DESENVOLVIMENTO DE SUBSTRATO CERÂMICO BiNbO 4 PARA ANTENAS DE MICROFITA DE SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES SEM FIO

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO DESENVOLVIMENTO DE SUBSTRATO CERÂMICO BiNbO 4 PARA ANTENAS DE MICROFITA DE SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES SEM FIO Ranilson Caneio Filho Oientado: Pof. D. Laécio Matins de Mendonça Co-Oientado: Pof. D. José Humbeto de Aaújo Tese de Doutoado submetida ao copo docente da Coodenação do Pogama de Pós-gaduação de Engenhaia Elética e de Computação - PPgEEC - Univesidade Fedeal do Rio Gande do Note como pate dos equisitos necessáios paa obtenção do gau de Douto em Ciências. Númeo de odem PPgEEC: D060 Natal, RN, Julho de 2010

2 Divisão de Seviços Técnicos Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Cental Zila Mamede Caneio Filho, Ranilson. Desenvolvimento de substato ceâmico BiNbO 4 paa antenas de micofita de sistemas de comunicações sem fio / Ranilson Caneio Filho. Natal, RN, f. : il. Oientado: Laécio Matins de Mendonça. Co-oientado: José Humbeto de Aaújo. Tese (doutoado) Univesidade Fedeal do Rio Gande do Note. Cento de Tecnologia. Pogama de Pós-Gaduação em Engenhaia Elética e de Computação.

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4 AGRADECIMENTOS Aos pofessoes Laécio Matins de Mendonça e José Humbeto de Aaújo, pela oientação e apoio pemanentes duante todo o desenola deste tabalho. Ao pofesso Adaildo Gomes D Assunção, pela cedibilidade, confiança, dedicação científica e amizade, pesentes duante todo o desenvolvimento e conclusão deste tabalho. Aos pofessoes Ronaldo Matins de Andade e Adaildo Gomes D Assunção J., pela assistência nas medições. Ao pofesso Maconi Floippe Ginani, pela colaboação e competência. Ao Pogama de Pós-Gaduação em Engenhaia Elética e de Computação PPgEEC da UFRN. Aos pofessoes, alunos e funcionáios do DCO e DEE CT, do DFTE e DQ CCET, todos da UFRN, pela colaboação e discussões científicas. Ao toneio mecânico Genilson, da Tokmec e a Williams da ET & Casto, pelo apoio nos pojetos e fonecimento de mateiais. Aos meus familiaes e amigos, pela compeensão e incentivo.

5 RESUMO O objetivo pincipal deste tabalho foi o desenvolvimento de substatos dieléticos ceâmicos de niobato de bismuto (BiNbO 4 ) dopados com pentóxido de vanádio (V 2 O 5 ), com alta pemissividade elética, usados na constução de antenas patch de micofita com aplicações em sistemas de comunicações sem fio. A alta pemissividade elética do substato ceâmico popocionou uma edução no tamanho das antenas. Os esultados numéicos obtidos nas simulações e medições ealizadas com as antenas patch de micofita mostaam boa concodância. Essas antenas podem se usadas em sistemas de comunicações sem fio em váias faixas de feqüências. Foam obtidos esultados satisfatóios em antenas com feqüências de opeação na banda S, na faixa compeendida ente 2,5 GHz e 3,0 GHz. Palavas Chaves: substatos ceâmicos de alta pemissividade elética; antenas patch de micofita; comunicações sem fio.

6 ABSTRACT The main pupose of this wok was the development of ceamic dielectic substates of bismuth niobate (BiNbO 4 ) doped with vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), with high pemittivity, used in the constuction of micostip patch antennas with applications in wieless communications systems. The high electical pemittivity of the ceamic substate povided a eduction of the antenna dimensions. The numeical esults obtained in the simulations and the measuements pefomed with the micostip patch antennas showed good ageement. These antennas can be used in wieless communication systems in vaious fequency bands. Results wee satisfactoy fo antennas opeating at fequencies in the S band, in the ange between 2.5 GHz and 3.0 GHz. Key wods: ceamic substates of high pemittivity; micostip patch antennas: wieless communications.

7 SUMÁRIO Sumáio Lista de Figuas Lista de Tabelas Lista de Símbolos Lista de Abeviatuas i iii vii viii x 1 INTRODUÇÃO Motivação Estado da ate Objetivos Oganização do texto ANTENAS DE MICROFITA Antenas Antenas de micofita Técnicas de alimentação de antenas de micofita Paâmetos de antenas Paâmetos de espalhamento Impedância Coeficiente de onda estacionáia e peda de etono Feqüência de essonância e lagua de banda Fato de qualidade e tangente de pedas i

8 2.5 Métodos de análise Softwaes usados na análise das antenas de micofita Instumentos de medidas Conclusão O SUBSTRATO CERÂMICO BiNbO Paâmetos de substatos dieléticos Os elementos químicos usados no substato dielético ceâmico BiNbO 4 dopado com V 2 O Obtenção do BiNbO 4 dopado com V 2 O Caacteização do BiNbO 4 dopado com V 2 O Difação de aios X Análise pelo método de Rietveld Resultado do difatogama de aios X Constução do substato ceâmico BiNbO 4 dopado com V 2 O Conclusão ANTENAS PATCH DE MICROFITA SOBRE SUBSTRATOS CERÂMICOS BiNbO Pojeto e constução de antenas patch de micofita sobe BiNbO Antena patch etangula de micofita Antena patch etangula de micofita com eentância Antena patch afilado de micofita com eentância Antena patch monopolo em S de micofita Conclusão CONCLUSÃO 74 REFERÊNCIAS 78 ii

9 LISTA DE FIGURAS 2.1: Especto eletomagnético : Esquemas de alguns tipos de antenas : Exemplos de geometias usadas nos patches das antenas de micofita : Alimentação po: (a) linha de micofita; (b) cabo coaxial; (c) acoplamento eletomagnético; (d) abetua e (e) guia de onda coplana : Antena patch etangula de micofita com eentância sobe substato dielético com plano de tea : Repesentação da fomulação da matiz de espalhamento : Repesentação da impedância da antena como um cicuito : Gáfico da peda de etono em função da feqüência mostando as feqüências e a lagua de banda de uma antena : (a) Calibação do VNA e (b) Conexão de uma antena ao VNA : Cata de Smith mostando as cuvas de impedância, esistência e eatância : HP 8714C Netwok Analyze : Rohde & Schwaz FSH6 Spectum Analyze : Cuba anecóica anecóica usada nas medições : (a) Balança de pecisão e (b) Estufa : Feixes de aios X incidente e difatado : (a) Difatômeto Shimadzu XRD 6000 e (b) Inteio do difatômeto : Resultado da difação de aios X (XRD) da amosta de BiNbO : (a) Estutua otoômbica da fase alfa-binbo 4 e (b) Estutua ticlínica da fase beta-binbo : (a) Almofaiz e mão de pilão em ágata com BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 e (b) Matiz em aço feamenta iii

10 3.7: (a) Pensa usada na compactação do BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 e (b) Pastilha pensada : Repesentação pictóica do pocesso de sinteização do substato dielético : (a) Fono usado na sinteização e (b) Pastilha sinteizada : (a) Substato dielético ceâmico BiNbO 4 em foma de disco; (b) Plano de tea e (c) Plano de tea tuncado : (a) Patch etangula de micofita; (b) Patch etangula de micofita com eentância; (c) Patch afilado de micofita com eentância e (d) Patch monopolo de micofita em S : (a) Substato em foma de disco e (b) Plano de tea metalizado com cobe : Vista supeio do patch etangula de micofita : Fotogafias da antena patch etangula de micofita, mostando: (a) o patch etangula de micofita; (b) o plano de tea; e (c) uma vista lateal : Gáfico da peda de etono em função da feqüência da antena patch etangula de micofita medido no HP 8714C : Cata de Smith da antena patch etangula de micofita com indicação dos esultados medidos no HP 8714C : Inteface gáfica da antena patch etangula de micofita no Ansoft Designe : Gáfico da peda de etono em função da feqüência da antena patch etangula de micofita simulado no Ansoft Designe comε = 47, : Gáfico dos valoes das pedas de etono em função da feqüência da antena patch etangula de micofita medidos no HP 8714C e simulados no Ansoft Designe com ε = 47, : Diagama de adiação em 3D da antena patch etangula de micofita obtido no Ansoft Designe comε = 47, : (a) Substato com plano de tea e (b) Vista supeio da antena patch etangula de micofita com eentância iv

11 4.13: Fotogafia da antena patch etangula de micofita com eentância : Gáfico dos valoes das pedas de etono em função da feqüência e de X 0 da antena patch etangula de micofita com eentância medidos no HP 8714C : Cata de Smith da antena patch etangula de micofita com eentância com indicativos dos esultados medidos no HP 8714C paa X 0 = 4,0 mm : Inteface gáfica da antena patch etangula de micofita com eentância no Ansoft HFSS : Peda de etono em função da feqüência da antena patch etangula de micofita com eentância simulado no Ansoft HFSS comε = 47, : Gáfico das pedas de etono em função da feqüência da antena patch etangula de micofita com eentância, medidos no HP 8714C e simulados no Ansoft HFSS comε = 47, 8 e X 0 = 4,0 mm : (a) Substato com plano de tea e (b) Vista supeio do patch afilado de micofita com eentância : Fotogafia da antena patch afilado de micofita com eentância : Gáfico dos valoes das pedas de etono em função da feqüência da e de X 0 da antena patch afilado de micofita com eentância medidos no HP 8714C : Cata de Smith da antena patch afilado de micofita com eentância com indicações dos esultados medidos no HP 8714C paa X 0 = 3,0 mm : Inteface gáfica da antena patch afilado de micofita com eentância no Ansoft HFSS : Gáfico de peda de etono em função da feqüência da antena patch afilado de micofita com eentância simulado no Ansoft HFSS comε = 47, : Gáfico dos valoes medidos no HP 8714C e simulados no Ansoft HFSS das pedas de etono em função da feqüência da antena patch afilado de micofita com eentância paa X 0 = 3,0 mm : Geometia da antena patch monopolo em S de micofita: (a) substato dielético e (b) plano de tea tuncado : Vista supeio do patch em S de micofita : (a) Fotogafia do patch em S e (b) Fotogafia do plano de tea tuncado v

12 4.29: Inteface gáfica da antena patch monopolo em S de micofita no Ansoft HFSS : Gáfico de peda de etono em função da feqüência da antena patch monopolo em S de micofita no Ansoft HFSS com ε = 47, : Gáfico do compotamento da peda de etono em função da feqüência da antena patch monopolo em S de micofita medido no Rohde & Schwaz FSH6 e simulado no Ansoft HFSS comε = 47, : Diagama de adiação em 3D obtido no Ansoft HFSS da antena patch monopolo em S de micofita comε = 47, vi

13 LISTA DE TABELAS 2.1: Designação das bandas de feqüência em mico-ondas do IEEE : Paâmetos da antena patch etangula de micofita : Paâmetos da antena patch etangula de micofita com eentância : Paâmetos da antena patch afilado de micofita com eentância : Paâmetos da antena patch monopolo em S de micofita vii

14 LISTA DE SÍMBOLOS ε ε pemissividade elética pemissividade elética elativa µ pemeabilidade magnética µ pemeabilidade magnética elativa σ λ ω Γ θ δ τ f condutividade elética compimento de onda feqüência angula coeficiente de eflexão ângulo de incidência do feixe de aios X com o plano cistalógafico ângulo da tangente de pedas coeficiente de tempeatua na feqüência de essonância I V S ij coente elética potencial elético (tensão ou voltagem elética) paâmetos de espalhamento nas potas i e j S 11 paâmeto de espalhamento: coeficiente de eflexão na pota 1 R X C L Z 0 esistência eatância capacitância indutância impedância caacteística Z c VSWR f f impedância de caga coeficiente de onda estacionáia de tensão feqüência feqüência de essonância BW lagua de banda BW (%) lagua de banda pecentual viii

15 Q v c T p m g D A W L h E el (%) fato de qualidade velocidade velocidade da luz tempeatua pessão massa aceleação da gavidade diâmeto áea lagua do patch compimento do patch espessua (altua) do substato dielético eo elativo pecentual ix

16 LISTA DE ABREVIATURAS LTCC RF UHF MMIC GPS RFID CPW RL TLM RCM MNM ECM MoM FEM FDTD FDFD HFSS VNA TRL DUT LMA XRD Low Tempeatue Co-Fied Ceamics Radio Fequency Ulta High Fequency Micowave Monolithic Integated Cicuit Global Positioning System Radio-Fequency Identification Coplana Wave Guide Retun Loss Tansmission Line Model Resonant Cavity Model Multipot Netwok Model Equivalent Cicuit Model Method of Moments Finite Element Method Finite-Difeence Time-Domain Method Finite-Difeence Fequency-Domain Method High Fequency Stuctue Simulato Vectoial Analyze Netwok Though-Reflect-Line Device Unde Test Last Minut Adjustments X-Ray Diffaction x

17 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO A impotância do estudo de antenas em telecomunicações eside no fato de que elas são elementos fundamentais na cadeia de tansmissão e de ecepção do sinal [1]. As antenas podem se definidas como um dispositivo de tansição ente a popagação de ondas eletomagnéticas guiadas em linhas de tansmissões ou cicuitos paa popagação em um meio live [2]. Nos últimos anos, divesos esfoços foam feitos visando à utilização de novos mateiais na constução de dispositivos usados na faixa de feqüência de micoondas, incluindo as antenas de micofita. Dente estes, destacam-se os mateiais ceâmicos de alta pemissividade elética elativa, as feitas, os filmes finos e os metamateiais. Neste tabalho, foam pojetados e constuídos substatos dieléticos ceâmicos de alta pemissividade elética usando o niobato de bismuto ( BiNbO 4 ) dopado com pentóxido de vanádio ( V O 2 5 ). Os substatos foam utilizados na constução de antenas patch de micofita paa opea na faixa de feqüências de micoondas, e, em paticula, em feqüências na faixa compeendida ente 2,5 GHz e 3,0 GHz. O uso deste tipo de mateial ceâmico popociona uma edução no tamanho das antenas e uma boa integação com outos cicuitos de micoondas. Antenas de micofita constuídas em outos mateiais comumente usados em micoondas, como fenolite ( ε 3, 6 ) e fiba de vido ( ε 4, 4 ), tabalhando na mesma feqüência de essonância, podem te as dimensões eduzidas em tono de tês vezes quando constuídas em niobato de bismuto. Além disso, possuem baixo peso e ocupam um pequeno volume, apesentam um valo de tempeatua elativamente baixa na sinteização, seus mateiais constituintes são de fácil aquisição e a sua constução é elativamente simples e de baixo custo. 1

18 1.1 Motivação O uso de substatos ceâmicos com alta pemissividade elética elativa é de gande impotância na constução de dispositivos de micoondas, pois popocionam uma edução nas dimensões destes dispositivos. Po sua vez, as baixas pedas dieléticas acaetam um aumento na lagua de banda da antena. As caacteísticas básicas dos essoadoes dieléticos ceâmicos usados nas feqüências de micoondas são descitas a segui: 1) Um alto valo da pemissividade elética elativa, ε : a maio dimensão de uma antena é dietamente popocional ao compimento de onda de opeação no essoado dielético, λ D. O valo do compimento de onda no essoado dielético, que não exibe popiedades feomagnéticas (pemeabilidade magnética elativa apoximadamente igual a 1, µ 1), é popocional ao valo do compimento de onda no espaço live, λ 0, multiplicado pelo inveso da aiz quadada da pemissividade elética elativa, ou seja: 1/ 2 λ D = λ0 /( ε ). Assim, quanto maio a pemissividade elética elativa meno o compimento de onda de opeação e consequentemente meno a dimensão da antena; 2) Um alto fato de qualidade, Q : paa assegua a seletividade da feqüência de essonância, pemitindo a edução de uídos e intefeências, deve-se te paa o fato de qualidade de um essoado dielético um valo Q > O fato de qualidade de um essoado dielético é o inveso de suas pedas dieléticas, caacteizada pela tangente de pedas, tan δ, ou seja: Q = 1/ tanδ. Potanto, em um essoado dielético com baixas pedas dieléticas deve-se te um valo da tangente de pedas tal que tg δ < 10 3 ; 3) Um baixo valo do coeficiente de vaiação da tempeatua na feqüência de essonância, τ F : a estabilidade témica da feqüência assegua a confiabilidade do componente, mesmo quando sujeito às vaiações da tempeatua de opeação. Potanto, um mateial que apesente baixo coeficiente de vaiação da tempeatua na feqüência de essonância, popociona a manutenção da eficiência da antena com elação às mudanças na tempeatua do meio ambiente. O mateial ceâmico niobato de bismuto possui um patama médio paa este coeficiente da odem de τ 50 ppm / C. F 2

19 1.2 Estado da Ate O pimeio a analisa as popiedades dieléticas em feqüência de micoondas de váias ceâmicas baseadas em bismuto, incluindo o niobato de bismuto (BiNbO 4 ), foi Kagata et al [3] em Neste tabalho pioneio, compostos de niobato de bismuto (BiNbO 4 ) contendo óxido de cobe (CuO) e pentóxido de vanádio (V 2 O 5 ) foam obtidos com um valo elevado do fato de qualidade, Q = (em uma feqüência de 4,3 GHz), com um valo de pemissividade elética elativa alto, ε = 43, 0, e um coeficiente de tempeatua na feqüência de essonância τ F = 38 ppm / C. Os dieléticos ceâmicos utilizando o bismuto são conhecidos pelos seus baixos pontos de fusão e são aplicados em capacitoes ceâmicos com múltiplas camadas. Dente os pimeios mateiais ceâmicos escolhidos paa uso em essoadoes dieléticos em micoondas pode-se cita: os compostos BaMg 1/3 (Ta, Nb) 2/3 O 3, analisados po Nomua et al. em 1982 [3]; os compostos (Z, Sn)TiO 4, estudados po. Hiano et al. em 1991 [4]; os sistemas BaO R 2 O 3 TiO 2 (R=La, Nd e Sm), investigados po Ohsato et al. em 1992 [5]; os sistemas Bi 2 O 3 ZnO Nb 2 O 5, cujas popiedades dieléticas e estutuas de fases foam analisadas po Liu et al. em 1993[6]; Yoon et al estudaam os efeitos do BaWO 4 nas popiedades dieléticas da ceâmica Ba(Mg 1/3 Ta 2/3 ) [7], em 1994; Em 1995, Chen et al elataam uma análise das micoestutuas e caacteísticas dieléticas de ceâmicas com o sistema BaO-Nb 2 O 3 TiO 2 [8]. Mais ecentemente, o sistema Ba 2 Ti 9 O 20 dopado com SO 2 foi investigado po Nono et al. [9] em Koldayeva et al. analisaam o composto Ba 2 Ti 9 O 20 dopado com ZO 2 [10] em 2005 e utilizaam o mesmo mateial em uma mistua com BaSO 4 e TiO 2 [11] em A evolução estutual e caacteísticas dieléticas de ceâmicas baseadas em bismuto são elatadas po Du et al., em 2005 [12] e D Astog et al [13], em Em 2008, Siqueia et al. [14] estudaam ceâmicas de ZO 2 -TiO 2 com adição de SnO, SO e Nb 2 O 5 paa aplicações em essoadoes dieléticos ceâmicos. Com elação à tempeatua de sinteização, o Ba 2 Ti 9 O 20 eque um valo de apoximadamente 1400 C, o (Z, Sn)TiO 4 e o BaMg 1/3 (Ta, Nb) 2/3 O 3 uma tempeatua ente 1500 C e 1550 C. Já o sistema BaO (Nd, Sm) 2 O 3 TiO 2 pode se densificado numa tempeatua em tono de 1350 C. 3

20 Estas tempeatuas de sinteização são muito altas quando compaadas com o ponto de fusão dos eletodos usados nos dispositivos de micoondas, gealmente confeccionados em pata ou cobe. O uso do pentóxido de tântalo (Ta 2 O 5 ) e do pentóxido de nióbio (Nb 2 O 5 ) como pate integante na fomação de compostos ceâmicos dieléticos paa aplicação em essoadoes dieléticos indica que o Ta 2 O 5 possui um custo maio como também uma tempeatua de sinteização mais alta (T S > 1400 C) [15]. Os esultados apontam o Nb 2 O 5 como uma opção adequada paa a substituição do Ta 2 O 5, pois apesenta popiedades químicas similaes, com a vantagem adicional de possui uma tempeatua de sinteização mais baixa (T S 900 C). O uso do método de co-pecipitação no pepao do pó BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 é elatado po Tzou et al. [16] em 2000, po Gaikwad et al. [17] em 2006 e po Rhada et al. [18] [19], em 2007, que utilizou a difatometia po aios X na caacteização do mateial ceâmico. Com elação à análise de dispositivos que opeam na faixa de feqüências de micoondas, podem se enumeadas algumas análises de antenas de micofita usando mateial com alta pemissividade elética, ealizadas po: Lo et al. [20] em 1997; Huang et al. [21], em 1998; Zhang et al. [22], em 2000, e Ghosh et al. [23], em Hudges et al. [24] ealizaam estudos sobe dieléticos baseados em bismuto adequados paa aplicação na teceia geação de telefonia móvel, também no ano de As caacteísticas de um filto passa-faixa em micofita, usando a ceâmica BiNbO 4, são elatadas po Ko et al. [25] em Em 2006, Reaney et al. [26] estudaam a aplicação de ceâmicas dieléticas em filtos e essoadoes de edes de telefonia móvel em micoondas. D. Zhou et al. [27], em 2007, constuíam dois aanjos de antenas de micofita com patches monopolo em S sobe um substato dielético ceâmico usando BiNbO 4 de dimensões 34 mm 34 mm 1 mm. A pemissividade elética elativa foi ε = 43,0. As feqüências centais e laguas de banda dos dois aanjos foam espectivamente iguais a: f 1 = 3,59 GHz; BW 1 = 50 MHz (S 11 < -10 db) e f 2 = 3,07 GHz; BW 2 =34,0 MHz (S 11 < -10 db). 4

21 1.3 Objetivos O objetivo deste tabalho é estuda e desenvolve substatos dieléticos ceâmicos baseados em niobato de bismuto (BiNbO 4 ) e sua aplicação em antenas patch de micofita, paa opea em comunicações sem fio, na faixa de feqüências compeendida ente 2 GHz a 3 GHz. A ceâmica obtida pelo niobato de bismuto (BiNbO 4 ) apesenta-se como um mateial com um alto valo de pemissividade elética elativa ( ε 45, 0 ), um alto fato de qualidade ( Q > 1000 ), e um baixo valo do coeficiente de tempeatua na feqüência de essonância ( τ f 50 ppm / C ), possuindo aplicações em divesos dispositivos de micoondas. O niobato de bismuto é um mateial antifeolético, não apesentando caacteísticas feomagnéticas, com pemeabilidade magnética elativa de valo apoximadamente igual a 1 ( µ 1). A escolha do método de obtenção do BiNbO 4 usando-se o método de copecipitação foi oientada pelo fato deste método possui a vantagem de foma as fases da amostas em uma tempeatua de sinteização mais baixa, quando compaada com as tempeatuas de outos mateiais ceâmicos. Esta edução se deve ao tamanho nanomético dos cistalitos obtidos e à utilização do pentóxido de vanádio (V 2 O 5 ) como fundente, contibuindo de maneia decisiva no sucesso da compactação do pó. Esta diminuição na tempeatua de sinteização pemite também a aplicação de eletodos constituídos po pata, cobe ou ouo, utilizados nos dispositivos de micoondas. Com elação a esta popiedade, a ceâmica de niobato de bismuto dopada com pentóxido de vanádio pode se classificada como uma ceâmica de baixa tempeatua de calcinação, com compatibilidade paa aplicações em tecnologia LTCC (Low Tempeatue Co-Fied Ceamics). A decisão da utilização do método de caacteização do pó BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 atavés da difação de aios X é noteada pelo fato de que esta é uma foma simples, tadicionalmente usada paa análises qualitativas e quantitativas de fases em estutuas cistalinas, pesentes na gande maioia dos tabalhos científicos. 5

22 1.4 Oganização do Texto Esta tese está dividida em cinco capítulos. No Capítulo 2 são apesentados: um beve históico sobe antenas e antenas de micofita; um esumo sobe as caacteísticas e pincipais paâmetos de antenas patch de micofita; um esumo sobe os métodos de análise numéicos e outo esumo sobe os softwaes comeciais usados nas simulações de antenas de micofita; um esumo sobe os instumentos e as técnicas de medições usadas na obtenção dos paâmetos elativos a estas antenas. No Capítulo 3 são apesentadas: uma síntese dos pincipais paâmetos elacionados com os substatos dieléticos; uma descição dos elementos químicos usados na constução dos substatos; a foma de obtenção do BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 atavés do método de co-pecipitação; a caacteização de amostas do BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 atavés do difatogama de aios X, ealizadas em um Shimadzu XRD 6000; a técnica de efinamento atavés do método de Rietveld; a descição dos pocessos de afeição da massa e pensagem do BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 ; a sinteização da pastilha pensada em BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 e a metalização dos condutoes nestes substatos de maneia a seem obtidas as antenas patch de micofita. No Capítulo 4 são apesentados os esultados obtidos po simulações no Ansoft Designe e no Ansoft HFSS e po medições nos analisadoes de edes HP 8714 C Netwok Analyze e Rohde & Schwaz FSH6 Spectum Analyze paa os paâmetos: geometia, dimensões e pemissividade elética elativa dos substatos dieléticos ceâmicos em BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 ; geometia, dimensões, feqüência de essonância, lagua de banda, lagua de banda pecentual e impedância de entada, paa quato antenas patch de micofita constuídas sobe os substatos dieléticos em BiNbO 4 dopado com V 2 O 5. No Capítulo 5 são apesentados comentáios geais sobe os esultados do tabalho. São explicitadas as pespectivas imediatas e futuas do desenvolvimento de pesquisas envolvendo mateiais ceâmicos de alta pemissividade elética e outos mateiais, como filmes finos, feitas e metamateiais, com aplicações em antenas patch de micofita e outos dispositivos utilizados em feqüências de micoondas. 6

23 CAPÍTULO 2 ANTENAS DE MICROFITA Neste capítulo são apesentadas sínteses históicas e algumas caacteísticas de antenas e de antenas de micofita, incluindo a técnica de alimentação do patch po linha de micofita. São também descitos os pincipais paâmetos de antenas; os métodos de análise numéica; os softwaes comeciais e os instumentos de medições que foam utilizados neste tabalho. 2.1 Antenas Em 1873, James Clek Maxwell ( ) sintetizou de foma bilhante os conhecimentos teóicos da eleticidade e do magnetismo em um conjunto de quato equações, denominadas de equações de Maxwell do Eletomagnetismo. Maxwell demonstou que a luz ea poduzida po oscilações de campos eletomagnéticos e que estas oscilações geavam também outos tipos de ondas eletomagnéticas, que podiam se popaga atavés do espaço com a velocidade da luz. As pimeias antenas foam constuídas po Heinich Rudolph Hetz ( ) em Usando ádio feqüência, o pimeio tansmisso usou uma antena dipolo e o pimeio ecepto, uma antena anel. Em 24 de maço de 1896, o usso Alexande Stepanovich Popov ( ), montou um dispositivo que pemitiu a tansmissão e ecepção de ondas eletomagnéticas ente edifícios da Univesidade de São Petesbugo, na Rússia. Em 1901, Guglielmo Maconi ( ) enviou sinais eletomagnéticos a longas distâncias, com a pimeia tansmissão tansatlântica ente a Inglatea e o Canadá. Utilizou uma antena tansmissoa com 50 fios veticais em foma de leque, conectados à Tea com o uso de um tansmisso que poduzia centelhas. Os fios eam supotados hoizontalmente po um tiante ente dois postes de madeia com compimento de 60 m. A antena eceptoa no Canadá ea fomada po um fio de 200 m de compimento estendido e sustentado po uma pipa [28]. 7

24 As antenas atuam como uma egião de tansição, ou seja, são tansdutoes. No caso das antenas tansmissoas, ente as ondas guiadas que se popagam em linhas de tansmissão e as ondas adiadas no espaço. Paa as antenas eceptoas, ente as ondas adiadas no espaço, po outa antena, em ondas a seem popagadas em linhas de tansmissão. Especificamente, uma antena é uma estutua geomética constituída de um mateial que pemite o movimento de cagas eléticas que, ao se submetido a uma excitação (tensão ou coente eléticas) poduz campos eletomagnéticos. A intensidade e dieção desses campos e pincipalmente a maneia como inteagem ente si, vai depende basicamente de quato fatoes: da foma de vaiação com o tempo das cagas eléticas (excitação); da foma da vaiação das cagas eléticas no espaço, que depende da geometia da antena; do mateial de que é constituída a antena e do meio físico no qual a antena está inseida [28]. Uma antena é um dispositivo que pemite a adiação e a ecepção de ondas eletomagnéticas na faixa de feqüência de ádio, ou RF (Radio Fequency), que coesponde a uma faixa de opeação com feqüências até Hz, acima da qual estão os aios infavemelhos. As ondas de ádio popiamente ditas possuem uma faixa de feqüências que vão de 10 4 Hz a 10 8 Hz, com gandes compimentos de ondas, o que pemite que sejam efletidas pelas camadas ionizadas da atmosfea supeio (ionosfea)[28]. A Figua 2.1 mosta um diagama do especto eletomagnético, apesentando o compimento de onda, λ(m), e a feqüência, f (Hz), da onda eletomagnética. λ (m) f (GHz) Figua 2.1: Especto eletomagnético. Fonte: www. mspc.eng.b. 8

25 Inicialmente, uma gande divesidade de antenas foam pojetadas e constuídas com o objetivo de cobi váias faixas de feqüências, sempe com a tecnologia voltada paa elementos adiantes constuídos com fios e opeando na faixa de UHF (Ulta High Fequency faixa de opeação com feqüências de 300 MHz até 3 GHz). As antenas filamentaes podem te a foma de fio eto, helicoidal, de espias (loop), também denominadas antenas de quados. Paa as antenas de quado as fomas gealmente são etangulaes, quadadas ou ciculaes [28]. Com a Segunda Guea Mundial, na década de 40, novos tipos de elementos adiantes foam intoduzidos, tais como: guias de ondas com abetuas, efletoes, conetas, antenas independentes da feqüência, antenas-lente, antenas de micofita, aanjo de antenas, antenas inteligentes, antenas e sistemas de antenas econfiguáveis e de múltiplas funções [28]. O desenvolvimento da tecnologia dos computadoes, ocoido especialmente duante o peíodo de 1960 até 1990, influenciaam o avanço da modena tecnologia usada na fabicação de antenas. Alguns esquemas típicos de antenas são apesentados na Figua 2.2. Monopolo Dipolo Espia (loop) Aanjo Yagi-Uda Log-peiódica Refleto paabólico Figua 2.2: Esquemas de alguns tipos de antenas. 9

26 O pojeto de uma antena no século XXI pode se consideado uma ate de engenhaia, pois os métodos de análises e pojetos são altamente sofisticados, não se paecendo em nada com os métodos utilizados na pimeia metade do século XX, que podem se classificados como métodos de tentativas e eos [28]. Com um gande númeo de aplicações da tecnologia de antenas, a egião de baixas feqüências do especto eletomagnético ficou satuada, de maneia que os novos pojetos dedicam-se a usa as feqüências elevadas, dente estas a faixa de feqüências de micoondas e de ondas miliméticas [29]. A faixa de feqüência denominada micoondas coesponde ao intevalo ente 300 MHz e 300 GHz. A concentação maio de aplicações atavés da engenhaia de micoondas acontece na faixa de feqüência compeendida ente 1 GHz e 40 GHz [29]. A gande vantagem da utilização de antenas que opeam em alta feqüência em sistemas de comunicações sem fio, consiste em que estas antenas podem tansmiti e ecebe em uma laga banda de feqüências, sem as atenuações que ocoem nas nuvens quando se usa, po exemplo, a faixa de feqüência ótica (infavemelho ao ultavioleta) [29]. A Tabela 2.1 apesenta a designação das faixas de feqüência (em GHz) em micoondas de maio inteesse em aplicações, de acodo com o IEEE [29]. Tabela 2.1: Designação das faixas de feqüência (GHz) em micoondas do IEEE. Banda Feqüência Aplicações (GHz) L 1,0 2,0 Comunicação pessoal e GPS S 2,0 4,0 Comunicação pessoal e fono de micoondas C 4,0 8,0 Comunicação via satélite X 8,0 12,0 Rada teeste paa navegação aéea Ku 12,0 18,0 Rada e ádio ponto a ponto K 18,0 26,5 Rada e ádio ponto a ponto Ka 26,5 40,0 Rada e ádio ponto a ponto 10

27 2.2 Antenas de micofita Nas últimas décadas, acentuou-se o inteesse na utilização de estutuas planaes em comunicações sem fio, destacando-se as antenas de micofita. Este tipo de antena foi poposto po Geig e Englemann [30] e Deschamps [31], nos Estados Unidos da Améica, e po Guitton e Baissinot [32], na Fança, no início dos anos de Em 1960, Lewin [33] analisou os efeitos de adiação poduzidos po linhas de fita condutoas impessas. Em 1970, Byon [34] desceveu o compotamento de uma fita adiante condutoa sepaada de um plano de tea atavés de um substato dielético. Ainda duante a década de 70, o inteesse po estas antenas cesceu intensamente. Destacam-se também as contibuições de Howell [35], que desceveu caacteísticas de antenas de micofita com patches de fomas etangulaes e ciculaes e de Wienschel [36], que intoduziu divesas geometias de micofitas com utilização em aanjos cilíndicos paa uso em foguetes. Também se pode cita a contibuição de Munson [37], que tabalhando com o desenvolvimento de antenas de micofita paa uso em foguetes e mísseis, mostou que este ea um conceito pático que podeia se estendido paa outos sistemas de antenas. A aplicação de um modelo matemático a uma antena de micofita foi ealizada inicialmente com o uso de analogias das linhas de tansmissão à patches etangulaes simples [37] [38]. Cave [39] analisou o diagama de adiação de um patch cicula em 1976 e a pimeia análise matemática de uma ampla vaiedade de patches de micofita foi publicada em 1977 po Lo et al. [40]. Potanto, no final dos anos 70, as antenas de micofita tonaam-se bastantes conhecidas e passaam a se utilizadas em uma gande vaiedade de sistemas de comunicações. A configuação básica de uma antena de micofita constitui-se de um substato dielético onde em uma das faces é impesso um conduto adiante ou patch, temo que pode se taduzido como placa pequena, e na outa face é impesso um plano de tea. Difeentes geometias e caacteísticas dos substatos usados nas antenas (pemissividade elética; pemeabilidade magnética), como também a condutividade elética dos metais usados na confecção dos condutoes, podem modifica o desempenho da antena. 11

28 O patch e o plano de tea podem apesenta divesas geometias, dependendo da aplicação que se deseja faze. As fomas mais usadas paa o patch são as etangulaes, ciculaes, tiangulaes, afiladas, em foma de letas, anéis, sendo ecentemente também usadas fomas factais. Algumas destas geometias são mostadas na Figua 2.3. Retangula Quadado Tiangula Afilado Cicula Seto Cicula Anel Cicula Elíptico Dipolo Em foma de S Factal de Siepinski Factal de Koch Figua 2.3: Exemplos de geometias usadas nos patches das antenas de micofita. No pojeto de antenas de micofita, o objetivo é tenta enconta a melho elação ente as dimensões da antena e as popiedades elética e magnética do mateial usado no substato com as suas caacteísticas de adiação, visando um desempenho com menoes pedas e custos. O desenvolvimento nos métodos de análise numéicos e na constução física destas antenas popiciou um aumento cescente em pesquisas elativas a estes tipos de dispositivos. As antenas de micofita possuem dimensões eduzidas, são leves e ocupam um pequeno volume no espaço disponível, sendo assim, não intefeem na aeodinâmica dos sistemas onde são colocadas (dispositivos embacados). 12

29 As antenas de micofita são moldáveis às supefícies planas ou cuvas, mecanicamente obustas quando colocadas em supefícies ígidas, conseguem uma integação de foma simples com outos tipos de cicuitos, sendo compatíveis com os cicuitos integados monolíticos de micoondas (MMIC - Monolithic Micowave Integated Cicuit) [1]. Opeam com todos os tipos de polaização e em múltiplas feqüências, apesentando também vesatilidade em temos de diagamas de adiação e impedância. O mateial usado em sua fabicação possui custo elativamente baixo. Em contapatida, quando elacionadas com os outos tipos de antenas, possuem lagua de banda limitada (0,5% a 10%) e um baixo ganho (5,0 db a 6,0 db). Apesentam ainda um gande númeo de ondas de supefície, ocasionando a diminuição da eficiência, adiação extena nas linhas e junções e baixa capacidade de manejo de potência. Também adiam somente em um meio plano e são suscetíveis às alteações climáticas. As antenas de micofita podem se usadas em dispositivos de comunicações teestes, aéeas, maítimas e aeoespaciais, comunicação pessoal (WiFi, WLAN, WiMAX, bluetooth), satélites, adaes, sensoiamento emoto e instumentação ambiental, contole e comando de sistemas, elementos de adiação em antenas complexas, alames, sistemas de posicionamento global (GPS Global Positioning System), etiquetas inteligentes (RFID Radio-Fequency Identification), telemetia de mísseis e foguetes. Na medicina, são utilizadas como adiadoes biomédicos. 2.3 Técnicas de alimentação de antenas de micofita As técnicas de alimentação influenciam a impedância de entada e as caacteísticas de uma antena de micofita, constituindo-se num impotante paâmeto do pojeto [41]. Dente as fomas de alimentação do patch, destacam-se as seguintes: linha de micofita, cabo coaxial, acoplamento eletomagnético, acoplamento po abetua e po guia de onda coplana (CPW Coplana Wave Guide), mostadas espectivamente nas Figuas 2.4(a), 2.4(b), 2.4(c), 2.4(d) e 2.4(e). 13

30 (a) (b) (c) (d) (e) Figua 2.4: Alimentação po: (a) linha de micofita; (b) cabo coaxial; (c) acoplamento eletomagnético; (d) abetua e (e) guia de onda coplana. Na constução das antenas deste tabalho foi usada a foma de alimentação po linha de micofita, que consiste em alimenta o patch adiante também com uma linha de micofita de lagua bem meno do que a lagua do patch. Uma outa foma de alimentação bastante usada é a alimentação po cabo coaxial, que é ealizada acoplando-se o conduto cental de um cabo coaxial ao patch adiante e conectando-se o conduto exteno ao plano de tea. A caacteística desse tipo de alimentação é um fácil casamento de impedâncias, obtido com o posicionamento adequado do cabo coaxial no patch e meno quantidade de adiações espúias. Entetanto, a potubeância do conecto acima do plano de tea destói a caacteística plana do dispositivo. Este tipo de aanjo também tona a configuação assimética, a lagua de banda fica limitada e é mais difícil de modela. A foma de alimentação influi no diagama de adiação da antena, podendo desconfigua o lobo pincipal de adiação geando lobos secundáios, o que afeta a sua dietividade, elação fente-costas etc. A vantagem da alimentação po linha de micofita é a facilidade de constução, pois os elementos condutoes são impessos no mesmo substato, de foma que a estutua pemanece plana [42]. Além disso, apesenta uma modelagem e um casamento de impedâncias mais simples. 14

31 As fomas de alimentação po linha de micofita e po cabo coaxial são consideadas alimentações dietas ou conectadas, pois existe contato dieto ente a linha de alimentação e o patch. No caso de usa-se o acoplamento eletomagnético, o acoplamento po abetua ou a alimentação po um guia de onda coplana, estas fomas são denominadas de alimentações indietas ou não conectadas, pois não existe contato dieto ente a linha de alimentação e o patch conduto. Gealmente, visando o casamento de impedâncias, considea-se o patch com uma eentância ao longo do compimento da linha de alimentação (inset fed). A Figua 2.5 apesenta detalhes de uma antena com eentância no patch etangula de micofita, com plano de tea, utilizando um substato em foma de caixa etangula. Linha de micofita Reentância Patch Plano de tea Substato dielético Figua 2.5: Antena patch etangula de micofita com eentância sobe substato dielético com plano de tea. A seleção de uma ou outa foma de alimentação depende de muitos fatoes. O mais impotante é o casamento de impedâncias, que está elacionado dietamente à eficiência de tansfeência de potência ente o elemento adiante e o elemento alimentado. A estutua é pojetada paa que sua adiação seja nomal ao patch (adiação boadside) ou na dieção axial ao patch (adiação end-fie), dependendo da escolha do modo de excitação. 15

32 2.4 Paâmetos de antenas Paâmetos de espalhamento Qualque cicuito ou dispositivo inseido numa linha de tansmissão (linha-t) pode se epesentado po uma ede de duas potas, cujo compotamento é descito po seus paâmetos de espalhamento ou sua matiz de espalhamento, [S] dada po [29]: S11 S12 [ S ] =. (2.1) S 21 S 22 No nosso tatamento, os paâmetos S ij possuem a mesma impedância caacteística Z 0, epesentando ondas de tensão entando e saindo pelas potas, sendo um paâmeto S ij definido como a fação da onda de tensão entando pela j-ésima pota e saindo pela i-ésima pota, confome epesentação mostada na Figua 2.6. Pota 1 Pota 2 V 1 + S 21 V 2 - S 11 S 22 V 1 - S 12 V 2 + Figua 2.6: Repesentação da fomulação da matiz de espalhamento. Repesentando-se a onda de tensão entando na pota po um sobescito + (mais) e a onda saindo da pota po um sobescito - (menos), tem-se: [ V ] = [ S ][ V ] +, onde [29]: + V + 1 [ V ] = ; + V2 V 1 [ V ] =. (2.2) V2 16

33 Da expessão maticial, fica: + V, tomando V 0, que = S11 V1 + S12 V2 coesponde à situação em que a pota 2 está casada, teemos o paâmeto S 11 dado po: S + 11 = V1 /V1 2 =. Potanto, paa um dispositivo com uma pota apenas, como é o caso de uma antena, vai existi somente o coeficiente de eflexão S 11. Se S 12 S21 =, isto é, se as caacteísticas da adiação são as mesmas em ambas as dieções, esta ede de duas potas é denominada ecípoca, que é uma popiedade de cicuitos passivos, ou seja, cicuitos sem dispositivos ativos ou feitas. A ede ecípoca pode se definida como uma ede cuja matiz de espalhamento é igual à sua tansposta, descito matematicamente po: definida po [29]: t [ S ] = [ S], sendo a matiz tansposta S S S S t S = S S S (2.3) Uma ede sem pedas não possui nenhum elemento esistivo e não haveá atenuação do sinal. Ou seja, paa este tipo de ede o que enta deve sai e nenhuma potência é ealmente entegue à ede. A ede sem pedas possui o poduto da matiz de espalhamento tansposta pelo complexo conjugado da matiz oiginal igual à matiz unitáia, [U ] expesso po: [ S] t [ S] = [ U ], onde [29]: 1 0 [U ] =. (2.4) Impedância As antenas podem se epesentadas po uma impedância de entada complexa, Z ant, à linha de tansmissão que lhe fonece alimentação (ou à estutua de acoplamento que a une à linha de alimentação). A impedância da antena é uma esistência séie com a eatância da antena, j X ant. Assim, pode-se esceve [29]: R ant em 17

34 Z = R + j X. (2.5) ant ant ant A esistência da antena consiste de uma esistência de adiação, esistência dissipativa devido às pedas ôhmicas no metal conduto, R = R + R. A impedância da antena pode então se expessa po [29]: ant ad dis R ad, e uma R dis. Logo, Z = R + R + j X (2.6) ant ad dis ant A modelagem do cicuito que epesenta a impedância expessa desta foma é mostada na Figua 2.7. Figua 2.7: Repesentação da impedância da antena como um cicuito. A impedância de entada de uma antena é, gealmente, uma função da feqüência. Desta foma, a antena ficaá casada à linha de tansmissão de inteconexão, e a outos elementos associados, somente em uma deteminada lagua de banda. Na pática, a impedância caacteística da linha de tansmissão é eal, enquanto a do elemento da antena é complexa, como também a vaiação de cada uma em função da feqüência não é a mesma. Potanto, cicuitos e casamento eficientes devem se pojetados visando um melho desempenho destes dispositivos na faixa de feqüência de opeação. Esta impedância também depende de outos fatoes, como a geometia e o mateial de que é constituída a antena, dos métodos de excitação e da poximidade de objetos na vizinhança da antena [28]. 18

35 2.4.3 Coeficiente de onda estacionáia e peda de etono Devido às eflexões na fonteia de uma linha de tansmissão, o meio contendo a onda incidente também contém a onda efletida e a supeposição destas duas ondas foma um padão de ondas estacionáias. Considee-se uma linha de tansmissão sem pedas, de compimento l, com impedância caacteística Z 0 (gealmente Z 0 = 50Ω) e teminada po uma onda de caga com impedância Z c. O coeficiente ou a azão de onda estacionáia de tensão, VSWR (Voltage Stationay Wave Radio), desta linha de tansmissão, é definido como sendo a azão ente os valoes máximo e mínimo da amplitude da onda estacionáia (seja uma onda de tensão, V, ou de coente, I ), estabelecida ao longo do compimento l da linha, expesso po [29]: V 1+ Γ máx I máx VSWR = = =. (2.7) V I 1 Γ mín mín Onde Γ é o coeficiente de eflexão da linha, dado po: Z Z Z + Z c 0 Γ =. (2.8) c 0 Uma situação digna de nota é quando ocoe o casamento de impedâncias, isto é, Z c = Z 0, esultando em Γ = 0 (sem eflexão) e o VSWR tem o seu valo mínimo, VSWR = 1. Se a pota está em abeto ou cuto-cicuito, completamente descasada, temse Γ = 1, a impedância de caga Z c tende a infinito. Uma ede de uma pota, que é o caso de uma antena, é descita pincipalmente atavés da peda de etono ( RL - Retun Loss), que coesponde ao paâmeto S 11 na matiz de espalhamento. A peda de etono na i-ésima pota de uma ede pode se expessa como: Vi RLi ( db) = 20log ( db) = 20log Γi ( db). (2.9) + V i 19

36 2.4.4 Feqüência de essonância e lagua de banda Neste tabalho, a feqüência cental ou feqüência de essonância de uma antena, f, é o valo da feqüência no ponto de meno valo de peda de etono abaixo de -10 db ( S 11 < -10 db). A lagua de banda de uma antena, BW, pode se definida como sendo a faixa de feqüências em tono de sua feqüência de opeação, consideando-se os dois pontos com peda de etono igual a -10 db ( S 11 = -10 db). Estas feqüências são denominadas de feqüência infeio, f inf, e feqüência supeio, f sup, da faixa de feqüências. A Figua 2.8 mosta um gáfico de peda de etono em função da feqüência com estas feqüências e a lagua de banda. Figua 2.8: Gáfico da peda de etono em função da feqüência mostando as feqüências e a lagua de banda de uma antena. A lagua de banda em tono da feqüência de essonância, ou simplesmente lagua de banda de uma antena, é expessa po: BW = f sup f inf. (2.10) 20

37 A lagua de banda de uma antena pode se definida como a azão ente as feqüências supeio e infeio, f / f sup inf, sendo usada quando a feqüência supeio é maio ou igual do que o dobo da feqüência infeio, caso em que a antena é denominada banda laga. Assim, uma lagua de banda 4:1 indica que a feqüência supeio é quato vezes maio que a feqüência infeio. A maneia mais feqüente de definição da lagua de banda de uma antena é na foma de pecentual, denominada lagua de banda pecentual, epesentada po BW (%) e definida po: fsup finf BW (%) = 100 (2.11) f As antenas podem se classificadas de acodo com o valo da lagua de banda pecentual como: (i) Banda esteita, com 0 % < BW (%) < 1% ; (ii) Banda laga, com 1% BW (%) 20% ; (iii) Banda ulta laga, com BW (%)>20% Fato de qualidade e tangente de pedas O fato de qualidade, Q, epesenta as pedas da antena. Tipicamente podemos te pedas: (i) po adiação associadas a um fato de qualidade Q ad ; (ii) po condução (ôhmicas), associadas a um fato de qualidade Q c ; (iii) no dielético, associadas a um fato de qualidade Q d ; (iv) de ondas de supefície, associadas a um fato de qualidade O fato de qualidade total, pedas, sendo definido po [28]: Q sup Q t de uma antena, é influenciado po todas estas = (2.12) Q Q Q Q Q t ad c d sup 21

38 Estas pedas colocam um limite fundamental na lagua de banda de uma antena eleticamente cuta, de tal maneia que o fato de qualidade paa estas antenas pode se expesso po [28]: 1 Q=. (2.13) BW (%) Usando a equação (2.11), que fonece a expessão da lagua de banda pecentual em função das feqüências, a equação (2.13) fica escita como: f 100 f Q= = 100. (2.14) BW f sup f inf Entetanto, a equação (2.14) não leva em conta o casamento de impedâncias nos teminais da antena. Uma definição mais significativa da lagua de banda pecentual é feita em uma faixa de feqüências em que o VSWR nos teminais de entada é igual ou meno do que um valo mínimo desejado, admitindo que o VSWR tem valo unitáio na feqüência de opeação. Uma foma modificada desta equação que leva em conta o casamento de impedâncias é dada po [28]: f f VSWR 1 =. (2.15) Q VSWR 2.5 Métodos de Análise Os métodos de análise de antenas de micofita podem se classificados em duas categoias: 1) os modelos apoximados, cuja fomulação toma como base a distibuição de coente magnética equivalente ao edo das magens do patch. Os modelos apoximados na caacteização das antenas de micofita possuem uma pecisão satisfatóia até deteminados valoes de feqüências [28]. 22

39 Com o aumento nos valoes da feqüência, a análise se tona impecisa, pincipalmente paa a faixa das ondas miliméticas. As simplificações oiundas destes modelos, tais como a desconsideação da existência de popagação de ondas de supefície, afetam sobemaneia a modelagem do mecanismo de adiação da antena em altas feqüências. Todavia, estes modelos são impotantes, pois fonecem uma solução pimáia e uma idéia qualitativa com elação ao pojeto de uma antena. Dente os modelos usados nos pojetos de antenas de micofita com patch etangula o Modelo da Linha de Tansmissão (TLM - Tansmission Line Model) é um dos mais simples. Ele possibilita a deteminação de divesos paâmetos da antena, tais como a feqüência de essonância, o diagama de adiação e a impedância de entada. Gealmente este modelo é usado em patches etangulaes (e quadados), sendo inadequado paa análise de estutuas tais como dipolos impessos e patches não etangulaes. Um outo modelo bastante utilizado é o Modelo da Cavidade Ressonante (RCM - Resonant Cavity Model), que é aplicado, a pincípio, em patches de geometia abitáia, mas consegue uma gande simplificação quando do uso de patches etangulaes[1], [41]-[43]. Além dos dois modelos descitos, existem também o Modelo de Rede Multipota (MNM Multipot Netwok Model) e o Modelo do Cicuito Equivalente (ECM - Equivalent Cicuit Model), que também são utilizados na deteminação dos paâmetos das antenas patch de micofita. 2) os modelos de onda completa, cuja descição dos paâmetos de antenas de micofita usando é encontada em publicações a pati do início dos anos 80. Com uma fomulação matemática mais igoosa, estes modelos conseguem esultados mais pecisos e esolvem poblemas em feqüências mais elevadas. Em contapatida, ele demanda um esfoço computacional bem maio. O objetivo de todos os métodos numéicos em eletomagnetismo é enconta soluções mesmo que apoximadas paa as equações de Maxwell (ou de equações deivadas delas) que satisfaçam as condições iniciais e de fonteia. Esta modelagem eletomagnética consiste no pocesso de análise da inteação dos campos eletomagnéticos ente objetos físicos e o meio ambiente. Resumidamente, envolve o uso de apoximações eficientes das equações de Maxwell, sendo empegado paa calcula o desempenho da antena, sua compatibilidade eletomagnética, seção tansvesal de ada e popagação de ondas eletomagnéticas no espaço live. 23

40 Alguns dos métodos numéicos aplicados na análise de antenas de micofita são: (i) Método dos momentos (MoM Method of Moments); (ii) Método dos elementos finitos (FEM - Finite Element Method); (iii) Método das difeenças finitas no domínio do tempo (FDTD - Finite- Difeence Time-Domain Method); (iv) Método das difeenças finitas no domínio da feqüência (FDFD Finite- Difeence Fequency-Domain Method); (v) Método dos potenciais vetoiais de Hetz. 2.6 Softwaes usados na análise das antenas de micofita Os softwaes usados neste tabalho foam o Ansoft Designe e o Ansoft HFSS (HFSS - High Fequency Stuctue Simulato). O uso destes softwaes teve como objetivo valida, atavés de simulações numéicas, os esultados expeimentais colhidos nos analisadoes de ede, destacando-se também como peças fundamentais na obtenção da constante de pemissividade elética elativa do substato dielético BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 e na otimização das dimensões físicas destes substatos e das antenas patch de micofita constuídas e analisadas neste tabalho. O Ansoft Designe usa o Método dos Momentos (MoM), aplicada com sucesso em dispositivos com áea ou volume pequenos. O Método dos Momentos (MoM) pode se usado em situações onde a função de Geen pode se deteminada, que nomalmente envolvem campos eletomagnéticos em meios lineaes e homogêneos, colocando limitações sobe o alcance e a genealidade dos poblemas em que os elementos de fonteia podem se aplicados. [44]-[45]. O Ansoft HFSS é um pogama que detemina os paâmetos S de estutuas passivas e a distibuição tidimensional de campos eletomagnéticos no inteio de uma estutua utilizando o Método dos Elementos Finitos (FEM). Este método consiste em dividi o dispositivo a se analisado em um gande númeo de pequenas egiões, denominadas elementos finitos. Cada elemento tem a foma de um tetaedo com quato tiângulos equilateais. Este conjunto de tetaedos é chamado de malha (mesh) do elemento finito. Os valoes dos campos eléticos e magnéticos nos pontos intenos a cada tetaedo são obtidos po intepolação a pati do conhecimento dos valoes destes campos nas aestas do tetaedo [44]-[45]. 24

41 2.7 Instumentos de medidas Paa a ealização de medições dos paâmetos de dispositivos de uma e duas potas, um dos mais impotantes equipamentos de laboatóio é o Analisado de Redes Vetoial (VNA Vectoial Netwok Analyze). Os pimeios VNAs foam poduzidos em 1967, como o VNA HP8410 da Hewlett-Packad. Os VNAs atuais conseguem faze medições extemamente pecisas, como po exemplo, dos paâmetos de espalhamento de um dispositivo de uma ou de duas potas, numa faixa de feqüência de 10 MHz até 110 GHz [29]. Estes equipamentos pemitem afei e testa [46]: antenas; guias de onda; chaves; cagas; filtos; cabos; cicuitos abetos; cutos; linhas de tansmissão; essoadoes dieléticos; acopladoes; pontes; divisoes; combinadoes; ciculadoes; atenuadoes; adaptadoes; diplexadoes; multiplexadoes; mistuadoes; multiplicadoes; moduladoes; osciladoes; etc. A medição da impedância na entada de um dispositivo é impotante paa que haja uma máxima tansfeência de enegia do geado paa a caga (antena). Os analisadoes de edes vetoiais apesentam os dados em uma gande vaiedade de fomas, inclusive na Cata de Smith, que fonece a impedância de entada da antena e detemina a elação ente a tensão e a coente, que é função das dimensões físicas da antena de micofita e da pemissividade elética elativa do mateial usado na sua constução. A necessidade da existência de um valo padão de impedância no dispositivo também tem que se consideada em cabos e conectoes, que devem mante a mesma elação. O VNA possui uma gande pecisão baseado em pate pelo pocedimento de calibação acoplado a um pogama de coeção de eos, sendo também acompanhando de um conjunto de teminações casadas, cutos, abetos e conexões dietas, que são ligadas á saída RF do VNA e meticulosamente medida. Estes são componentes padonizados e pé-calibados pelo fabicante. Esta técnica é denominada de calibação TRL (Though-Reflect-Line) [46]. Com a utilização deste conjunto de calibação, epesentado pictoicamente na Figua 2.9(a), as potas são vitualmente estendidas atavés dos váios adaptadoes e cabos de conexões até as potas do dispositivo sob teste (DUT - Device Unde Test). Antes de qualque medição faz-se a calibação do instumento [46]. 25

42 Esta calibação deve se ealizada paa cada feqüência, ou paa a faixa de feqüência a se utilizada. O pocesso de calibação é semi-automático, com a intodução e etiada dos componentes numa seqüência lógica coodenada pelo VNA onde os comandos são auto-explicativos. Paa a medição dos paâmetos das antenas de micofita, a antena é colocada numa câmaa anecóica, conectada ao VNA atavés de um cabo especial de baixas pedas, com a finalidade de evita medições com eflexões e difações das ondas no meio ambiente, como na configuação mostada na Figua 2.9(b). Analisado de Redes Analisado de Redes RF OUT RF OUT Cabo Câmaa Anecóica Cuto Caga Abeto Antena (a) (b) Figua 2.9 (a) Calibação do VNA e (b) Conexão de uma antena ao VNA. Quando da colocação de um dispositivo num VNA, ele vai vae uma faixa de feqüência específica e medi os paâmetos a ela associados. Numa deteminada feqüência, um sinal é enviado pela pota 1 do VNA ao DUT. Uma poção deste sinal incidente pode se efletida e etona à pota 1, uma pate pode se dissipada ou adiada no DUT e outa pate pode se tansmitida paa a pota 2. O VNA mede a azão complexa do sinal efletido paa o incidente, a peda de etono (S 11 ), assim como a azão do sinal tansmitido paa o sinal incidente (S 21 ). Da mesma maneia, enviando-se um sinal pela pota 2 ele vai medi S 12 e S 22. Como a antena consideada é um dispositivo de uma pota, o VNA vai medi apenas a peda de etono (S 11 ) [29]. 26

43 A impedância de entada é consideada como fato de nomalização na cata de Smith, e, o seu valo podeá não pemanece constante, pois vaia com a feqüência ou faixa de feqüência petendida paa opeação. O valo desta impedância deveá se de apoximadamente 50 Ω. Na cata de Smith, mostada na Figua 2.10, as cuvas de esistência e de eatância são constantes sendo positivas quando indutivas, com a eatância indutiva dada po: X L = ω L= 2π f L e negativas quando capacitivas, com a eatância capacitiva dada po X C = 1 / ω C = 1/ 2π f C. Nestas expessões, C é a capacitância e L é a indutância da antena em cada feqüência angula ω (em ad/s), que pode se escita como: ω = 2 π f, sendo f a feqüência do sinal (em Hz). Figua 2.10: Cata de Smith mostando as cuvas de impedância, esistência e eatância. No caso da impedância não coesponde ao valo desejado, em alguns casos pode-se ecoe ao LMA (Last Minut Adjustments), onde capacitoes de baixas capacitâncias que podem se sintonizados e outos dispositivos são acoplados à micofita, com a finalidade de melhoia da antena [46]. Esta dificuldade ocoe devido às dimensões eduzidas das micofitas. 27

44 Neste tabalho, foi usado o analisado de edes HP 8714C Netwok Analyze, com vaedua de feqüências de 300 MHz a 3 GHz, seial numbe US , cuja fotogafia é mostada na Figua Figua 2.11: HP 8714C Netwok Analyze. Fonte: Também foi utilizado o analisado de especto Rohde & Schwaz FSH6 Spectum Analyze, com vaedua de 100 KHz a 6 GHz, seial numbe , mostado na fotogafia da Figua Figua 2.12 Rohde & Schwaz FSH6 Spectum Analyze. Fonte: Paa a ealização de medidas com o Rohde & Schwaz FSH6 Spectum Analyze foi inseida uma ponte de VSWR (ponte de impedâncias) FSH Z3 VSWR Bidge 10 MHz 6 GHz 50 Ω, seial numbe , pemitindo a utilização deste instumento, que é um analisado de espectos, como um analisado de edes. 28

45 O analisado de edes afee paâmetos de componentes e dispositivos, possuindo uma fonte e um ecepto, podendo-se medi a amplitude e a fase. O analisado de espectos mede a amplitude e a caacteística do sinal (nível de potadoa, bandas lateais, hamônicas), além de consegui demodula e medi sinais mais complexos, mas funciona apenas como ecepto, efetuando medições escalaes, sem obtenção da fase [46]. As medições foam efetuadas com as antenas inseidas numa cuba anecóica de dimensões 1,0 m x 1,0 m x 1,0 m, conectadas atavés de um cabo, mostada na Figua Figua 2.13: Cuba anecóica usada nas medições. 2.8 Conclusão Neste capítulo, foi apesentado um beve históico sobe antenas e antenas de micofita e suas aplicações, com ênfase na faixa de feqüências de micoondas, paa utilização em sistemas de comunicações sem fio. Foam apesentados: os conceitos e caacteísticas dos pincipais paâmetos elativos às antenas de micofita; um esumo sobe modelos de onda completa; um esumo sobe os softwaes comeciais usados nos pojetos e simulações destas antenas; uma descição dos instumentos usados nas medições dos paâmetos das antenas de micofita desenvolvidas neste tabalho. As medições dos paâmetos das antenas foam efetuadas no Laboatóio de Telecomunicações (LABTELE), as simulações foam ealizadas no Laboatóio de Popagação e Comunicações Móveis (LAPCOM), ambos petencentes ao Depatamento de Engenhaia de Comunicações (DCO) da UFRN. 29

46 CAPÍTULO 3 O SUBSTRATO CERÂMICO BiNbO 4 Neste capítulo, são apesentados os paâmetos de substatos dieléticos elacionados com as popiedades eléticas, magnéticas e témicas destes mateiais. São elatados alguns destes paâmetos paa o caso paticula de substatos dieléticos ceâmicos constuídos com niobato de bismuto dopado com pentóxido de vanádio. São descitas algumas popiedades dos elementos químicos pesentes no substato. As etapas expeimentais da constução dos substatos ceâmicos e das antenas de micofita são apesentadas. São elatadas: a obtenção do pó BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 atavés do método de co-pecipitação; a secagem, maceação e pensagem do pó; a sinteização do substato; a metalização dos condutoes nos substatos; a soldagem do conecto, ficando concluída a antena patch de micofita; a caacteização das amostas atavés da difatometia po aios X. 3.1 Paâmetos de substatos dieléticos As gandezas físicas que caacteizam os mateiais com aplicações em eletomagnetismo são: a pemissividade elética, ε ; a condutividade elética, σ, e a pemeabilidade magnética, µ. Nos substatos dieléticos consideados pefeitamente isolantes, não exibindo popiedades feomagnéticas, tem-se que a pemeabilidade magnética elativa valeµ 1, de foma que a pemeabilidade magnética fica dada po: µ = µ µ 0 = µ 0. Já a pemissividade elética é dada po ε = ε ε 0, onde ε é denominada pemissividade elética elativa do meio. O temo µ 0 é a pemeabilidade magnética do vácuo, com valo dado po: 7 µ = 4π 10 H / m, e o temoε 0 é a 0 12 pemissividade elética do vácuo, dada po: ε = 8, F / m. Os mateiais, ou meios, são então classificados de acodo com estas caacteísticas eléticas como sendo: dieléticos sem pedas, dieléticos com pedas, semicondutoes, bons condutoes ou condutoes pefeitos. 0 30

47 Esta classificação vai depende da feqüência da onda eletomagnética que se popaga no meio. Um meio pode se dielético paa uma deteminada faixa de feqüências e conduto paa outa. Potanto, a feqüência é um fato impotante na caacteização de um meio dielético conduto. O cobe, po exemplo, que é um excelente conduto até em feqüências de micoondas, passa a se dielético na faixa de feqüências dos aios X, daí a explicação do fato de que os aios X penetam neste metal [47]. A velocidade de popagação da onda, v, no inteio do dielético é dada po v= λ f, e, no espaço live (vácuo), esta velocidade é igual à velocidade da luz, c, esultando em c= λ0 f. Paa uma mesma feqüência, a azão dos compimentos de ondas seá dada po: λ λ 0 = v c. (3.1) Com v= 1 = µε µ µ 1 0 ε ε 0 = 1 = ( µ ε )( µ 0 ε 0) µ ε c. (3.2) Na expessão da equação (3.2) foi usado que a velocidade da luz vale: c = 1/ µ ε. Substituindo a equação (3.1) na equação (3.2), temos que: 0 0 λ 1 =. (3.3) λ0 µ ε Nos mateiais que não apesentam popiedades feomagnéticas, como é o caso do antifeolético niobato de bismuto, tem-se que µ 1, e a elação ente os compimentos de ondas pela equação (3.3) esulta em: λ =. (3.4) ε 0 λd 31

48 Desta elação, vê-se que quanto maio a pemissividade elética do mateial meno o compimento de onda de opeação. Po sua vez, como a dimensão máxima de uma antena, L máx, é popocional ao compimento de onda de tabalho, quanto meno este compimento de onda, meno seá a dimensão da antena. Potanto, o uso de substatos ceâmicos de alta pemissividade elética pemite uma edução nas dimensões das antenas de micofita. A maioia das aplicações em eletomagnetismo envolve campos eletomagnéticos que vaiam senoidalmente com o tempo e a posição. Tais campos hamônicos no tempo são encontados em aplicações em comunicações e todos os cicuitos que tabalham com coente altenada são senoidais. Além disso, pulsos epetidos de infomações podem se tatados como séies de Fouie de pulsos senoidais. Um sinal hamônico no tempo pode se tansfomado paa o domínio da feqüência atavés do uso de fasoes. Temos que a deivada tempoal C / t, onde C é um veto hamônico no tempo, equivale a jω CS, onde C S é um veto independente no tempo e ω é a feqüência angula, que pode também se escita como feqüência da onda [47]. ω = 2π f, onde f é a Usando estes fatos, a Lei de Ampée com extensão de Maxwell paa campos eléticos e magnéticos hamônicos no tempo, epesentados po E S e H S espectivamente, é escita na foma fasoial (subscito s) como [47]: H = J + jω ε E = σ E + jωε E = ( σ+ jωε ) E. (3.5) S S S S S S Onde, na densidade de coente de condução, J S, foi usada a lei de Ohm: J S = σ E s. (3.6) O pimeio temo da equação (3.5) coesponde à coente de condução e o segundo temo, à coente de deslocamento de Maxwell. Assim, quando σ = 0 o meio é chamado de dielético pefeito, sendo consideado sem pedas se ε fo eal e com pedas se ε fo complexo [48]. Os meios são então classificados com elação à azão σ / ωε como [47]: 32

49 (i) Se σ / ωε = 1, temos a linha divisóia ente os dieléticos e os condutoes; (ii) (iii) Se σ / ωε < 10 2, temos os dieléticos; 2 2 Se 10 σ / ωε 10, temos os semicondutoes; (iv) Se σ / ωε > 10 2, temos os condutoes. Paa meios dieléticos com pedas a pemissividade elética elativa assume um valo complexo, sendo dada po: ε = ε jε. (3.7) ' " ' O temo ε na equação (3.7) é a pate eal da pemissividade elética elativa, " denominada de constante dielética do meio, e o temo ε é a pate imagináia desta gandeza, elacionada à pate dissipativa da enegia eletomagnética, que é tansfomada em calo (Efeito Joule). Na existência de cagas eléticas lives no dielético, elas podem se movimenta sob a ação do campo elético, sugindo então uma coente de condução que é popocional à condutividade elética iônica do meio ( σ ) [47]. Assim, a equação (3.7), esulta em: ion ' σ ion " ε = ε j + ε. (3.8) ω A tangente de pedas do mateial, tg δ, é definida como sendo a azão ente os módulos da coente de condução e da coente de deslocamento de Maxwell, que estão defasadas, sendo expessa po [47]: σ ion " + ε ω tgδ =. (3.9) ε ' Substituindo a equação (3.9) na equação (3.8), obtém-se a expessão da pemissividade elética elativa em função da tangente de pedas, dada po: ε ' = ε 1 ( j tgδ). (3.10) 33

50 No caso de substatos dieléticos muito finos, (h << λ 0 ), com fomas abitáias, podemos apoxima o fato de qualidade, Q d, do dielético como sendo o inveso da tangente de pedas deste mateial, tg δ, ou seja [47]: 1 Q d =. (3.11) tgδ Veifica-se então que o fato de qualidade mede a seletividade do essoado dielético em uma dada feqüência. O fato de qualidade de um dielético, quando analisado no contexto geal, é epesentado po Q d. No nosso estudo, po estamos sempe nos efeindo ao fato de qualidade do dielético, epesentamos este paâmeto po azões de simplificação po Q. Como o mateial dielético ceâmico niobato de bismuto possui um fato de qualidade Q > 1000, implicando em uma tangente de pedas com valo tg δ = tg δ < 10 3, foi consideado, em todas as simulações ealizadas, que Os substatos onde o compotamento do campo elético aplicado independe da dieção deste campo são denominados isotópicos, a pemissividade elética é constante e escita como ε = ε ε 0. Paa estes meios, tem-se ε x = ε y = ε z e a densidade de fluxo elético é eescita em função do campo elético como [48]: D D D x y z ε x = 0 0 ε 0 0 y 0 E 0 E ε z E x y z. (3.12) Já os substatos onde o compotamento do campo elético aplicado depende da dieção deste campo ou da oientação dos eixos do mateial são chamados de anisotópicos. As dieções dos eixos são deteminadas pelas popiedades cistalinas do mateial. Eles são classificados como meios anisotópicos uniaxiais, quando as pemissividades são iguais em duas dieções e difeente na outa, e como anisotópicos biaxiais, quando as pemissividades são difeentes nas tês dieções, isto é, ε ε ε [48]. Neste tabalho, os substatos ceâmicos constuídos utilizando o x y z BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 com pentóxido de vanádio são isotópicos [49]. 34

51 A utilização de ceâmicas dieléticas de alta pemissividade elética deve-se ao fato de que são mateiais especiais, obtidos a pati de composições bem estabelecidas, moldados sob condições contoladas de foma a manteem a estabilidade de suas caacteísticas, incluindo vaiações com a mudança de tempeatua do meio ambiente. Potanto, um mateial que apesente baixo valo de vaiação do coeficiente de tempeatua na feqüência de essonância, τ f, que é o caso dos mateiais ceâmicos, cujo patama paa este coeficiente é paticamente nulo, popociona manutenção da eficiência da antena com elação às mudanças na tempeatua do meio ambiente. O coeficiente de tempeatua na tempeatua de essonância é definido como [26], [50]: f = f τ f 10. (3.13) f 25 ( T ) Os temos f 20 e f 100 são as feqüências na tempeatua de 20 C e na tempeatua de 100 C, espectivamente. O temo T é a vaiação de tempeatua nestas duas feqüências, ou seja, T = 100 C - 20 C = 80 C. O valo f 25 é a feqüência a uma tempeatua de 25 C, gealmente deteminada usando-se uma egessão linea que minimiza os eos quadáticos médios dos pontos medidos vaiando-se a tempeatua de váias amostas ente 20 C e 100 C. Os substatos dieléticos desenvolvidos e constuídos neste tabalho, utilizando BiNbO 4 dopado com V 2 O 5, possuem baixos valoes do coeficiente de tempeatua na feqüência de essonância, situando-se em tono de τ 50 ppm / C [18] [19]. f 35

52 3.2 Os elementos químicos usados no substato dielético ceâmico BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 Algumas caacteísticas dos elementos químicos usados na constução dos substatos ceâmicos niobato de bismuto dopado com pentóxido de vanádio, são descitas a segui [51]: 1) O Bismuto. Símbolo: Bi. Númeo atômico: 83. Massa atômica: 208,98038 g. Elétons: [Xe]6s 2 4f 14 5d 10 6p 3. Densidade volumética do sólido: 9780 kg/m 3. Ponto de fusão: 271,3 C. Calo de fusão: 10,9 kj / mol; Ponto de ebulição: C. Calo de vapoização: 160 kj / mol. Resistividade elética: 130 x 10-8 Ω m. Condutividade témica: 7,87 W / (m C). Calo específico: 122 J / (kg C). É encontado em sua foma natual, sendo o pincipal mineal a bismutinita (sulfeto de bismuto, Bi 2 S 3 ). Pode se obtido como subpoduto do efino de mineais que contenham chumbo, cobe, estanho, pata e ouo. É um metal quebadiço, de aspecto banco avemelhado. De todos os metais, é o que possui o maio diamagnetismo e a meno condutividade témica depois do mecúio. Tem o mais alto efeito Hall e é pobe conduto de eleticidade. O bismuto se expande em 3,32 % na solidificação. No a, queima com chama azul e fumaça amaela do óxido fomado. Com água, sais solúveis de bismuto fomam sais básicos insolúveis. O bismuto foma ligas de baixo ponto de fusão quando mistuado com metais como o estanho e cádmio, que são usadas em fusíveis e detectoes de chamas. É utilizado na podução de aços maleáveis e como catalisadoes paa a fabicação de fibas em acílico. Também é usado em temopaes e eatoes nucleaes, em imãs pemanentes de elevada intensidade de campo magnético e em pigmentos de tintas paa pintuas atísticas. O oxicloeto de bismuto é usado em cosméticos. O subnitato e o subcabonato de bismuto têm aplicações medicinais. 2) O Nióbio. Símbolo: Nb. Númeo atômico: 41. Massa Atômica: 92,96038 g. Elétons: [K]5s 1 4d 4. Densidade volumética do sólido: 8570 kg/m 3. Ponto de fusão: C. Ponto de ebulição: C.. Calo de fusão: 26,4 kj / mol;. Calo de vapoização: 682 kj / mol. Resistividade elética: 15 x 10-8 Ω m. Condutividade témica: 53,7 W / (m C). Calo específico: 265 J / (kg C). 36

53 É encontado em mineais como a columbita (tântalo-niobato de feo e manganês, o pincipal) e a euxenita (titanoniobato de ítio, cálcio, céio, uânio e tóio). É um metal banco-acinzentado, bilhante, mole e dúctil. O aspecto se tona azulado, se exposto ao a po longo tempo. A oxidação começa a 200 C e, potanto, o tabalho a quente deve se feito em atmosfea potetoa. É aplicado em ligas paa eletodos de solda de aço inoxidável e outas ligas em aço e como aditivo em vidos de dispositivos óticos, paa aumenta índice de efação. O elemento tem popiedades supecondutoas e ligas de nióbio / estanho e nióbio / titânio são usada em magnetos supecondutoes de elevada intensidade de campo. Em azão da inatividade fisiológica, o metal e algumas ligas são usados em joalheia e em medicina (o metal pode se anodizado paa efina o aspecto). 3) O Vanádio. Símbolo: V. Númeo atômico: 23. Massa Atômica: 50,9415. Elétons: [A] 4s 2 3d 3. Densidade volumética do sólido: kg/m 3. Ponto de fusão: C Ponto de ebulição: C.. Calo de fusão: 22,8 kj / mol;. Calo de vapoização: 453 kj / mol. Resistividade elética: 20 x 10-8 Ω m. Condutividade témica: 31,0 W / (m C). Calo específico: 489 J / (kg C). É encontado em tono de 65 difeentes mineais. Os mais impotantes são: canotita (uanovanadato de potássio e sódio,); oscoelita (silicato básico de potássio, vanádio, alumínio e magnésio); vanadinita (cloovanadato de chumbo) e patonita (sulfeto de vanádio). Sua pesença ocoe também em alguns mineais de fosfatos e de feo e alguns tipos de petóleo cu, na foma de complexos ogânicos. Meteoitos contêm uma pequena quantidade de vanádio em sua composição. No estado puo, é um metal bilhante, macio e dúctil. Tem boa esistência a álcalis, aos ácidos cloídico e sulfúico e águas com sais. Sofe oxidação em tempeatuas acima de 660 C. É usado paa poduzi aços esistentes à coosão e aços ápidos. Empegado como elemento de ligação paa cladea (uni de foma pemanente po laminação a quente) titânio com aço. Também usado em supecondutoes. O pentóxido de vanádio (V 2 O 5 ) é usado em ceâmicas e como catalisado paa podução de ácido sulfúico. O dióxido de vanádio (VO 2 ) é um evestimento especial paa vidos, com efeito bloqueado de adiação infavemelha. Usado em alguns tipos de bateias e células de combustível. O vanádio e o gálio são usados em eletoímãs supecondutoes. 37

54 3.3 Obtenção do BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 Paa a obtenção do niobato de bismuto (BiNbO 4 ) dopado com pentóxido de vanádio (V 2 O 5 ) foam usados como mateial de patida: o pentóxido de nióbio, o nitato de bismuto, o pentóxido de vanádio e o hidóxido de amônia. Gealmente, os pentóxidos de nióbio (Nb 2 O 5 ) e de vanádio (V 2 O 5 ) são denominados simplesmente de óxido de nióbio e de óxido de vanádio. O método utilizado é o da co-pecipitação [18] [19]. A aplicação deste método é ealizada pepaando-se uma solução líquida oiunda da mistua dos sais dos metais constituintes (bismuto, nióbio e vanádio) com adição de um pecipitante (o hidóxido de amônia), conseguindo-se assim a obtenção de um pecipitado final homogêneo. Neste método, a dissolução témica dos sais faz-se necessáia, de tal foma que as patículas pulveizadas esultantes da dissolução possuam dimensões nanométicas. Outos métodos comumente utilizados na obtenção de pós ceâmicos são: síntese po combustão, sol-gel, citatos e estado sólido [18] [19]. As massas das amostas são afeidas com o meno eo possível em uma balança de pecisão, mostada na Figua 3.1(a). A estequiometia usada paa o nitato de bismuto e o óxido de nióbio foi mantida 1:1 e a popoção de pentóxido de vanádio foi de 0,50 %. No método da co-pecipitação, uma quantidade estequiomética do Bi(NO 3 )3,5H 2 O (nitato de bismuto) é dissolvida em uma quantidade mínima de HNO 3 (ácido nítico) diluído, paa que não haja a pecipitação dos íons de bismuto. As quantidades estequiométicas de Nb 2 O 5 e V 2 O 5 são dissolvidas em ceca de 30 ml de HF (ácido fluoídico) com solução 40 %. A adição do pentóxido de vanádio (V 2 O 5 ), comumente chamado de óxido de vanádio, tem como finalidade diminui a tempeatua na tansição de fase do mateial ceâmico BiNbO 4, bem como também o valo de sua tempeatua quando da sinteização na obtenção do substato sólido. A adição de hidóxido de amônia povoca a pecipitação completa do nióbio e do bismuto como hidóxidos. As duas soluções fomuladas são mistuadas e mantidas sob agitação po 2 hoas. Após este intevalo de tempo, adiciona-se hidóxido de amônia paa a pecipitação dos hidóxidos de nióbio e bismuto. Após a pecipitação, a solução é filtada e lavada divesas vezes com água destilada. 38

55 O mateial pecuso é então colocado em um filto de papel e colocado em uma estufa (mufla), mostada na Figua 3.1(b), sendo posto paa seca po um tempo apoximado de 12 hoas, em uma tempeatua constante de 100 C. Em seguida, o mateial é etiado e posto num cadinho, sendo calcinado em um fono com tempeatua constante em tono de 750 C po 12 hoas. (a) (b) Figua 3.1: (a) Balança de pecisão e (b) Estufa. Os pimeios substatos ceâmicos foam obtidos usando-se o óxido de nióbio e o ácido fluoídico. Outos substatos foam constuídos usando-se oxalato de nióbio, sem a necessidade do ácido fluoídico. A foma mais simples de obtenção do pó BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 é usa a estequiometa 1:1 com os nitatos de nióbio e bismuto, disponíveis comecialmente, e o pentóxido de vanádio numa popoção 0,5%. Além deles, a utilização do hidóxido de amônia, com a finalidade de popociona uma co-pecipitação completa do nióbio e do bismuto como hidóxidos. O mateial usado na obtenção das amostas pulveizadas BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 podem se adquiidos à VETEC, que é uma empesa sediada no Basil que embala os podutos, que são oiundos da Alemanha, e à Aldich, empesa dos Estados Unidos da Améica. Estes podutos possuem às seguintes caacteísticas: Nitato de Bismuto III (5H 2 O) Puo - VETEC Fasco com 100 g; Nitato de nióbio - Aldich mesh Fasco 100 g; Pentóxido de Vanádio V (99,6%) - VETEC Fasco com 250 g; Hidóxido de amônia % PA - VETEC ml. 39

56 3.4 Caacteização do BiNbO 4 dopado com V 2 O Difação de aios X A difação de aios X (XRD X-Ray Diffaction) esulta da inteação ente o feixe de aios X incidente e os elétons dos átomos constituintes de um mateial, elacionado ao espalhamento coeente [52]-[53]. É tadicionalmente usada paa análises qualitativas e quantitativas de fases com estutuas cistalinas. A técnica consiste na incidência da adiação em uma amosta e na detecção dos fótons espalhados, que constituem o feixe difatado. Um feixe de aios X incide sobe um conjunto de planos cistalinos, cuja distância inteplana é epesentada po d. O ângulo de incidência do feixe com o plano cistalógafico é designado como θ. Os feixes efletidos po dois planos subseqüentes podem apesenta o fenômeno da difação. Isto é, se a difeença ente seus caminhos óticos fo um númeo inteio de compimentos de onda, haveá supeposição constutiva e um feixe de aios X seá obsevado, situação ilustada na Figua 3.2. Caso contáio haveá supeposição destutiva, e não se obsevaá qualque sinal de aios X [52]-[53]. Feixe Incidente Feixe Difatado Figua 3.2: Feixes de aios X incidente e difatado. 40

57 Este fenômeno é descito pela Lei de Bagg, que fonece a elação ente as posições angulaes dos feixes difatados em temos do compimento de onda λ do feixe de aios X incidente e da distância inteplana d dos planos cistalogáficos. Esta expessão é dada po [52]- [53]: nλ = 2 d senθ. Dente as vantagens da técnica de difação de aios X paa a caacteização de fases, destaca-se a simplicidade e apidez do método, a confiabilidade dos esultados obtidos, visto que o pefil de difação obtido é caacteístico paa cada fase cistalina. Possibilita também a análise de mateiais compostos po uma mistua de fases e uma análise quantitativa destas fases. No nosso estudo, foi usado paa análise de aios X um difatômeto da maca Shimadzu XRD 6000, mostado na Figua 3.3, do laboatóio de aios X do NUPEG UFRN, que utiliza uma fonte de adiação de CuKα de 1,5418 Angstons, com uma tensão de 30 kv e coente de 20 ma, em amostas pulveizadas. (a) (b) Figua 3.3: (a) Difatômeto Shimadzu XRD 6000 e (b) Inteio do difatômeto. Fontes: (a) X/xd/xd-6000.aspx e (b) 41

58 3.4.2 Análise pelo método de Rietveld O método de Rietveld é amplamente econhecido na análise estutual de quase todos os mateiais cistalinos não disponíveis na foma de monocistais [54]. Estudo da estutua de supecondutoes, mateiais magnéticos, etc., são algumas aplicações impotantes do método de Rietveld, tanto com dados de difação de aios X quanto da difação de nêutons. Este método pode se aplicado na análise quantitativa de fases, ajuste de paâmetos de cela e estudos estutuais como: deteminação de tamanho de cistalitos, distibuição de cátions, incopoação de átomos e fomação de vacâncias, posições atômicas e posições de ocupação [55]. Na aplicação do método Rietveld necessita-se da constução de um padão de difação calculado, que vaia com o modelo estutual. Este padão calculado é obtido pela intodução dieta dos dados cistalogáficos, como [54]: (i) Simetia do gupo espacial; (ii) Posições atômicas; (iii) Posições de ocupação; (iv) Paâmeto de ede. O padão calculado ao se ajusta ao padão obsevado fonece dados dos paâmetos estutuais do mateial e paâmetos do pefil de difação. O temo efinamento no método de Rietveld efee-se ao pocesso de ajuste do modelo de paâmetos utilizados no cálculo de um padão de difação, que seja o mais póximo do obsevado [54]. Os paâmetos, específicos de cada fase, que passam po vaiações duante o efinamento são de dois tipos [52]: (i) Estutuais - efeentes às posições atômicas, paâmetos da célula unitáia, fatoes de ocupação, fato de escala, paâmetos de vibação témica (isotópicos e anisotópicos) e paâmeto témico isotópico geal. (ii) Não-estutuais - paâmetos da lagua à meia altua (U, V, W), assimetia, 2θ zeo, oientação pefeencial e coeficientes da adiação de fundo. Os equisitos básicos paa o efinamento pelo método de Rietveld são [55]: (i) Medidas pecisas de intensidades dadas em intevalos 2θ; (ii) Um modelo inicial póximo à estutua eal do cistal; (iii) Um modelo que desceva a foma, lagua e eos sistemáticos nas posições dos picos de Bagg. 42

59 A pincipal vantagem deste método é a obtenção de um padão de difação po modelos matemáticos, sem gande consumo de tempo, de pessoal e de equipamento, além de elimina a necessidade de pepaação de amostas padão paa compaação das intensidades dos picos. A intodução de modelos matemáticos pemite também a coeção de efeitos de abeações sistemáticas povenientes da estutua da amosta e da geometia do difatômeto de aios X [55]. O efinamento pemite a definição das posições e intensidades das eflexões de Bagg de modo que, mesmo havendo sobeposição dos picos, as intensidades das eflexões de cada fase podem se avaliadas com boa pecisão. A utilização de todos os padões de difação possibilita uma maio pecisão nos esultados da análise quantitativa, quando compaados aos métodos tadicionais que utilizam eflexões isoladas [55] Resultado do difatogama de aios X As análises ealizadas po efinamento usando o Método de Rietveld neste tabalho pudeam se avaliadas pela obsevação da plotagem dos padões calculados e obsevados. Os pogamas utilizados paa o tatamento matemático po Rietveld disponíveis no mecado são, ente outos, Fullpof, DBWS, GSAS, Rietan e Maud. Neste tabalho o pogama utilizado foi o Maud vesão A Figua 3.4 mosta o difatogama de aios X das amostas pulveizadas de BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 usadas nos substatos. O difatogama pode se ajustado com duas componentes. Uma, a mais intensa, efeente à fase alfa-binbo 4 (ICSD ) com estutua otoômbica, com apoximadamente 73%, mostada na Figua 3.5(a) [56], e a outa efeente à fase beta-binbo 4 (ICSD ), com estutua ticlínica, com apoximadamente 27%, mostada na Figua 3.5(b) [56]. Os valoes dos paâmetos de ede deteminados paa a fase alfa-binbo 4 foam; a = 5,681 Angstons, b = 11,713 Angstons e c = 4,984 Angstons. O tamanho do cistalito obtido pela fómula de Debye-Schee [57] é de apoximadamente 660 nm. 43

60 Figua 3.4: Resultado da difação de aios X (XRD) da amosta de BiNbO 4. (a) (b) Figua 3.5: (a) Estutua otoômbica da fase alfa-binbo 4 e (b) Estutua ticlínica da fase beta-binbo 4. 44

61 3.5 Constução do substato ceâmico BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 Paa a constução do substato em foma de disco, a amosta pulveizada do niobato de bismuto dopado com pentóxido de vanádio tem sua massa calculada de acodo com as dimensões pojetadas paa o substato a se usado na antena, sendo esta massa afeida numa balança de pecisão. Com a finalidade de obtenção de um pó mais fino, esta quantidade de massa é maceada po 12 hoas, em um almofaiz em ágata apesentados na Figua 3.6(a). Duante o pocesso de maceação pode se usado um pouco de etanol ou álcool isopopílico 98 C (Álcool Isopopílico ISO, PA 2 Popanol - VETEC % ml). Em seguida, a amosta da massa medida é colocada no inteio de uma matiz em aço feamenta, apesentada na Figua 3.6(b), com diâmeto inteno D = 30,0 mm. Esta matiz foi especificamente pojetada e constuída paa molda os substatos com a geometia adequada às dimensões das antenas de micofita popostas, paa que estas antenas pudessem funciona na faixa de feqüências de comunicações sem fio. (a) (b) Figua 3.6: (a) Almofaiz em ágata com BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 e (b) Matiz em aço feamenta. Após a quantidade da amosta pulveizada do mateial se colocada na matiz em aço feamenta, passaá agoa po um pocesso de confomação, no qual seá moldado o substato ceâmico em foma de disco. 45

62 Na confomação do pó BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 foi usada uma pensa Ribeio com capacidade máxima de 30 toneladas, cuja fotogafia é mostada na Figua 3.7(a). Depois de se pensado, o substato em foma de disco (pastilha) é etiado da matiz em aço feamenta. Um dos substatos em BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 após sai da pensagem, ou confomação, é mostado na fotogafia da Figua 3.7(b). Gealmente esta confomação é conseguida pelo pocesso de pensagem uniaxial e em algumas situações uma pensagem isostática também é aplicada, paa que haja uma aglomeação unifome das patículas constituintes do pó em todas as dieções. O deslizamento das patículas do pó pode se facilitado duante a pensagem com a adição de álcool polivinílico. (a) (b) Figua 3.7: (a) Pensa usada na compactação do BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 e (b) Pastilha pensada. Na obtenção das pastilhas em foma de discos na matiz em aço feamenta foam aplicadas divesas pessões em sua supefície, de acodo com as caacteísticas da estutua petendida. Quanto maio a pessão aplicada meno é a etação do substato após o pocesso de sinteização. A pessão aplicada pelo êmbolo da pensa sobe o êmbolo da matiz em aço feamenta que está em contato com a amosta pulveizada é dada po: F m g p= =. (3.14) 2 A [ π ( D) / 4] 46

63 Nesta equação, A é a áea cicula do substato, definida po: 2 A= π D / 4. (3.15) Onde, D é o diâmeto inteno da matiz em aço feamenta, com valo 2 D= 30,0 mm= 3,00 10 m, o temo F é o valo do módulo da foça peso que é aplicada na supefície da pastilha, dado po: da gavidade, com valo 2 g = 9,80 m / s. F = m g, sendo g o módulo da aceleação Neste tabalho, foam aplicadas pessões sobe as amostas pulveizadas de BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 com valoes equivalentes a massas em toneladas dados po: m 1 = 24 t; m 2 = 18 t e m 3 = 12 t. Substituindo estes valoes na equação (3.14), temos os esultados destas tês pessões aplicadas sobe os substatos ceâmicos em unidades MKS, ou seja, em N/m 2 ou Pa (1 Pascal = 1 Pa = 1 N/m 2 ): Paa m 1 = 24 t, 5 F1 m1 g (9,41 10 ) N p1 = = = = 333MPa A π D / 4 (2,83 10 ) m Paa m 2 = 18 t, 5 F2 m2 g (7,01 10 ) N p2 = = = = 248 MPa A π D / 4 (2,83 10 ) m Paa m 3 = 12 t, 5 F3 m3 g (4,70 10 ) N p3 = = = = 166 MPa A π D / 4 (2,83 10 ) m Após a confomação do substato dielético em foma de disco ele foi aquecido a uma alta tempeatua duante um deteminado intevalo de tempo. A finalidade deste pocesso de aquecimento, que é denominado sinteização, é de acelea a difusão dos átomos constituintes do mateial sobe a supefície das patículas. 47

64 Com isto ocoem as ligações das patículas adjacentes aumentando sua esistência mecânica, evitando-se com isto que a ceâmica modifique sua confomação anteio a sinteização. Os vazios, também chamados de poos da ceâmica, são eliminados ocoendo um aumento na densidade da mateial. O pocesso de difusão quando da sinteização de um substato dielético ceâmico é epesentado pictoicamente na Figua 3.8. Patículas Antes da difusão Contono de gãos Depois da difusão Poos Gãos Substato ceâmico Sinteização Detalhe do substato sinteizado ceâmico Figua 3.8: Repesentação pictóica do pocesso de sinteização do substato dielético. Obseva-se que as popiedades físicas do substato sinteizado não dependem apenas da dimensão dos cistalitos, como também do contono de poos e gãos. De uma maneia geal, o tempo de sinteização de um substato ceâmico é modificado pelo tamanho das patículas constituintes do pó, sendo este tempo dietamente popocional ao tamanho das patículas, ou seja, quanto meno o tamanho meno seá o tempo de sinteização. A tempeatua de sinteização também diminui com o decéscimo das dimensões das patículas. A tempeatua de sinteização dos substatos ceâmicos pode vaia de apoximadamente 800 C a ºC, com um peíodo de 1 h até 12 hoas [56]. Paa se sinteizado, o substato dielético BiNbO 4 foi posto sobe uma placa de ceâmica plana e levado a um fono EDG 3PS, mostado na Figua 3.9(a), de foma que atinja uma tempeatua de 890 C, com degaus de 10 C, num intevalo de tempo de 2 hoas, etonando depois à tempeatua ambiente. Depois de esfia, o substato foi etiado do fono, confome mostado na Figua 3.9(b), estando apto paa ecebe a metalização com a geometia adequada paa cada antena ou dispositivo a se usado em micoondas. 48

65 (a) (b) Figua 3.9: (a) Fono usado na sinteização e (b) Pastilha sinteizada. Na metalização definitiva dos substatos ceâmicos constuídos foi usada a cola condutiva em pata da empesa note-ameicana Dinaloy. Esta cola é aplicada aos metais condutoes já ecotados com a geometia adequada paa cada antena. Os ecotes metálicos são unidos ao substato e colocados em um fono com tempeatua de 180 C duante dez minutos. A metalização sobe os substatos foi ealizada utilizando-se o cobe como mateial conduto, seguindo a geometia equeida paa cada estutua Conclusão Neste capítulo, foam descitos alguns paâmetos de substatos dieléticos e popiedades dos elementos químicos do substato ceâmico niobato de bismuto dopado com pentóxido de vanádio: o bismuto, o nióbio e o vanádio. Foi apesentada a foma de obtenção das amostas pulveizadas do BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 atavés do método de co-pecipitação. Foam descitos os pocessos de maceação, pensagem e sinteização do BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 até a confecção dos substatos em foma de discos usados neste tabalho. Estes pocessos foam efetuados no LACAV Laboatóio de Ceâmicas Avançadas do Depatamento de Química (DQ) da UFRN. Foi apesentada a caacteização das amostas usando-se a difatometia po aios X, ealizada do laboatóio de aios X do Núcleo de Pesquisa em Petóleo e Gás (NUPEG) da UFRN. Foi também descita a metalização dos substatos com a geometia adequada paa as antenas de micofita constuídas e analisadas neste tabalho. 49

66 CAPÍTULO 4 ANTENAS PATCH DE MICROFITA SOBRE SUBSTRATOS CERÂMICOS BiNbO 4 Neste capítulo, são elatados os dados elativos aos substatos e as geometias de quato antenas patch de micofita pojetadas e constuídas usando o mateial ceâmico BiNbO 4 dopado com V 2 O 5. Os esultados simulados e medidos que pemitiam obte paâmetos tais como: a pemissividade elética elativa do substato BiNbO 4 dopado com V 2 O 5; a peda de etono (paâmeto de espalhamento S 11 ); a feqüência de essonância; a lagua de banda e a lagua de banda pecentual destas quato antenas são apesentadas. Os esultados medidos e simulados mostaam boa concodância. As antenas investigadas podem se usadas em sistemas de comunicações sem fio, opeando em feqüências ente 2,5 GHz e 3,0GHz, na banda S. 4.1 Pojeto e constução de antenas patch de micofita sobe BiNbO 4 Quato potótipos de antenas patch de micofita foam pojetados e constuídos sobe substatos dieléticos usando o mateial ceâmico BiNbO 4 dopado com V 2 O 5. Os substatos foam confeccionados em foma de discos, confome mosta a Figua 4.1(a). Estes substatos possuem diâmetos e espessuas difeentes, e foam pojetados paa funciona numa faixa de feqüência de acodo com a antena pojetada. Tês antenas foam constuídas com planos de tea completos numa das faces do substato, confome epesentação esquemática mostada na Figua 4.1(b), enquanto que na quata antena foi usado um plano de tea tuncado, como mostado na Figua 4.1(c). 50

67 (a) (b) (c) Figua 4.1: (a) Substato dielético ceâmico BiNbO 4 em foma de disco; (b) Plano de tea e (c) Plano de tea tuncado. Em todas as antenas foi usada a alimentação po linha de micofita, em vitude deste tipo de alimentação apesenta maio facilidade na constução física, na integação com outos elementos do cicuito e na obtenção do casamento de impedâncias das antenas de uma maneia mais simples. As caacteísticas das geometias dos condutoes aplicados aos patches da outa face dos substatos modificaam-se de acodo com o pojeto das antenas. Estas antenas de micofita podem se descitas com elação à caacteística da geometia dos patches como sendo: (i) (ii) Patch etangula de micofita, Figua 4.2(a); Patch etangula de micofita com eentância (inset fed), Figua 4.2(b); (iii) Patch afilado de micofita com eentância (inset fed), Figua 4.2(c); (iv) Patch monopolo de micofita em foma de S, Figua 4.2(d). (a) (b) (c) (d) Figua 4.2: (a) Patch etangula de micofita; (b) Patch etangula de micofita com eentância; (c) Patch afilado de micofita com eentância e (d) Patch monopolo de micofita em S. 51

68 4.2 Antena patch etangula de micofita. A. Constução Usando-se uma massa m = 8,600 g de BiNbO 4 dopado com V 2 O 5, foi pensado na matiz em aço feamenta um substato em foma de disco, sendo aplicada ao substato uma pessão uniaxial de valo p = 333 MPa. Em seguida, a pastilha em foma de disco foi sinteizada, atingindo uma tempeatua de 890 C, com degaus de 10 C, em um intevalo de tempo de 2 hoas. As dimensões do substato após a sinteização são: diâmeto, D = 28,8 mm; espessua (altua), h = 2,9 mm, com geometia epesentada na Figua 4.3(a). Sobe uma das faces do substato foi metalizado um plano de tea confome epesentação da Figua 4.3(b). D D h ε (a) (b) Figua 4.3: (a) Substato em foma de disco e (b) Plano de tea metalizado com cobe. Na outa face do disco, foi metalizada uma linha de micofita com lagua dada po W 0 = 1,0 mm e com compimento L 0 = 6,0 mm, que alimenta um patch conduto etangula, cujas dimensões possuem valoes iguais a: W = 21,0 mm; L = 16,0 mm [58] [60]. Esta configuação geomética é mostada na Figua

69 z x y W D L L 0 W 0 Figua 4.4: Vista supeio do patch etangula de micofita. Em seguida os conectoes de alimentação foam soldados, ficando concluída a antena patch etangula de micofita. As fotogafias desta antena mostando o patch etangula, o plano de tea e uma vista lateal, são mostadas nas Figuas 4.5(a), 4.5(b) e 4.5(c), espectivamente. (a) (b) (c) Figua 4.5: Fotogafias da antena patch etangula de micofita mostando: (a) o patch etangula de micofita; (b) o plano de tea e (c) uma vista lateal. 53

70 B. Resultados medidos e simulados As medidas de peda de etono (em db) em função da feqüência (em MHz) da antena patch etangula de micofita, em uma faixa de feqüências ente 1,0 GHz e 3,0 GHz, obtidas no HP 8714C são mostadas na Figua 4.6. A impedância de entada (em Ω) da antena, esultado medido no HP 8714C atavés da cata de Smith, é apesentada na Figua 4.7. Figua 4.6: Gáfico da peda de etono em função da feqüência da antena patch etangula de micofita medido no HP 8714C. Figua 4.7: Cata de Smith da antena patch etangula de micofita com indicação dos esultados medidos no HP 8714C. 54

71 Visando a obtenção do valo da constante de pemissividade elética elativa do mateial ceâmico BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 na feqüência de essonância com o meno eo pecentual possível, divesas simulações da antena patch etangula de micofita foam ealizadas no Ansoft Designe [65], cuja inteface gáfica é mostada na Figua 4.8. Figua 4.8: Inteface gáfica da antena patch etangula de micofita no Ansoft Designe. O gáfico da Figua 4.9 mosta o esultado do compotamento da peda de etono (em db) em função da feqüência (em GHz), numa faixa de feqüências compeendida ente 1 GHz e 3 GHz, obtido com o meno eo elativo pecentual na feqüência de essonância, nas simulações no Ansoft Designe. Este eo elativo pecentual, com valo E el (%) = 0,8 %, coespondeu a uma pemissividade elética elativa do substato ceâmico dada po ε = 47, 8 [58] [60]. Figua 4.9: Gáfico da peda de etono em função da feqüência da antena patch etangula de micofita simulado no Ansoft Designe com ε = 47, 8. 55

72 ε Consideando o valo da constante de pemissividade elética elativa dada po = 47,8, os esultados da peda de etono (db) em função da feqüência (GHz), simulados no Ansoft Designe e medidos no HP 8714C foam taçados em supeposição com o Matlab e são apesentados no gáfico da Figua 4.10 [58] [60]. Da análise do gáfico, pode-se obseva uma boa concodância ente os valoes medidos e simulados. Figua 4.10: Gáfico dos valoes das pedas de etono em função da feqüência da antena patch etangula de micofita medidos no HP 8714C e simulados no Ansoft Designe com ε = 47, 8. A Tabela 4.1 apesenta os paâmetos da antena patch etangula de micofita medidos no HP 8714C e simulados no Ansoft Designe paaε = 47, 8. Os paâmetos são: feqüência de essonância, f (GHz); peda de etono [S 11 (db)]; lagua de banda, BW(MHz) e lagua de banda pecentual, BW(%)[58] [60], Tabela 4.1: Paâmetos da antena patch etangula de micofita. Paâmeto HP 8714C Ansoft Designe f (GHz) 2,620 2,640 S 11 (db) -12,7-11,4 BW (MHz) BW (%) 2,6 3,8 56

73 O diagama de adiação em tês dimensões obtido po simulação no Ansoft Designe da antena patch etangula de micofita paaε = 47, 8 é mostado na Figua Figua 4.11: Diagama de adiação em 3D da antena patch etangula de micofita obtido no Ansoft Designe comε = 47, Antena patch etangula de micofita com eentância A. Constução Foi constuído um substato dielético BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 com uma massa m = 7,800 g de BiNbO 4 dopado com V 2 O 5, sendo aplicada uma pessão p = 248 MPa. A pastilha em foma de disco foi sinteizada, atingindo uma tempeatua de 890 C, com degaus de 10 C, po um peíodo de 2 hoas. O valo da constante de pemissividade elética elativa do substato usado foi ε = 47, 8. O substato dielético em foma de disco obtido possui as seguintes dimensões: diâmeto, D = 27,0 mm; altua, h = 2,5 mm, mostado na Figua 4.12(a) [61]. 57

74 Em uma das faces do substato foi metalizado o plano de tea e na outa face do disco um patch etangula de micofita com eentância (inset fed), cuja geometia é apesentada na Figua 4.12(b), com dimensões dadas po: W 0 = 1,0 mm; L 0 = 7,3 mm; W = 16,0 mm; L = 18,0 mm e Y 0 = 1,0 mm. O intevalo de vaiação do compimento da eentância da linha de alimentação no patch, X 0, foi de 0,0 mm X 0 5,0 mm [61]. D x z y W h L L 0 X 0 Y 0 Y 0 W 0 (a) (b) Figua 4.12: (a) Substato com plano de tea e (b) Vista supeio da antena patch etangula de micofita com eentância. A fotogafia da antena patch etangula de micofita após a intodução do conecto é mostada na Figua Figua 4.13: Fotogafia da antena patch etangula de micofita com eentância. 58

75 A utilização de uma inseção da linha de alimentação no patch tem como meta a otimização da impedância de entada da antena ( casamento de impedâncias). Pode-se detemina expeimentalmente, atavés da vaiação do compimento da inseção da linha de alimentação no patch, X 0, o valo deste compimento que coesponde ao esultado mais póximo possível ente a impedância de entada do conjunto linha de micofita e patch adiante (antena) e a impedância do sistema de tansmissão (ou ecepção), denominada impedância caacteística, com valo Z 0 = 50 Ω. B. Resultados medidos e simulados Os paâmetos de peda de etono (em db) em função da feqüência (em GHz) e as impedâncias de entada (em Ω) da antena patch etangula de micofita com eentância foam medidos no HP 8714C Netwok Analyze. Foam consideados os valoes do compimento da inseção da linha de micofita (X 0 ) ao longo do patch vaiando desde X 0 = 0 mm até X 0 = 5,0 mm, com incemento X 0 = 1,0 mm. A Figua 4.14 apesenta estes esultados taçados em Matlab, no intevalo de feqüências de 2,8 GHz a 3,0 GHz. Da análise destes esultados pode-se conclui que a meno peda de etono ocoe paa X 0 = 4,0 mm [61]. Figua 4.14: Gáficos dos valoes das pedas de etono em função da feqüência e de X 0 da antena patch etangula de micofita com eentância medidos no HP 8714C. 59

76 O esultado da impedância de entada obtida na cata de Smith, medido no HP 8714C, é apesentado na Figua 4.15, paa um intevalo de feqüências ente 1,5 GHz e 3,0 GHz. O valo desta impedância ocoeu na situação em que o valo do compimento da inseção da linha de micofita no patch foi X 0 = 4,0 mm, que foi o melho esultado encontado, paa um intevalo de feqüências ente 1,5 GHz e 3,0 GHz [61]. Figua 4.15: Cata de Smith da antena patch etangula de micofita com eentância com indicações dos esultados medidos no HP 8714C paa X 0 = 4,0 mm. O esultado paa a pate eal desta impedância de entada da antena possui valo 51,15 Ω, e a pate imagináia tem valo -2,20 Ω. O valo eal da impedância de entada possui um eo elativo pecentual E el (%) = 2,4 % com elação ao valo da impedância caacteística, 50,00 Ω, constituindo-se num esultado com boa pecisão. Usando o Ansoft HFSS [65] foam ealizadas simulações paa o caso em que o compimento da eentância da linha de alimentação em micofita no patch etangula possui a meno peda de etono, com o melho casamento de impedâncias, encontado como sendo X 0 = 4,0 mm paa esta antena. O simulado Ansoft HFSS pemite a utilização de substatos e caixas de adiação de divesas fomas, como po exemplo, com fomatos de caixas etangulaes e de discos. Os melhoes esultados deteminados nas simulações das antenas ocoeam com substatos epesentados nas simulações em foma de discos. 60

77 Também foam usadas caixas de adiação em foma de discos nestas simulações. A Figua 4.16 mosta a inteface gáfica da antena patch etangula de micofita com eentância no Ansoft HFSS. Figua 4.16: Inteface gáfica da antena patch etangula de micofita com eentância no Ansoft HFSS. A Figua 4.17 apesenta o esultado da peda de etono em função da feqüência da antena patch etangula de micofita com eentância, obtido no Ansoft HFSS consideando o valo da pemissividade elética elativa do substato dielético como sendo ε = 47, 8. Figua 4.17: Peda de etono em função da feqüência da antena patch etangula de micofita com eentância simulada no Ansoft HFSS com ε = 47, 8. 61

78 Os esultados de pedas de etono em função da feqüência da antena patch etangula de micofita com eentância, medidos no HP 8714C e simulados no Ansoft HFSS, com vaedua de feqüências de 2 GHz a 3 GHz, taçados juntos usando-se o Matlab, paa X 0 = 4,0 mm, são mostados na Figua 4.18 [61]. Os esultados medidos e simulados apesentaam uma boa concodância paa a feqüência de essonância, com um eo elativo pecentual dado po E el (%) = 1,3 %. Figua 4.18: Gáfico das pedas de etono em função da feqüência da antena patch etangula de micofita com eentância, medidos no HP 8714C e simulados no Ansoft HFSS comε = 47, 8 e X 0 = 4,0 mm. A Tabela 4.2 apesenta os valoes dos paâmetos da antena patch etangula de micofita com eentância, medidos no HP 8714C e simulados no Ansoft HFSS. Os paâmetos das antenas são: feqüência de essonância, f (GHz); peda de etono, S 11 (db); lagua de banda, BW (MHz) e lagua de banda pecentual, BW (%) [61]. Tabela 4.2: Paâmetos da antena patch etangula de micofita com eentância. Paâmeto HP 8714C Ansoft HFSS f (GHz) 2,903 2,865 S 11 (db) -32,0-19,1 BW (MHz) BW (%) 2,8 1,1 62

79 4.4 Antena patch afilado de micofita com eentância A. Constução Na constução do substato desta antena, foi usada uma massa de valo m = 7,800 g de BiNbO 4 dopado com V 2 O 5, com a aplicação de uma pessão p = 248 MPa e condições de sinteização tal que foi atingida uma tempeatua de 890 C, com degaus de 10 C, duante um intevalo de tempo de 2 hoas. O substato em foma de disco obtido tem dimensões dadas po D = 27,0 mm e h = 2,5 mm, cuja geometia é apesentada na Figua 4.19(a). Paa a confecção da antena patch afilado de micofita com eentância, foi metalizado um patch afilado (tapezoidal), alimentado po uma linha de micofita com eentância ao longo do seu compimento, cuja geometia é mostada na Figua 4.19(b). As dimensões possuem valoes dados po: W 0 = 1,0 mm; L 0 = 6,0 mm; W 1 = 15,0 mm; W 2 = 14,0 mm; L = 15,0 mm e Y 0 = 1,0 mm [62]. O intevalo de vaiação do compimento da eentância da linha de alimentação no patch, X 0, foi de 0,0 mm X 0 6,0 mm. z y W 1 D x W 2 h L L 0 X 0 Y 0 Y 0 W 0 (a) (b) Figua 4.19: (a) Substato com plano de tea e (b) Vista supeio do patch afilado de micofita com eentância. 63

80 A fotogafia da antena patch afilado de micofita com eentância após a metalização dos condutoes e a soldagem do conecto é mostada na Figua Figua 4.20: Fotogafia da antena patch afilado de micofita com eentância. B. Resultados medidos e simulados Na medição dos paâmetos de peda de etono (em db) em função da feqüência (em MHz) e das impedâncias de entada (em Ω) da antena patch afilado de micofita com eentância foi usado o HP 8714C Netwok Analyze. Com a vaiação do compimento da eentância da linha de alimentação no patch, X 0, podemos detemina o valo deste compimento que coesponde ao esultado mais póximo possível ente a impedância de entada da antena e a impedância caacteística (Z 0 = 50 Ω). Foam consideados os valoes do compimento da inseção da linha de micofita (X 0 ) ao longo do patch vaiando desde 0,0 mm até 6,0 mm, com incemento X 0 = 1,0 mm. A Figua 4.21 mosta os esultados das medições de peda de etono em função da feqüência da antena patch afilado de micofita com eentância, com vaedua de feqüências de 2,0 GHz a 3,0 GHz, consideando 0,0 mm X 0 6,0 mm [62]. 64

81 Figua 4.21: Gáfico dos valoes das pedas de etono em função da feqüência e de X 0 da antena patch afilado de micofita com eentância medidos no HP 8714C. Com estes esultados, veificamos que a meno peda de etono ocoe paa o valo do compimento de eentância da linha de micofita no patch (inset fed) de valo X 0 = 3,0 mm. A cata de Smith desta paa X 0 = 3,0 mm, numa faixa de feqüências de MHz a MHz, é mostada na Figua 4.22 [62]. Figua 4.22: Cata de Smith da antena patch afilado de micofita com eentância com indicações dos esultados medidos no HP 8714C paa X 0 = 3,0 mm. 65

82 O esultado paa a pate eal desta impedância de entada da antena patch afilado de micofita com eentância teve valo 45,37 Ω, e a pate imagináia possui valo -73,02 mω. O valo eal da impedância possui um eo elativo pecentual de E el (%) = 9,8 % com elação ao valo ideal de impedância caacteística 50,00 Ω, que é um esultado com boa pecisão, consideando que o patch afilado possui uma maio complexidade geomética com elação ao patch etangula da antena patch etangula de micofita. A vaiação do compimento da inseção da linha de alimentação no patch, X 0, com incementos de X 0 =1,0 mm, pemitiu a obtenção de uma impedância de entada da antena bem póxima do valo petendido, o da impedância caacteística (Z 0 = 50 Ω). As simulações ealizadas no Ansoft HFSS consideaam a situação em que o compimento da eentância da linha de alimentação em micofita no patch afilado possui a meno peda de etono, com o melho casamento de impedâncias, encontado como X 0 = 3,0 mm, cuja inteface gáfica é mostada na Figua Figua 4.23: Inteface gáfica da antena patch afilado de micofita com eentância no Ansoft HFSS. O esultado da peda de etono em função da feqüência obtido no Ansoft HFSS, numa faixa de feqüências ente 1,5 GHz e 3,0 GHz, paa a antena patch afilado de micofita com eentância é apesentado no gáfico da Figua O valo da pemissividade elética elativa usado nas simulações foi ε = 47, 8 [62]. 66

83 Figua 4.24: Gáfico de peda de etono em função da feqüência da antena patch afilado de micofita com eentância simulado no Ansoft HFSS com ε = 47, 8. Usando uma vaedua de feqüências de 2 GHz a 3 GHz, são apesentados, na Figua 4.25, os esultados de pedas de etono em função da feqüência da antena patch etangula de micofita com eentância, medidos no HP 8714C e simulados no Ansoft HFSS, taçados com Matlab. Os esultados medidos e simulados apesentaam uma boa concodância paa a feqüência de essonância, com um eo elativo pecentual dado po E el (%) = 5,2 % [62]. Figua 4.25: Gáfico dos valoes medidos no HP 8714C e simulados no Ansoft HFSS das pedas de etono em função da feqüência da antena patch afilado de micofita com eentância paa X 0 = 3,0 mm. 67

84 A Tabela 4.3 apesenta os valoes dos paâmetos dos paâmetos da antena patch afilado de micofita com eentância, medidos e simulados: feqüência de essonância, f (GHz); peda de etono, S 11 (db); lagua de banda, BW (MHz) e lagua de banda pecentual, BW (%) [62]. Tabela 4.3: Paâmetos da antena patch afilado de micofita com eentância. Paâmeto HP 8714C Ansoft HFSS f (GHz) 2,550 2,690 S 11 (db) -29,6-24,7 BW (MHz) BW (%) 6,8 1,8 4.5 Antena patch monopolo em S de micofita A. Constução Na confecção do substato ceâmico obtido com o BiNbO 4 dopado com V 2 O 5 usado na antena patch monopolo em S de micofita foi utilizada uma massa com valo m = 3,450 g, sendo aplicada uma pessão p = 166 MPa. A sinteização foi ealizada com tempeatua final de 890 C, com degaus de 10 C, em um intevalo de tempo de 2 hoas. O substato esultante possui foma de disco de diâmeto D = 26,0 mm e espessua (altua) h = 1,0 mm, cuja geometia é apesentada na Figua 4.26 (a). Sobe uma das faces do substato foi impesso com cobe um plano de tea tuncado com dimensão dada po L g = 16,0 mm, com a geometia mostada na Figua 4.26(b) [63] [64]. 68

85 D D L g h ε (a) (b) Figua 4.26: Geometia da antena patch monopolo em S de micofita: (a) substato dielético e (b) plano de tea tuncado. Na outa face do disco dielético foi impesso um patch em S alimentado po uma linha de micofita, cuja geometia é epesentada na Figua 4.27 [27]. As dimensões são dadas po: L 0 = 7,0 mm; L 1 = 8,0 mm; L 2 = 4,0 mm; L 3 = 0,8 mm; L 4 = 1,8 mm; W 0 = 2,0 mm; W 1 = 1,0 mm; W 2 = 3,0 mm; W 3 = 1,6mm; W 4 = 5,0 mm [63] [64]. z y x. Figua 4.27: Vista supeio do patch em S de micofita. 69

86 As Figuas 4.28(a) e 4.28(b) apesentam as fotogafias da antena patch monopolo em S de micofita, mostando espectivamente o plano de tea tuncado e o patch em S de micofita. (a) Figua 4.28: (a) Fotogafia do patch em S e (b) Fotogafia do plano de tea tuncado. (b) B. Resultados medidos e simulados Foam ealizadas simulações no Ansoft HFSS e medições de peda de etono em função da feqüência da antena patch monopolo de micofita em foma de S (S- Shaped) no Rohde & Schwaz FSH6, com vaedua de feqüências até 6 GHz. O valo da pemissividade elética elativa usada nas simulações foi ε = 47, 8. A inteface gáfica da antena patch monopolo em S de micofita no Ansoft HFSS é mostada na Figua

87 Figua 4.29 Inteface gáfica da antena patch monopolo em S de micofita no Ansoft HFSS. O gáfico do compotamento da peda de etono em função da feqüência obtido neste simulado, num intevalo de feqüências ente 1 GHz e 6 GHz, paa a antena patch de micofita monopolo em S, é apesentado na Figua Figua 4.30: Gáfico de peda de etono em função da feqüência da antena patch monopolo em S de micofita no Ansoft HFSS com ε = 47, 8. 71