Desenvolvimento de antenas planares reconfiguráveis em estruturas com metasuperfícies

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO Desenvolvimento de antenas planares reconfiguráveis em estruturas com metasuperfícies Felipe Ferreira de Araújo Orientador: Prof. Dr. Adaildo Gomes D Assunção Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação da UFRN (área de concentração: Telecomunicações) como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências. Número de ordem do PPgEEC: M484 Natal, RN, janeiro de 2017

2 Universidade Federal do Rio Grande do Norte UFRN Sistema de Bibliotecas SISBI Catalogação da Publicação na Fonte - Biblioteca Central Zila Mamede Araújo, Felipe Ferreira de. Desenvolvimento de antenas planares reconfiguráveis em estruturas com metasuperfícies / Felipe Ferreira de Araújo f. : il Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Computação. Natal, RN, Orientador: Prof. Dr. Adaildo Gomes D Assunção. 1. Antenas planares - Dissertação. 2. Metasuperfície - Dissertação. 3. Reconfiguração - Dissertação. I. D Assunção, Adaildo Gomes. II. Título. RN/UF/BCZM CDU

3 Desenvolvimento de antenas planares reconfiguráveis em estruturas com metasuperfícies Felipe Ferreira de Araújo Dissertação de Mestrado aprovada em 30 de janeiro de 2017 pela banca examinadora composta pelos seguintes membros: Prof. Dr. Adaildo Gomes D Assunção (orientador) DCO/UFRN Prof. Dr. Laércio Martins de Mendonça DCO/UFRN Prof. Me. Gutembergue Soares da Silva DCO/UFRN Prof. Dr. José de Ribamar Silva Oliveira IFRN Prof. Dr. Adaildo Gomes D Assunção Júnior IFPB

4 À minha filha Maria Alice por me proporcionar o amor de ser pai.

5 Agradecimentos A minha família, que sempre tomou a educação como prioridade. Em especial para ao meu Pai Ridalvo Batista e minha mãe Maria Dalgenira pelo apoio e torcida pelo meu sucesso durante todos esses anos. Agradeço a minha esposa Thécia pelo carinho, compreensão, incentivo e a toda sua família, pelo amor e confiança. Agradeço ao professor Dr. Adaildo Gomes pela atenção e orientação nesse trabalho. Agradeço aos colegas Luis Felipe e Willian pela colaboração e parceria para o desenvolvimento dessa pesquisa. Aos amigos e colegas de curso Ruann, Mario e Daniel pela companhia e amizade sincera durante toda vida acadêmica. E por fim, agradeço a Deus por me proporcionar tudo isso.

6 Resumo No Brasil e no mundo, a evolução do setor de telecomunicações tem sido cada vez mais requisitada como uma clara consequência do crescimento exponencial da demanda por sistemas de comunicação sem fio. Neste cenário, a integração de múltiplos padrões wireless em uma única plataforma, antena reconfigurável, também conhecida como antena sintonizável, está atraindo muita atenção. Estruturas metasurfaces têm sido extensivamente utilizadas nos últimos anos para alcançar o aperfeiçoamento de antenas, dentre eles, a reconfiguração. Uma metasuperfície (também referida como um metafilm) é o equivalente de uma superfície metamaterial. Mais precisamente, um metafilm é uma superfície com uma distribuição de pequenos dispersores arranjados ao longo de uma região do espaço, de modo a obter comportamentos eletromagnéticos desejáveis. Para muitas aplicações, metasuperfícies podem ser usadas no lugar de metamateriais, pois possuem como vantagem principal ocupar menos espaço físico do que as estruturas tridimensionais dos metamateriais, oferecendo a possibilidade de perdas reduzidas, o que tem gerado grande interesse. Neste contexto, esta dissertação de mestrado apresenta a simulação, o projeto e a implementação de estruturas de antenas planares acopladas a estruturas de metasurfaces a fim de realizar reconfiguração de antenas em frequência, polarização e multibanda, para aplicações em comunicações sem fio. A análise das estruturas das antenas é realizada com o auxílio de ferramentas computacionais. Protótipos são construídos e medidos, para fins de comprovação experimental. Os resultados obtidos em medições e simulações apresentam uma boa concordância. Palavras-chave: Antenas planares, antenas reconfiguráveis, metasurfaces, reconfiguração, comunicações sem fio.

7 Abstract All over the world, the evolution of the technological apparatus for telecommunications systems has been increasingly required, as a clear consequence of the exponentially growth in the demand for wireless communication services. Therefore, the integration of multiple wireless standards on a single platform, like a reconfigurable antenna, also known as tunable antenna, is attracting much attention. Metasurfaces structures have been extensively used in recent years to improve the performance of planar antennas for wireless applications, including reconfiguration. A metasurface (also referred to as a metafilm) is the equivalent of a metamateriai surface. More precisely, one metafilm is a surface with a distribution of small scatterers arranged along a region of space, to achieve desirable electromagnetic behaviors. For many applications, metasurfaces can be used in place of metamaterials because they have the advantage of taking up less physical space than the three-dimensional structures of metamaterials, offering the possibility of reduced losses, which has generated great interest. Therefore, this master thesis presents the simulation, design and implementation of planar antenna structures coupled to metasurfaces structures in order to reconfigure frequency, polarization and multiband antennas for wireless communications applications. The analysis of the antenna structures is performed with the aid of computational tools. Prototypes are fabricated and measured for experimental verification purpose. Simulations and measurements results are in good agreement. Keywords: Planar antennas, reconfigurable antennas, metasurfaces, reconfiguration, wireless communications.

8 Sumário Sumário i Lista de Figuras iii Lista de Tabelas v 1 Introdução Organização deste Trabalho Teoria de Antenas Introdução Parâmetros das antenas Diagrama de radiação Polarização Diretividade Rendimento, eficiência de feixe e Ganho Tipos de Antenas Antenas Filamentares Antenas de Abertura Arranjo de Antenas Antenas de Microfita Conclusão Metasuperfícies 17 i

9 3.1 Introdução Definições e aplicações Metasurperfícies x FSS Conclusão Reconfiguração em Antenas Introdução Reconfiguração em antenas Frequência Polarização Diagrama de Radiação Conclusão Antena reconfigurável em frequência Introdução Projeto de Antena Resultados Simulados Conclusão Antena reconfigurável em polarização Introdução Parâmetros construtivos da antena Descrição da estrutura rotativa Resultados simulados e medidos Conclusão Conclusões 52

10 Lista de Figuras 2.1 Diagrama de Radiação Modelos de antenas tipo filamentares. (a) Dipolo, (b) Antena de quadro, (c) Antena helicoidal Modelo de antenas tipo abertura Modelo de antena de microfita Diferentes modelos de patch Alimentação por cabo coaxial Alimentação por acoplamento Alimentação por proximidade Exemplo de metasurpefície Escala de comportamento dos materiais compósitos Tipos de elementos de FSS, (a) FSS tipo passa faixa, (b) FSS tipo rejeita faixa Antena reconfigurável em frequência Layout da antena reconfigurável em frequência Gráfico da perda de retorno para a antena com patch quadrado Diagrama de radiação da antena com patch quadrado Gráfico da perda de retorno para a antena acoplada a MS Diagrama de radiação da antena acoplada à MS Gráfico da perda de retorno da antena com o MS rotacionado em Diagrama de radiação da antena com o MS rotacionado em iii

11 5.9 Gráfico da perda de retorno da antena com o MS rotacionado em Diagrama de radiação da antena com o MS rotacionado em Protótipo da antena reconfigurável em polarização com o uso de metasuperfície Antena construída acoplada a estrutura rotativa Layout 3D da antenna reconfiguravel em polarização Vista lateral da estrutura rotativa Vista em diagonal da estrutura rotativa Resultados medidos e simulados para a antena reconfigurável em polarização com rotação de Resultados medidos e simulados para a antena reconfigurável em polarização com rotação de Gráfico da razão axial da antena acoplado ao MS sem rotação Gráfico da razão axial da antena acoplado ao MS com rotação em Diagrama de radiação antena com rotação de Diagrama de radiação antena com rotação de

12 Lista de Tabelas 5.1 Dimensões da antena (em: milímetros) Comparação entre os modelos apresentados Dimensões da antena (Em: milímetros) v

13 Capítulo 1 Introdução Os sistemas de comunicação sem fio estão se desenvolvendo visando a multifuncionalidade e proporcionando aos usuários a opção de conectividade aos diversos serviços, a toda hora e em qualquer lugar. Para atender completamente esta expectativa, esses sistemas de comunicação requerem não apenas sistemas eletrônicos rápidos e eficientes, mas também antenas com características variáveis, podendo mudar seus parâmetros em função dos objetivos a serem alcançados [24-25]. As antenas reconfiguráveis podem ser utilizadas simplesmente para reduzir o número de antenas necessárias para determinadas funcionalidades de sistemas, mas elas também podem ser projetadas para atender tarefas muito mais complexas. Algumas dessas tarefas incluem utilizá-las como elementos de controle programável, reduzir erros e ruídos, e aumentar a segurança. Exemplos de aplicações emergentes incluem rádio cognitivo, sistemas de múltiplas-entradas e múltiplassaídas (MIMO) e arranjos de alto desempenho[19]. Tornar as antenas reconfiguráveis para que seu comportamento possa adaptar-se com as mudanças dos requisitos do sistema ou condições do meio pode melhorar ou eliminar as restrições impostas pelas antenas convencionais e prover níveis adicionais de funcionalidade para qualquer sistema [40-41]. Por exemplo, antenas reconfiguráveis em dispositivos portáteis sem fio podem auxiliar a melhorar uma conexão ruidosa ou redirecionar a potência transmitida para conservar o tempo de vida da bateria. Em arranjos, antenas reconfiguráveis podem ser utilizadas para prover capacidades adicionais que podem

14 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 2 resultar em maiores larguras de banda instantâneas e diagramas de radiação com mais distribuições de lóbulos laterais desejáveis [25]. Analogamente, a evolução observada no desenvolvimento de antenas planares, compactas, reconfiguráveis e flexíveis, também foi notada em relação as estruturas metasurfaces. Essas estruturas têm sido utilizadas nos últimos anos para alcançar o aperfeiçoamento de antenas, dentre eles, a reconfiguração. Assim, é objetivo desse trabalho é projetar e analisar os efeitos de diferentes configurações de metasuperfície visando a reconfiguração de antenas. No desenvolvimento deste trabalho foi realizado uma etapa de projeto e simulação computacional, seguida de uma etapa de construção e medição de protótipos. Os softwares Designer e HFSS, da Ansoft, serão utilizados como ferramentas para os projetos das estruturas de antenas de microfita e metasuperfícies. As etapas de simulação, projeto, fabricação e medição dos protótipos serão efetuadas visando aplicações nas faixas de frequência de comunicações sem fio. Após a realização da etapa de simulação das estruturas será executada a etapa de fabricação dos seus protótipos e, por fim, a de medição e análise dos resultados obtidos, que determinará a eficiência alcançada com a utilização da reconfigurabilidade nas estruturas de metasuperfícies consideradas. A comparação entre resultados simulados e medidos permitirá avaliar a eficiência e a acurácia das técnicas e procedimentos utilizados. 1.1 Organização deste Trabalho No capítulo 2 são apresentados conceitos relativos às antenas, destacando seus parâmetros e tipos de antenas. Dentre elas a de microfita, como suas origens, vantagens e desvantagens, métodos de alimentação, etc. No capítulo 3 é realizada uma abordagem sobre metasuperfícies, destacando seu conceito e seu uso nas telecomunicações. Por fim é realizada uma diferenciação entre esse as metasuperfícies e os demais materiais compósitos, como as superfícies seletivas em

15 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 3 frequência (FSS). No capítulo 4 é feita uma revisão bibliográfica das antenas reconfiguráveis. Inicialmente, alguns conceitos são expostos e os principais tipos de antenas reconfiguráveis são apresentados. Para cada tipo é feita uma descrição do mecanismo utilizado, assim como sua teoria básica de operação. No capítulo 5 é realizado um projeto de uma antena reconfigurável em frequência com o uso de metasuperfície. São mostradas simulações e comparações para fins de comprovação da eficácia do projeto. No capítulo 6 é realizado um novo projeto de antena reconfigurável em polarização, onde uma estrutura rotativa com auxílio de uma impressora 3D foi construída para aumentar a precisão das medições. A fim de comprovação da eficácia do projeto, a antena foi construída e medida e seus resultados comparados para serem validados. No capítulo 7 são apresentadas as conclusões e propostas de continuidade deste trabalho.

16 Capítulo 2 Teoria de Antenas O objetivo deste capítulo é revisar a teoria sobre antenas. Inicialmente é feita uma definição sobre antenas e os parâmetros que as definem, são apresentados alguns tipos de antenas, dando ênfase para as antenas de microfita, onde será de grande importância para o entendimento do trabalho, por fim são abordados os principais métodos de alimentação existentes. 2.1 Introdução Antenas são estruturas geralmente metálicas usadas na transmissão de sistemas de rádios para irradiar ondas eletromagnéticas e na recepção para captá-las. Durante a transmissão, a antena converte a informação gerada pelo transmissor em ondas eletromagnéticas, e inversamente ocorre na recepção onde as ondas de rádio são processadas visando obter a informação transmitida [1]. Desta forma, constituem elementos essenciais para qualquer sistema de comunicação sem fio, realizando a interface entre o guia de onda e o espaço livre. O uso de RF ultrapassa a área das telecomunicações, sendo usadas nos campos da medicina, diatermia, em tratamentos terapêuticos em fisioterapia e até na cozinha de nossas casas com o uso do forno micro-ondas.

17 CAPÍTULO 2. TEORIA DE ANTENAS Parâmetros das antenas Para o completo estudo do desempenho de uma antena a definição de alguns parâmetros é necessário. Alguns parâmetros estão relacionados entre si, e nem todos deles precisam ser especificados para a completa descrição de uma antena Diagrama de radiação O diagrama de radiação é definido como uma função matemática ou representação gráfica das propriedades de radiação de uma antena. Os diagramas de irradiação são postos em dois planos E e H [1]. No qual o plano E, localizado no plano x-z, refere-se aquele que contém o vetor campo elétrico na direção de máxima irradiação, conhecido também como plano de elevação (ϕ = 0). Já o plano H, está localizado no plano x-y, refere-se aquele que contém o vetor campo magnético na direção de máxima irradiação, conhecido como plano azimutal (ϑ = π/2). Como demostrado na Figura 2.1. Figura 2.1: Diagrama de Radiação. Fonte: A. C. Balanis Teoria de Antenas: Análise e Síntese.

18 CAPÍTULO 2. TEORIA DE ANTENAS 6 Diversas partes ou porções de um diagrama de radiação são referidos como lóbulos, podendo eles ser primário, secundário, lateral e posterior. Um lóbulo primário ou principal consiste no lóbulo de radiação que contém a direção de máximo ganho da antena, já o lóbulo secundário por definição é qualquer outro lóbulo que não o principal. Um lóbulo lateral é um lóbulo de radiação em qualquer direção que não seja a do lóbulo desejado e por fim um lóbulo posterior é um lóbulo de radiação cujo eixo faz ângulo de aproximadamente 180 com o feixe da antena. Normalmente, para a máxima eficiência de uma antena os lóbulos que não os principais representam radiação indesejada, desta forma devem ser evitados Polarização A polarização é tomada em função da posição do campo elétrico em relação a um ponto de referência. A polarização pode ser classificada como linear, circular ou elíptica [1]. O campo instantâneo de uma onda plana, viajando no sentido negativo da direção z, pode ser escrito como: ε(z;t) = â x ε x (z;t) + â y ε y (z;t) (2.1) De acordo com 2.1, as correspondentes instantâneas se relacionam com suas correspondentes complexas por: ε x (z;t) = E xo cos(ωt + kz + φ x ) (2.2) ε y (z;t) = E yo cos(ωt + kz + φ y ) (2.3)

19 CAPÍTULO 2. TEORIA DE ANTENAS 7 Uma onda harmônica no tempo tem polarização linear se em qualquer ponto do espaço o vetor campo elétrico ou magnético é orientado ao longo da mesma linha reta em um dado instante. Para que uma onda possua polarização linear, a diferença de fase temporal entre as duas componentes deve ser: φ = φ y φ x,n = 0,1,2,3... (2.4) Uma onda harmônica no tempo tem polarização circular, se o vetor campo elétrico ou magnético em qualquer ponto do espaço traçar um círculo em função do tempo. O campo elétrico pode traçar a curva no sentido horário (CW clockwise) ou no sentido anti-horário (CWW counterclockwise), a rotação no sentido horário é chamada de polarização à direita e no sentido anti-horário à esquerda. A polarização circular pode ser obtida somente quando as magnitudes de suas componentes são iguais e a diferença de fase temporal entre elas é um múltiplo ímpar de π/2. ε x = ε y ε xo = ε yo (2.5) φ = φ y φ x = +( 1 2 ( n)π,n = 0,1,2...para cw + 2n)π,n = 0,1,2...para ccw (2.6) Uma onda harmônica no tempo tem polarização elíptica, se a extremidade do vetor de campo elétrico ou magnético traçar uma elipse no espaço, em função do tempo. Podendo ser polarizada a direita ou a esquerda. A polarização elíptica somente pode ser obtida quando a diferença de fase temporal entre as duas componentes é um múltiplo ímpar de π/2 e suas magnitudes são iguais, ou quando a diferença de fase temporal entre as duas componentes não é um múltiplo e de π/2.

20 CAPÍTULO 2. TEORIA DE ANTENAS 8 ε x = ε y ε xo ε yo (2.7) Quando φ = φ y φ x = +( 1 2 ( n)π,n = 0,1,2...para cw + 2n)π,n = 0,1,2...para ccw (2.8) Ou quando φ = φ y φ x ± n 2 π > 0,n = 0,1,2...para cw < 0,n = 0,1,2...para ccw (2.9) Diretividade A diretividade representa as propriedades direcionais de uma antena comparada ás características de uma antena isotrópica. Sendo a antena isotrópica a base para o cálculo da diretividade, ela possui a distribuição de energia no espaço mais uniforme possível, levando assim a uma diretividade unitária. Desta forma, a antena pode irradiar mais fortemente em algumas direções do que em outras. A diretividade é definida como sendo a razão entre a intensidade de radiação em uma dada direção da antena e a intensidade de radiação média sobre todas as direções [1]. A direção de intensidade máxima de radiação é dada pela Equação (1-10), quando a direção não for especificada: D max = D 0 = U max U 0 = 4π U max P rad (2.10) onde: D = Diretividade D 0 = Diretividade máxima

21 CAPÍTULO 2. TEORIA DE ANTENAS 9 U max = Intensidade de radiação P rad = Potência total irradiada U 0 = Intensidade de radiação de uma fonte isotrópica Rendimento, eficiência de feixe e Ganho Rendimento ou eficiência de feixe é a relação entre a potência efetivamente irradiada e a potência de RF entregue a antena. A parte da potência não irradiada corresponde à perca por efeito joule nas partes resistivas, ou percas por fugas nos conectores e isoladores, ou até possível descasamento de impedância e despolarização da onda [1]. A eficiência de radiação é dada por: η = P rad P ent x100% (2.11) O rendimento ou eficiência (Z) do feixe de uma antena é a relação entre a potência contida no feixe principal sobre a potência total irradiada pela antena. A eficiência de feixe é dada por: Z = P f eixe P rad x100% (2.12) O ganho da antena isotrópica, sem perdas, é igual ao produto da diretividade pela eficiência do feixe da antena, numericamente igual a 1. Em uma antena qualquer, com perdas, o valor do ganho é expresso pelo produto da eficiência η pela diretividade D. G = ηxd (2.13) Tendo como referência a antena isotrópica, o valor do ganho de uma antena é expresso em dbi.

22 CAPÍTULO 2. TEORIA DE ANTENAS Tipos de Antenas As antenas são construídas em vários tipos e modelos para se adaptarem a diversos tipos de aplicações, em razão da frequência de operação, ganho e potência e etc. Alguns dos modelos mais populares serão apresentados Antenas Filamentares São as antenas mais comuns em nossas vidas, são usadas em automóveis, navios, aviões e até mesmo em naves espaciais. Existe vários tamanhos e formatos de antenas filamentares, delas podemos citar: dipolos, antenas de quadro, antenas helicoidais. A Figura 2.2 ilustra alguns modelos. Figura 2.2: Modelos de antenas tipo filamentares. (a) Dipolo, (b) Antena de quadro, (c) Antena helicoidal. Fonte: A. C. Balanis Teoria de Antenas: Análise e Síntese.

23 CAPÍTULO 2. TEORIA DE ANTENAS Antenas de Abertura Possuem diferentes formas de abertura e aplicações nas faixas de micro-ondas. É comumente usada em conjunto com algum tipo de refletor, por isso o nome de antena com refletor parabólico. A Figura 2.3 ilustra alguns tipos de antenas de abertura [1]. Figura 2.3: Modelo de antenas tipo abertura. Fonte: A. C. Balanis Teoria de Antenas: Análise e Síntese Arranjo de Antenas Arranjo de antenas é o nome dado ao agrupamento controlado de um conjunto de antenas iguais com o objetivo de se atingir especificações de ganho e de diagramas de radiação não realizáveis a partir do emprego de uma única antena isolada deste mesmo conjunto. Trata-se, portanto, de uma nova antena gerada pela combinação de um conjunto de antenas.

24 CAPÍTULO 2. TEORIA DE ANTENAS Antenas de Microfita O conceito de irradiadores em microfita surgiu em 1953, apresentados por Deschamps durante o III Simpósio sobre antenas de microfita [2]. Desde então surgiu diversos trabalhos práticos descrevendo aspectos importantes do seu comportamento, dentre eles, o artigo de Munson [3]. A partir de então foram desenvolvidos antenas e arranjos de microfita explorando suas vantagens, tais como: Baixo preço de fabricação; Leveza; Podem ser usadas facilmente em sistemas embarcados; Adaptabilidade a superfícies curvas; Possibilidade de atuar com frequência dual; Pequeno volume. Estrutura A antena de microfita em seu aspecto mais simples é composta por um elemento radiador (patch) depositado sobre um substrato dielétrico que, por sua vez, está sobre um plano de terra em sua face inferior, como demostra a Figura 2.4. Figura 2.4: Modelo de antena de microfita. Fonte: A. C. Balanis Teoria de Antenas: Análise e Síntese.

25 CAPÍTULO 2. TEORIA DE ANTENAS 13 O patch é uma lâmina metálica normalmente condutora, embora haja situações em que esse metal atue como supercondutor [4]. Ele é considerado o elemento irradiador das antenas de microfita podendo assumir várias geometrias, tais como: quadrado, retangular, circular, elíptica ou qualquer outra configuração de acordo com as características as quais se desejam, pois ela influencia na distribuição de corrente e, consequentemente, no perfil do campo da superfície da antena. A Figura 2.5 demostra uma variedade de formas e modelos que os patchs podem assumir. Figura 2.5: Diferentes modelos de patch. Fonte: A. C. Balanis Teoria de Antenas: Análise e Síntese. O plano de terra é composto por uma camada metálica, localizada na face inferior do substrato da antena (lado contrário ao patch). Ele tem uma função refletora, evitando a formação de lóbulo traseiro, além disso, serve como um sistema de aterramento. O plano de terra é muitas vezes teoricamente definido como infinito, para facilidade de cálculo. Na prática, usa-se um plano um pouco maior do que os limites do substrato para simular essa característica. Modificações nesse elemento têm dado bons resultados. O plano de terra truncado é uma técnica capaz de abrir a banda das antenas [10]. Contudo, ao fazer isso, ele insere mais descontinuidades na microfita, acarretando o aumento das ondas superficiais.

26 CAPÍTULO 2. TEORIA DE ANTENAS 14 Métodos de Alimentação A seleção do método de alimentação leva em conta certos objetivos, tais como: Assegurar a qualidade da transferência de potência entre a antena e o alimentador, ou seja, do casamento de impedâncias; Minimizar o nível de radiação espúria, bem como seus efeitos no diagrama de radiação. Diversas configurações podem ser usadas para alimentar as antenas de microfita. As quatro principais são [1]: Linha de alta impedância [5, 6]; Por cabo coaxial (ponta de prova) [7, 8]; Acoplamento por abertura [7, 9]; Acoplamento por proximidade [7, 10]. Alimentação por linha de microfita O método de linha de microfita é composto por um condutor, geralmente muito menor que a largura do patch. Nesta técnica, uma linha de microfita é conectada ao patch da antena na extremidade da antena, como mostrado na Figura 2.4, as vantagens desse método é a fácil fabricação e casamento de impedância simples. Alimentação por cabo coaxial A alimentação por cabo coaxial também é bastante utilizada por ser de fácil fabricação além de poder ser feita em qualquer local do patch. Essa técnica é muito comum em estruturas de microfita. O condutor interno do cabo coaxial é conectado ao patch da antena, enquanto o condutor externo é conectado ao plano de terra, como mostra a Figura 2.6.

27 CAPÍTULO 2. TEORIA DE ANTENAS 15 Figura 2.6: Alimentação por cabo coaxial. Fonte: A. C. Balanis Teoria de Antenas: Análise e Síntese. Alimentação por acoplamento Essa forma de alimentação consiste em dois substratos separados por um plano de terra e uma linha de microfita abaixo do substrato inferior que transfere a energia ao patch através de uma fenda no plano de terra, como é mostrado na Figura 2.7. O casamento de impedância é feito através do projeto da largura da linha de microfita e das dimensões da fenda no plano de terra [1]. A alimentação por acoplamento permite uma redução em perdas em relação à alimentação via cabo coaxial e linha de microfita, porém sua fabricação é mais complexa. Figura 2.7: Alimentação por acoplamento. Fonte: A. C. Balanis Teoria de Antenas: Análise e Síntese.

28 CAPÍTULO 2. TEORIA DE ANTENAS 16 Alimentação por proximidade Esta técnica de alimentação consiste em uma linha de alimentação localizada entre dois substratos, como mostra a Figura 2.8, o patch é colocado sobre o substrato superior, enquanto que o plano de terra é colocado sob o substrato inferior. De todos os métodos de alimentação mencionados, o método de proximidade é o método que permite que a antena possua uma maior largura de banda e baixa perca em relação às alimentações por cabo coaxial e linha de microfita. O casamento de impedância é atingido variando-se a largura da linha de transmissão e espessura dos substratos. Figura 2.8: Alimentação por proximidade. Fonte: A. C. Balanis Teoria de Antenas: Análise e Síntese. 2.4 Conclusão Nesse capítulo foram apresentados alguns conceitos sobre teoria de antenas, essenciais ao entendimento dos temas que serão abordados nos capítulos seguintes, situando assim, os leitores acerca do trabalho desenvolvido.

29 Capítulo 3 Metasuperfícies O objetivo deste capítulo é abordar definições e as múltiplas aplicações das estruturas chamadas metasurperfícies, o capítulo se inicia com uma breve histórico, é realizado uma abordagem sobre as aplicações das metasurperfícies e por fim um comparativo com as superfícies seletivas em frequência. 3.1 Introdução Nos últimos anos, vários estudos foram desenvolvidos dedicados aos metamateriais [11-20]. Metamateriais são materiais sintéticos projetados para obter propriedades normalmente não encontrados na natureza. No contexto dos eletromagnéticos, os primeiros exemplos destes eram dielétricos artificiais. Mais tarde, verificou-se que os termos metamaterial e metasuperfície não se referem a estruturas periódicas clássicas, tais como bandgap fotônico (PBG) e superfícies seletivas de frequência (FSS). Uma classe particular de metamaterial que está sendo estudada são os materiais chamados duplamente negativos (DNG) [11-20] (também conhecidos como materiais de índice negativo (NIM), onda inversa (BW), ou materiais de mão esquerda (LHM)). Esses materiais possuem a propriedade de que sua permissividade e permeabilidade efetiva são simultaneamente negativas numa determinada banda de frequência. Outra propriedade normalmente não encontrada na natureza que pode ser alcançada

30 CAPÍTULO 3. METASUPERFÍCIES 18 com metamateriais é o de índice de refração próximo a zero. Materiais como estes têm uma ampla gama de potencial de aplicações, tais como: Blindagem eletromagnética; Antenas; Interruptores eletrônicos; "Lentes perfeitas". De um modo mais geral, as aplicações dos metamateriais podem ser agrupadas em três grandes categorias: ondas-guiadas, ondas radiadas e aplicações de ondas refratadas. 3.2 Definições e aplicações As atividades modernas de pesquisa de metamateriais foram estimuladas pelo trabalho teórico de Veselago [17], e mais tarde pela realização de tais estruturas por Pendry [15]. Entretanto, a comprovação de que tais propriedades eram possíveis e de que havia uma forma de embuti-las em conjuntos estruturados se tornou um desafio que levou aproximadamente 30 anos para ser superado. Em 1999, um esforço em conjunto de pesquisadores da Universidade Duke, nos EUA, e do Imperial College, na Inglaterra, levou à publicação de um trabalho, demonstrando a possibilidade de construção desses materiais, com propriedades ópticas e eletromagnéticas até então sem precedentes [21]. Eles denominaram sua descoberta de metamateriais e, desde então, esses compostos se tornaram um dos focos das pesquisas recentes em antenas. Metamateriais são muitas vezes projetados pela organização de um conjunto de pequenos dispersores (por exemplo, anéis metálicos e hastes, ou esféricas magneto-dielétricas) em um arranjo ao longo de uma região do espaço, obtendo-se assim algum comportamento eletromagnético desejável [11-20]. Este conceito pode ser estendido para um conjunto de dispersores em um padrão bidimensional, como uma superfície ou interface, recebendo o nome de metasurperfícies. Como mostrado na Figura 3.1.

31 CAPÍTULO 3. METASUPERFÍCIES 19 Figura 3.1: Exemplo de metasurpefície. Fonte: Para muitas aplicações, as metasuperfícies podem ser usadas no lugar dos metamateriais. As metasurperfícies tem como vantagem possuir menos espaço físico do que as estruturas tridimensionais dos metamateriais em 3D, consequentemente, as metasurperfícies oferecem a possibilidade de estruturas com menos perdas. O uso e aplicação de metasuperfícies desde de microondas até frequências ópticas alcançou grande popularidade nos últimos anos [22-28]. Além das aplicações acima mencionadas para metamateriais. As metasurperfícies permitem desenvolver superfícies "inteligentes"controláveis, novas estruturas de guiamento de onda, absorvedores de grande angular, superfícies com adaptação de impedância, dispositivos biomédicos, além de várias aplicações em antenas

32 CAPÍTULO 3. METASUPERFÍCIES Metasurperfícies x FSS Algumas informações são necessárias para entender a diferença entre uma metasuperfície e uma superfície seletiva em frequência (FSS). Para este fim, é importante entender o comportamento eletromagnético de um material compósito em várias faixas de frequência ou em diferentes escalas de comprimento. Materiais compósitos ou compostos são aqueles que possuem pelo menos dois componentes ou duas fases, com propriedades físicas e químicas nitidamente distintas em sua composição. Separadamente, os constituintes do compósito mantêm suas características, porém, quando misturados, formam um composto com propriedades impossíveis de se obter com apenas um deles. Exemplos simples de compósitos são obtidos ao se fazer combinações entre metais, polímeros e cerâmica (metal + polímero, metal + cerâmica e polímero + cerâmica). Desde tempos remotos pode-se mencionar a utilização de compósitos pelo homem, uma vez que antigas civilizações já obtinham tijolos pela mistura úmida de barro e palha. Na atualidade, a utilização de um compósito estende-se de nosso cotidiano até a indústria, como na aeroespacial, destacando-se a fabricação de aviões. Ainda no meio industrial, quando se utiliza um material compósito de modo a se buscar propriedades elétricas, magnéticas, térmicas ou ópticas desejadas, esse material recebe a denominação de um compósito funcional. Os compósitos também podem ser de origem natural, como, por exemplo, o tecido ósseo dos vertebrados, composto por uma estrutura mineral à base de cálcio, na qual estão dispostas proteínas de colágeno. As fases de um compósito, ou seja, os materiais que o constituem podem ser identificados por material tipo matriz e material tipo reforço. O material tipo matriz é aquele responsável por conferir a estrutura do compósito, enquanto o material reforço é responsável por realçar alguma de suas propriedades desejadas. Desta forma, a matriz preenche

33 CAPÍTULO 3. METASUPERFÍCIES 21 os espaços vazios que se estabelecem entre os materiais reforços, enquanto os materiais reforços irão garantir as propriedades químicas e físicas do compósito. Como principais exemplos de materiais de matriz para compósitos, pode-se citar os metais, os polímeros e as cerâmicas. Como alguns exemplos de materiais de reforço para compósitos estão as fibras (de vidro, carbono, orgânicas, silício, entre outras), assim como a madeira, o grafite e alguns metais. Alguns exemplos da aplicação dos compósitos estão no colete a prova de balas, no bastão utilizado no salto com varas, em alguns tipos de barcos de lazer, nas pranchas de surf, nas pás de um helicóptero, nas raquetes de tênis, entre outros. Assim, cada um dos materiais citados apresenta uma estrutura (matriz), composta por um metal, um polímero ou cerâmica, e um material de reforço, composto por uma ou mais materiais já citados. O comportamento de materiais compósitos pode ser classificado em três regiões distintas (ver Figura 3.2), com comportamentos distintos em cada região. Figura 3.2: Escala de comportamento dos materiais compósitos. Fonte: Elaborada pelo autor. A região 1 corresponde à região em que o comprimento de onda é muito maior do que o período da estrutura (isto é, a periodicidade dos dispersores que compõem o compósito). Estes dispersores poderiam induzir momentos dipolares, como é o caso dos átomos ou

34 CAPÍTULO 3. METASUPERFÍCIES 22 moléculas de materiais clássicos. Desta forma os dispersores são dispostos em alguma forma genérica e colocados numa matriz hospedeira para obter um material composto sintético concebido para alcançar algum comportamento específico. Nesta região, várias formas de misturas clássicas são realizadas para se conseguir propriedades específicas no compósito (permissividade (ε); permeabilidade (µ), etc.). A determinação das propriedades específicas e a modelagem da resposta eletromagnética das inclusões em um material hospedeiro é um problema com uma longa história que remonta a Maxwell e Rayleigh. Quando o comprimento de onda se torna comparável à ou menor do que o período da estrutura, os campos não "veem"o composto. Isto corresponde a região 3 na Figura 3.2. A estas frequências, um comportamento de campo mais complicado existe, e técnicas mais elaborados para a análise da interação do campo EM com a estrutura periódica do compósito deve ser usada. A abordagem analítica clássica para isso é a expansão Floquet- Bloch [32-36], em que os campos são expandidos para uma soma infinita de ondas planas que se propagam em várias direções. À medida que o comprimento de onda se aproxima do período, modos de ordem superior Floquet-Bloch devem ser considerados. Estes modos de ordem superior, em seguida, interferem com a propagação da onda fundamental através do composto. A superfície de frequência seletiva convencional [36] cai nesta terceira região. Uma superfície seletiva em frequência (Frequency Selective Surface FSS) é um arranjo periódico de aberturas ou de elementos condutores. Como se pode observar na Figura 3.3, a FSS com elementos do tipo abertura trabalha como um filtro passa-faixa, ou seja, na medida em que os elementos vão entrando em ressonância, a estrutura vai se tornando transparente para a onda incidente, até que na frequência de ressonância da estrutura, ocorre a transmissão total da onda. Por outro lado, a FSS com elementos condutores funciona como um filtro rejeitafaixa. Os elementos vão entrando em ressonância e, com isso, eles irradiam a potência

35 CAPÍTULO 3. METASUPERFÍCIES 23 incidente na direção de reflexão, até que na frequência de ressonância da estrutura, ela se comporta como um condutor perfeito refletindo totalmente a onda incidente [25]. Figura 3.3: Tipos de elementos de FSS, (a) FSS tipo passa faixa, (b) FSS tipo rejeita faixa. Fonte: I.F. da Costa. Antenas e superfícies seletivas de frequência reconfiguráveis para sistemas de comunicação sem fio. Dissertação de mestrado UFRN, A região 2 na Figura 3.2 corresponde a uma região em que o período da estrutura é ainda pequeno em comparação com um comprimento de onda, mas os espalhadores individuais são concebidos de tal maneira (quer através da sua forma ou as suas propriedades constitutivas) que os dispersores em si podem ressoar. Quando isso ocorre, uma nova classe de materiais sintéticos (metasurpefície) é realizado, possibilitando uma ampla gama de comportamentos únicos que normalmente não são encontrados na natureza (materiais dupla negativa ou índice próximo a zero, por exemplo). Região 2, onde os dispersores ressoam (mas não a estrutura, como é o caso na região 3), é onde nós chamamos o nosso meio de uma metasurpefície.

36 CAPÍTULO 3. METASUPERFÍCIES 24 O método tradicional e mais conveniente modelar as metasurperfícies é com a teoria do meio efetivo [29-31]. Nessa abordagem, é realizada uma média dos campos elétricos e magnéticos durante um certo período em células que compõe a metasurpefície. A partir destas médias, determina-se a permissividade e a permeabilidade efetivas (e, portanto, o índice de refração) das metasurperfícies. Deve-se enfatizar que a (também chamada homogeneização) é válida somente quando o comprimento de onda é "suficientemente grande"em comparação com a periodicidade da célula unitária que compõe a metasurpefície. 3.4 Conclusão Nesse capítulo foram apresentados conceitos e aplicações sobre as metasuperfície. Além disso, houve a realização de uma abordagem sobre a diferença entre essas estruturas e outros materiais compósitos, com as superfícies seletivas em frequência (FSS).

37 Capítulo 4 Reconfiguração em Antenas Esse capítulo aborda o conceito sobre reconfiguração em antenas, demostrando suas funcionalidades e alguns dos principais métodos para sua obtenção. 4.1 Introdução Os sistemas de comunicação sem fio estão se desenvolvendo visando a multifuncionalidade e proporcionando aos usuários a opção de conectividade aos diversos serviços, a toda hora e em qualquer lugar. Para atender completamente esta expectativa, esses sistemas de comunicação requerem não apenas sistemas eletrônicos rápidos e eficientes, mas também circuitos (e suas estruturas) com características variáveis (tais como: antenas e filtros), podendo mudar seus parâmetros em função dos objetivos a serem alcançados. Alguns exemplos dessas aplicações são o rádio cognitivo e os sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), assim como os arranjos de alto desempenho [37-38]. 4.2 Reconfiguração em antenas As estruturas reconfiguráveis, tais como as antenas, podem ser utilizadas para reduzir a quantidade de ressoadores necessários para determinadas funcionalidades dos sistemas de comunicação. Elas também podem ser utilizadas como elementos de controle progra-

38 CAPÍTULO 4. RECONFIGURAÇÃO EM ANTENAS 26 mável visando à redução de erros e ruídos, além de aumentar a segurança. Por exemplo, antenas reconfiguráveis em dispositivos portáteis sem fio podem auxiliar a melhorar uma conexão ruidosa ou redirecionar a potência transmitida para conservar o tempo de vida da bateria. Em arranjos, as antenas reconfiguráveis podem ser utilizadas para oferecer capacidades adicionais que podem resultar em maiores larguras de banda instantâneas e diagramas de radiação com mais distribuições de lóbulos laterais desejáveis [38]. Geralmente, as estruturas reconfiguráveis, tais como as antenas, devem alterar um ou mais dos seguintes parâmetros: Frequência de ressonância; Largura de banda; Ganho; Polarização; Diagrama de radiação. Essas alterações devem ser controladas de maneira independente. Além disso, a alteração em um dos parâmetros deve resultar na modificação dos outros [36]-[39]. Dependendo das características dos circuitos (antenas e filtros), as técnicas de implementação da reconfigurabilidade, [1], [39] podem ser divididas em duas categorias: Alterando a estrutura da antena; Alterando sua linha de alimentação. As antenas de microfita são candidatas naturais para aplicação em sistemas de comunicação sem fio, devido às suas características de peso reduzido, baixo custo, facilidade de fabricação e perfil aerodinâmico. Especificamente, para obtenção de sistemas reconfiguráveis, essas antenas devem ser facilmente acopladas a circuitos contendo componentes de RF (concentrados ou distribuídos), podendo inclusive ser construídas no mesmo substrato [1], [39].

39 CAPÍTULO 4. RECONFIGURAÇÃO EM ANTENAS Frequência As antenas reconfiguráveis em frequência (também conhecidas como antenas sintonizáveis ou ajustáveis) podem ser classificadas em duas categorias: contínuas e chaveadas. As antenas ajustáveis em frequências contínuas permitem transições suaves dentro de uma determinada faixa de frequências. As antenas ajustáveis chaveadas, por outro lado, utilizam um tipo de mecanismo de chaveamento para operar em bandas de frequência distintas e bem definidas. Ambos os tipos de antenas em geral compartilham uma teoria comum de operação e reconfiguração. A principal diferença está na mudança do comprimento efetivo do elemento radiante, que permite a operação em diferentes bandas de frequência, e nos dispositivos ou mecanismos utilizados para conseguir estas alterações [40]. Vários mecanismos podem ser utilizados para alterar o comprimento efetivo de antenas ressonantes, embora alguns desses sejam mais efetivos que outros em manter as características de radiação da configuração original. A frequência de operação de uma antena, pode ser alterada adicionando ou removendo parte do comprimento da antena através de um meio eletrônico, óptico ou mecânico. Diferentes tipos de técnicas de chaveamento (como as chaves ópticas, diodos PIN, FETs e chaves RF-MEMS) têm sido utilizadas em antenas dipolo e monopolo sintonizáveis para várias faixas de frequência [41]. Alterações mecânicas ao invés de alterações elétricas na estrutura de antenas podem proporcionar maiores deslocamentos de frequência, quer seja em bandas ajustáveis de maneira chaveada quer seja de maneira contínua. Os principais desafios com essas antenas estão no projeto de suas dimensões físicas, no mecanismo de atuação e em manter as outras características em face das significativas mudanças estruturais. Um exemplo de uma antena ajustável mecanicamente foi demonstrado em 1998, onde um sistema acionador piezo-elétrico foi utilizado para variar o espaçamento entre uma

40 CAPÍTULO 4. RECONFIGURAÇÃO EM ANTENAS 28 antena de microfita e um radiador parasita para mudar a frequência de operação da antena [42-44]. O uso de metasurperfícies na reconfiguração mecânica em frequência é realizada em [46], uma antena reconfigurável em frequência é concebida por uma antena de microfita em formato circular simples e um MS com o mesmo diâmetro. A MS é colocada diretamente sobre o patch, tornando a antena compacta e de baixo perfil. O MS consiste em células unitárias em formato retangular colocadas periodicamente na vertical. A frequência de operação é reconfigurada rotacionando mecanicamente a MS em torno do centro da antena. O MS colocado sobre o patch da antena funciona como um substrato dielétrico e a rotação do MS altera a permissividade relativa e, portanto, a frequência de operação da antena. Em [45] Dois MS anisotrópicos e idênticos são postos no topo de um patch para alcançar a reconfigurabilidade mecanicamente. A camada MS é composta por um arranjo periódico de inclusões metálicas em forma de I colocadas tanto na direção vertical quanto na horizontal. As camadas MS são alimentadas por uma polarização linear. A frequência de funcionamento da antena é alterada por rotação física das duas camadas MS em relação ao centro da antena, alterando a permissividade relativa, e desta forma a frequência de operação. Embora mudanças nos condutores predominem em projetos de antenas reconfiguráveis, mudanças nas características do material também podem ser utilizadas para conseguir a reconfiguração em frequência. Em particular, um campo elétrico estático pode ser utilizado para alterar a permissividade relativa de um material ferroelétrico. Estas mudanças na permissividade relativa ou permeabilidade podem ser utilizadas para alterar o comprimento elétrico efetivo de antenas, mais uma vez resultando em deslocamentos na frequência de operação. Um exemplo de uma antena reconfigurável em frequência sobre um substrato de ferrita é apresentado em [47], que apresentou uma faixa de ajuste contínuo de 40

41 CAPÍTULO 4. RECONFIGURAÇÃO EM ANTENAS Polarização A reconfiguração da polarização em antenas pode ajudar a prover imunidade a sinais interferentes em diversos ambientes assim como prover um grau de liberdade adicional para melhorar a qualidade do link como uma forma de diversidade em antenas chaveadas [48]. A direção do fluxo de corrente em uma antena transforma-se diretamente na polarização do campo elétrico no campo distante da antena. Para obter a reconfigurabilidade da polarização, a estrutura da antena, as propriedades do material, e/ou a configuração da alimentação devem ser alterados de maneira que alterem o fluxo de corrente da antena. Reconfigurações de polarização podem incluir, por exemplo, mudanças entre polarizações circulares orientadas para direita ou para a esquerda ou entre polarizações linear e circular. Os mecanismos para obter essas modificações (por exemplo, chaves e mudanças estruturais) são em sua grande maioria as mesmas descritas anteriormente para a reconfiguração em frequência, embora suas implementações sejam necessariamente diferentes. A principal dificuldade deste tipo de reconfigurabilidade é que ela deve ser obtida sem mudanças significativas em características como impedância e frequência de operação. Várias antenas foram desenvolvidas para oferecer características de polarização reconfigurável utilizando chaves. Um exemplo de tal antena reconfigurável é a antena de microfita com aberturas chaveadas, ou antena PASS (Patch Antenna with Switchable Slot) [42], que também foi utilizada para prover reconfigurabilidade em frequência [49]. Em geral, a antena PASS consiste de uma antena de microfita com uma ou mais aberturas no patch de cobre. Uma chave é inserida no centro da abertura para controlar como se comportam as correntes no patch. Quando a chave está aberta, as correntes devem fluir ao redor da abertura. Quando a chave está fechada, as correntes podem fluir pelo caminho mais curto criado pela chave fechada. A reconfigurabilidade da polarização é obtida incluindo duas aberturas ortogonais na superfície do patch. A ativação alternada das chaves

42 CAPÍTULO 4. RECONFIGURAÇÃO EM ANTENAS 30 leva às polarizações circulares orientadas para a direita ou para a esquerda. O uso de metasuperfície (MS) para a realização da reconfiguração em polarização também é vista em [28] consistindo em uma MS planar colocada em cima e em contato direto com uma antena de microfita, tornando-o compacto e discreto. Girando o MS em torno do centro da antena, é realizada a reconfiguração. 4.5 Diagrama de Radiação O arranjo das correntes, sejam elétricas ou magnéticas, em uma antena em grande parte determina a distribuição espacial da radiação da estrutura. A relação entre as correntes e a radiação resultante torna a reconfigurabilidade em diagrama de radiação sem mudanças significativas na frequência de operação difícil de se obter. Para desenvolver antenas com diagramas de radiação reconfiguráveis específicos, devemse determinar quais os tipos de distribuição de corrente da fonte, incluindo informações de magnitude e fase. Uma vez determinada uma topologia para a distribuição de corrente um projeto da antena pode ser selecionado e alterado para obter a distribuição de corrente desejada. Um dos métodos mais efetivos e difundidos para alterar os diagramas de radiação independentemente do comportamento da frequência é a utilização de elementos parasitas chaveados ou ajustados eletricamente. Estes métodos possuem várias qualidades atrativas: isolação do elemento principal (alimentado) em relação aos elementos ajustáveis, largura de banda potencialmente larga e várias topologias e funcionalidades disponíveis. Fundamentalmente, o ajuste dos diagramas de radiação de uma antena desta maneira depende do acoplamento mútuo entre os elementos parasitas e o elemento principal, resultando em um comportamento efetivo de um arranjo a partir de um único ponto de alimentação. Portanto, alterações nos diagramas de radiação são obtidas através de mudanças no acoplamento entre os elementos, que, desta forma, altera as correntes efetivas

43 CAPÍTULO 4. RECONFIGURAÇÃO EM ANTENAS 31 nos elementos parasitas e no elemento principal. Ferritas e materiais ferroelétricos, embora tipicamente aplicadas na reconfigurabilidade em frequência, podem também ser utilizadas para reconfigurar diagramas de radiação. Nestes casos, as alterações nas características do material podem ser utilizadas para mudar as distribuições de corrente ressonante nos condutores, que desta forma resulta em mudanças no diagrama de radiação. A reconfiguração mecânica também é vista em [50] uma antena reconfigurável em diagrama de radiação é projetada usando metasuperfície (MS). A antena é composta de uma MS planar semicircular colocada diretamente sobre uma antena também planar e circular ambas possuem diâmetro de 70 mm. Girando a MS em torno do centro da antena o diagrama de radiação pode ser alterado. 4.6 Conclusão Neste capítulo foram apresentados conceitos sobre as antenas reconfiguráveis e de como elas podem ser uma ótima alternativa para o projeto de antenas por possuírem características ajustáveis. Foram apresentados alguns métodos de obtenção de reconfigurabilidade em frequência, em polarização e em diagrama de radiação e um breve levantamento bibliográfico sobre alguns projetos de antenas sintonizáveis.

44 Capítulo 5 Antena reconfigurável em frequência Nesse capítulo será realizado um projeto de uma antena reconfigurável em frequência acoplada a uma metasuperfície usando o auxílio da ferramenta computacional Ansoft HFSS, logo após os resultados são apresentados para sua validação. 5.1 Introdução Uma nova antena reconfigurável em frequência é proposta nesse capítulo, construída com uma metasurpefície posta sobre o patch de uma antena de microfita. Para tornar a antena mais compacta e de baixo perfil, o patch e a MS são colocados em contato direto, eliminando, assim, o gap de ar entre eles. O projeto proposto apresenta como vantagens o tamanho reduzido, baixo custo e construção simples. Os resultados dos estudos mostram que a frequência de operação da antena pode ser continuamente modificada girando a MS em torno do centro da antena. Para facilitar a operação mecânica o patch da antena e a MS possuem forma circular com tamanhos idênticos. A propriedade de reconfiguração em frequência da antena também é analisada e explicada neste capítulo.

45 CAPÍTULO 5. ANTENA RECONFIGURÁVEL EM FREQUÊNCIA Projeto de Antena Esta seção demonstra o projeto passo a passo da estrutura de antena proposta. O patch da antena tradicional é projetado e otimizado para obter um bom casamento de impedância sobre um substrato dielétrico FR4 de baixo custo e formato circular com diâmetro de 40 mm e espessura h = 1,524 mm e uma permissividade relativa ε r = 4,4. Para a alimentação da antena, um cabo coaxial de 50 Ω é conectado através de um conector SMA. A antena de patch tradicional consiste em um patch quadrado de dimensão 21,6 mm x 21,6 mm. Quatro fendas dobradas de comprimentos de braço iguais Ws1 são incorporadas no patch quadrado, como mostrado na Fig Dois braços de cada fenda dobrada de comprimento Ws1 e largura Ws2 estão alinhados em paralelo com as linhas centrais do patch quadrado. Ainda é inserida mais duas fendas na posição central do patch com largura Ws3 (Ws2 > Ws3) e comprimento Ls1. A metasurpefície é composta de um conjunto periódico de células unitárias em formato retangular com a inserção de um pequeno círculo com diâmetro de 1 mm montado sobre um substrato concebido também em forma circular e do mesmo tamanho da antena, com o intuito de facilitar a operação de reconfiguração mecânica. Os parâmetros de projeto da antena são apresentados na Tabela 5.1. Tabela 5.1: Dimensões da antena (em: milímetros) Ws1 Ws2 Ws3 Wm Ls1 Lm Lms Wms 8,55 1 0,6 5 9,55 1,5 0,5 4

46 CAPÍTULO 5. ANTENA RECONFIGURÁVEL EM FREQUÊNCIA 34 Figura 5.1: Antena reconfigurável em frequência. Fonte: Elaborada pelo autor. A antena proposta é concebida acoplando o lado sem cobre da MS no topo da antena de microfita e em contato direto com a alimentação (lado superior) da mesma. Isto leva a uma estrutura de perfil muito compacto e de baixa espessura, como demostrado na Fig 5.2. A reconfiguração em frequência da antena pode ser conseguida pela rotação da MS em torno do centro da antena, alterando a permissividade relativa, que por sua vez, altera a frequência de operação.

47 CAPÍTULO 5. ANTENA RECONFIGURÁVEL EM FREQUÊNCIA 35 Figura 5.2: Layout da antena reconfigurável em frequência. Fonte: Elaborada pelo autor. 5.3 Resultados Simulados Nesta seção, com ajuda do Ansoft HSS será analisado o uso de metasuperfície para realização de reconfiguração em frequência em uma antena de microfita. Os resultados da simulação da perda de retorno, ganho e diagrama de radiação da antena são apresentados. Os resultados são apresentados para a faixa de frequência de 1 GHz a 10 GHz. Inicialmente uma análise prévia sobre a antena de microfita sem o uso de metasuperfície foi estudado para fim de comparação, logo após foram realizadas múltiplas rotação da MS em torno do próprio eixo a fim de realizarmos uma análise dos efeitos causadas por essa rotação mecânica. A figuras 5.3 e 5.4 mostram os resultados simulados de perda de retorno e diagrama de radiação para a antena de microfita com patch quadrado.

48 CAPÍTULO 5. ANTENA RECONFIGURÁVEL EM FREQUÊNCIA 36 Figura 5.3: Gráfico da perda de retorno para a antena com patch quadrado. Fonte: Elaborada pelo autor. Figura 5.4: Diagrama de radiação da antena com patch quadrado. Fonte: Elaborada pelo autor.

49 CAPÍTULO 5. ANTENA RECONFIGURÁVEL EM FREQUÊNCIA 37 Logo após foram realizadas múltiplas rotação da MS em torno do próprio eixo a fim de realizarmos uma análise dos efeitos causadas por essa rotação mecânica. Nas figuras 5.5 e 5.6 são apresentados os resultados simulados da perda de retorno e diagrama de radiação com a aplicação da metasuperfície, pode-se observar que a frequência original em torno de 2 GHz foi mantida, enquanto novas bandas de frequência surgiram com o acoplamento da MS sobre a antena. A radiação tipo broadside típica das antenas de microfita também é mantida, esse tipo de radiação é apresentado quando os componentes são dispostos de forma que a irradiação ocorra perpendicularmente ao plano da antena. Uma redução do ganho total é apresentada, caindo de 0,25 db para 0,13 db, possivelmente causada por um aumento da radiação espúria ou polarização cruzada fruto da inserção de um novo dielétrico. Figura 5.5: Gráfico da perda de retorno para a antena acoplada a MS. Fonte: Elaborada pelo autor.

50 CAPÍTULO 5. ANTENA RECONFIGURÁVEL EM FREQUÊNCIA 38 Figura 5.6: Diagrama de radiação da antena acoplada à MS. Fonte: Elaborada pelo autor. Nas figuras 5.7 e 5.8 são apresentados os resultados simulados da perda de retorno e diagrama de radiação com a metasuperfície rotacionada em 45 no sentindo anti-horário. Em comparação com a antena acoplada ao MS sem rotação observou-se também uma manutenção da frequência em torno de 2 GHz com banda estreita. Um aumento considerável na largura de banda em torno de 5 a 9 GHz é apresentada. Em torno de 7 GHz houve um salto de 200 MHz para 2 GHz de largura de banda, e em torno de 8 GHz houve um salto de 200 MHz para 800 MHz. A variação na angulação de rotação da MS mostra uma tendência no surgimento de novas frequências e alargamento de bandas das já existentes. A largura de banda é usualmente expressa como a razão entre as frequências superior e inferior da faixa de frequência aceitável de operação. O ganho manteve-se praticamente sem alteração saltando de 0,13 db para 0,17 db, além da radiação tipo broadside ser mantida.

51 CAPÍTULO 5. ANTENA RECONFIGURÁVEL EM FREQUÊNCIA 39 Figura 5.7: Gráfico da perda de retorno da antena com o MS rotacionado em 45. Fonte: Elaborada pelo autor. Figura 5.8: Diagrama de radiação da antena com o MS rotacionado em 45. Fonte: Elaborada pelo autor. As figuras 5.9 e 5.10 são apresentados os resultados simulados da perda de retorno e diagrama de radiação com a metasuperfície rotacionada em 60 no sentindo anti-horário.

52 CAPÍTULO 5. ANTENA RECONFIGURÁVEL EM FREQUÊNCIA 40 Observou-se que com o processo de rotação mecânica ocorreu ainda um aumento da largura de banda em comparação aos modelos já apresentados. A frequência de operação inicial da antena de microfita quadrada ainda é mantida e a antena tornou-se do tipo UWB. A largura de banda agora é entorno de 3,4 GHz, um acréscimo de aproximadamente 1700% de largura de banda se em comparação com a antena de patch retangular sem o acrescido da MS. O ganho houve um pequeno salto de 0.17 db para 0.19 db em comparação a antena rotacionada em 45, e a radiação se manteve broadside. Figura 5.9: Gráfico da perda de retorno da antena com o MS rotacionado em 60. Fonte: Elaborada pelo autor.

53 CAPÍTULO 5. ANTENA RECONFIGURÁVEL EM FREQUÊNCIA 41 Figura 5.10: Diagrama de radiação da antena com o MS rotacionado em 60. Fonte: Elaborada pelo autor. A reconfiguração em frequência é alcançada com a rotação do MS sobre a antena. Nota-se que surgem novas bandas de frequências sem prejudicar o diagrama de radiação, além da frequência original em torno de 2 GHz ser mantida, preservando algumas características da antena de patch quadrado. A tabela 5.2 apresenta uma pequena comparação dos resultados apresentados. Tabela 5.2: Comparação entre os modelos apresentados. Modelos Ganhos Total Maior Largura de Diagrama Banda Apresentada de Radiação Antena patch quadrado 0,25 db 200 MHz Broadside Antena com o MS em orientação inicial 0,13 db 300 MHz Broadside Antena com o MS rotacionado em 45 0,17 db 2 GHz Broadside Antena com o MS rotacionado em 60 0,19 db 3,4 GHz Broadside

54 CAPÍTULO 5. ANTENA RECONFIGURÁVEL EM FREQUÊNCIA Conclusão Uma antena de microfita acoplada a uma metasuperfície rotativa com frequência reconfigurável foi projetada e simulada. A geometria da antena é composta por uma antena de microfita composta de um patch quadrado com inserção de fendas retangulares e uma MS. A frequência da antena é reconfigurável através da rotação da metasuperfície. Os resultados da perda de retorno e diagrama de radiação são apresentados, confirmando a reconfiguração da frequência da antena acoplada a metasuperfície.

55 Capítulo 6 Antena reconfigurável em polarização Esse capítulo é destinado ao projeto de uma antena reconfigurável em polarização com o uso de uma metasuperfície rotacional. Um protótipo é construído e comparado à resultados simulados, com ajuda da ferramenta computacional Ansoft HFSS, para fim de validação. 6.1 Introdução A estrutura é constituída por uma metasurpefície circular colocada sobre uma antena de microfita também circular, ambos com diâmetros de 78 mm. Para simplificar a rotação da metasurpefície permitindo a reconfiguração de polarização de linear para circular foi construído uma estrutura mecanicamente ajustável. A antena proposta é projetada para operar a 3,0-3,2 GHz, usando Ansoft HFSS. Um protótipo da antena proposta é fabricado e medido para fins de comparação. O desempenho da antena em termos de perda de retorno, razão axial e ganho é apresentado. 6.2 Parâmetros construtivos da antena O projeto da antena tem início com um dipolo, posto sobre um plano de terra truncado em formato retangular. O substrato dielétrico considerado no projeto da antena proposta é

56 CAPÍTULO 6. ANTENA RECONFIGURÁVEL EM POLARIZAÇÃO 44 feito de fibra de vidro (FR-4) de formato circular com uma espessura h = 1,524 mm e uma permissividade relativa ε r = 4,4. Para a alimentação da antena, um cabo coaxial de 50 ω é conectado através de um conector SMA, o vivo da ponta de prova atravessa o substrato e é conectado ao elemento radiador, enquanto que o conector externo é fixado ao plano de terra. A metasurpefície é um arranjo periódico de células unitárias com formato trapezonais. No caso de antenas alimentadas com uma única ponta de prova coaxial, para gerar uma radiação circularmente polarizada é necessário criar perturbações na geometria do elemento radiador para excitar os modos de ressonância adequados à aplicação desejada [1]. Assim uma forma de inserir esta perturbação foi retirar dois cantos opostos, triângulos isósceles iguais da célula unitária da metasuperfície. Para facilitar o processo de fabricação e rotação da antena, a metasurpefície é impressa em uma camada dielétrica circular com o mesmo diâmetro da antena de microfita, a Figura 6.1 demostra os parâmetros geométricos e a Figura 6.2 demostra o protótipo da antena construída. A estrutura mecanicamente ajustável foi construída utilizando impressora 3D e um motor de passos com bastante precisão, controlado por um sistema embarcado atuando remotamente, a fim de conseguir a precisão da rotação e também diminuir o atrito entre as placas. Tabela 6.1: Dimensões da antena (Em: milímetros) R1 R2 Wsg Lsg Wp Lp Lm1 Lm2 Wm ,5 24,5 1,41 18,66 26,16

57 CAPÍTULO 6. ANTENA RECONFIGURÁVEL EM POLARIZAÇÃO 45 Figura 6.1: Protótipo da antena reconfigurável em polarização com o uso de metasuperfície. Fonte: Elaborada pelo autor. Figura 6.2: Antena construída acoplada a estrutura rotativa. Fonte: Elaborada pelo autor. A antena proposta é concebida acoplando o lado sem cobre da MS no topo da antena de microfita e em contato direto com a alimentação (lado superior) da mesma. Isto leva a uma estrutura de perfil muito compacto e de baixa espessura, como demostrado na Figura 6.3. A reconfiguração em polarização da antena pode ser conseguida pela rotação da MS em torno do centro da antena. Por exemplo, para um ângulo de φ = 45 de rotação do MS,

58 CAPÍTULO 6. ANTENA RECONFIGURÁVEL EM POLARIZAÇÃO 46 a polarização da antena muda de linear (φ = 0 ) para circular. Figura 6.3: Layout 3D da antenna reconfiguravel em polarização. Fonte: Elaborada pelo autor. 6.3 Descrição da estrutura rotativa Para garantir a precisão das medições foi desenvolvido uma estrutura mecanicamente reconfigurável com auxílio de uma impressora 3D, utilizando o material acrylonitrile butadiene styrene (ABS) com permissividade de 30 a 40 pf/m dependendo de cada fabricante. A antena é acoplada a uma engrenagem móvel e uma fixa, a rotação é obtida com o uso de dois motores de passo NEMA 34 com torque estático de 9,00 (91,0) Nm (Kgf.cm) controlados por arduino. Com essa estrutura podemos obter um ângulo de passo de 1,8 para as medições. O Setup completo é mostrado nas figuras 6.4 e 6.5.

59 CAPÍTULO 6. ANTENA RECONFIGURÁVEL EM POLARIZAÇÃO 47 Figura 6.4: Vista lateral da estrutura rotativa. Fonte: Elaborada pelo autor. Figura 6.5: Vista em diagonal da estrutura rotativa. Fonte: Elaborada pelo autor. 6.4 Resultados simulados e medidos Nesta seção, o efeito de colocar uma metasurpefície acima de uma antena de microfita é analisada utilizando Ansoft HFSS. Os resultados da simulação da perda de retorno, razão axial, ganho e diagrama de radiação da antena são apresentados. Protótipos são fabricados e medidos para fins de validação. Os resultados medidos e simulados são apresentados para a faixa de frequência de 2,5 GHz a 3,5 GHz. As figuras 6.6 e 6.7 mostram os resultados de perda de retorno para a antena com ângulos de rotação de 0 e 45, respectivamente.