as mesmas aplicações das parabólicas, principalmente para altas frequências [3].

30 Microfita Também chamada pelo nome em inglês microstrip, a antena de microfita é o tipo a ser utilizado neste trabalho e será descrita com maior profundidade na seção a seguir. 2.3 Antenas de microfita As antenas em microfita tiveram ascensão em popularidade na década de 1970, principalmente em aplicações espaciais [3] [9] [10]. Na atualidade, seu campo de utilização é amplo, sendo requisitadas tanto para instalações de satélite, aeroespaciais e militares quanto para comunicações em rádio sem fio, incluindo-se aí telefonia celular e redes WiFi [3]. As antenas de microfita ou antenas impressas são antenas construídas a partir de técnicas de fabricação de circuito impresso. Antenas deste tipo são leves, de baixo custo e de baixo perfil planar, o que resulta na sua escolha em relação às antenas convencionais. Podemos destacar o emprego destas antenas em aplicações como em comunicações via satélite, GPS, radares, sensoreamento remoto, sistemas de comunicação sem fio, comando e controle, telemetria de mísseis e aplicações médicas [11]. Dentre os motivos para sua demanda, destacam-se sua leveza e tamanho reduzido, sua capacidade de adaptação a superfícies, planares ou não, custo de fabricação relativamente baixo e versatilidade com relação a frequências de ressonância, impedância e polarização. A antena de microfita, no entanto, possui desvantagens como baixo ganho e potência de radiação, largura de banda muito estreita e propagação de ondas superficiais Estrutura A estrutura básica de uma antena de microfita consiste em três elementos: um patch, um substrato e um plano de terra, conforme ilustrado na figura L é o comprimento do patch, W é sua largura, t sua espessura, h a espessura do substrato e ɛ r a sua constante dielétrica. Tanto o patch como o plano de terra devem ser bem finos, com espessura (t) muito menor do que o comprimento de onda no espaço livre (t λ 0 ). A mesma condição se aplica para a espessura do substrato (h).

31 15 (a) Vista oblíqua. (b) Vista lateral. Figura 2.12: Esquematização de uma antena de microfita [3] Patch O patch é o elemento radiante propriamente dito da antena, sendo feito de qualquer material bom condutor, como o cobre, e podendo assumir diversas formas geométricas que influenciam na distribuição de campo eletromagnético da antena e também em sua frequência de ressonância, impedância e polarização. Alguns exemplos de formas assumidas pelo patch são expostos na figura (a) Quadrado. (b) Retangular. (c) Dipolo. (d) Circular. Figura 2.13: Exemplos de formatos de um patch [2]. Os formatos retangular, quadrado, dipolo e circular são os mais vistos em antenas de microfita, por apresentarem maior simplicidade de análise e fabricação e baixa polarização cruzada. Patches quadrados e retangulares apresentam maior largura de banda, enquanto aqueles em forma de dipolo têm a vantagem de ocupar menos espaço. As antenas podem ter seu desempenho melhorado adotando-se outros formatos, por vezes combinando aqueles vistos aqui [3] [12] Substrato O substrato serve como uma camada dielétrica na qual repousam os demais elementos condutores. Três fatores principais devem ser levados em conta na escolha de um substrato: a constante dielétrica (ɛ r ), a tangente de perdas (tan δ) e a espessura (h).

32 Diversos tipos de substrato podem ser utilizados na construção de uma antena em microfita, com constante dielétrica variando, na maioria das aplicações, na faixa 2.2 ɛ r 12. Valores mais altos de ɛ r permitem uma antena de menores dimensões, porém implicam diminuição da largura de banda e da eficiência e, portanto, do ganho [3]. Altos valores de tangente de perdas acarretam um aumento de perdas na alimentação e redução de eficiência. Embora uma maior espessura implique um aumento na largura de banda, também intensifica a propagação de ondas superficiais indesejáveis, que prejudicam a eficiência da antena. É preciso, portanto, obedecer ao limiar superior estabelecido pela fórmula h c 2πf max ɛr, (2.13) onde c é a velocidade da luz, f max é a maior frequência de operação e ɛ r é a constante dielétrica relativa do material [13]. Um material bastante comum para fabricação de substrato é o FR 4, constituído de epóxi com fibra de vidro, sendo uma alternativa barata aos caros alumina e teflon, porém apresenta altos valores de perda dielétrica [2]. A tabela 2.1 relaciona os tipos mais comuns de material utilizados para construção de antenas de microfita, bem como suas constantes dielétricas e tangentes de perdas. Tabela 2.1: Materiais utilizados como substrato e suas características [2] [14]. Material ɛ r tan δ PTFE não reforçado 2,10 0,0004 PTFE com fibra de vidro 2,33 0,00115 PTFE com quartzo 2,47 0,0006 Teflon 2,08 0,00037 FR 4 4,4 0,025 RT/Duroid ,26 0,0018 RT/Duroid ,36 0,0017 Epsilam 10 10,3 0,0004 Óxido de poliolefina 2,55 0,00016 Ultralam ,50 0,0019 Cerâmica de alumina 9,6 a 10,1 0,0004 AD/ ,2 0,0023

33 Alimentação A seguir, serão descritas as técnicas de alimentação de antenas de microfita mais populares, a saber, linha de microfita, cabo coaxial, acoplamento por proximidade e acoplamento por abertura Por linha de microfita Produz-se uma linha condutora estreita que começa em uma das arestas do bloco da antena e termina diretamente no patch radiante, podendo ser vista como um prolongamento deste, conforme visto anteriormente na figura 2.12a. É um método de simples fabricação e que facilita o casamento de impedâncias, porém, à medida que aumenta a espessura do substrato, aumenta a ocorrência de ondas superficiais e radiação espúria, o que acaba por limitar a largura de banda [15] Por cabo coaxial Utiliza-se uma peça condutora que parte do plano de terra, atravessa o substrato e termina no patch, como indica a figura Reduz as radiações espúrias e, também, é de fácil fabricação e casamento, porém sua modelagem é difícil e possui largura de banda estreita. Figura 2.14: Alimentação por cabo coaxial [3] [12] Por acoplamento por proximidade São utilizados dois substratos separados, sendo que em um deles se encontra o patch radiante (localizado na face externa) e no outro, a linha condutora, a qual está orientada

34 18 entre os dois substratos (face interna), conforme esquematizado na figura Com isso, os substratos podem ter características distintas para melhorar o desempenho. Sua fabricação é mais difícil do que a alimentação por linha de microfita ou cabo coaxial, tendo em vista que é necessário um bom alinhamento entre as duas partes para o acoplamento adequado [11]. Figura 2.15: Alimentação por acoplamento por proximidade [3] Por abertura Utilizam-se dois substratos separados, um deles contendo o patch radiante na face externa, enquanto o outro contém um plano de terra na face interna e a linha condutora na face externa, conforme esquematizado na figura Uma pequena fenda no substrato inferior é responsável pelo acoplamento entre o patch e a linha condutora [3] [16]. Dentre os quatro métodos aqui expostos, é aquele de mais difícil fabricação e possui pequena largura de banda, porém apresenta níveis moderados de radiações espúrias e sua modelagem é mais simples [3]. Figura 2.16: Alimentação por acoplamento por abertura [3].

35 Capítulo 3 Superfícies Seletivas em Frequência Objeto de estudo deste trabalho e projeto, as superfícies seletivas em frequência são um subconjunto de um grupo de materiais denominado metamateriais. Este grupo abrange todo e qualquer tipo de material, de produção artificial, cuja característica fundamental seja a reprodução de comportamentos de materiais naturais ou, então, a presença de propriedades físicas não encontradas na natureza [2]. O grupo dos metamateriais divide-se em diversas classes e subclasses, dentre as quais as mais importantes para estudos da área de comunicações sem fio estão reunidas no grupo EBG (do inglês electromagnetic band gap), que consiste em estruturas tridimensionais que bloqueiam ondas eletromagnéticas para uma certa banda frequencial. Dessa forma, essas estruturas atuam da mesma forma que os filtros tradicionais abordados no estudo de circuitos elétricos. Dentro do EBG, pode-se encontrar, em maior importância, os seguintes subgrupos: PBG (photonic band gap, Lacuna de Banda Fotônica): atua como um filtro rejeitafaixa, servindo de substrato a antenas e também a controle de propagação de ondas em substratos [17] [18]. Embora se refira à faixa óptica do espectro em seu nome, estruturas PBG também são empregadas em sistemas de micro-ondas [19]. AMC (Artificial Magnetic Conductor, condutor magnético artificial): estruturas de caráter metálico e dielétrico que, em determinada banda do espectro, comportam-se como um condutor magnético perfeito, refletindo ondas em fase e eliminando ondas superficiais. HIS (High-Impedance Surfaces, superfícies de alta impedância): cavidades resso-

36 20 nantes que repousam em um substrato dielétrico e apresentam plano de terra na face oposta às mesmas. Promovem reflexão com manutenção de fase [20], além de bloquear ondas superficiais para uma dada banda. FSS (Frequency-Selective Surfaces, superfícies seletivas em frequência): também planares, podem assumir diversas configurações de filtros espectrais, e serão abordadas com maior profundidade neste capítulo. 3.1 Principais aspectos teóricos Superfícies seletivas em frequência (do acrônimo em inglês FSS frequency-selective surface) consistem em um arranjo periódico de elementos, seja do tipo patch condutor tais qual visto em antenas de microfita seja do tipo abertura, isto é, uma superfície condutora vazada [21]. Esse arranjo é impresso em cima de um ou mais substratos dielétricos conforme o projeto desejado. Todo esse esquema é ilustrado pela figura 3.1. Figura 3.1: Esquematização de uma superfície seletiva em frequência e seus componentes [2]. A principal função de uma FSS é atuar como um filtro, ou seja, repassar sinais eletromagnéticos (transmissão) apenas em determinados segmentos do espectro de frequências, e rejeitá-los (reflexão) nas demais [22]. O caráter de uma FSS é determinado pelo tipo de arranjo nela presente. Nesse sentido, caso a FSS seja feita de elementos do tipo abertura, terá característica indutiva e irá atuar como um filtro passa-faixas, ou seja, provoca máxima transmissão da onda incidente em sua frequência de ressonância. Ao contrário, caso a FSS seja feita de elementos do tipo patch condutor, terá característica capacitiva e se comportará, então, como um filtro rejeita-faixas, fazendo máxima reflexão da onda incidente [23].

37 Circuito equivalente de uma FSS Um ponto de partida para a discussão dos efeitos capacitivos e indutivos de uma superfície seletiva em frequência é a relação de sua estrutura com circuitos esquemáticos equivalentes. Primeiramente, concebe-se um plano refletivo que utilize o mínimo metal possível, considerando que uma menor quantidade de metal implica menor coeficiente de reflexão. A solução para tal problema pode ser alcançada de duas formas: por meio de um arranjo de fitas metálicas longas, ou por um conjunto matricial de pequenas fitas metálicas (dipolos). No entanto, conforme será explicado adiante, o real comportamento de cada uma vai de encontro à ideia de menor reflexão com menor quantidade de metal no plano, pois de fato, a matriz de dipolos reflete totalmente as ondas incidentes em sua frequência de ressonância [2] [24]. Na figura 3.2, tem-se uma grade de fitas condutoras paralelas entre si, que de acordo com a orientação do vetor campo elétrico (E 0 ), ora se comporta como um filtro capacitivo (vetor perpendicular às fitas), ora indutivo (vetor paralelo às fitas). (a) Filtro capacitivo. (b) Filtro indutivo. Figura 3.2: Representação de fitas condutoras paralelas e seus circuitos equivalentes em função do vetor E 0 [2]. O capacitor em paralelo funciona como filtro passa-baixas, pelo qual são direcionadas as correntes de altas frequências, enquanto aquelas de baixas frequências passam até a porta de saída. O indutor em paralelo, por sua vez, apresenta comportamento oposto, funcionando como filtro passa-altas, por onde são absorvidas as correntes de baixas frequências. Se as fitas condutoras não são contínuas, apresentando espaçamentos, então ocorrerá uma sobreposição entre efeitos indutivo e capacitivo (filtro LC em série, conforme ilustra a figura 3.3), e a FSS comporta-se como um filtro rejeita-faixa [22], estando a

38 frequência de ressonância em função da distância de separação entre as estruturas e o seu comprimento. 22 Figura 3.3: Fitas condutoras não contínuas e seu circuito equivalente. O tipo de FSS descrito acima requer, para seu funcionamento adequado, uma polarização linear e alinhada a um dos seus eixos [2]. Para outras configurações de polarização, pode-se usar geometrias diferentes, tais quais as mostradas na figura 3.4. (a) Filtro indutivo. (b) Filtro capacitivo. Figura 3.4: Grades metálicas e seus circuitos equivalentes Geometria Diversas formas geométricas são empregadas no projeto de FSS, sendo que a escolha das mesmas deve levar em conta os requisitos das aplicações, a saber: nível de dependência do ângulo de incidência da onda, polarização cruzada, largura de banda, nível de separação da banda, independência de polarização e redução de tamanho da FSS. Uma classificação usual de geometrias de FSS em grupos é relacionada abaixo [2] [24]: 1. Elementos radiais; 2. Elementos em loop (espiras);

39 23 3. Elementos sólidos; 4. Combinações dos anteriores. O grupo 1 é ilustrado pela figura 3.5, e abrange elementos ligados pelo centro, assumindo uma simetria radial [24]. Seus tipos mais comuns são o dipolo [25], dipolo cruzado [26], tripolo e cruz-de-jerusalém [27]. (a) Dipolo. (b) Dipolo cruzado. (c) Tripolo. (d) Cruz-de-jerusalém. Figura 3.5: Grupo de FSS formado por elementos radiais. O grupo 2 compreende elementos em formato de espira, simples ou dupla [24], sendo os tipos mais comuns expostos na figura 3.6 [28] [29] [30]. (a) Espira quadrada. (b) Espira quadrada dupla. (c) Espira circular. (d) Espira circular dupla. Figura 3.6: Grupo de FSS formado por elementos cíclicos. O grupo 3 abrange formas sólidas, não vazadas, como os patches quadrado [25], circular [31] e hexagonal vistos na figura 3.7 [24]. (a) Patch quadrado. (b) Patch circular. (c) Patch hexagonal. Figura 3.7: Grupo de FSS formado por elementos sólidos.

40 24 O grupo 4 reúne, por sua vez, elementos que agregam características dos grupos anteriores, exemplificados na figura 3.8. Elementos desse grupo podem apresentar vantagens como estabilidade angular a diferentes polarizações [2] [32]. Figura 3.8: Exemplos de estruturas com combinações [2]. Certas formas podem apresentar transições mais rápidas entre bandas de passagem e rejeição do que outras, entretanto com uma maior sensibilidade ao ângulo de incidência. A tabela 3.1 compara o desempenho de diversas formas adotadas na construção de uma FSS, com respeito a suas características de estabilidade angular, polarização cruzada, largura de banda e banda de separação. Adota-se uma classificação decrescente, onde menores números indicam melhor desempenho [25]. Tabela 3.1: Comparação de desempenho entre geometrias diferentes [2]. Estabilidade angulazada Polarização cru- Maior largura Menor banda de de banda separação Espira quadrada Espira circular Cruz-de-jerusalém Tripolo Dipolo cruzado Dipolo Observa-se, portanto, que para todos os requisitos listados, a espira quadrada é aquela que promove os melhores resultados, enquanto o dipolo apresenta maiores restrições no que tange a ângulo de incidência e largura de banda. Cada formato de elemento apresenta características distintas de ressonância, a partir das quais deve ser projetada a FSS. Dipolos, por exemplo, ressoam quando seu comprimento é múltiplo de metade do comprimento de onda ( λ ), enquanto espiras qua- 2 dradas fazem o mesmo com a dimensão do lado igual a um múltiplo de comprimento de

41 onda (λ). Elementos sólidos, por sua vez, ressoam quando o fator de periodicidade (i.e. a distância de repetição das unidades) é múltiplo do comprimento de onda Substrato dielétrico Além do projeto dos elementos que constituem a FSS, também é necessário modelar adequadamente o substrato dielétrico, tendo em vista que este também possui influência importante na ressonância da estrutura. O substrato pode tanto envolver totalmente a malha, como visto na figura 3.9a, quanto a malha pode apenas repousar sobre sua superfície, como na figura 3.9b. (a) FSS embutida no substrato. (b) FSS sobre o substrato. Figura 3.9: Representação dos tipos de substrato e seu comportamento [2] [33]. A figura 3.9a ilustra que para uma FSS totalmente envolvida por um substrato dielétrico infinito, a frequência de ressonância (f 0 ) reduz-se por um fator igual a ɛ eff, onde ɛ eff é a constante dielétrica efetiva do substrato. Para valores de espessura do substrato maiores do que aproximadamente 1 20 do comprimento de onda elétrico (λ e), vale que ɛ eff = ɛ r, porém, no caso em que o substrato é finito, conforme visto na figura 3.9b, o fator de redução encontra-se no intervalo entre 1 e ɛ r [24]. Quando a FSS é encoberta pelo substrato apenas em um dos lados, como se vê na figura 3.9b, ɛ eff passa a ser a média aritmética entre ɛ r e 1 ( 1+ɛr ), onde 1 é a constante 2 dielétrica relativa ao espaço livre (ɛ 0 ). Os dois esquemas de configuração do substrato alteram a frequência de ressonância de diferentes maneiras, no entanto, uma característica comum dos dois é a melhora da estabilidade angular, ou seja, diminuição da sensibilidade a ângulos de incidência oblíquos.

42 26 (a) FSS embutida em substrato infinito. (b) FSS embutida, e sobre substrato finito. Figura 3.10: Efeito promovido pelo substrato dielétrico sobre o padrão de ressonância da FSS [2]. Isso se explica pelo fato de, pela lei de Snell, sendo o índice de refração do dielétrico maior do que o do ar (n sub > n ar ), o ângulo de incidência é menor dentro do substrato do que no espaço livre (θ sub < θ ar ) [34] Ângulo de incidência As propriedades de ressonância de uma FSS também podem ser modificadas de acordo com o ângulo de incidência da onda eletromagnética. Conforme mostra a figura 3.11, uma onda oblíqua enxerga o espaçamento periódico entre as unidades condutoras (g) efetivamente reduzido a um fator de cos θ, onde θ é o ângulo entre a reta normal à FSS e a onda incidente [35]. No caso de espiras quadradas, um aumento de θ implica diminuição do valor de frequência de ressonância [27] [36] [37] [38]. Figura 3.11: Representação da redução do espaçamento efetivo da FSS em função do ângulo de incidência da onda [2] [33].

43 27 A polarização da onda também é um fator determinante no comportamento da FSS. Para o caso de uma polarização TE, o vetor campo elétrico é sempre paralelo às fitas condutoras, logo o comprimento efetivo é totalmente independente do ângulo de incidência; enquanto na polarização TM o vetor campo elétrico chega oblíquo às fitas, assim diminuindo os comprimentos efetivos à medida que aumenta o ângulo de incidência [2]. Mudanças da resposta em frequência de uma FSS por ângulo de incidência ou polarização podem ser contornadas por meio do dimensionamento adequado de seus elementos, ou mesmo com a aplicação de múltiplos substratos [34] [39] [40]. 3.2 Aplicações Dentre todas as aplicações de superfícies seletivas em frequência, talvez a mais conhecida e popular seja a grade protetora da porta dos fornos de micro-ondas. De modo geral ela é feita de estruturas do tipo abertura que comportam-se como um filtro passa-alta; desta forma, as ondas de frequências mais baixas, da faixa de 2,4 GHz, geradas pelo aparelho com o propósito de aquecer os alimentos permanecem enclausuradas e refletidas em seu interior, não sendo irradiadas para as áreas externas [25]. Uma das primeiras situações de emprego das FSSs foi na diminuição da RCS (seção reta de radar) em embarcações e aeronaves, funcionando como radomes passa-faixa que são transparentes para ondas na banda de operação da antena e refletem as demais para direções diferentes do emissor. Seu princípio de funcionamento é esquematizado nas figuras 3.12a, posicionada no mastro de um navio, e 3.12b, posta na extremidade da antena de radar de uma aeronave [24] [25]. Outras aplicações de FSS residem em absorvedores eletromagnéticos, tais como a tela de Salisbury e a configuração Jaumann [42] [43] [44], as quais são caracterizadas por alta absorção e baixa sensibilidade de polarização e incidência angular; e também são empregadas como sub-refletores dicroicos, que permitem compartilhamento com mais de uma fonte de alimentação ao provocarem reflexão total em uma banda de frequência e transmissão total para outra banda, tal como ilustrado na figura As superfícies seletivas em frequência também se fazem presentes em determinados projetos destinados a redução de interferência de sistemas sem fio em escritórios. Con-

44 28 (a) Mastro de navio. (b) Extremidade de aeronave. Figura 3.12: Demonstração do funcionamento de um radome, onde F1 é a frequência de trabalho da antena e F2 é qualquer frequência indesejada [2] [41]. Figura 3.13: Representação de uma antena de banda dupla com sub-refletores [2]. forme exemplificado em [45], uma divisória de escritório foi convertida em uma FSS com espiras metálicas quadradas e um substrato fino, a qual demonstrou promover uma atenuação de sinais próximos na ordem de 10 db, melhorando assim o desempenho do sistema WLAN do escritório FSSs metálicas e resistivas Enquanto superfícies seletivas em frequência feitas de material metálico em seus elementos radiantes, foco deste trabalho, são projetadas para operar através dos fenômenos de reflexão e transmissão dos sinais eletromagnéticos irradiados ou recebidos, há na literatura aplicações de superfícies seletivas em frequência do tipo resistivo. A fundamentação desse tipo de superfície está no seu caráter absorvedor, ou seja, é capaz de transformar parte da energia eletromagnética que nela incide em energia térmica [46]. Discute-se, por exemplo, em [33] a modelagem e projeto de absorvedores para uso em sistemas WLAN, WiMAX e aplicações de radar. FSSs absorvedoras também

45 29 encontram aplicação, segundo [47], [48] e [49], em sistemas celulares indoor, bloqueando sinais WLAN e deixando passar sinais de telefonia móvel, reduzindo níveis de propagação multipercurso e de atraso.

46 Capítulo 4 Projeto e simulação da estrutura O presente capítulo relata todas as etapas de desenvolvimento do projeto de integração de duas FSSs a uma antena em microfita, com o objetivo de melhorar o seu desempenho, além de todas as suas simulações realizadas por meio do software CST Microwave Studio. Foram aplicados os conceitos teóricos da construção de antenas em microfita e superfícies seletivas abordados nos capítulos anteriores. A primeira fase consistiu em modelar a antena de microfita de forma a operar em duas bandas de frequência incluídas no conjunto ISM (do inglês Industrial, Scientific and Medical: industrial, científico e médico), definido pela União Internacional de Telecomunicações (ITU) para promover isenção de licenciamento, estipulando, entretanto, limites para o nível de potência da transmissão. As faixas em questão compreendem as frequências de 2400 MHz a 2483,5 MHz, e 5725 MHz a 5850 MHz. A segunda fase do projeto ateve-se à criação de uma primeira superfície seletiva em frequência com bandas de operação correspondentes àquelas da antena, com a finalidade de estudar sua integração e a observação de seu comportamento. A terceira fase envolve a realização de testes computacionais com a antena integrada à primeira FSS. Esta será disposta atrás da antena para melhor direcionar sua irradiação, por meio da reflexão dos sinais que estejam dentro das bandas de operação. Por fim, a quarta e última fase, que é o objeto de foco desta monografia, consiste na criação de uma segunda superfície seletiva a ser integrada à antena, a qual, desta vez, estará posicionada à sua frente. O conjunto completo com as duas superfícies seletivas será posto em simulação e terá seu desempenho comparado à fase anterior do projeto.

47 4.1 Antena de microfita Projeto da antena Para a concepção da antena, é preciso levar em consideração a geometria mais adequada a sua proposta, assim como as escolhas do material a compor o substrato, do plano de terra e do método de alimentação. TIZYI et al. apresentam em [50] uma proposta de antena de banda dupla para uso em projetos de identificação por rádio-frequência (RFID, do inglês radiofrequency identification), e é ilustrada na figura 4.1, com seus principais componentes assinalados. Figura 4.1: Esquema da antena de microfita e seus componentes [2] [50]. Como se observa, essa antena é formada por uma espira retangular, alimentada por meio de um prolongamento em forma de linha e apresentando um patch no lado oposto a esta. Há, ainda, um stub de casamento perpendicular à linha de microfita, dedicada à adaptação e compensação de possíveis descasamentos de impedância. Esse stub é ajustado segundo seu comprimento e sua distância ao ponto de alimentação, isto é, a extremidade da linha de microfita. O plano de terra, por sua vez, é truncado, ou seja, não cobre a totalidade da superfície do substrato oposta à antena. Esta medida tem o intuito de promover um aumento da largura de banda e favorecer redução das dimensões da antena [32]. O plano de terra apresenta ainda um stub de sintonia, localizado próximo à borda do substrato. A figura 4.2 evidencia todas as variáveis dimensionais da antena, as quais foram testadas repetidas vezes por meio de simulações em software a fim de encontrar padrões de resposta em frequências o mais satisfatórios possível. Para o substrato, que é ilustrado em vista lateral da antena na figura 4.2c, o material escolhido foi o FR 4, por ter um custo baixo e relativa facilidade de obtenção.

48 32 Tal como visto na tabela 2.1, seu valor relativo de permissividade elétrica (ɛ r ) é igual a 4,4 e sua tangente de perdas (tan δ) é igual a 0,025. As melhores dimensões encontradas para a antena, o plano de terra e o substrato estão relacionadas na tabela 4.1. (a) Vista frontal. (b) Vista traseira. (c) Vista lateral. Figura 4.2: Parâmetros dimensionais da antena [2] [50] Simulação da antena A antena de microfita foi devidamente modelada no software CST Microwave Studio, no qual foram realizadas sucessivas simulações com o objetivo de encontrar o dimensionamento que melhor se ajustasse aos requisitos da antena. A figura 4.3 expõe, então, o gráfico do coeficiente de reflexão da antena (parâmetro S 11 ) em função da frequência de operação. Tomando-o como base, é possível evidenciar o aspecto de cada banda de operação, sua largura de banda, as respectivas frequências de ressonância e seus valores mínimos em db alcançados. Foram reunidos, então, os valores que caracterizam as duas bandas de operação da antena de microfita, lembrando-se que o critério adotado nesta monografia para definir os limites de largura de banda é o patamar de 10 db de perda de retorno. Esses parâmetros estão reunidos na tabela 4.2. Durante o processo de dimensionamento da antena, verificou-se que os principais fatores determinantes para o estabelecimento da primeira e a segunda frequências de

49 33 Tabela 4.1: Parâmetros de dimensionamento da antena de microfita. (a) Antena. Parâmetro Valor (mm) L p 6 W p 2 S 10 W s 13,8 L f 19 W f 3 L st 10 Y st 8,7 W st 1 (b) Plano de terra. Parâmetro Valor (mm) W g 40 L g 12 d 1 W stub 1 L stub 9 (c) Substrato. Parâmetro Valor (mm) L sub 40 W sub 40 t sub 1,6 Figura 4.3: Diagrama do coeficiente de reflexão da antena (S 11 ) [2]. Tabela 4.2: Caracterização obtida das bandas de operação da antena de microfita. Banda Lim. inferior Freq. de ressonância (GHz) rior (GHz) banda (MHz) xão (db) Lim. supe- Larg. de Coef. de refle- (GHz) I 2,2 2,34 2,5 303,4 23,3 II 4,8 5,6 6, ,4

50 34 ressonância foram, respectivamente, o comprimento do stub de sintonia no plano de terra (L stub ), e a altura da espira retangular da antena (S). Os demais parâmetros da antena, a saber, ganho, diretividade, relação frente costas, HPBW e VSWR, também foram obtidos pela simulação e estão relacionados na tabela 4.3 e ilustrados em gráficos na figura 4.4. Tabela 4.3: Parâmetros de radiação da antena de microfita. Parâmetros 2,34 GHz 5,6 GHz Ganho (dbi) 1,8 4,3 Diretividade (dbi) 2,0 5,5 RFC (db) 0,6 7,9 HPBW 90,8 46,4 VSWR 1,1 1,0 Os diagramas de radiação polar em planos E e H da antena, para ambas as frequências de ressonância, estão ilustrados nas figuras 4.5a a 4.5d, enquanto as figuras 4.5e e 4.5f faz o mesmo em forma tridimensional. Entretanto, pela presença de lóbulos de grande intensidade orientados à direção oposta ao lóbulo principal, verifica-se uma baixa relação frente costas da antena. Esse fato ocorre em virtude da configuração truncada do plano de terra, o qual não é capaz de refletir totalmente as ondas irradiadas pela antena. Observa-se, também, que tanto a primeira quanto a segunda banda da antena conseguiram englobar totalmente as faixas desejadas do conjunto ISM, de 2,4 a 2,4835 GHz e 5,725 GHz a 5,85 GHz. Além disso, mesmo que os valores máximos da perda de retorno estejam fora destas faixas, elas ainda apresentam um desempenho satisfatório. 4.2 Primeira FSS Para que uma superfície seletiva em frequência consiga melhorar as características de desempenho de uma antena e seus parâmetros de radiação, é necessário que ela opere em paridade com a antena, isto é, que suas frequências de ressonância e bandas de operação sejam iguais ou semelhantes. Assim, a primeira FSS deve ser projetada de modo a atender tanto aos requisitos das faixas ISM, quanto às bandas da antena obtidas por simulação. A proposta desta primeira FSS é promover um melhor direcionamento do padrão de radiação da antena, visto que esta apresentou um lóbulo lateral forte na direção oposta

51 35 (a) Ganho. (b) Diretividade. (c) Relação frente costas. (d) VSWR. Figura 4.4: Parâmetros de radiação da antena em função da frequência [2].

52 36 (a) Padrão de radiação a 2,34 GHz no (b) Padrão de radiação a 2,34 GHz no plano E. plano H. (c) Padrão de radiação a 5,6 GHz no (d) Padrão de radiação a 5,6 GHz no plano E. plano E. (e) Padrão de radiação 3D a 2,34 GHz. (f) Padrão de radiação 3D a 5,6 GHz. Figura 4.5: Parâmetros de radiação da antena em função da frequência [2].

53 37 ao lóbulo principal, e portanto uma relação frente costas muito baixa. Tal direcionamento tem como base a reflexão de sinais dentro das bandas de operação da antena para que não ocorra uma irradiação tão forte a esse sentido Projeto da FSS Os procedimentos de projeto da FSS abrangem a escolha da geometria dos elementos e do material do substrato, o dimensionamento dos mesmos e a periodicidade da estrutura. Desse modo, o modelo de espira quadrada dupla foi o escolhido para compor a primeira FSS, pois tal como abordado no capítulo 3, esse tipo de geometria é aquele com o melhor desempenho frente aos demais tipos, já que possui maior estabilidade angular e de polarização e possibilita redução de dimensões. Como a ressonância de cada espira quadrada ocorre quando a medida do seu lado é múltipla do comprimento de onda (λ), conforme também visto no capítulo 3, este foi o ponto de partida para o correto dimensionamento dos elementos, novamente por meio de varreduras paramétricas no software CST Microwave Studio. A figura 4.6 exibe o esquema estrutural da FSS em questão, com os devidos parâmetros dimensionais discriminados, enquanto a tabela 4.4 relaciona os valores ótimos obtidos por simulação. Figura 4.6: Parâmetros dimensionais da primeira FSS [2]. Como visto na subseção 4.1.1, a antena repousa num quadrado de lado igual a 40 mm, por isso é necessário que a FSS possua dimensões aproximadamente iguais ao dobro desse lado, de modo que receba a radiação da antena no maior patamar possível. Assim, verificou-se, tomando o período (p) da estrutura, que o tamanho da malha de FSS que

54 38 Tabela 4.4: Dimensões da primeira FSS encontradas por simulação. Parâmetro Valor (mm) D 1 15,7 W 1 1 D 2 12 W 2 1 g 1 0,5 g 2 0,85 p 16,2 mais se aproxima desse critério é uma matriz de 5 linhas e 5 colunas, totalizando 25 células unitárias. Logo, a estrutura completa da FSS possui lado igual a 81 mm, sendo ilustrada na figura 4.7a em visão frontal, e na figura 4.7b em visão lateral. (a) Vista frontal. (b) Vista lateral. Figura 4.7: Malha completa da primeira FSS [2]. A espessura de cada elemento metálico (t), tal como na antena de microfita, ficou estabelecida em 0,035 mm. O substrato escolhido para compor a FSS possui as mesmas características da antena de microfita projetada, também sendo feito de FR 4 e tendo espessura (t sub ) de 1,6 mm Simulação da FSS No software CST Microwave Studio, a simulação da primeira superfície seletiva em frequência foi feita apenas considerando uma das células unitárias, a fim de analisar seu com-

55 39 portamento independentemente do número de estruturas requerido no projeto. Assim, os limites espaciais do modelo foram devidamente ajustados para respeitar as condições de contorno dessa estrutura. Os resultados dos parâmetros S 11 (coeficiente de reflexão) e S 21 (coeficiente de transmissão) estão relacionados, em função da frequência do sinal, na figura 4.8. Pelo gráfico, portanto, foi possível analisar as frequências de ressonância da estrutura e as respectivas larguras de banda, além dos pontos de máxima transmissão, os quais estão listados na tabela 4.5. Figura 4.8: Diagrama dos coeficientes de reflexão (S 11 ) e de trasmissão (S 21 ) da primeira FSS [2]. Tabela 4.5: Caracterização obtida das bandas de operação da primeira FSS. Banda Lim. inferior Freq. de ressonância (GHz) rior (GHz) banda (GHz) missão (db) Lim. supe- Larg. de Coef. de trans- (GHz) I 1,9 2,6 3,1 1,2 36 II 4,8 5,6 6,7 1,9 35 Ao comparar o aspecto das bandas, conclui-se que as faixas de operação dessa primeira FSS praticamente englobam as bandas da antena de microfita, demonstrando assim um projeto bem-sucedido, que atende ao propósito de aperfeiçoamento do desempenho da antena. Uma complementação do estudo dessa primeira FSS é ilustrada na figura 4.9, que evidencia o comportamento do campo elétrico à frente e atrás da espira quadrada dupla,

56 sendo efetivamente refletido nas frequências de ressonância e transmitido fora de suas bandas de operação. 40 (a) Padrão na primeira frequência de ressonância. (b) Padrão na segunda frequência de ressonância. (c) Padrão fora das regiões de ressonância. Figura 4.9: Demonstração do padrão de campo elétrico ao longo do plano transversal à FSS [2]. Em todas as figuras, supõe-se que a antena esteja localizada na parte inferior dos gráficos, com a face do plano de terra voltada para a FSS. 4.3 Integração da antena à primeira FSS Concluídas as etapas de modelagem e simulação da antena de microfita e da primeira FSS separadamente, prosseguiu-se à análise da influência da superfície seletiva nos parâmetros e padrões de radiação da antena, visando a verificação da melhora do seu desempenho Projeto do conjunto A ideia por trás da primeira FSS, conforme ressaltado anteriormente, é atuar como um filtro rejeita-faixas, disposto atrás da antena de microfita de forma a refletir totalmente os sinais irradiados em suas frequências de ressonância. Os dois dispositivos devem ser alinhados segundo seu eixo central, conforme ilustra a figura 4.10 em vista frontal, oblíqua

57 e lateral. Também foi definido um bloco espaçador que representa o espaço livre entre as estruturas. 41 (a) Vista frontal. (b) Vista oblíqua. (c) Vista lateral. Figura 4.10: Representação da antena de microfita integrada à primeira FSS projetada [2]. Deve-se definir, também, o espaçamento mais adequado entre a FSS e a antena, o qual, a princípio, é estipulado de maneira ótima como um quarto do comprimento de onda de ressonância ( λ ). Sabendo-se que a antena opera com duas frequências de ressonância, 4 foram obtidos os valores de espaçamento ideais correspondentes (28 mm para 2,34 GHz e 13,4 mm para 5,6 GHz), e através de sucessivas simulações em software, chegou-se a um

58 42 único valor de distância que entregasse resultados satisfatórios, sendo igual a 35 mm Simulação do conjunto A antena de microfita integrada à primeira FSS foi posta em simulação pelo software CST Microwave Studio, por meio de variações paramétricas sucessivas, de modo a encontrar a melhor distância de separação entre ambas. Assim, produziu-se o gráfico do parâmetro S 11, ilustrado na figura 4.11 diante do gráfico obtido na simulação da antena sem integração. Figura 4.11: Diagrama do coeficiente de reflexão da antena (S 11 ), em função da frequência, comparada à sua integração com a primeira FSS [2]. A nova configuração das bandas está relacionada na tabela 4.6, na qual se pode verificar que, comparada à antena isolada, a primeira frequência de ressonância diminuiu de 2,34 GHz para 2,30 GHz e apresentou um maior patamar de coeficiente de reflexão, enquanto a segunda, por sua vez, aumentou para 5,7 GHz e diminuiu o valor de perda de retorno. Além disso, a primeira banda apresentou um aumento de largura de aproximadamente 50 MHz, enquanto a segunda banda teve sua extensão praticamente inalterada, sofrendo apenas um deslocamento de 100 MHz acima. Também foram obtidos, por simulação, os parâmetros de radiação da antena, sendo relacionados na tabela 4.7 e, graficamente, na figura Os diagramas polares de radiação, por sua vez, estão ilustrados nas figuras 4.13a e 4.13b para a primeira frequência

59 Tabela 4.6: Caracterização obtida das bandas de operação da antena integrada à primeira FSS, comparada à situação anterior. 43 Banda Lim. inferior Freq. de ressonância (GHz) rior (GHz) banda (MHz) xão (db) Lim. supe- Larg. de Coef. de refle- (GHz) Antena I 2,2 2,34 2,5 303,4 23,3 II 4,8 5,6 6, ,4 Antena integrada à primeira FSS I 2,17 2,30 2, ,6 II 4,95 5,70 6, ,8 de ressonância, 4.13c e 4.13d para a segunda, e nas figuras 4.13e e 4.13f em formato tridimensional para ambas as frequências de ressonância. Tabela 4.7: Parâmetros de radiação da antena de microfita, integrada à primeira FSS. Antena Antena com a 1 a FSS Parâmetros 2,34 GHz 5,6 GHz 2,30 GHz 5,7 GHz Ganho (dbi) 1,8 4,3 7,24 6,8 Diretividade (dbi) 2,0 5,5 7,9 8,11 RFC (db) 0,6 7,9 6,75 10,12 HPBW 90,8 46, ,6 VSWR 1,1 1,01 1,04 1,08 Diante da comparação entre o desempenho da antena de microfita isolada e da mesma integrada à primeira FSS, foi possível constatar, para ambas as frequências de operação, um aumento significativo dos valores de ganho, diretividade e relação frente costas, além de uma redução dos valores de HPBW e da manutenção dos níveis de VSWR. Com relação aos diagramas de radiação da estrutura, conclui-se que os lóbulos laterais foram diminuídos, embora com maior intensidade para a primeira banda do que a segunda; assim, houve maior eficiência da irradiação da antena. Logo, o projeto da primeira FSS foi bem-sucedido, tendo em vista que todos seus requisitos de operação e proposta de melhoria de desempenho para as faixas ISM foram atendidos.

60 44 (a) Ganho. (b) Diretividade. (c) Relação frente costas. (d) VSWR. Figura 4.12: Comparação entre os parâmetros de radiação originais da antena, em função da frequência, e os da antena integrada à FSS [2]. Linhas retas indicam simulações efetuadas apenas em dois valores de frequência.

61 45 (a) Padrão de radiação a 2,34 GHz (b) Padrão de radiação a 2,34 GHz (db V ) no plano E. (db V ) no plano H. (c) Padrão de radiação a 5,6 GHz (d) Padrão de radiação a 5,6 GHz (db V ) no plano E. (db V ) no plano E. (e) Padrão de radiação 3D (db V ) a (f) Padrão de radiação 3D (db V ) a 5,6 2,34 GHz. GHz. Figura 4.13: Parâmetros de radiação da antena em função da frequência (em vermelho, de a a d), comparados à sua integração com a primeira FSS (em verde, de a a d) [2].

62 4.4 Segunda FSS 46 Enquanto a primeira FSS projetada para o sistema teve como proposta de trabalho um aumento do ganho e diretividade da antena de microfita através da reflexão das ondas irradiadas atrás da mesma, a nova superfície seletiva a ser descrita nesta seção será posta à frente da antena, com os mesmos objetivos, porém com operação distinta: atuar como um filtro passa-faixas para melhor selecionar os sinais irradiados pela antena Projeto da FSS: primeira etapa Como esta FSS irá atuar como filtro passa-faixa, deverá ser composta por elementos do tipo abertura, ao contrário da primeira FSS, que foi baseada em estruturas condutoras; e tal como na primeira superfície seletiva, foi escolhido o modelo da espira quadrada dupla, de forma a atender ao requisito de operação em duas frequências. Novamente, o dimensionamento da FSS partiu da ressonância de suas estruturas a uma medida de lado igual a um múltiplo do comprimento de onda (λ), por meio de varreduras paramétricas no programa CST Microwave Studio. A figura 4.14 exibe o esquema estrutural da FSS em questão, com os devidos parâmetros dimensionais relacionados, assim como sua vizualização no software, enquanto a tabela 4.8 relaciona os valores ótimos obtidos por simulação. O dielétrico utilizado para a segunda FSS também é feito de FR 4, e sua espessura também foi definida igual a 1,6 mm. Tabela 4.8: Dimensões da segunda FSS encontradas por simulação. Parâmetro Valor I (mm) W 1 0,4 W 2 0,4 W 3 4,8 W 4 1,2 W 5 7,4 W 6 21,0 W 7 0,4

63 47 (a) Esquema dimensional. (Cobre em azul.) (b) Vista oblíqua em software. (Cobre em dourado, substrato em branco.) Figura 4.14: Estrutura da célula unitária da segunda FSS Simulação: primeira etapa Assim como a primeira FSS, a simulação da segunda superfície seletiva em frequência foi feita considerando uma das células unitárias, a fim de analisar seu comportamento independentemente do número de estruturas requerido no projeto. Os resultados do parâmetro S 21 estão relacionados, em função da frequência do sinal, na figura Pelo gráfico, portanto, foi possível analisar as frequências de ressonância da segunda FSS e suas larguras de banda, além dos pontos de máxima transmissão, os quais estão listados na tabela 4.9. Tabela 4.9: Primeira caracterização obtida das bandas de operação da segunda FSS. Banda Lim. inferior Freq. de ressonância (GHz) rior (GHz) banda (MHz) (db) Lim. supe- Larg. de Parâmetro (GHz) Antena I 2,2 2,34 2,5 303,4 23,3 (S 11 ) II 4,8 5,6 6, ,4 (S 11 ) Segunda FSS I 2,07 2,25 2,38 317,4 24,2 (S 21 ) II 5,04 5,89 6, ,4 21,1 (S 21 ) S

64 48 Figura 4.15: Diagrama do coeficiente de transmissão da segunda FSS em seu primeiro dimensionamento (S 21 ). Pode-se concluir que a largura de banda I, obtida na frequência de ressonância de 2,25 GHz, abrangeu toda a primeira banda de operação original da antena, de 300 MHz, e que a largura de banda II, alcançada na frequência de ressonância de 5,89 GHz, compreendeu toda a segunda banda original da antena, de 1,3 GHz. Desta forma, os resultados obtidos no dimensionamento da espira quadrada dupla aberta (EQD) são satisfatórios, possuindo as características essenciais para o aumento do desempenho da antena de microfita, entretanto, o gráfico também mostra que o coeficiente de transmissão sofre uma queda significativa e indesejável entre as duas bandas de operação, influenciada principalmente pela curvatura da banda II. Portanto, em uma segunda etapa deste projeto, faz-se necessário um novo dimensionamento com o intuito de corrigir tal problema, de modo que a banda I não perca suas características, e ainda que parte da banda II precise ser sacrificada Projeto da FSS: segunda etapa Os estudos de dimensionamento das espiras continuaram, com os objetivos de diminuir, significativamente, a perda de transmissão nas regiões do espectro próximas à segunda faixa, sem implicar dilatações na primeira, bem como um deslocamento desta para valores mais próximos a 2,4 GHz. Com isso, foram realizados sucessivos testes por meio de modificação gradativa das espessuras e espaçamento tanto das espiras, como do quadrado central. O melhor resultado foi alcançado deixando a espira exterior ligeiramente mais

65 espessa, e a interior e o quadrado, por sua vez, com uma espessura consideravelmente maior, conforme mostrado na figura Figura 4.16: Novo dimensionamento da segunda FSS. (Cobre em dourado, substrato em bege.) Os novos valores dimensionais obtidos, conforme nomeados anteriormente na figura 4.14a, estão relacionados na tabela Tabela 4.10: Dimensões da segunda FSS encontradas por simulação. Parâmetro Valor II (mm) W 1 2,7 W 2 2,7 W 3 1,3 W 4 1,4 W 5 9,0 W 6 21,0 W 7 0, Simulação: segunda etapa Os resultados do parâmetro S 21 estão relacionados, em função da frequência do sinal, na figura Pelo gráfico, portanto, foi possível analisar as frequências de ressonância da segunda FSS e suas larguras de banda, além dos pontos de máxima transmissão, os quais estão listados na tabela Conclui-se que a largura de banda I aumentou em, aproximadamente, 200 MHz, mantendo a abrangência em toda a primeira banda de operação original da antena, sendo assim bem projetada para melhorar seu desempenho nesta faixa; entretanto, a largura de

66 50 Figura 4.17: Diagrama do coeficiente de transmissão da segunda FSS em seu segundo dimensionamento (S 21 ). Tabela 4.11: Caracterização obtida das bandas de operação da segunda FSS. Banda Lim. inferior Freq. de ressonância (GHz) rior (GHz) banda (MHz) (db) Lim. supe- Larg. de Parâmetro (GHz) Antena I 2,2 2,34 2,5 303,4 23,3 (S 11 ) II 4,8 5,6 6, ,4 (S 11 ) Segunda FSS I 2,19 2,44 2,69 498,1 27,3 (S 21 ) II 5,58 5,85 6,17 584,7 18,1 (S 21 ) S banda II despreza a sub-banda original da antena de 4,8 a 5,58 GHz, portanto, conclui-se que esta segunda FSS projetada não serve para operação em sinais dentro dessa subbanda; ainda assim, espera-se que para o resto da banda II da antena, a segunda FSS opere satisfatoriamente. 4.5 FSSs integradas à antena Terminadas as etapas de modelagem e simulação da antena de microfita integrada apenas à primeira FSS, foi dado início à última etapa do projeto, que consiste em integrar a segunda FSS desenvolvida ao conjunto anterior, com o propósito de verificar sua influência na mudança de desempenho espectral e espacial da antena de microfita.

67 Projeto da estrutura final A segunda FSS será disposta à frente da antena de microfita, atuando dessa forma como um filtro passa-faixas projetado para melhora de seu ganho e diretividade. Tal como a primeira, foi escolhida uma malha de 5 linhas por 5 colunas, e é necessário que a segunda FSS também esteja alinhada à antena de microfita conforme seu eixo transversal. A estrutura completa é ilustrada pela figura (a) Vista oblíqua I. (b) Vista oblíqua II. Figura 4.18: Representação da antena de microfita integrada a ambas as FSS projetadas. Como foi mencionado em seções anteriores, a distância entre a antena e a FSS mais adequada é encontrada partindo-se de um quarto do comprimento de onda ( λ) 4 correspondente às frequências de ressonância da antena, com afastamentos graduais e suas avaliações por varredura de parâmetros em software. Por fim, o valor de distanciamento otimizado entre a antena e a segunda FSS do conjunto foi definido como 56 mm, enquanto a separação entre a antena e a primeira FSS foi mantido em 35 mm Simulação da estrutura final A etapa final da simulação, novamente, baseou-se na varredura de parâmetros para encontrar a melhor distância de separação entre as duas FSSs e a antena. Assim, produziu-se o gráfico do parâmetro S 11, ilustrado na figura 4.19 diante do gráfico obtido na simulação da antena sem integração.

68 52 Figura 4.19: Diagrama da perda de retorno da antena (S 11 ) comparada à sua integração com a primeira FSS e com as duas FSS. A nova configuração das bandas está relacionada na tabela 4.12, na qual se pode verificar que, comparada à antena isolada, a primeira frequência de ressonância aumentou de 2,30 GHz para 2,44 GHz e apresentou um menor patamar de perda de retorno, enquanto a segunda, por sua vez, recuou para 5,54 GHz, e aumentou o valor de perda de retorno. Além disso, a primeira banda apresentou um aumento de largura considerável, de aproximadamente 190 MHz, enquanto a segunda banda recuou apenas em 30 MHz, mantendo-se semelhante. Também foram obtidos, por simulação, os parâmetros de radiação da antena, sendo relacionados na tabela 4.13 e, graficamente, na figura Os diagramas polares de radiação, por sua vez, estão ilustrados nas figuras 4.21a e 4.21b para a primeira frequência de ressonância, 4.5c e 4.13d para a segunda, e nas figuras 4.21e e 4.21f em formato tridimensional para ambas as frequências de ressonância. Diante da comparação entre o desempenho da antena de microfita integrada à primeira FSS e às duas FSSs, constatou-se uma redução do ganho e diretividade, para ambos mais significativa na banda I e mais sutil na banda II, e ao mesmo tempo um crescimento da relação frente costas para ambas as bandas, além de redução dos valores de HPBW e de um aumento do VSWR para a primeira banda. Com relação aos diagramas de radiação da estrutura, nota-se que para a primeira

69 Tabela 4.12: Caracterização obtida das bandas de operação da antena integrada às duas FSS. 53 Banda Lim. inferior Freq. de ressonância (GHz) rior (GHz) banda (MHz) xão (db) Lim. supe- Larg. de Coef. de refle- (GHz) Antena I 2,2 2,34 2,5 303,4 23,3 II 4,8 5,6 6, ,4 Antena integrada à primeira FSSs I 2,17 2,30 2, ,6 II 4,95 5,70 6, ,8 Antena integrada às duas FSSs I 2,00 2,44 2, ,6 II 4,89 5,54 6, ,3 Tabela 4.13: Parâmetros de radiação da antena de microfita integrada às duas FSS. Antena Antena com a 1 a FSS Antena com as duas FSS Parâmetros 2,34 GHz 5,6 GHz 2,30 GHz 5,7 GHz 2,4 GHz 5,6 GHz Ganho (dbi) 1,8 4,3 7,24 6,8 5,6 6,4 Diretividade (dbi) 2,0 5,5 7,9 8,11 6,7 7,8 RFC (db) 0,6 7,9 6,75 10,12 9,4 11,3 HPBW 90,8 46, , ,8 VSWR 1,1 1,01 1,04 1,08 1,38 1,09 banda o lóbulo principal foi deslocado para a direção oposta e houve crescimento dos lóbulos laterais, enquanto o padrão para a segunda banda manteve um perfil semelhante. Conclui-se então que, embora a segunda FSS tenha promovido um aumento da largura de banda da faixa de 2,4 GHz e tenha mantido a segunda banda praticamente inalterada, nem todos os seus parâmetros de desempenho sofreram melhorias, cabendo considerar apenas uma melhoria na relação frente costas da antena.

70 54 (a) Ganho. (b) Diretividade. (c) Relação frente costas. (d) VSWR. Figura 4.20: Comparação entre os parâmetros de radiação da antena integrada à primeira FSS, em função da frequência, e os da antena integrada às duas FSS. Linhas retas indicam simulação apenas para dois valores fixos de frequência.

71 55 (a) Padrão de radiação a 2,4 GHz (b) Padrão de radiação a 2,4 GHz (db V ) no plano E. (db V ) no plano H. (c) Padrão de radiação a 5,6 GHz (d) Padrão de radiação a 5,6 GHz (db V ) no plano E. (db V ) no plano E. (e) Padrão de radiação 3D (db V ) a 2,4 (f) Padrão de radiação 3D (db V ) a 5,6 GHz. GHz. Figura 4.21: Parâmetros de radiação da antena em função da frequência, em sua integração com ambas as FSSs.

72 Capítulo 5 Conclusão Esta monografia relatou as etapas de estudo e projeto de uma segunda superfície seletiva em frequência (FSS), a ser acoplada a uma antena de microfita de banda dupla ISM integrada anteriormente a outra FSS, com o intuito de observar sua influência no desempenho da antena e verificar possíveis melhorias. Em um primeiro momento, foi realizado um levantamento teórico sobre antenas, relacionando os seus principais parâmetros de avaliação de desempenho e os diferentes tipos de antenas desenvolvidos ao longo do tempo. Foi dada forte ênfase na descrição de antenas de microfita, detalhando suas características estruturais e as diversas técnicas de alimentação utilizadas, com suas vantagens e desvantagens. Posteriormente, o mesmo procedimento foi feito com respeito às superfícies seletivas em frequência. Foram abordados seus circuitos equivalentes de filtros em frequência e a escolha de diversas formas geométricas para sua composição, bem como a influência dos materiais e dos ângulos de incidência das ondas. Foram relatadas suas principais aplicações encontradas na literatura, além de uma comparação entre a escolha de materiais metálicos e resistivos para compor a FSS. Com toda a teoria reunida, foi dado início às etapas de projeto e simulação da antena de microfita e as duas FSSs desenvolvidas, por meio do software CST Microwave Studio. As simulações foram baseadas em varreduras paramétricas, com o objetivo de encontrar as dimensões dos elementos mais adequadas para o funcionamento desejado do projeto, bem como o afastamento entre os mesmos; assim, a antena foi projetada para operar em bandas ISM não licenciadas que abrangem as faixas de 2,4 GHz e 5,8 GHz, e as FSSs acompanharam seu padrão.

73 57 A análise de resultados, via simulação, permitiu fazer diversas comparações de desempenho entre a situação original da antena acoplada apenas à primeira FSS desenvolvida e a nova configuração, na qual a antena encontra-se entre duas FSSs. Constatou-se que a primeira FSS, sozinha, ao funcionar como um refletor das ondas irradiadas atrás da antena, foi responsável por uma grande melhora em seu ganho, diretividade, relação frente costas e VSWR, além da redução dos níveis de lóbulos laterais e largura de feixe, comprovando-se assim sua utilidade como elemento auxiliar no desenvolvimento de sistemas sem fio usando antenas de microfita, entretanto, ao ser inserida a segunda FSS à frente da antena, verificou-se uma diminuição em ganho e diretividade, com mais intensidade para a faixa de 2,4 GHz, embora a relação frente costas tenha aumentado para esta banda e a sua largura de banda tenha sofrido um aumento considerável. Além disso, o lóbulo principal em 2,4 GHz foi deslocado para a direção oposta à face frontal da antena. Conforme será descrito no capítulo seguinte, ainda será preciso fabricar a segunda FSS por meio de uma máquina prototipadora, com o intuito de verificar o real comportamento do sistema em ambiente adequado de medições. Também se torna necessário definir etapas futuras de melhoria do projeto, as quais podem incluir um novo dimensionamento da segunda FSS e uma substituição dos materiais utilizados, com ênfase no uso de FSSs resistivas de modo a, possivelmente, compactar o conjunto e aumentar sua praticidade.

74 Capítulo 6 Sugestões para trabalhos futuros O presente capítulo trata da definição de futuras etapas para o projeto abordado, cujo objetivo é promover melhorias no desempenho da antena de microfita. Será descrita a etapa de fabricação da segunda FSS e medições em campo, assim como uma proposta de substituição dos materiais utilizados. 6.1 Fabricação da FSS O Laboratório de Antenas e Propagação da UFF, local onde foi concebido todo o projeto da antena de microfita e suas FSSs, dispõe de um equipamento especial para a confecção de circuitos impressos. Trata-se da máquina prototipadora LPKF Protomat S103, ilustrada na figura 6.1. Esse equipamento realiza fresagem, perfuração e cortes em placas de circuito impresso adequadas para altas frequências e micro-ondas. Posteriormente, a placa é cortada manualmente em seu formato desejado, e é utilizada solução de percloreto de ferro para remover quaisquer regiões de cobre indesejadas. Para uma confecção bem-sucedida do protótipo da FSS, é necessário utilizar software específico da fabricante, a saber: Ansoft HFSS, Ansys Design e LPKF Circuit Pro. 6.2 Medições em laboratório O Laboratório de Antenas e Propagação também dispõe de equimapentos necessários para a efetuação de medições da antena integrada às duas FSSs, tais como o analisador vetorial de rede Anritsu MS2034A, ilustrado na figura 6.2, que se conecta à antena por meio de um

75 59 Figura 6.1: Máquina prototipadora LPKF Protomat S103 [51]. cabo coaxial, entretanto não opera para frequências além de 4 GHz, não sendo adequado para realização dos testes para a segunda banda da antena [2]. Os valores e parâmetros obtidos serão posteriormente salvos e transferidos a um computador e comparados com os gráficos obtidos anteriormente via simulação. Figura 6.2: Analisador Anritsu MS2034A [2]. 6.3 Medições em câmara anecoica Laboratórios são ambientes, em geral, sujeitos a interferências de diversas naturezas, como por exemplo reflexões de ondas devido à presença de equipamentos que se comportam como obstáculos ao meio de propagação. Diante disso, na avaliação de uma antena, é necessário, também, dispor de um ambiente que promova o mínimo possível de interferências nos sinais irradiados, de forma que seja possível obter resultados confiáveis que caracterizem corretamente a antena. Nesse sentido, são feitas câmaras anecoicas especí-