Projecto e Estudo de uma Antena em Cinto

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1 Projecto e Estudo de uma Antena em Cinto DORA CARINA DELGADO GASPAR Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em ENGENHARIA ELECTROTÉCNICA E DE COMPUTADORES Júri Presidente: Prof. José Manuel Bioucas Dias Orientador: Prof. António Manuel Restani Graça Alves Moreira Vogais: Prof. António Luís Campos da Silva Topa Outubro de 2009

2 Agradecimentos Agradeço em primeiro lugar ao Professor António Moreira que além de mentor deste projecto foi sempre um orientador participativo e disponível. Agradeço ao Sr Vasco Fred e ao Sr Carlos Brito, responsáveis pela construção do protótipo, ao Sr António Almeida pela ajuda nas medições em laboratório, e ao João que se voluntariou para cobaia. Agradeço também à Rita e ao Nuno pelas dicas relativas ao software de simulação. Agradeço aos meus pais pela dedicação e apoio. Sem vocês seria difícil estar aqui. Não posso deixar de agradecer também a todos os meus amigos, especialmente à minha irmã e ao Ricardo, que foram os que mais me apoiaram. 1

3 Resumo As Body Area Networks (BAN) são redes de telecomunicações que operam na proximidade do corpo humano. A proximidade aos tecidos biológicos pode originar dessintonias e alterações nos diagramas de radiação, pelo que este é um facto a ter em conta na fase de projecto. As wearable antennas (WA) são uma das peças fundamentais da BAN e todas as suas características têm em conta o cenário onde operam. Este trabalho tem por objectivo o projecto e teste de uma WA em cinto. A fivela é usada como elemento radiador, e a antena é alimentada por uma linha microstrip com substrato de cabedal. A estrutura da antena é optimizada para funcionar nas bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical ) dos 2.45GHz e dos 5.8GHz. Tendo em conta os possíveis cenários de uso desta antena efectuaramse simulações da estrutura no ar e na proximidade de um modelo representativo do corpo humano, para verificar quais os efeitos mútuos quando a antena está em funcionamento. Eficiência, directividade, diagramas de radiação e medidas da taxa de absorção específica (SAR) são outras das características da antena obtidas por simulação. Os resultados obtidos em laboratório indicam que para a antena no ar as bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz estão cobertas pelas bandas de funcionamento da antena, contudo quando opera na proximidade do corpo humano a antena perde sintonia na banda ISM dos 2.45GHz. Dos resultados obtidos para a SAR conclui-se que a 5.8GHz a antena cumpre a recomendação do Conselho da União Europeia. Palavras Chave: Antena em cinto, wearable antennas,interacção com o utilizador, taxa específica de absorção (SAR). 2

4 Abstract Body Area Networks (BANs) are telecommunications networks that operate in the vicinity of the human body. They have several applications but the proximity of the human body imposes a set of characteristics to be met. The wearable antennas (WA) are one of the elements of BANs and all its features take into account the scenario in which they operate. This work aims to design and test a belt antenna. The buckle is used as a radiator, and the antenna is fed by a microstrip line with leather substrate. The antenna structure is optimized to operate in 2.45GHz and 5.8GHz Industrial, Scientific and Medical (ISM) bands. Given the possible scenarios of use and to check the mutual effects when the antenna is operating, the structure was simulated in the air and in the vicinity of a representative model of the human body. Efficiency, directivity, radiation patterns and Specific Absortion Rate (SAR) measures are other characteristics of the antenna obtained by simulation. The results obtained in the laboratory indicate that the 2.45GHz and 5.8GHz ISM bands are covered by the operating bands of the antenna when tested in the air, but loses tuning in the 2.45GHz ISM band when working in the vicinity of the human body. The results obtained for the SAR estimations at 5.8GHz are according with Council of the European Union recommendation. Keywords: Belt antenna, wearable antennas, user interaction, specific absorption rate (SAR). 3

5 Conteúdo Agradecimentos 1 Resumo 2 Abstract 3 Lista de Tabelas 6 Lista de Figuras 7 Lista de Acrónimos 9 1 Introdução Estado da Arte Objectivos e Contribuições Estrutura da Dissertação Wearable Antennas Desafios das Wearable Antennas AplicaçõesdasBAN Exemplos de Wearable Antennas PIFA de banda dupla Antena Planar adaptada ao ombro Antena de banda dupla com estrutura EBG Antena-Botão Antena em cinto Projecto de uma Antena em Cinto Requisitos e Desempenho Projecto da Antena Comportamento da Antena quando sujeita a alterações em alguns parâmetros Efeito da Variação da Constante Dieléctrica Relativa da Amostra de Cabedal Introdução de Perdas na Amostra de Cabedal Alteração da Largura da Linha Microstrip de Alimentação Comportamento da Antena com o Cinto Apertado Resultados Módulo do Coeficiente de Reflexão de Entrada da Antena Bandas de Funcionamento

6 3.4.3 Diagramas de Radiação Conclusões Estudo da Antena na Presença do Ser Humano Simulação da Antena na Presença do Ser Humano Características do Modelo Resultados Testes Laboratoriais Condições de Medidas Módulo do Coeficiente de Reflexão de Entrada Bandas de Funcionamento Taxa de Absorção Específica (SAR) Limites de Exposição Electromagnética Resultados de SAR Conclusões Conclusões 54 Bibliografia 57 Anexos 59 Anexo I - Determinação das Propriedades Dieléctricas do Cabedal Anexo II - Diagramas de Radiação 3D: Antena no Ar Anexo III - Diagramas de Radiação 3D: Antena na Proximidade do Corpo Humano

7 Lista de Tabelas 1.1 Comparação entre as BAN e outros standards IEEE 802. [Fonte: [3]] Bandas de funcionamento da antena considerando o critério de sintonia baseado nos resultados obtidos para S 11, com a antena (protótipo 1) no ar. ( ) Valor máximo da frequência correspondente às medidas efectuadas em laboratório Bandas de funcionamento da antena considerando o critério de sintonia baseado nos resultados obtidos para S 11, com a antena (protótipo 2) no ar. ( ) Valor máximo da frequência correspondente às medidas efectuadas em laboratório Propriedades dieléctricas de alguns tecidos do corpo humano determinados recorrendo a [23] Resultados obtidos por simulação para a eficiência, ɛ, e directividade, D, da antena no ar Bandas de funcionamento da antena considerando o critério de sintonia do S 11, com o Utilizador 1 usar a antena (protótipo 1). ( ) Valor máximo da frequência correspondente às medidas efectuadas em laboratório Bandas de funcionamento da antena considerando o critério de sintonia do S 11, com o Utilizador 1 usar a antena (protótipo 2). ( ) Valor máximo da frequência correspondente às medidas efectuadas em laboratório Bandas de funcionamento da antena considerando o critério de sintonia do S 11, com o Utilizador 2 usar a antena (protótipo 2). ( ) Valor máximo da frequência correspondente às medidas efectuadas em laboratório Resultados do valor eficaz da potência média, do valor eficaz de SAR total e do valor eficaz do máximo de SAR (1g) Resultados do valor eficaz da potência média, do valor eficaz de SAR total e do valor eficaz do máximo de SAR (10g) Propriedades dieléctricas do cabedal A obtidas em laboratório para a frequência de 9GHz Propriedades dieléctricas do cabedal B obtidas em laboratório para a frequência de 9GHz

8 Lista de Figuras 2.1 Exemplo de ligação estabelecida no Nike + ipod Sport Kit. [Fonte: [2]] Exemplos de uma BAN que permite ajudar pessoas com deficiências visuais. (a) [Fonte:[19]] (b) [Fonte: [3]] (a) Modelo simplificado da antena e a sua colocação junto ao corpo. (b) Resultados obtidos para o módulo do coeficiente de reflexão de entrada. [Fonte: [5]] (a) Estrutura da antena e ilustração da sua colocação junto ao corpo.(b) Resultados obtidos para VSWR. [Fonte: [6]] (a) Modelo da antena. (b) Resultados obtidos para o módulo do coeficiente de reflexão de entrada. [Fonte: [20]] (a) Protótipo implementado num casado de ganga. (b) Modelo da antena. [Fonte: [15]] Resultados obtidos para o módulo do coeficiente de reflexão da antena por simulacão e medida com e sem o corpo na proximidade da antena. [Fonte: [15]] (a) Modelo da antena. (b) Módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena. [Fonte: [17]] Modelo de simulação da antena (unidades em mm). (a) Vista de frente; (b) Vista de trás Protótipo da antena. (a) Vista de frente; (b) Vista de trás Módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena, para simulações nas quais se usam cabedais com propriedades dieléctricas diferentes, nomeadamente com a constante dieléctrica relativa, ε r, diferente da do cabedal original. (a) ε r =2.95 (cabedal original); (b) ε r =3.3, (c) ε r = Módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena, obtido por simulação para estruturas onde se usa cabedal com perdas. Para todos os casos ε r = 2.95: (a) tan δ =0(cabedal original); (b) tan δ =0.16, para 2.45GHz, (c) tan δ =0.16 para 5.8GHz Módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena obtido por simulação para estruturas com diferentes larguras, Lm, da linha microstrip de alimentação. (a) Lm = 8.53mm (estrutura original); (b) Lm =6.82mm; (c) Lm =10.23mm Módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena considerando o cinto: (a) desapertado; (b) apertado Montagem para as medidas ao protótipo da antena. (a) Cinto desapertado; (b) cinto apertado Módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena no ar. Simulações: (a) Cinto apertado, (b) cinto desapertado. Medidas ao protótipo 1: (c) Cinto apertado, (d) cinto desapertado. Medidas ao protótipo 2: (e) Cinto apertado, (f) cinto desapertado Diagramas de Radiação da antena no ar para o Plano XY. (c) Modelo do cinto Diagramas de Radiação da antena no ar para o Plano XZ. (c) Modelo do cinto Diagramas de Radiação da antena no ar para o Plano YZ. (c) Modelo do cinto

9 4.1 Modelos usados em simulação. (a) Simplificado; (b) Completo Resultados obtidos por simulação para o módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena. (a) No ar; (b) Na proximidade do modelo simplificado Diagramas de Radiação da antena no ar para o Plano XY. (c) Modelo do cinto Diagramas de Radiação da antena no ar para o Plano XZ. (c) Modelo do cinto Diagramas de Radiação da antena no ar para o Plano YZ. (c) Modelo do cinto Utilizador 1 a usar a antena no cinto (protótipo 1) para as medições em laboratório no Cenário Utilizadores 1 e 2 a usarem antena no cinto (protótipo 2) para as medições em laboratório nos diferentes cenários (a) Simulação com o modelo simplificado. Medidas para o Cenário 1: (b) Protótipo 1, Utilizador 1; (c) Protótipo 2, Utilizador 1; (d) Protótipo 2, Utilizador 2; Módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena obtido em laboratório. Protótipo 1 - Utilizador 1: (a) Cenário 1, (b) Cenário 2. Protótipo 2 - Utilizador 1: (c) Cenário 1, (d) Cenário 2; - Utilizador 2: (e) Cenário 1, (f) Cenário Módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena (protótipo 2) obtido em laboratório. (a) Cinto apertado no ar. Utilizador 1: (b) Cenário 1, (c) Cenário 3; Utilizador 2: (d) Cenário 1;(e) Cenário Restrições básicas para campos eléctricos, magnéticos e electromagnéticos (0Hz - 300GHz) [24]. f representa a frequência Taxa de absorção específica obtida por simulação para o modelo do corpo simplificado, (a) e (b) para 2.45GHz, (c) e (d) para 5.8GHz Taxa de absorção específica obtida por simulação para o modelo do corpo completo para 2.45GHz, (a) e (b) SAR(1g), (c) e (d) SAR(10g) Taxa de absorção específica obtida por simulação para o modelo do corpo completo para 5.8GHz, (a) e (b) SAR(1g), (c) e (d) SAR(10g) Amostras de cabedal usadas em laboratório para a determinação das propriedades dieléctricas do mesmo. A1 e A2 correspondem ao cabedal A, B1, B2 e B3 correspondem ao cabedal B Diagramas de Radiação da antena no ar para o cinto desapertado Diagramas de Radiação da antena no ar para o cinto apertado Diagramas de Radiação da antena no ar para o cinto apertado na proximidade do modelo representativo do corpo humano (modelo simplificado) Diagramas de Radiação da antena no ar para o cinto apertado na proximidade do modelo representativo do corpo humano (modelo completo)

10 Lista de Acrónimos BAN - Body Area Networks CST - Computer Simulation Technology EBG - Electromagnetic Band Gap GSM - Global System for Mobile Communications IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers ISM - Industrial, Scientific and Medical LB - Largura de Banda MAC - Media Access Control MBAN - Medical Body Area Networks PDA - Personal Digital Assistant PIFA - Planar Inverted-F Antenna QoS - Quality of Service RL - Return Loss SAR - Specific Absorption Rate VSWR - Voltage Standing Wave Ratio WA - Wearable Antenna(s) WLAN - Wireless Local Area Network 9

11 Capítulo 1 Introdução As wearable antennas (WA), antenas utilizadas em peças de vestuário ou acessórios do dia-adia, são peças fundamentais num conceito recente de redes de telecomunicações, as Body Area Networks (BAN). Este tipo de conceito refere-se a um conjunto de elementos de uma rede de telecomunicações desenhados para operar na proximidade, sobre, ou dentro do corpo humano. As aplicações são diversas e vão desde aplicações focalizadas em questões médicas [1], sendo que neste caso podem ser também designadas por Medical Body Area Networks (MBAN), a puro entretenimento [2]. A norma IEEE [3] está a ser criada para de alguma forma regulamentar as BAN, que apesar de serem soluções preferencialmente sem fios por uma questão de mobilidade, apresentam algumas diferenças face a outras normas IEEE para redes sem fios. Na Tabela 1.1 apresentase um conjunto de diferenças entre os standards já existentes nas normas IEEE face ao que é proposto por uma comissão responsável por normalizar as BAN, e que apresenta alguns dos resultados que obteve até à data em [3]. Neste artigo faz-se também uma distinção entre três categorias diferentes das BAN, consoante a sua aplicação. Assim tem-se BAN para aplicações na área da saúde direccionada para a análise e monitorização de sinais biomédicos, BAN que suportam a assistência a pessoas com dificuldades físicas, e por último BAN para entretenimento e interacção com o corpo. Apesar do potencial de desenvolvimento e vantagens desta nova tecnologia, existe algum atrito por parte da comunidade em geral em relação ao uso de WA. Para que as WA sejam aceites pelas pessoas que as irão usar é necessário que cumpram alguns requisitos. Garantir que as WA não são prejudiciais àsaúde das pessoas ésó uma das várias características que poderão fazer com que esta tecnologia seja aceite pela comunidade em geral. Para além disso as WA têm de ser pequenas e ter um aspecto atractivo e flexível, têm de ser resistentes ao uso e não podem exigir ao utilizador constantes trocas de baterias. A privacidade individual é também um factor que pode influenciar o uso ou não deste tipo de tecnologias. Tal como referido anteriormente as WA são desenhadas para funcionarem na proximidade, sobre, ou dentro do corpo humano e o raio de cobertura que garantem tem no máximo 2m. No que toca a alimentação este tipo de soluções requer à partida potências baixas pelo que uma das soluções possíveis consiste em eventualmente conseguir retirar a energia necessária do próprio corpo [3]. As BAN são muitas vezes compostas por vários elementos que interagem em si. É necessário garantir que estes elementos não alteram as propriedades de funcionamento uns dos outros. No Capítulo 2 é 10

12 feita uma descrição mais pormenorizada das características que as BAN, e nomeadamente as WA, têm de cumprir. O trabalho aqui apresentado foca-se no desenho e teste de uma WA, que é inquestionavelmente uma peça fundamental de uma BAN. As WA são estruturas concebidas para uma aplicação numa peça de vestuário ou num objecto do dia-a-dia que além da sua função normal desempenha também a função de antena. São desenhadas para uma ou várias bandas de frequências de funcionamento e no geral têm de cumprir um determinado número de requisitos. Tabela 1.1: Comparação entre as BAN e outros standards IEEE 802. [Fonte: [3]] IEEE 802 standards BAN Configuração 15.3, 15.4 MAC Cada componente tem um endereço MAC distinto. Potência Consumida Reduzida Extremamente baixa enquanto comunica, para proteger os tecidos do corpo humano. Fonte de Potência Convencional Compatível com modos de operação que extraiam energia do corpo. Requisitos (QoS) Fraca latência Resposta assegurada e fiável a estímulos externos. Bandas de Frequência ISM Regulamentadas e/ou aprovadas pelas autoridades médicas para comunicações dentro ou na proximidade do corpo humano. Canais Ar Ar, na superfície do corpo humano, e dentro do corpo humano Segurança do Corpo Humano Nenhuma Tem de ser assegurada (especificações de SAR) Em [4] P. S. Hall apresenta alguns dos desafios que os projectistas deste tipo de antenas têm de enfrentar. À partida o seu desenho vai depender do modo operacional da antena que poderá pertencer a um dos seguintes grupos: Ligações off-body - Quando a ligação da WA é estabelecida com um elemento do exterior ao corpo, por exemplo um PDA, esta ligação designa-se por off-body. Canais on-body - Quando a ligação é feita entre duas partes distintas do corpo denonina-se o canal de comunicação estabelecido por on-body. Ligações in-body - Neste grupo englobam-se essenciamente as antenas contidas em implantes médicos que suportam o que se designa por ligação in-body. Tem-se ainda de garantir que nas ligações off-body o lobo principal de radiação está orientado para fora do corpo, enquanto nos canais on-body a energia deve ser prioritamente radiada sob a superfície do corpo. De um modo geral exige-se a qualquer WA que seja compacta e resistente, isto é, não pode condicionar os movimentos do seu utilizador e tem de resistir a possíveis impactos. Tem ainda de ser resistente à dessintonização, especialmente nos casos em que a banda de frequências de funcionamento é estreita é necessário ter uma atenção redobrada com a variação dos parâmetros dos tecidos do corpo na sua proximidade. As antenas usadas em implantes têm de ser hermeticamente isoladas por forma a não interferir com o normal funcionamento do corpo. Nas secções seguintes deste Capítulo são apresentadas algumas das soluções já existentes deste tipo de tecnologias, tentando focar os pontos fortes e fracos de cada uma. Faz-se ainda uma descrição dos objectivos deste trabalho assim como as possíveis contribuições para a comunidade científica. 11

13 1.1 Estado da Arte Não é trivial determinar quando começou efectivamente a investigação na área das WA. Em 1999 P. Salonen et al. [5], apresentam uma antena de banda dupla para funcionar na promixidade do corpo humano, e que pode ser usada para a banda GSM. Uma antena plana ajustada ao ombro foi desenhada e testada por K. Ogawa et al. [6] que funciona na banda dos 350MHz e cuja aplicação é suportar o serviço rádio de polícias e bombeiros. Esta estrutura pode ser colocada no interior de um casaco, na zona do ombro, o que lhe dá bastante mobilidade. A antena foi testada num ambiente que simula as condições reais de uso, e foram efectuadas medições em espaço livre e ainda com a antena colocada no ombro de um voluntário. Em [7] P. J. Massey apresenta uma antena que funciona para a banda GSM900 e apresenta um pequeno estudo dos locais ideiais para a colocação da mesma junto do corpo. As restrições na colocação da antena são bastantes óbvias, devendo esta ser colocada de forma a ter o menor impacto possível da proximidade do ser humano, e ainda é necessário garantir que a estrutura da antena não sairá danificada devido ao local escolhido. No exemplo anterior [6] a antena é colocada num casaco na zona do ombro, o que não afecta a mobilidade de quem a usa, contudo uma simples alsa de uma mala, ou até algum tipo de equipamento que um bombeiro tenha de transportar ao ombro pode danificar a estrutura e alterar o desempenho da antena. Com o intuito de produzir estruturas com elevada mobilidade muitos investigadores encontraram a solução ideal nos têxteis. Este tipo de antenas é muitas vezes apelidado na literatura por WA flexíveis. Existem várias soluções nas quais se usam têxteis como dielécticos de suporte de patches condutores que variam no formato e nas dimensões. Em [8] M. Klemm et al. apresentam a primeira antena têxtil com polarização circular. O mínimo das perdas de retorno atinge-se aos 2.32GHz, e a antena apresenta uma banda de funcionamento que vai desde os 2GHz aos 2.8GHz. Uma antena WLAN, também têxtil, é apresentada por P. Salonen et al. em [9]. Esta antena foi testada na proximidade do corpo humano junto ao braço e ao tronco. Verifica-se um aumento do módulo do coeficiente de reflexão de entrada na frequência de ressonância, ultrapassando o limite dos -10dB, estabelecido como o mínimo indicativo da sintonia. L. Januszkiewicz et al. apresentam em [10] uma antena flexível desenhada para operar na banda ISM dos 2.45GHz. Neste estudo a antena foi colocada na proximidade de um phanton para obter os diagramas de radiação. Apesar dos bons resultados obtidos com têxteis alguns autores dedicaram-se a transformar objectos do dia-a-dia em WA. Em várias publicações [11]-[15] B. Sanz-Izquierdo et al. apresentam um botão que funciona como WA, com características de banda dupla, nas bandas dos 2.4GHz e 5.2GHz. Os resultados obtidos tendo em conta a influência do corpo humano, e com a antena aplicada num casaco, estão apresentados em [15]. Obtêm-se resultados semelhantes para o coeficiente de reflexão de entrada nas simulações e medidas com e sem corpo. O diagrama de radiação obtido é omni-direccional. Em [16] J. M. Floc h et al. apresentam um estudo das propriedades radioeléctricas de três botões standard de jeans, de diferentes dimensões e formas. Neste estudo conclui-se que o diâmetro do botão e o comprimento do cilindro metálico usado para ligar o botão à linha microstrip de alimentação são variáveis importantes na sintonização da antena. Uma outra solução explorada por Sanz-Izquierdo et al. [17] é a de usar uma fivela de um cinto convenvional como antena. Os resultados obtidos demonstram que a antena projectada funciona nas bandas de frequências WLAN dos 2.4GHz e dos 5GHz. As WA são usualmente projectadas para bandas de frequência não licenciadas. As mais atractivas são as bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz, e ainda algumas bandas rádio que servem principalmente serviços depolícia, bombeiros, protecção civil, etc. 12

14 1.2 Objectivos e Contribuições Esta dissertação tem como objectivo principal o projecto e teste de uma WA. As WA têm um papel essencial nas BAN, e devido às inúmeras características que têm de respeitar à partida, são um grande desafio para os investigadores. A antena que aqui se propõe surge na sequência de um trabalho de Sanz-Izquierdo et al. [17], no qual a fivela de um cinto é usada como WA. Um dos objectivos deste trabalho é projectar uma antena com uma banda de funcionamento que abrange as bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz. Por definição a banda ISM dos 2.45GHz é o intervalo de frequências de 2.4GHz a 2.5GHz, e a banda ISM dos 5.8GHz é o intervalo de frequências de 5.725GHz a 5.875GHz. Usa-se o CST Microwave Studio no desenho da estrutura e nas várias simulações da antena. Pretende-se que nas bandas de funcionamento desejadas o módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena seja inferior a -10dB. Este valor indica que a antena garante uma potência efectivamente radiada correspondente a 75% da potência de entrada. No CST Microwave Studio usa-se ainda um modelo representativo do corpo humano para simular qual o comportamento da antena em condições mais próximas das de uso real e também para determinar a taxa de absorção específica. Pretende-se analisar a eficiência, total e de radiação, a directividade e os diagramas de radiação obtidos por simulação para a antena no ar e quais as alterações que surgem quando a antena está na proximidade do corpo humano. Os primeiros resultados obtidos neste trabalho, em simulações e medições em laboratório da antena no ar e na proximidade do corpo humano, foram publicados em artigo na conferência internacional AP-S/URSI International Symposium [18]. 1.3 Estrutura da Dissertação Este trabalho encontra-se dividido em mais quatro capítulos para além do capítulo de Introdução. O Capítulo 2 reúne o conjunto de especificações gerais que uma WA deve garantir, e apresenta algumas aplicações das BAN. Apresenta-se ainda uma compilação de algumas soluções para WA desenhadas e testadas pelos investigadores. No Capítulo 3 apresenta-se o desenho e considerações que levaram à estrutura final da antena em cinto que aqui se propõe. A antena é simulada e testada em laboratório considerando que está no ar, e analisam alguns dos parâmetros que permitem caracterizar a antena, nomeadamente o módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena, o diagrama de radiação, eficiência, directividade e as bandas de funcionamento. No Capítulo 4 faz-se o estudo do comportamento da antena quando funciona na proximidade do corpo humano. São feitas simulações e testes em laboratório e analisam-se alguns dos parâmetros que permitem caracterizar a antena. Neste capítulo aborda-se o tema da absorção de radiação electromagnética pelo corpo e faz-se a análise da taxa de absorção específica, ou Specific Absorption Rate (SAR), obtida por simulação quando a antena está a operar na proximidade do corpo humano. O último capítulo reúne as conclusões e sugestões para trabalhos futuros. 13

15 Capítulo 2 Wearable Antennas Neste Capítulo são abordadas algumas soluções que se encontram na literatura para WA, procurando focar diferentes tipos de antenas com diferentes objectivos. Faz-se ainda uma descrição das principais características das WA e as condicionantes que os investigadores têm de ter em conta no desenho e projecto deste tipo de antenas. Na última secção deste Capítulo são apresentados alguns exemplos de aplicação real das WA. 2.1 Desafios das Wearable Antennas Tal como referido no Capítulo 1 as WA têm obrigatoriamente de cumprir um determinado número de requisitos. As BAN são caracterizadas essencialmente por 1 : Funcionarem na proximidade, no, ou dentro do corpo humano. Têm alcance limitado, de 0.01 a 2m. A potência consumida por cada elemento da rede deve situar-se entre 0.1 e 1mW. Suportam débitos binários de 0.01 a 1000kbps, com a opção de 10Mbps. O modelo de canal deve incluir os efeitos do corpo humano (absorção, efeitos na saúde). As aplicações devem ser seguras, e devem garantir a privacidade individual. A rede tem de suportar vários elementos a funcionarem simultaneamente. Todos os elementos (sensores, antenas, sistema de alimentação) têm de ter dimensão reduzida. O sistema de alimentação tem de ser eficiente. A rede não deve necessitar de manutenção. 1 A maioria destas características está descrita em [3] 14

16 Assim espera-se que uma WA seja uma estrutura pequena, flexível, resistente ao uso e com grande capacidade de autonomia energética. Por vezes são desenhadas para operarem em mais do que uma banda, e uma vez que estão muito próximas do corpo humano é necessário ter este factor em conta para evitar a dessintonia numa banda de funcionamento desejada. Como normalmente são colocadas numa peça de vestuário ou num acessório do dia a dia, estas antenas quando visíveis devem ter um aspecto atractivo para o utilizador. Para além disso, e esta é talvez a característica mais delicada, é necessário garantir que a exposição do utilizador a radiação émínima e que cumpre todas as normas estabelecidas. Posto isto, um estudo completo do funcionamento de uma WA deve incluir uma análise da taxa de absorção específica (SAR). 2.2 Aplicações das BAN O Nike + ipod Sport Kit [2] é uma aplicação comercial que é um exemplo de uma BAN. Basicamente coloca-se um sensor num dos ténis de corrida que comunica com o ipod dando-lhe informação dos passos que se dá e que permite ao ipod determinar alguns parâmetros e estimar outros. No início é possivel escolher qual o tipo de exercício, tempo, distância e por exemplo a quantidade de calorias que se quer queimar. Ao longo do exercício pode consultar no seu ipod qual a distância percorrida, em quanto tempo, qual o seu ritmo e quantas calorias queimou. O tipo de ligação envolvida ilustra-se na Figura 2.1. Esta pode ser caracterizada como uma ligação on-body se considerarmos que é estabelecida entre o pé eobraço, onde está colocado o ipod. Contudo se o atleta estiver a fazer exercício numa passadeira e colocar o ipod em cima de um móvel esta é descrita como uma ligação off-body, entre o pé do atleta e o ipod que está colocado a uma curta distância, mas fora do corpo. Um outro exemplo de ligações off-body consiste usar um só aparelho reprodutor de músicas que comunica sem fios com auscultadores, o que permite que um grupo de pessoas tenham acesso a uma mesma lista de reprodução sem terem de recorrer a diferentes aparelhos. Figura 2.1: Exemplo de ligação estabelecida no Nike + ipod Sport Kit. [Fonte: [2]] No caso das ligações in-body estas estão usualmente ligadas a questões de saúde, uma vez que envolvem implantes médicos. Dois exemplos que implicam um papel activo são o controlo em malha fechada de um pacemaker ou um papel activo na função de regulação dos níveis de insulina de um 15

17 paciente diabético. No caso de exames médicos há um papel mais passivo, uma vez que a única acção é a recolha de dados. Na Figura 2.2 apresenta-se a possibilidade de uma BAN que assiste a uma pessoa com dificuldades visuais. As BAN podem funcionar como guia, através das câmeras que comunicam com o processador e que processa a informação de forma a orientar o utilizador, e colocando sensores nos objectos pessoais do utilizador permitem-lhe localizá-los facilmente. Para que seja estabelecida a comunicação entre todos os objectos e o próprio receptor do processador têm de ter antenas. Por funcionarem na proximidade do corpo humano e estarem incluídas em objectos do dia-a-dia este tipo de antenas pode ser designado genericamente de wearable antennas (WA). (a) (b) Figura 2.2: Exemplos de uma BAN que permite ajudar pessoas com deficiências visuais. (a) [Fonte:[19]] (b) [Fonte: [3]] 2.3 Exemplos de Wearable Antennas Nesta secção apresenta-se algumas soluções que se encontram na literatura, e faz-se uma breve descrição das considerações que levaram à estrutura final, bem como dos resultados finais obtidos. Todas as figuras de estruturas e resultados apresentadas nesta secção são extraídas e adaptadas dos artigos a que correspondem PIFA de banda dupla Uma antena que pode ser colocada no braço, orientada para fora do corpo, foi a solução escolhida por P. Salonen et al. em [5]. O desenho da estrutura da antena e a escolha do local onde se iria colocar a antena foram pensados de forma a garantir segurança anível de saúde do utilizador. A antena proposta é uma Planar Inverted-F Antenna (PIFA) com um slot em forma de U retirado do plano de radiação para lhe garantir características dual band. Uma PIFA pode ser comparada com um monopolo de um quarto de onda dobrado de modo a ficar coplanar com o plano de terra e ao qual se deforma o fio condutor do monopolo para se formar um plano. A Figura 2.3 (a) ilustra a estrutura da antena e a forma como é colocada no ombro. A escolha do local para a colocação da antena é feita de modo a garantir uma menor influência no corpo humano. Neste trabalho defende-se que o plano terra das antenas planares serve de escudo à radiação que poderia ter a direcção dos tecidos humanos. 16

18 A antena funciona nas bandas GSM900 e na banda onde funcionam serviços como Bluetooth. Estes resultados estão apresentados na Figura 2.3 (b). (a) (b) Figura 2.3: (a) Modelo simplificado da antena e a sua colocação junto ao corpo. (b) Resultados obtidos para o módulo do coeficiente de reflexão de entrada. [Fonte: [5]] Antena Planar adaptada ao ombro A solução encontrada por K. Owaga et al. [6] reside numa antena planar também do tipo PIFA, mas desta vez com uma estrutura que se ajusta ao ombro. O facto de as antenas do tipo PIFA terem a possibilidade de transmitir e receber ondas com polarização horizontal ou vertical, é apontado como uma vantagem deste tipo de estrutura. A estrutura desenhada tem por base dois planos de terra colocados simetricamente num módulo composto por um dieléctrico e um elemento condutor no qual são feitas algumas fendas. É também neste módulo que está inserida a alimentação da estrutura. Tal como no caso anterior os planos de terra podem ser vistos como escudo à radiação e garantem que a impedância de entrada se mantenha constante. As fendas no elemento condutor permitem a sintonia na frequência desejada, caso contrário, a frequência de funcionamento seria de tal forma a que o perímetro do elemento condutor correspondia a meio comprimento de onda. Na Figura 2.4 (a) apresenta-se a estrutura da antena e o seu posicionamento no corpo. A antena funciona na banda dos 350MHz, o que suporta, por exemplo, ligações rádio para polícias ou bombeiros. Os resultados obtidos para a relação de onda estacionária, ou Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), encontram-se na Figura 2.4 (b). Verifica-se que face às medições em espaço livre, quando a antena está sobre o ombro há um desvio na frequência de ressonância de cerca de 0.5MHz Antena de banda dupla com estrutura EBG Muitos investigadores encontram a solução para WA nos têxteis. Assim em [20] apresenta-se uma antena que usa materiais Electromagnetic Band Gap (EBG). A estrutura, que se apresenta na Figura 2.5 (a) é composta por várias camada de materiais diferentes. O material EBG tem o comportamento de uma superfície de elevada impedância, o que permite reduzir a potência reflectida e assim isolar a antena do corpo. 17

19 (a) (b) Figura 2.4: (a) Estrutura da antena e ilustração da sua colocação junto ao corpo.(b) Resultados obtidos para VSWR. [Fonte: [6]] Esta é uma antena de banda dupla como é visível pelos resultados obtidos para o módulo do coeficente de reflexão de entrada, ver Figura 2.5 (b). Tanto na banda dos 2.45GHz como na banda dos 5GHz verifica-se um ligeiro desvio da frequência central entre os resultados obtidos por simulação e as medições ao protótipo. A largura de banda percentual considerando o módulo do coeficiente de entrada igual -10dB éde4% e 12.5% para as frequência baixa e alta, respectivamente, nas medições efectuadas ao protótipo. (a) (b) Figura 2.5: (a) Modelo da antena. (b) Resultados obtidos para o módulo do coeficiente de reflexão de entrada. [Fonte: [20]] Antena-Botão Em [15] B. Sanz-Izquierdo e J.C. Batchelor apresentam um botão que funciona como WA. Este trabalho surge no decorrer de vários trabalhos dos mesmos autores [11]-[14] que contêm soluções de antenas em botões. No caso que aqui se apresenta o botão é iserido num casaco de ganga convencional e testado tendo em conta a presença do ser humano, como se pode ver na Figura 2.6 (a). As dimensões deste botão assemelham-se às dimensões standard de um botão de um casaco 18

20 de ganga convencional. A antena é constituída por três componentes principais: uma estrutura em forma de botão, um material dieléctrico (teflon) e um disco metálico colocado na parte inferior do botão. Na Figura 2.6 (b) apresenta-se a estrutura da antena. A estrutura é alimentada por uma linha microstrip sobre velcro, que é um substrato flexível mas resistente àprópria compressão. A antena foi testada isolada e na proximidade do ser humano e apresenta características de banda dupla nas bandas dos 2.4GHz e 5.2GHz, que permitem o seu funcionamento nas bandas de WLAN, Bluetooth e HiperLAN/2. A altura do botão, hb, influencia a sintonia nas duas bandas, e o diâmetro do botão é um dos principais factores que influencia a dessintonização na banda inferior (2.4GHz). A largura de banda percentual é 9% e 41.3% para as medidas no ar a 2.4GHz e a 5.2GHz, respectivamente. Para o caso em que a antena está a cerca de 1cm do corpo humano, obtém-se para os 2.4GHz uma largura de banda percentual de 8.8%,ede42.8% para os 5.2GHz. Na Figura 2.7 apresentam-se os resultados obtidos para o módulo do coeficiente de reflexão de entrada. Registase uma diagrama de radiação omni-direccional no plano XY. (a) (b) Figura 2.6: (a) Protótipo implementado num casado de ganga. (b) Modelo da antena. [Fonte: [15]] Figura 2.7: Resultados obtidos para o módulo do coeficiente de reflexão da antena por simulacão e medida com e sem o corpo na proximidade da antena. [Fonte: [15]] 19

21 2.3.5 Antena em cinto Para além da solução antena-botão B. Sanz-Izquierdo e J.C. Batchelor apresentam uma antena em cinto, ver [17]. A antena consiste na fivela de um cinto ligada a um pedaço de ganda através de uma espécie de pinça metálica. Esta pinça está ligada a uma linha microstrip que garante a alimentação da antena. O substrato do cinto, que é também o dieléctrico de suporte à linha microstrip é uma amostra já caracterizada de ganga cuja constante eléctrica relativa, ε r, é 1.4. De um dos lados da ganga está a linha microstrip e no lado oposto o plano terra. Apresenta-se a estrutura da antena na Figura 2.8 (a). A antena obtida é de banda e opera nas bandas centrais em 2.45GHz e 5.25GHz, o que permite suportar standards IEEE e nomeadamente serviços como WLAN e Bluetooth. Paraa frequência mais baixa a largura de banda percentual medida para a antena no ar a considerando o módulo do coeficiente de entrada igual a -10dB éde22.8% e para esta frequência o ganho esperado é de 2.8dBi. Para a frequência mais alta e para as mesmas condições de testes obtém-se uma largura de banda percentual de 9.4% e um ganho esperado de 4.5dBi. Os resultados obtidos para o módulo do coeficiente de reflexão de entrada estão apresentados na Figura 2.8 (b). Esta antena é a base do trabalho que se apresenta neste relatório. (a) (b) Figura 2.8: (a) Modelo da antena. (b) Módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena. [Fonte: [17]] 20

22 Capítulo 3 Projecto de uma Antena em Cinto Neste Capítulo apresenta-se a estrutura da antena desenvolvida, assim como os passos e considerações que influenciaram a escolha de materiais e respectivas dimensões. A estrutura inicial tem por base o trabalho desenvolvido por Sanz-Izquierdo et al. em [17]. Usa-se a ferramenta CST Microwave Studio para o projecto e simulação da antena. 3.1 Requisitos e Desempenho O objectivo da antena que se pretente desenvolver é que a mesma funcione nas bandas ISM de 2.45GHz e 5.8GHz. Estas bandas não são licenciadas e é nelas que estão disponíveis serviços como Bluetooth e WLAN. Tratando-se de uma WA a estrutura tem obviamente de respeitar certos requisitos, que estão descritos em mais detalhe na secção 2.1 do Capítulo 2. No que toca especificamente à antena no cinto há propriedades fisícas dos componentes que o formam que têm de ser garantidas. O cinto tem de manter flexibilidade e dimensões que permitam o seu uso comum. O facto de se tratar de um cinto tem a vantagem de não oferecer constrangimentos de mobilidade ao seu utilizador. Esta solução tem à partida a vantagem de ser portável, isto é, não está restrita a por exemplo uma peça de vestuário como é o caso das antenas em têxteis. É também uma estrutura resistente, pelo que o seu uso não requer cuidados adicionais. Neste trabalho avalia-se o comportamento da antena no cinto em espaço livre e na presença do ser humano. A antena é caracterizada em termos de módulo do coeficiente de reflexão, largura de banda percentual, directividade e eficiência de radiação e total esperados, e nos respectivos diagramas de radiação. É ainda feito o estudo da taxa de absorção específica (SAR) quando a antena está a funcionar na proximidade do corpo humano. 3.2 Projecto da Antena O cinto projectado é composto por cabedal e uma fivela de metal. O cabedal serve de dieléctrico de suporte à linha microstrip que alimenta a antena. As propriedades dieléctricas do cabedal foram avaliadas em laboratório recorrendo a métodos convencionais, [21]. Tendo em conta os resultados obtidos em laboratório (ver Anexo I), considera-se neste trabalho que a constante dieléctrica relativa, ε r, do cabedal que se usa na estrutura é 2.95, e a tangente do ângulo de perdas é zero. Assume- 21

23 se que o cabedal apresenta as mesmas características dieléctricas qualquer que seja a frequência. A estrutura é alimentada por uma linha microstrip dimensionada para 50Ω. Usa-se a ferramenta Calculate analytical Line Impedance do CST Microwave Studio para determinar a largura da linha. Na Figura 3.1 são apresentadas várias vistas do modelo usado na simulação, nas quais se incluem algumas das dimensões mais importantes do modelo. Na Figura 3.2 está representado o protótipo da antena projectada. (a) (b) Figura 3.1: Modelo de simulação da antena (unidades em mm). (a) Vista de frente; (b) Vista de trás. (a) (b) Figura 3.2: Protótipo da antena. (a) Vista de frente; (b) Vista de trás. Por simulação verifica-se que dimensões da fivela são um factor determinante das bandas de funcionamento da antena. A distância entre o plano terra eafiveladocinto também condiciona o funcionamento da antena, e usando uma distância que corresponde a 40% da dimensão da fivela no mesmo eixo obtêm-se os resultados optimizados. Os valores optimizados para as dimensões da fivela e para a distância entre o plano de terra e a fivela obtêm-se recorrendo à ferramenta Optimize do CST Microwave Studio. Considera-se como critério de optimização ter o módulo do coeficiente de reflexão inferior a -10dB nas bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz. 22

24 3.3 Comportamento da Antena quando sujeita a alterações em alguns parâmetros A medida das propriedades dieléctricas do cabedal foi efectuada para uma frequência única e neste projecto considera-se que essas propriedades mantêm-se constantes em toda a banda de frequências de teste. Nesta secção pretende-se avaliar quais os efeitos no funcionamento da antena quando se tem uma amostra de cabedal com espessura e propriedades dieléctricas diferentes da considerada no projecto da antena. Nesta secção para além de se efectuar um conjunto de simulações que permitem testar este efeito, testa-se ainda quais as alterações que ocorrem no desempenho da antena se as dimensões da linha microstrip de alimentação do protótipo forem diferentes das projectadas, ou seja, se após a construção do protótipo existir uma desadaptação na alimentação da estrutura. O projecto inicial é feito com o cinto desapertado, mas numa situação real de uso existe um pedaço de cabedal a cobrir grande parte da estrutura, pelo que nesta secção também se estuda a influência de o cinto estar apertado Efeito da Variação da Constante Dieléctrica Relativa da Amostra de Cabedal As propriedades eléctricas obtidas para o cabedal em laboratório são válidas para a frequência de 9GHz, embora se considerem constantes para toda a gama de frequência. Nesta secção apresentamse os resultados obtidos em simulações quando se usa uma amostra de cabedal com propriedades dieléctricas diferentes da amostra original do projecto. Todo o projecto é executado considerando que o cabedal é um material sem perdas com constante dieléctrica relativa igual a O que se pretende com estes testes é verificar qual o comportamento da antena quando o material que a constitui tem características diferentes das esperadas. Na Figura 3.3 (a) apresenta-se o resultado que se obtém para o cabedal usado no projecto e que serve de termo comparativo às outras simulações. Na Figura 3.3 apresentam-se os resultados obtidos para o módulo do coeficiente de reflexão de entrada considerando em cada simulação amostras de cabedal diferentes. Verifica-se que para as frequências mais baixas o comportamento da antena não varia significativamente, contudo para as frequências mais elevadas há desvios na frequência do mínimo para frequências mais baixas quando se aumenta a constante dieléctrica para 3.3, Figura 3.3 (b), e o comportamento inverso quando se diminui a constante dieléctrica para 2.7, Figura 3.3 (c). 23

25 Figura 3.3: Módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena, para simulações nas quais se usam cabedais com propriedades dieléctricas diferentes, nomeadamente com a constante dieléctrica relativa, ε r, diferente da do cabedal original. (a) ε r =2.95 (cabedal original); (b) ε r =3.3, (c) ε r = Introdução de Perdas na Amostra de Cabedal Nesta secção verifica-se qual o comportamento da antena quando se considera um cabedal com perdas diferentes de zero. Mais uma vez usa-se o resultado que se obtém com o cabedal usado no projecto como termo comparativo, Figura 3.4 (a). Os resultados que se obtêm para amostras de cabedal com perdas apresentam-se na Figura 3.4 (b) e (c). Tal como no caso anterior para as frequências mais baixas não se verificam alterações significativas no comportamento da antena. Contudo em ambos os casos surge um mínimo entre os 4GHz e os 4.5GHz, e há um desvio do mínino na frequência superior. 24

26 Figura 3.4: Módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena, obtido por simulação para estruturas onde se usa cabedal com perdas. Para todos os casos ε r =2.95: (a) tan δ =0(cabedal original); (b) tan δ =0.16, para 2.45GHz, (c) tan δ =0.16 para 5.8GHz Alteração da Largura da Linha Microstrip de Alimentação Nesta secção verifica-se qual o efeito que uma desadaptação na linha microstrip de alimentação produz no comportamento da antena. Os resultados apresentam-se na Figura 3.5. Considerando uma redução e um aumento de 20% na largura da linha microstrip, Lm, verifica-se que na banda mais baixa a sintonização da antena não fica comprometida. Nas frequências mais elevadas verifica-se um desvio do mínimo para frequências mais elevadas quando Lm aumenta e para frequências mais baixas quando Lm diminui. 25

27 Figura 3.5: Módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena obtido por simulação para estruturas com diferentes larguras, Lm, da linha microstrip de alimentação. (a) Lm =8.53mm (estrutura original); (b) Lm =6.82mm; (c) Lm =10.23mm Comportamento da Antena com o Cinto Apertado Tendo em conta que o projecto desta antena é feito considerando que o cinto está desapertado, nesta altura é necessário simular quais as influências que se produzem no comportamento da antena quando se aperta o cinto. Para tal usa-se uma tira de cabedal de 1.6mm de espessura para simular o cinto apertado. Os resultados são apresentados na Figura 3.6. Tal como nos casos anteriores para as frequências mais baixas não se registam grandes diferenças significativas, mas na frequência mais alta há um desvio do mínimo que compromete a sintonia da antena na banda ISM dos 5.8GHz. 3.4 Resultados Nesta secção apresentam-se os resultados obtidos nas medições efectuadas em laboratório confrontados com os esperados por simulação. Foram construídos dois protótipos que variam entre si nas dimensões da fivela e na espessura do fio usado. O protótipo 1 tem uma fivela de ( )mm com o fio com uma espessura de 3mm, e o protótipo 2 tem uma fivela de ( )mm e o fio tem 3.2mm de espessura. As dimensões da fivela correspondem a (fx fy)mm, ver Figura 3.1. O modelo da Figura 3.1 é simulado no CST Microwave Studio sem e com o cinto apertado e nas secções seguintes apresentam-se os resultados obtidos para o módulo do coeficiente de reflexão de entrada, os diagramas de radiação, a directividade e a eficiência total da antena. É importante realçar que todos os resultados de simulações apresentados neste capítulo são referentes à antena isolada. Os protótipos são testados em laboratório simulando o cinto desapertado e apertado, no ar. O 26

28 Figura 3.6: Módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena considerando o cinto: (a) desapertado; (b) apertado. cinto apertado é o caso mais relevante uma vez que, em condições normais, esta WA será utilizada com o cinto apertado e não desapertado. Usa-se um analisador vectorial HP 8720 para medir o módulo do coeficiente de reflexão de entrada dos protótipos da antena. Na Figura 3.7 apresenta-se a montagem efectuada em laboratório para medir o módulo do coeficiente de reflexão de entrada do protótipo, sem e com o cinto apertado. (a) (b) Figura 3.7: Montagem para as medidas ao protótipo da antena. (a) Cinto desapertado; (b) cinto apertado Módulo do Coeficiente de Reflexão de Entrada da Antena Na Figura 3.8 apresentam-se os resultados obtidos por simulação do modelo da Figura 3.1, e 27

29 os resultados medidos em laboratório dos protótipos 1 e 2. Tanto na simulação, como nas medidas em laboratório, verifica-se qual o desempenho da antena no ar, considerando o cinto desapertado e apertado. Omódulo do coeficiente de reflexão de entrada de uma antena é um dos parâmetros que permite definir quais as bandas de sintonia de uma antena. Na secção apresentam-se as bandas de funcionamento da antena obtidas nos diferentes casos. Figura 3.8: Módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena no ar. Simulações: (a) Cinto apertado, (b) cinto desapertado. Medidas ao protótipo 1: (c) Cinto apertado, (d) cinto desapertado. Medidas ao protótipo 2: (e) Cinto apertado, (f) cinto desapertado Bandas de Funcionamento Um dos critérios de avaliação das bandas de funcionamento de uma antena baseia-se na relação entre a potência de entrada, P in, e reflectida, P r, pela antena. A potência que a antena efectivamente radia, considerando que não há perdas, é a diferença entre a potência de entrada e a potência reflectida. As perdas por retorno, ou Return Loss (RL) são um parâmetro que expressa a relação entre a potência de entrada e a potência reflectida pela antena (ver equação 3.1). Considera-se que a antena está sintonizada numa determinada frequência quando a potência reflectida corresponde a 10% da potência incidente na antena o que leva a um RL de 10dB. Por outro lado considera-se satisfatório ter uma antena que reflecte 25%, ou menos, da potência incidente na antena, o que corresponde a um RL de 6dB e a uma potência efectivamente radiada pela antena de 75% da potência de entrada, considerando que não há perdas. Expressando este critério em termos de módulo do coeficiente de reflexão de entrada, S 11, considera-se que uma antena está sintonizada quando S 11 é menor que -10dB, o que equivale a ter P r menor que 10% de P in, supondo que não há perdas. Pode ainda considerar-se que a antena está sintonizada para S 11 menor que -6dB, o que corresponde a ter uma antena que reflecte 25%, ou menos, da potência incidente. Neste trabalho usam-se estes dois critérios que permitem definir as bandas de funcionamento da antena. Assim, e por uma questão de simplicidade, considera-se neste documento que o 1º Critério de Sintonia corresponde a ter S 11 é 28

30 menor que -6dB e o 2º Critério de Sintonia corresponde a ter S 11 é menor que -10dB. Claramente o 2º Critério de Sintonia é mais restritivo uma vez que exige uma potência reflectida menor. Nas Tabelas 3.1 e 3.2 expressam-se os resultados das bandas de funcionamento considerando estes dois critérios relativos ao S 11, para os dois protótipos. A largura de banda, LB, pode ainda ser expressa em termos percentuais. Na equação 3.2 expressa-se esta relação, na qual f min e f max correspondem ao limite inferior e superior da banda de frequências de funcionamento, respectivamente. Esta definição consta de [22]. Há ainda que referir que esta definição é adequada para valores de largura de banda percentual pouco elevados, pelo que não é apropriada para antenas de banda muito larga. RL [db] = 10log 10 P r P in (3.1) LB [%] = 200 f max f min f min + f max (3.2) Tabela 3.1: Bandas de funcionamento da antena considerando o critério de sintonia baseado nos resultados obtidos para S 11, com a antena (protótipo 1) no ar. ( ) Valor máximo da frequência correspondente às medidas efectuadas em laboratório. Critério de S 11 < 6dB S 11 < 10dB Sintonia Cinto Desapertado Cinto Apertado f min /GHz f max /GHz LB /% ( ) f min /GHz f max /GHz LB /% ( ) - f min /GHz f max /GHz LB /% f min /GHz f max /GHz LB /% Tabela 3.2: Bandas de funcionamento da antena considerando o critério de sintonia baseado nos resultados obtidos para S 11, com a antena (protótipo 2) no ar. ( ) Valor máximo da frequência correspondente às medidas efectuadas em laboratório. Critério de S 11 < 6dB S 11 < 10dB Sintonia Cinto Desapertado Cinto Apertado f min /GHz f max /GHz LB /% ( ) - f min /GHz f max /GHz LB /% ( ) - f min /GHz f max /GHz LB /% ( ) f min /GHz f max /GHz LB /% No cenário de teste em que a antena está isolada, com o cinto apertado e considerando o Critério de Sintonia S 11 < 6dB obtêm-se bandas de funcionamento que vão desde os 0.821GHz até 6GHz para o protótipo 1 e dos 0.962GHz até aos 6GHz para o protótipo 2. Nestas bandas de funcionamento estão cobertas as bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz e ainda as bandas GSM

31 e UMTS. O protótipo 1 abrange ainda a banda de funcionamento do GSM 900. No caso em que se considera o Critério de Sintonia S 11 < 10dB a antena, quer no protótipo 1 quer no 2, deixa de ser de banda larga e apresenta interrupções na banda de funcionamento que não existiam considerando o critério anterior. Contudo são ainda cobertas as bandas ISM dos 2.45GHz, GSM 1800 e UMTS, para os dois protótipos e ISM 5.8GHz para o protótipo 2. Para o mesmo cenário a largura de banda percentual varia entre os 44.59% e os 66.74%, sendo que estes valores correspondem às bandas que abrangem os serviços referidos anteriormente. No caso em que o cinto está desapertado nenhum dos protótipos apresenta características de banda larga para qualquer um dos critérios de sintonização. Parao1º Critério de Sintonia os dois protótipos abrangem as mesmas bandas de funcionamento que no caso em que o cinto está apertado, e o mesmo se passa quando se considera o2ºcritério de Sintonia. Resumidamente, e de um modo geral, os dois protótipos abrangem as bandas de funcionamento dos seguintes serviços GSM 1800, UMTS e ainda as bandas ISM 2.45GHz e 5.8GHz, sendo que esta última não é totalmente coberta no protótipo 1 para o 2º Critério de Sintonia. 30

32 3.4.3 Diagramas de Radiação Os resultados apresentados nesta secção são obtidos por simulação para o modelo da Figura 3.1 no ar, considerando o cinto apertado e desapertado. Os diagramas de radiação, eficiência e directividade são obtidos para as frequências de 2.45GHz e 5.8GHz, que são as frequências centrais das bandas ISM. Nas Figuras 3.9, 3.10 e 3.11 apresentam-se os diagramas de radiação nos planos XY, YZ e XZ, respectivamente. Em todas as figuras compara-se o resultado obtido com o cinto apertado e desapertado. No Anexo II estão representados os diagramas de radiação a três dimensões correspondentes às simulações com o cinto desapertado e apertado. No plano vertical XY, Figura 3.9, a 2.45GHz a antena apresenta um diagrama de radiação simétrico relativamente ao eixo dos YY, apresentado dois mínimos nesta direcção sendo que o mais pronunciado se situa na zona da alimentação da antena. A 5.8GHz o diagrama de radiação apresenta uma maior irregularidade, contudo mantém a simetria relativamente ao eixo dos YY. (a) 2.45GHz (b) 5.8GHz (c) Figura 3.9: Diagramas de Radiação da antena no ar para o Plano XY. (c) Modelo do cinto. No plano vertical XZ, Figura 3.10, e tal como no caso anterior para 2.45GHz e 5.8GHz o diagrama de radiação apresenta simetria, sendo que neste caso é face ao eixo dos XX. Para o plano XZ o diagrama de radiação é praticamente omnidireccional. A simetria do diagrama de radiação nos planos XY e XZ está relacionada com a simetria geométrica que a estrutura apresenta relativamento ao eixo dos ZZ e dos XX, respectivamente. 31

33 (a) 2.45GHz (b) 5.8GHz (c) Figura 3.10: Diagramas de Radiação da antena no ar para o Plano XZ. (c) Modelo do cinto. Para o plano horizontal YZ a estrutura da antena não apresenta simetria, e tal como esperado para ambas as frequências o diagrama de radiação obtido não é simétrico. A 2.45GHz obtém-se um diagrama de radição próximo ao de um flat monopolo com dois mínimos na direccção do eixo dos YY. Neste caso considerar o cinto apertado ou desapertado não causa alterações significativas no diagrama de radiação. Contudo a 5.8GHz há uma redução do lobo de radiação considerando a estrutura com o cinto apertado, na direcção onde o cinto aperta. Nesta direcção é colocado um pedaço de cabedal com uma constante dieléctrica relativa de 2.95 o que leva que parte das ondas radiadas pelo cinto sejam absorvidas por este pedaço de cabedal. (a) 2.45GHz (b) 5.8GHz (c) Figura 3.11: Diagramas de Radiação da antena no ar para o Plano YZ. (c) Modelo do cinto. 32

34 3.5 Conclusões Neste capítulo apresenta-se o projecto de uma WA em cinto composto por cabedal e uma fivela metálica. Esta antena foi optimizada para funcionar nas bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz considerando o critério de sintonia do módulo do coeficiente de reflexão menor do que -10dB. As dimensões da fivela foram os parâmetros sujeitos a optimização considerando o critério anterior e recorrendo à ferramenta Optimize do CST Microwave Studio. Efectuaram-se algumas simulações para testar o comportamento da antena face a alterações ligeiras na sua estrutura ou da composição dos materiais que a constituem, nomeadamente o cabedal. Conclui-se que para as baixas frequências uma variação positiva, ou negativa de aproximadamente 10% na constante dieléctrica do cabedal não produz alterações significativas no funcionamento da antena. Contudo para as frequências de teste mais elevadas há um desvio do mínimo do módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena que compromete o seu funcionsmento na banda ISM dos 5.8GHz. Em todo o projecto da antena considerou-se que o cabedal usado era um material sem perdas, e para verificar qual o efeito de um cabedal com perdas no funcionamento da antena efectuaramse algumas simulações. Considerou-se separadamente uma tan δ = 0.16 para as frequências dos 2.45GHz e dos 5.8GHz. Nas bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz o módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena mantém-se abaixo dos -6dB e surge um novo mínimo entre os 4GHz e os 4.5GHz. A estrutura é alimentada por uma linha microstrip adaptada para 50Ω. Verificou-se por simulação que uma redução ou aumento de 20% na largura da linha não produz influências significativas nas bandas de funcionamento pretendidas. Uma vez que a antena projectada consiste numa fivela de um cinto, elaborou-se uma nova estrutura acrescentando um pedaço de cabedal para simular o cinto apertado. O comportamento da antena para as frequências mais baixas da gama de teste éidêntico ao da estrutura desapertada, contudo para as frequências mais elevadas o funcionamento na banda ISM dos 5.8GHz não é garantido. Contruíram-se dois protótipos que diferem unicamente na dimensão da fivela, com dimensões aproximadas às obtidas no processo de optimização da antena. O protótipo 1 apresenta uma fivela aproximadamente quadrada e o protótipo 2 apresenta dimensões mais próximas do projectado. Para as frequências mais baixas da banda de teste verifica-se que o módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena apresenta características semelhantes. Entre os 2.5GHz e os 6GHz os resultados obtidos por simulação e por medição dos dois protótipos apresentam diferenças notórias. Verifica-se que os resultados obtidos em laboratório para os dois protótipos não apresentam alterações significativas com o cinto desapertado e apertado. Face aos resultados obtidos conclui-se que a antena aqui proposta é de banda larga considerando ocritério de Sintonia S 11 < 6dB, sendo que para S 11 < 10dB apresenta algumas interrupções na banda. O protótipo 1 abrange as bandas de funcionamento do GSM 900 e 1800, UMTS e ISM 2.45GHz. As bandas de funcionamento do protótipo 2 abrangem os serviços GSM 1800, UMTS e ISM 2.45GHz e 5.8GHz. No que toca ao diagrama de radiação, tal como esperado nos planos verticais XY e XZ obtém-se um diagrama simétrico uma vez que nestes planos há simetria na estrutura. Quanto ao plano YZ, não há simetria na estrutura e os diagramas obtidos não são simétricos. Os resultados obtidos para o diagrama de radiação da antena considerando o cinto apertado e desapertado são semelhantes, 33

35 obtendo-se uma maior diferença entre os resultados a 5.8GHz no plano YZ. 34

36 Capítulo 4 Estudo da Antena na Presença do Ser Humano Neste Capítulo estuda-se a influência da presença do ser humano na antena, e as consequências em termos de radiação absorvida pelo corpo humano quando a antena está a funcionar na proximidade. Inicialmente fez-se um estudo computacional no qual se simula a antena a funcionar junto a um modelo representativo do corpo humano. Os protótipos construídos são testados na proximidade do corpo humano, com utilizadores diferentes e em diferentes posições. No final deste Capítulo é feita uma análise da taxa de absorção específica obtida por simulação, para os diferentes modelos. Em todas as simulações é usada a ferramenta CST Microwave Studio. 4.1 Simulação da Antena na Presença do Ser Humano Uma descrição do modelo usado no CST Microwave Studio assim como os resultados obtidos em simulações com a antena a funcionar na proximidade deste modelo, são apresentados nas secções seguintes. Apresentam-se ainda os resultados obtidos para o do módulo do coeficiente de reflexão de entrada, da largura de banda percentual, da eficiência de radiação e total, e ainda da directividade Características do Modelo O corpo humano é uma estrutura complexa constituída por diferentes tecidos e órgãos com propriedades dieléctricas que variam consoante o tecido, e consoante a frequência. Em [23] está disponível uma ferramenta que permite determinar as propriedades dieléctricas dos tecidos que constituem o corpo humano para frequências entre os 10Hz e os 100GHz. Na Tabela 4.1 apresenta-se as propriedades dieléctricas de alguns tecidos para as frequências centrais das bandas ISM dos 2.45GHz e 5.8GHz. 35

37 Nas simulações considera-se que o corpo humano é uma massa homogénea com densidade de 1000kg/m 3, com constante dieléctrica relativa, ε r, de 45.6 e a tangente do ângulo de perdas, tan δ de Este valores obtêm-se recorrendo à Tabela 4.1, e considerando que o modelo é composto por 85% de músculo e 15% de gordura. Os valores usados no cálculo correspondem à frequência de 2.45GHz. Assume-se para efeitos de simulação que as propriedades dieléctricas do modelo são constantes em toda a gama de frequências de simulação. Tabela 4.1: Propriedades dieléctricas de alguns tecidos do corpo humano determinados recorrendo a [23]. f/ghz Tecido Condutividade /S.m 1 ε r tan δ 2.45 Gordura Músculo Pele Seca Gordura Músculo Pele Seca Com base em [25] optou-se por uma redução do modelo do corpo, Figura 4.1 (a), para determinar o módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena, enquanto que na determinação do diagrama de radiação do sistema se usa o modelo completo. A introdução de um modelo completo, Figura 4.1 (b), do corpo humano no CST Microwave Studio implica um aumento significativo do número de células e consequentemente um aumento do tempo de simulação. Assim, no modelo completo, usa-se uma malha em escada, exclusivamente para o modelo do corpo. O modelo completo usado na simulação tem aproximadamente 1.77m de altura e tem uma massa de cerca de 65kg, enquanto o modelo simplificado tem uma massa de cerca de 10kg. Estes modelos são obtidos recorrendo às ferramentas de modelação de objectos em três dimensões, Poser e 3D Studio. (a) Figura 4.1: Modelos usados em simulação. (a) Simplificado; (b) Completo. (b) 36

38 4.1.2 Resultados Nesta secção apresentam-se os resultados obtidos por simulação para os diferentes parâmetros da antena considerando a antena na presença dos dois modelos do corpo descritos anteriormente, o que permite ver qual o seu desempenho em condições mais próximas do seu uso real. Módulo do Coeficiente de Reflexão de Entrada Tal como foi referido anteriormente o módulo do coeficiente de reflexão de entrada, S 11, é um parâmetro que permite verificar quais as bandas de sintonia de uma antena. Na Figura 4.2 apresentam-se os resultados obtidos por simulação com a antena no ar e na proximidade do corpo. Na simulação da antena na proximidade do corpo humano recorreu-se ao modelo simplificado, uma vez que para a gama de frequências usada, dos 0.5GHz aos 6GHz, e para o modelo completo onúmero de células é de tal forma elevado, que torna a simulação impraticável. Na gama de frequências mais altas que se apresentam no gráfico verifica-se que o comportamento da antena, relativo ao parâmetro S 11,não tem praticamente alterações. Contudo para as frequências mais baixas regista-se um mínimo mais pronunciado cerca dos 900MHz e um comportamento mais oscilatório em torno dos 2GHz. Figura 4.2: Resultados obtidos por simulação para o módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena. (a) No ar; (b) Na proximidade do modelo simplificado. Diagrama de Radiação, Eficiência e Directividade Os resultados apresentados nesta secção são obtidos exclusivamente por simulação dos modelos apresentados na Figura 4.1. Para verificar quais as alterações nos diagramas de radiação, 37

39 eficiência e directividade da antena, os resultados obtidos para os dois modelos de simulação com o corpo são comparados com os resultados obtidos, também por simulação, para a antena no ar, com o cinto apertado. Estes resultados são obtidos para as frequências centrais das bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz. No Anexo III estão representados os diagramas de radiação atrês dimensões correspondentes às simulações com os modelos simplificado e completo. No plano vertical XY, Figura 4.3, a antena está paralela ao corpo. Assim não há intersecção entre os lobos de radiação e o corpo e tal como expectável o diagrama de radiação nos cenários com o corpo altera-se. Para a frequência de 2.45GHz verifica-se uma diminuição do lobo de radiação na direcção do eixo dos YY. (a) 2.45GHz (b) 5.8GHz (c) Figura 4.3: Diagramas de Radiação da antena no ar para o Plano XY. (c) Modelo do cinto. Para o plano vertical XZ, Figura 4.4, as diferenças entre as simulações com a antena isolada e na proximidade do corpo são mais notórias. Era esperado que o corpo absorvesse parte da radição na sua direcção devido à sua elevada constante dieléctrica e é precisamente o que se verifica para as duas frequências de teste. 38

40 (a) 2.45GHz (b) 5.8GHz (c) Figura 4.4: Diagramas de Radiação da antena no ar para o Plano XZ. (c) Modelo do cinto. No plano horizontal YZ, Figura 4.5, verifica-se para ambas as frequências uma nítida absorção de radiação pelo corpo uma vez que o lobo de radiação na direcção do corpo diminui cerca de 10dB face ao cenário da antena isolada. Verifica-se ainda que há um aumento do lobo de radiação na direcção contrária à do corpo, ou seja, o corpo funciona como elemento absorvente e reflector uma vez que reforça em cerca de 10dB o lobo de radiação na direcção oposta. (a) 2.45GHz (b) 5.8GHz (c) Figura 4.5: Diagramas de Radiação da antena no ar para o Plano YZ. (c) Modelo do cinto. 39

41 Na Tabela 4.2 apresentam-se os resultados obtidos para a eficiência de radiação, ɛ rad, e total, ɛ tot, e para a directividade da antena no ar e na presença do corpo(modelos simplificado e completo). A eficiência de radiação resulta da relação entre a potência entregue à antena, P in, e a potência radiada, uma vez que parte da potência de entrada pode ser gasta em perdas nos condutores e dielétricos que constituem a antena. Para o cenário em que se tem o cinto apertado no ar a eficiência de radiação toma o valor 1 uma vez que não existem materiais com perdas na simulação, ou seja, a potência radiada corresponde à potência de entrada. Nas restantes simulações obtêm-se valores semelhantes, para a mesma frequência de teste, para os modelos completo e simplificado, sendo que para 2.45GHz os valores estão na casa dos 60% e para 5.8GHz na casa dos 80%. A eficiência total reflecte as perdas por desadaptação e consiste numa relação entre a eficiência de radiação e o coeficiente de reflexão da antena. A 2.45GHz na simulação com a antena no ar obtém-se uma eficiência total elevada, cerca de 95%, passando a aproximadamente 61% e65% nas simulações com o modelo simplificado e completo, respectivamente. A 5.8GHz o valor obtido para a eficiência total decresce consideravelmente passando para 64% na simulação da antena no ar, sendo 51% e57% para as simulações com o corpo, para o modelo simplificado e completo, respectivamente. Uma vez que a eficiência total está relacionada com o coeficiente de reflexão, e a eficiência de radiação não diminui significativamente nestes casos, pode concluir-se que a antena apresenta uma fraca adaptação a 5.8GHz na proximidade do corpo. A antena projectada quando simulada no ar apresenta um diagrama de radiação com máximos semelhantes em quase todas as direcções, enquanto que na proximidade do corpo há um lobo principal de radiação direccionado opostamente ao corpo. Os resultados da Tabela 4.2 estão concordantes com os diagramas de radiação. Para a antena no ar obtém uma directividade de cerca de 3.6dBi às duas frequências de teste, enquanto que nas simulações com o corpo se obtém uma directividade de cerca de 7dBi para o modelo simplificado e aproximadamente 8.5dBi para o modelo completo. Tabela 4.2: Resultados obtidos por simulação para a eficiência, ɛ, e directividade, D, da antena no ar. Cinto apertado no ar f/ghz ɛ rad 1 1 ɛ tot D/dBi Com corpo: modelo simplificado f/ghz ɛ rad ɛ tot D/dBi Com corpo: modelo completo f/ghz ɛ rad ɛ tot D/dBi Testes Laboratoriais Em laboratório recorreu-se a um analisador vectorial HP 8720 para medir o módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena considerando cenários de utilização aproximados a uma situação real de uso. Nas secções seguintes descrevem-se os procedimentos e apresentam-se os resultados obtidos. 40

42 4.2.1 Condições de Medidas De forma a recriar condições de utilização realistas a antena foi simulado num utilizador, sobre umas calças convencionais, nas posições em pé e sentado. Como as calças utilizadas pelos voluntários tinham botões metálicos foram realizados testes em que se força ou não o contacto entre o botão metálico e fivela do cinto. Consideram-se portanto três cenários de medida do módulo do coeficiente de reflexão de entrada quando a antena está a funcionar na proximidade do corpo humano: Cenário 1: Utilizador em pé, sem forçar o contacto entre a fivela metálica eobotão metálico das calças. Cenário 2: Utilizador em pé, a forçar o contacto entre a fivela metálica eobotão metálico das calças. Cenário 3: Utilizador sentado, sem forçar o contacto entre a fivela metálica e o botão metálico das calças. Tal como referido no Capítulo 3 foram construídos dois protótipos. O protótipo 1 tem uma fivela de ( )mm com o fio com uma espessura de 3mm, e o protótipo 2 tem uma fivela de ( )mm eofiotem3.2mm de espessura. As dimensões da fivela correspondem a (fx fy)mm, ver Figura 3.1. O protótipo 1 foi testado com o utilizador 1 nos cenários 1 e 2, enquanto o protótipo 2 foi testado com os utilizadores 1 e 2 nos três cenários. Na Figura 4.6 representa-se o utilizador 1 a usar o protótipo 1 para o cenário 1. Na Figura 4.7 apresenta-se os diferente cenários de medida para os utilizadores 1e2. Figura 4.6: Utilizador 1 a usar a antena no cinto (protótipo 1) para as medições em laboratório no Cenário 1. 41

43 (a) Cenário 1: Utilizador 1 (b) Cenário 1: Utilizador 2 (c) Cenário 2: Utilizador 1 (d) Cenário 2: Utilizador 2 (e) Cenário 3: Utilizador 1 (f) Cenário 3: Utilizador 2 Figura 4.7: Utilizadores 1 e 2 a usarem antena no cinto (protótipo 2) para as medições em laboratório nos diferentes cenários Módulo do Coeficiente de Reflexão de Entrada Omódulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena, S 11, éumparâmetro que permite determinar as bandas de funcionamento de uma antena, tal como está descrito em Na Figura 4.8 apresentam-se os resultados obtidos para o cenário 1 (utilizador em pé sem forçar contacto 42

44 entre o botão metálico e a estrutura) para os diferentes protótipos e no caso do protótipo 2, para os dois utilizadores. Pela Figura 4.8 facilmente se verifica que os resultados das medidas são bastante diferentes.para as frequências mais baixas os dois protótipos têm um comportamento semelhante, enquanto que nas frequências mais altas, nomeadamente para a banda ISM dos 5.8GHZ verifica-se um desvio do mínimo para frequências mais baixas do protótipo 2 face ao protótipo 1. Para os dois utilizadores a usarem o protótipo 2 no Cenário 1 regista-se um S 11 bastante semelhante, com o mesmo comportamento na frequência. Figura 4.8: (a) Simulação com o modelo simplificado. Medidas para o Cenário 1: (b) Protótipo 1, Utilizador 1; (c) Protótipo 2, Utilizador 1; (d) Protótipo 2, Utilizador 2; Na Figura 4.9 apresentam-se os resultados obtidos por medição do S 11 para os dois protótipos, nos três cenários possíveis e com os dois utilizadores, no caso do protótipo 2. Verifica-se que o facto de a fivela do cinto tocar no botão metálico das calças não altera significativamente os resultados de S 11. Do protótipo 1 para o protótipo 2 regista-se o mesmo comportamento que no caso anterior, isto é, para as frequências mais baixas o S 11 dos dois protótipos, qualquer que seja o utilizador, é semelhante e há um desvio de cerca de 200MHz entre os dois mínimos à frequência mais elevada. Considerando um cenário de uso real pressupõe-se que o utilizador não esteja sempre em pé, e por isso o protótipo 2 foi testado considerando que o utilizador está sentado. Na Figura 4.10 apresentam-se os resultados obtidos nas medidas com os dois utilizadores sentados, a usarem o protótipo 2. Como é visível na Figura 4.7 (e) e (f) os utilizadores 1 e 2, respectivamente, estão ambos sentados mas a posição do utilizador 1 é mais descontraída do que a do utilizador 2, isto é, enquanto o utilizador 2 forma aproximadamente um ângulo recto entre o tronco e as pernas o utilizador 1 forma um ângulo ligeiramente inferior ao que forma quando está empé. Este é possivelmente um dos motivos pelos quais se regista uma alteração bastante significativa no S 11 do utilizador 2 entre os dois cenários aqui considerados, enquanto que o S 11 do utilizador 1 permanece basicamente inalterável, isto para frequências em torno de 2GHz. Para frequências mais elevadas, e para qualquer utilizador, não se registam diferenças significativas entre os resultados obtidos para os dois cenários. 43

45 Figura 4.9: Módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena obtido em laboratório. Protótipo 1 - Utilizador 1: (a) Cenário 1, (b) Cenário 2. Protótipo 2 - Utilizador 1: (c) Cenário 1, (d) Cenário 2; - Utilizador 2: (e) Cenário 1, (f) Cenário 2. Figura 4.10: Módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena (protótipo 2) obtido em laboratório. (a) Cinto apertado no ar. Utilizador 1: (b) Cenário 1, (c) Cenário 3; Utilizador 2: (d) Cenário 1;(e) Cenário 3. 44

46 4.2.3 Bandas de Funcionamento Nas Tabelas 4.3, 4.4 e 4.5 expressam-se os resultados das bandas de funcionamento considerando os dois critérios de sintonização relativos ao S 11 descritos em Expressa-se ainda a largura de banda, LB, em termos percentuais tal qual consta em [22]. Mais uma vez há que referir que esta definição é adequada para valores de largura de banda percentual pouco elevados, pelo que não tem aplicação para antenas de banda larga. Tabela 4.3: Bandas de funcionamento da antena considerando o critério de sintonia do S 11, com o Utilizador 1 usar a antena (protótipo 1). ( ) Valor máximo da frequência correspondente às medidas efectuadas em laboratório. Critério de S 11 < 6dB S 11 < 10dB Sintonia Cenário 1 Cenário 2 f min /GHz f max /GHz LB /% ( ) - f min /GHz f max /GHz LB /% ( ) - f min /GHz f max /GHz LB /% ( ) f min /GHz f max /GHz LB /% ( ) Tabela 4.4: Bandas de funcionamento da antena considerando o critério de sintonia do S 11, com o Utilizador 1 usar a antena (protótipo 2). ( ) Valor máximo da frequência correspondente às medidas efectuadas em laboratório. Critério de S 11 < 6dB S 11 < 10dB Sintonia Cenário 1 Cenário 2 Cenário 3 f min /GHz f max /GHz LB /% ( ) - f min /GHz f max /GHz LB /% ( ) - f min /GHz f max /GHz LB /% ( ) - f min /GHz f max /GHz LB /% f min /GHz f max /GHz LB /% f min /GHz f max /GHz LB /% Nas medidas efectuadas em laboratório, e tendo em conta o 1º Critério de Sintonia ( S 11 < 6dB), a antena apresenta características de banda larga, sendo a largura de banda percentual [22] superior a 100%. Para todos os cenários de teste, e para os utilizadores 1 e 2, os dois protótipos abrangem na sua banda de funcionamento os serviços ISM 2.45GHz e 5.8GHz, GSM 900 e 1800 e UMTS. Considerando o 2º Critério de Sintonia há uma dessintonia da antena (ambos os protótipos) na banda ISM 2.45GHz. Nos cenários de utilização 2e3, paraoutilizador 2, a antena (protótipo 2) 45

47 Tabela 4.5: Bandas de funcionamento da antena considerando o critério de sintonia do S 11, com o Utilizador 2 usar a antena (protótipo 2). ( ) Valor máximo da frequência correspondente às medidas efectuadas em laboratório. Critério de S 11 < 6dB S 11 < 10dB Sintonia Cenário 1 Cenário 2 Cenário 3 f min /GHz f max /GHz LB /% ( ) - f min /GHz f max /GHz LB /% ( ) - f min /GHz f max /GHz LB /% ( ) - f min /GHz f max /GHz LB /% f min /GHz f max /GHz LB /% f min /GHz f max /GHz LB /% apresenta uma dessintonia também para na banda que abrange o GSM 900. Para o protótipo 1 a largura de banda percentual varia entre os 16.14% - cenário de utilização 2 na banda que abrange ISM 5.8GHz; e os 46.97% - cenário de utilização 2 na banda que abrange os serviços GSM 1800 e UMTS. No caso do protótipo 2 e para o utilizador 1, a largura de banda percentual varia entre os 18.35% - cenário de utilização 2 na banda que abrange ISM 5.8GHz; e os 52.65% - cenário de utilização 3 na banda que abrange GSM 1800 e UMTS. Para o mesmo protótipo e considerando as medições efectuadas para o utilizador 2, a largura de banda percentual varia entre os 17.88% - cenário de utilização 2 na banda que abrange ISM 5.8GHz; e os 55.11% - cenário de utilização 2 na banda que abrange GSM 1800 e UMTS. 46

48 4.3 Taxa de Absorção Específica (SAR) Nesta secção apresentam-se os resultados obtidos por simulação para a taxa de absorção específica e comparam-se estes resultados com as recomendações do Conselho da União Europeia relativos à exposição a campos electromagnéticos da população Limites de Exposição Electromagnética Um dos entraves à disseminação de tecnologias de telecomunicações a operarem na proximidade do corpo humano está na preocupação geral com a radiação electromagnética. A taxa de absorção específica, ou SAR, define-se como o ritmo a que a energia é absorvida por unidade de massa de tecido do corpo. Este parâmetro expressa-se em W/kg. Na Figura 4.11 apresenta-se um quadro com as recomendações do Conselho da União Europeia [24] relativas à limitação da exposição da população aos campos electromagnéticos. No contexto deste trabalho a informação mais relevante deste quadro é a relativa às medidas de SAR para a gama de frequência de 10MHz a 10GHz. Os valores apresentados no quadro são referentes a uma massa, para determinar a média de SAR localizada, de 10g de tecido contínuo. Figura 4.11: Restrições básicas para campos eléctricos, magnéticos e electromagnéticos (0Hz - 300GHz) [24]. f representa a frequência Resultados de SAR Neste trabalho os resultados de SAR foram todos obtidos por simulação. Nas Tabelas 4.6 e 4.7 apresentam-se os resultados de SAR (1g) e SAR (10g), respectivamente. As medidas de SAR são efectuadas considerando uma unidade de massa média de tecido contínuo e homogéneo, com as 47

49 mesmas propriedades dieléctricas, de 1g e 10g. Nestes casos apresenta-se o valor eficaz do máximo de SAR. Apresenta-se ainda o valor eficaz da potência eovalor eficaz de SAR total. Comparando os resultados obtidos para a SAR total (10g) com as recomendações do Conselho da União Europeia para a SAR média que para as duas frequências de teste, 2.45GHz e 5.8GHz, ambos os modelos, simplificado e completo, apresentam valores inferiores aos recomendados. Considerando os valores recomendados para a SAR localizada no tronco, uma vez que esta é a zona de proximidade da antena, obtêm-se valores máximos de SAR superiores a 2W/kg para o modelo simplificado e a 2.45GHz para o modelo completo. Contudo, para o modelo completo a 5.8GHz obtém-se uma SAR máxima de 0.757W/kg que é um valor que se encontra dentro dos limites impostos pela recomendação. Tabela 4.6: Resultados do valor eficaz da potência média, do valor eficaz de SAR total e do valor eficaz do máximo de SAR (1g). Modelo f/ghz P med /W.mm 3 SAR tot /W.kg 1 SAR max /W.kg 1 Ponto de máximo (x, y, z) Simplificado (35.4, -17.2, -5.76) (35.4, -14.6, -5.76) Completo (31.2, -46.4, -26.6) (12.3, -46.1, -23.7) Tabela 4.7: Resultados do valor eficaz da potência média, do valor eficaz de SAR total e do valor eficaz do máximo de SAR (10g). Modelo f/ghz P med /W.mm 3 SAR tot /W.kg 1 SAR max /W.kg 1 Ponto de máximo (x, y, z) Simplificado (32.8, -19.9, -5.76) (35.4, -11.9, -5.76) Completo (35.7, -46.4, -16.9) (7.07, -48.8, -23.7) 48

50 Na Figura 4.12 apresentam-se os diagramas de SAR, 1g e 10g, para o modelo simplificado para as frequências centrais das bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz. Nas Figuras 4.13 e 4.14 apresentam-se os resultados equivalentes para o modelo completo a 2.45GHz e a 5.8GHz respectivamente. De um modo geral verifica-se que o ponto de máxima SAR se localiza na zona da alimentação da antena, para os diferentes casos. A zona de radiação absorvida estende-se na zona do tronco na proximidade da antena, não se registando outras zonas de absorção de radiação pelo corpo para além destas. (a) SAR(1g) (b) SAR(10g) (c) SAR(1g) (d) SAR(10g) Figura 4.12: Taxa de absorção específica obtida por simulação para o modelo do corpo simplificado, (a) e (b) para 2.45GHz, (c) e (d) para 5.8GHz. 49

51 (b) pormenor (a) geral (d) pormenor (c) geral Figura 4.13: Taxa de absorção específica obtida por simulação para o modelo do corpo completo para 2.45GHz, (a) e (b) SAR(1g), (c) e (d) SAR(10g). 50

52 (b) pormenor (a) geral (d) pormenor (c) geral Figura 4.14: Taxa de absorção específica obtida por simulação para o modelo do corpo completo para 5.8GHz, (a) e (b) SAR(1g), (c) e (d) SAR(10g). 51

53 4.4 Conclusões Uma vez que a antena projectada é uma WA, ou seja, está desenhada para funcionar na proximidade do corpo humano, neste capítulo efectuou-se o estudo das alterações no funcionamento da antena provocadas pela proximidade ao corpo, e quais as consequências para o corpo, a nível de radiação absorvida, provocadas pela antena. Todos os resultados apresentados neste capítulo pressupõem o cinto apertado, uma vez que se está a simular e a medir os resultados obtidos para a antena em cenários reais de utilização. Nas simulações consideraram-se dois modelos para o corpo, simplificado e completo, nos quais se considera o corpo humano como uma massa homogénea com densidade de 1000kg/m 3, constante dieléctrica relativa 45.6 e tangente do ângulo de perdas Nas medições em laboratório são usados os dois protótipos e para o segundo protótipo são efectuadas medições para dois utilizadores distintos. Consideram-se três cenários de utilização diferentes, no primeiro e no segundo o utilizador está depéenão força eforça, respectivamente, o contacto entre a estrutura metálica da antena e o botão metálico das calças. No terceiro cenário de utilização considera-se o utilizador sentado. Para obter o S 11 da antena junto do corpo considerou-se o modelo simplificado, uma vez que devido ao número de células de simulação não é possível obter resultados para o modelo completo. Face à simulação do cinto apertado no ar não se registam alterações significativas, pelo que à partida o comportamento da antena a nível de módulo do coeficiente de reflexão de entrada não apresenta resultados que alterem as bandas de funcionamento esperadas pelas simulações da antena no ar. Nos diagramas de radiação, obtidos por simulação, são bastante visíveis as diferenças com o modelo do corpo na proximidade da antena quando comparadas com as simulações da antena no ar. Nos planos em que há intersecção directa entre o lobo de radiação e o corpo, XZ e YZ, regista-se uma diminuição da amplitude do lobo de radiação na direcção do corpo. Com base nos resultados obtidos pode-se concluir que o corpo funciona como elemento absorvente e reflector, uma vez que absorve parte da radição que vem na sua direcção e em alguns casos reforça a radiação na direcção oposta. Os resultados obtidos em laboratório para os dois protótipos em diferentes cenários de utilização, e para diferentes utilizadores, para o módulo de coeficiente de reflexão de entrada da antena apresentam diferenças notórias face aos esperados por simulação considerando o modelo completo. No Cenário 1 de teste em laboratório os resultados para os dois protótipos são semelhantes entre si, mesmo considerando diferentes ultilizadores, registando-se uma diferença de cerca de 0.5GHz para o mínimo de S 11 à frequência mais elevada para o protótipo 1 face ao protótipo 2. Nos Cenários de teste 1 e 2 não se registam diferenças significativas nos resultados obtidos para o S 11, pelo que se pode concluir que o contacto entre o botão metálico das calças e a estrutura metálica da antena não provoca alteração no funcionamento da antena. Nos Cenários de teste 1 e 3, ou seja, para o utilizador de pé e sentado os resultados com diferenças mais notórias obtêm-se para o utilizador 2 quando está sentado para as frequências de medição mais baixas. Contudo os valores obtidos para S 11 apesar de mais próximos continuam abaixo do limiar nos -10dB. Considerando o 1º Critério de Sintonia ( S 11 < 6dB), a antena pode ser considerada de banda larga para todos os cenários de teste efectuados em laboratório, para os dois protótipos e para os dois utilizadores. Os serviços ISM 2.45GHz e 5.8GHz, GSM 900 e 1800 e UMTS são abrangidos pela banda de funcionamento da antena para este critério de sintonia. 52

54 Nos Cenários de teste 2 e 3 regista-se, para os dois protótipos, uma dessintonia na banda ISM 2.45GHz e na banda GSM 900, sendo neste último caso relativo unicamente ao utilizador 2, quando se considera o 2º Critério de Sintonia. Nestes casos a banda de funcionamento abrange os outros serviços cobertos quando se considera o 1º Critério de Sintonia. Nas simulações efectuadas para determinar a SAR, e considerando os valores recomendados pelo Conselho da União Europeia para a SAR localizada no tronco, obtêm-se para o modelo simplificado resultados para a SAR máxima (10g) que excedem a recomendação, 2W/kg, e este valor também é excedido nas simulações para o modelo completo a 2.45GHz. A 5.8GHz para o modelo completo obtém-se uma SAR máxima (10g) de 0.757W/kg que se encontra dentro dos limites da recomendação. Uma análise dos diagramas de SAR mostra um padrão no que toca à zona de máxima absorção, para as diferentes frequências e para os diferentes modelos. O ponto de máximo localiza-se sempre na zona da alimentação da antena. Verifica-se ainda que a zona de absorção se estende no tronco, nas zonas mais próximas da antena não se registando outros pontos de absorção fora destas zonas. 53

55 Capítulo 5 Conclusões O tema central deste trabalho são as WA, e a escolha da antena em cinto para o projecto e teste é baseada numa solução apresentada recentemente [17] e sobre a qual os estudos são escassos. O objectivo central deste trabalho consiste no projecto e execução de uma antena em cinto para operar nas bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz. À medida que se efectuaram simulações à estrutura verificou-se que em determinadas condições os serviços GSM 900 e 1800 e UMTS também eram cobertos pelas bandas de funcionamento da antena. As dimensões finais da estrutura obtiveram-se recorrendo à ferramenta Optimize do CST Microwave Studio. Os parâmetros a optimizar foram as dimensões da fivela, uma vez que através de simulações se concluiu que a sua dimensão estava directamente ligada às bandas de funcionamento da antena, por forma de obter sintonização da antena nas bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz. Considera-se na optimização que o critério de sintonia corresponde a ter S 11 < 10dB. Escolheu-se o cabedal como substrato de suporte da antena e uma vez que não se encontraram registos bibliográficos com as propriedades dieléctricas deste material registadas, efectuaram-se medidas em laboratório para determinar a constante dieléctrica relativa e a tangente do ângulo de perdas deste material. Nas simulações efectuadas considerou-se que o cabedal usado tem propriedades dieléctricas constantes na banda de frequências de teste e com valores baseados no que se obteve em laboratório. Neste relatório divulgam-se os resultados obtidos por simulação e medição em laboratório para o módulo do coeficiente de reflexão de entrada da antena, S 11. As banda de funcionamento da antena são determinadas tendo em conta um dos dois critérios de sintonização considerados: S 11 < 6dB -1ºCritério de Sintonia, e S 11 < 10dB -2ºCritério de Sintonia, que correspondem a ter uma potência reflectida pela antena de 25% e 10%, respectivamente, da potência incidente. A estrutura da antena foi simulada considerando algumas alterações nos materiais e dimensões à sua estrutura base com o intuito de testar a robustez de funcionamento da antena. Efectuaram-se simulações considerando um aumento ou decréscimo de 10% na constante die-léctrica do cabedal e para as frequências mais baixas da gama de teste não se registaram alterações significativas no comportamento da antena. Para as frequências mais elevadas dentro da gama de teste verificouse um desvio na frequência do mínimo do módulo do coeficiente de reflexão que compromete o funcionamento da antena na banda ISM dos 5.8GHz. Considerou-se ainda qual o efeito de um cabedal com perdas no funcionamento da antena. Efectuaram-se duas simulações para um cabedal com um tanδ = 0.16 a 2.45GHz e a 5.8GHz, 54

56 separadamente. Nestas condições os resultados obtidos para o módulo do coeficiente de reflexão apresentam um novo mínimo entre os 4GHz e os 4.5GHz. Nas bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz o S 11 mantém-se abaixo dos 6dB. A estrutura da antena é alimentada por uma linha microstrip dimensionada para 50Ω. A largura da linha, tendo em conta a espessura e as propriedades dieléctricas do substrato, vai influenciar directamente a impedância da linha. Verificou-se que uma redução ou aumento de 20% na largura da linha não produz alterações significativas nas bandas de funcionamento pretendidas. Para conferir à estrutura características mais próximas de uma utilização real desta antena acrescentou-se um pedaço de cabedal para simular o cinto apertado. Nas simulações efectuadas para esta nova estrutura obtiveram-se resultados para o S 11 idênticos aos obtidos para a estrutura simples para as frequências mais baixas da gama de teste, enquanto que para as frequências mais elevadas o funcionamento na banda ISM dos 5.8GHz está comprometido. Construíram-se dois protótipos da antena, com dimensões aproximadas às projectadas com o intuito de efectuar medições em laboratório à antena. O protótipo 1 apresenta uma fivela aproximadamente quadrada e o protótipo 2 tem dimensões mais próximas das projectadas. Nas medidas efectuadas em laboratório registou-se um S 11 semelhante ao obtido por simulação até aos 2.5GHz. Nas restantes frequências da gama de teste os resultados obtidos por simulação e por medição dos dois protótipos apresentam um S 11 com valores mais baixos do que os esperados. Quanto às medições aos dois protótipos com o cinto apertado e desapertado, não se registaram alterações significativas entre elas. Tendo em conta os resultados obtidos por medições da antena no ar e considerando os dois critérios de sintonização referenciados anteriormente, conclui-se que no ar a antena tem um comportamento de banda larga, sendo que para o critério mais restrito apresenta interrupções em algumas frequências. Os dois protótipos abrangem as bandas de funcionamento que cobrem os serviços GSM 1800, UMTS e ISM dos 2.45GHz. O protótipo 1 abrange ainda na sua banda de funcionamento o GSM 900, enquanto o protótipo 2 abrange a banda ISM dos 5.8GHz. Os diagramas de radiação obtidos para a antena no ar por simulação são simétricos nos planos em que a antena apresenta simetria, nos planos verticais XY e XZ, não apresentando qualquer simetria no plano YZ. As diferenças entre ter ou não cinto apertado são pouco significativas, sendo que a maior diferença se regista para o diagrama do plano YZ a 5.8GHz. Tratando-se de uma WA o comportamento da antena foi também estudado quando esta se encontra a funcionar nas proximidades do ser humano. No CST Microwave Studio considerou-se o corpo como uma massa homogénea com densidade 1000kg/m 3, constante dieléctrica relativa 45.6 e tangente do ângulo de perdas Em laboratório efectuaram-se medidas aos protótipos na proximidade de um utilizador. O protótipo 2 foi testado por dois utilizadores distintos. Todos os resultados relativos a estes testes estão a considerar o cinto apertado. Efectuaram-se medições em três cenários diferentes: utilizador de pé sem forçar contacto entre a estrutura da antena e o botão das calças, utilizador de pé a forçar contacto entre a estrutura da antena eobotão das calças e por fim utilizador sentado. Na determinação por simulação do S 11 foi necessário recorrer a uma simplificação do modelo, e considera-se unicamente o cenário em que o utilizador está depé. Os resultados obtidos por simulação quando comparados com os resultados obtidos nas medições em laboratório apresentam algumas diferenças. Os valores obtidos em laboratório, no cenário em que se tem o utilizador de pé, para S 11 são inferiores aos esperados pelas simulações, para os dois utilizadores. No Cenário 1 os resultados obtidos em laboratório para os dois protótipos são semelhantes, mesmo para diferentes utilizadores. Neste caso regista-se um desvio de cerca de 0.5GHz para o 55

57 mínimo de S 11 à frequência mais elevada entre os dois protótipos. Os resultados obtidos nos Cenários de teste 1e2não são muito diferentes entre si, pelo que se pode concluir que o contacto entre o botão metálico e a estrutura da antena não produz efeitos no seu funcionamento. Os resultados obtidos para o cenário de teste 3 são semelhantes aos obtidos para o cenário 1, mas para o utilizador 2 quando está sentado há uma diminuição do S 11 em torno dos 2GHz, que contudo se mantém abaixo do limiar de 10dB. A antena pode ser considerada de banda larga para todos os cenários de teste efectuados em laboratório quando se tem em conta o 1º Critério de Sintonia. Isto éválido para os dois protótipos e para na proximidade dos dois utilizadores. Os serviços ISM 2.45GHz e 5.8GHz, GSM 900 e 1800 e UMTS são abrangidos pela banda de funcionamento da antena para este critério de sintonia. Para os dois protótipos regista-se uma dessintonia na banda ISM 2.45GHz e na banda GSM 900, considerando o 2º Critério de Sintonia, para os Cenários 2 e 3 e no último caso para o utilizador 2. Nestes casos a banda de funcionamento abrange os outros serviços cobertos quando se considera o1º Critério de Sintonia. Os diagramas de radiação obtidos por simulação dos modelos simplificado e completo apresentam diferenças visíveis face aos obtidos com a antena no ar. Nos planos XZ e YZ, em que há intersecção directa com o corpo regista-se uma redução do lobo de radiação na direcção do corpo. Os resultados obtidos permitem concluir que tal como esperado o corpo desempenha o papel de elemento absorvente, e reduz visivelmente o lobo de radiação da antena na sua direcção. As simulações efectuadas aos modelos simplificado e completo permitiram também determinar a SAR. Os resultados obtidos foram comparados com as recomendações do Conselho da União Europeia relativas à SAR localizada no tronco. No geral os resultados obtidos para o modelo simplificado excedem o valor recomendado, 2W/kg, e este valor também é excedido a 2.45GHz para o modelo completo. A 5.8GHz o modelo completo apresenta uma SAR máxima (10g) de 0.757W/kg que está abaixo do valor máximo recomendado. Os diagramas de SAR obtidos por simulação demonstram que a zona de radiação está limitada, e situa-se no tronco nas proximidades da antena. Em todos os casos o valor máximo de SAR é atingido na zona da alimentação da antena, para os dois modelos, simplificado e completo, e para as duas frequências de teste, 2.45GHz e 5.8GHz. No geral as diferenças entre os resultados obtidos por simulação e através de medições em laboratório resultam da dificuldade de reprodução no CST Microwave Studio dos modelos da antena e do corpo humano. O ambiente de simulação é mais restrito, no sentido em que é definido um volume de simulação, enquanto que em laboratório não existem este tipo de fronteiras. Os resultados que se obtiveram neste trabalho poderão ser alvo de melhoramentos, e a própria estrutura da antena também. A estrutura é alimentada por uma linha microstrip o que confere ao cinto uma rigidez não desejável em condições reais de uso, e o que torna a alimentação da antena um dos pontos a melhorar a nível de trabalho futuro. Os resultados obtidos para a SAR são baseados em simulações nas quais se utilizou um modelo anatómico simplificado composto por uma estrutura homogénea. Para obter resultados mais precisos seria necessário criar um modelo de representação do corpo mais complexo e mais detalhado, o que não é uma tarefa simples no CST Microwave Studio. Neste trabalho apresentou-se o projecto e estudo de uma WA em cinto. Tendo em conta os resultados obtidos o próximo passo seria estudar como a antena se comportaria como parte integrante de um BAN, e a analisar as condições de propagação e conectividade entre a antena e, por exemplo, um conjunto de sensores localizados em diversos locais do corpo. 56

58 Bibliografia [1] W. G. Scanlon, G. A. Conway, S. L. Cotton, Antennas and Propagation Considerations for Robust Wireless Communications in Medical Body Area Networks, IET Seminar on Antenna and Propagation for Body-Centric Wireless Communications,pp , Londres, Reino Unido, Abril, [2] Disponível em Janeiro de [3] H. Li, R. Kohno, Introduction of SG-BAN in IEEE With Related Discussion, ICUWB - Inter. Conf. on Ultra- WideBand, pp , Singapura, Singapura, Setembro, [4] P. S. Hall, Antennas Challenges for Body Centric Communications, Proc. of iwat-int. Workshop on Ant. Tech., pp , Cambridge, Reino Unido, Março, [5] P. Salonen, L. Sydänheimo, M. Keskilammi, M. Kivikoski, A Small Planar Inverted-F Antenna for Wearable Applications, Third International Symposium on Wearable Computers, pp , São Francisco, Estados Unidos da América, Outubro, [6] K. Ogawa, T. Uwano, M. Takahashi, A shoulder-mounted planar antenna for mobile radio applications, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 49, No. 3, pp , Maio, [7] P.J. Massey, Mobile Phone Fabric Antennas Integrated Within Clothing, 11th lnternational Conference on Antennas and Propagation, Vol. 1, pp , Manchester, Reino Unido, Abril, [8] M. Klemm, I. Locher, G. Tröster, A Novel Circularly Polarized Textile Antenna for Wearable Applications, Proc. European Conf. on Wireless Technology, pp , Amsterdão, Holanda, Outubro, [9] P. Salonen, Y. Rahmat-Samii, M. Kivikoski, Wearable Antennas in the Vicinity of Human Body, Proc. IEEE Ant. and Prop. Society Int. Symposium, Vol. 1, pp , Monterey, Estados Unidos da América, Junho, [10] L. Januszkiewicz, S. Hausman, T. Kacprzak, M. Michalak, J. Bilska and I. Krucinska, Textile Body-Worn Exponentially Tapered Vee Antenna, Proc. Int. Conf. on Microwaves, Radar and Wireless Comm. MIKON, pp. 1-4, Wroclaw, Polónia, [11] B. Sanz-Izquierdo, F. Huang, J.C. Batchelor, Dual Band Button Antennas for Wearable Applications, Proc. of iwat - Int. Workshop on Ant. Tech., Nova Iorque, Estados Unidos da América, Março, [12] B. Sanz-Izquierdo, F. Huang, J.C. Batchelor, Covert Dual-Band Wearable Button Antenna, IEEE Electronics Letters, Vol.42, No.12, pp , Junho, [13] B. Sanz-Izquierdo, F. Huang, J.C. Batchelor, M. Sobhy, Compact Antenna for WLAN on body applications, Proc. of the 36th European Microwave Conference, pp , Manchester, Reino Unido, Setembro, [14] B. Sanz-Izquierdo, F. Huang, J.C. Batchelor, Small Size Wearable Button Antenna, EUCAP-European Conf. on Ant. and Prop., pp. 1-4, Nice, França, Novembro,

59 [15] B. Sanz-Izquierdo, J.C. Batchelor, WLAN Jacket Mounted Antenna,Proc. of iwat - Int. Workshop on Ant. Tech., pp , Cambridge, Reino Unido, Março, [16] J.M. Floc h, F. Queudet, E. Fourn, Radio-electric characterizations of jeans buttons, EUCAP-European Conf. on Ant. and Prop., pp.1-4, Edinburgh, Reino Unido, Novembro, [17] B. Sanz-Izquierdo, J.C. Batchelor, A Dual Band Belt Antenna, Proc. of iwat - Int. Workshop on Ant. Tech., pp , Chiba, Japão, Março, [18] D. Gaspar, A. A. Moreira, Belt Antenna for Wearable Applications, Proc IEEE AP-S/URSI International Symposium, Charleston, Estados Unidos da América, Junho, 2009 [19] Huan-Bang Li, Ken-ichi Takizawa,Bin Zhen, Ryuji Kohno, Body Area Network and Its Standardization at IEEE MBAN, Proc. of 16th IST Mobile and Wireless Communication Summit, pp. 1-5, Budapeste, Hungria, Julho, 2007 [20] R. Langley, Z. Shaozhen, Dual band wearable antenna, Proc. of LAPC: Loughborough Antennas and Propagation Conference, pp , Loughborough, Reino Unido, Março, [21] Microondas - Planos dos Trabalhos de Laboratório, AEIST - Secção de Folhas, Julho, [22] C. A. Balanis, Antenna Theory - Analysis and Design. John Wiley & Sons, Terceira Edição, [23] IFAC-CNR, 2007, Dielectric Properties of Body Tissues, Disponível em Outubro de [24] O Conselho da União Europeia, Recomendação do Conselho de 12 de Julho de 1999 relativa à limitação da exposição da população aos campos electromagnéticos (0Hz - 300GHz), Jornal Oficial das Comunidades Europeias, 30 de Julho de 1999, Portugal [25] R. I. M. dos Santos, Estudo da Interacção de Antenas de Terminais Móveis com o Utilizador, Dissertação de Mestrado, Instituto Superior Técnico, Setembro de

60 Anexos 59

61 Anexo I - Determinação das Propriedades Dieléctricas do Cabedal A determinação das propriedades dieléctricas do cabedal, nomedamente o constante eléctrica relativa, ε r, e a tangente do ângulo de perdas, tan δ, obtém-se neste caso seguindo o método de propagação guiada descrito em [21]. Tendo em conta o material disponível em laboratório, os valores obtidos são para a frequência de 9GHz. Usam-se duas amostras de cabedal diferentes o cabedal A e o cabedal B, sendo que o cabedal A é o usado no protótipo da antena. Tal como é sugerido em [21] testaram-se amostra com espessura, L, diferente. Na Figura 5.1 apresenta-se o conjunto de amostras utilizado. Nas Tabelas 5.1 e 5.2 apresentam-se os resultados obtidos. A1 A2 B1 B2 B3 Figura 5.1: Amostras de cabedal usadas em laboratório para a determinação das propriedades dieléctricas do mesmo. A1 e A2 correspondem ao cabedal A, B1, B2 e B3 correspondem ao cabedal B. Tabela 5.1: Propriedades dieléctricas do cabedal A obtidas em laboratório para a frequência de 9GHz. Amostra L/mm ε r tan δ A A Tabela 5.2: Propriedades dieléctricas do cabedal B obtidas em laboratório para a frequência de 9GHz. Amostra L/mm ε r tan δ B B B Neste trabalho considera-se que as propriedades dieléctricas do cabedal se mantêm aproximadamente constantes para a gama de frequências testada. Nas simulações usa-se para o cabedal ε r =2.95 e tan δ =0. 60

62 Anexo II - Diagramas de Radiação 3D: Antena no Ar (a) 2.45GHz (b) 5.8GHz Figura 5.2: Diagramas de Radiação da antena no ar para o cinto desapertado. (a) 2.45GHz (b) 5.8GHz Figura 5.3: Diagramas de Radiação da antena no ar para o cinto apertado. 61

63 Anexo III - Diagramas de Radiação 3D: Antena na Proximidade do Corpo Humano (a) 2.45GHz (b) 5.8GHz Figura 5.4: Diagramas de Radiação da antena no ar para o cinto apertado na proximidade do modelo representativo do corpo humano (modelo simplificado). (a) 2.45GHz (b) 5.8GHz Figura 5.5: Diagramas de Radiação da antena no ar para o cinto apertado na proximidade do modelo representativo do corpo humano (modelo completo). 62