APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA METAMATERIAL EM UMA ANTENA MULTIBANDA DE MICROFITA PARA APLICAÇÃO EM TELECOMUNICAÇÕES MÓVEIS Lucas Martins Mendes luks.mt96@gmail.com Luiz Felipe Rocha Moreira luiz.kina98@gmail.com Humberto Xavier de Araujo hxaraujo@uft.edu.br Universidade Federal do Tocantins, Departamento de Engenharia Elétrica Resumo. Este trabalho tem como objetivo a análise e otimização de uma antena planar de banda dupla, cuja aplicação envolve conexões wireless. Para tal otimização, serão utilizadas estruturas metamateriais, em especial, a célula CLL (Capacitively Load Loop) acopladas ao substrato da antena, de modo que sua análise será dada através da perda por retorno, diretividade e ganho. Palavras-Chaves: Antena, Metamaterial, Wireless. 1. INTRODUÇÃO O grande desenvolvimento tecnológico ocorrido nos últimos tempos, proporcionou um aumento constante da oferta de serviços de comunicação. A demanda por dispositivos que operam em diferentes frequências torna-se cada vez mais requerido, de modo a atender as diversas exigências como largura de banda, preço acessíveis, peso e dimensões reduzidos. Neste contexto, as antenas de microfita são uma alternativa efetiva de transmissão e recepção de micro-ondas, dado suas inúmeras aplicações (radares, GPS, telefones, etc.) (RAHMAN, 2014), sua compatibilidade com circuito planar e sua estrutura simples e pequena. Entretanto, as limitações dessas antenas, poderiam de certa forma inviabilizar sua utilização em determinadas aplicações. Porém existem várias formas de minimizar esses fatores e fazer com que as características dessas antenas satisfaçam a aplicação desejada. É possível modificar a geometria do radiador, fazer cavidades na superfície do radiador ou no plano terra, introduzir novos materiais no substrato (por exemplo um dielétrico), para se ter uma melhor resposta em termos de ganho ou uma maior largura de banda. Neste trabalho, para otimizar o desempenho de antenas planares, serão utilizadas estruturas metamateriais, adicionadas no substrato ou formando cavidades na superfície ou no plano terra da antena (Guelber, 2014). Metamateriais são estruturas periódicas que possuem um comportamento eletromagnético diferente de todos os materiais encontrados na natureza (Cui, 2010). Por isso, são materiais designados artificiais. Suas principais características são a refração negativa e o valor dos parâmetros constitutivos, permeabilidade (µ) e permissividade (ε), ambos negativos (Capolino, 2009). Ao inserir metamateriais na estrutura da antena, buscam-se respostas que aprimorem o desempenho da mesma para a aplicação desejada, seja aumentando seu ganho, sintonizando em frequências específicas ou até mesmo criando regiões de rejeição. Dentro desse contexto, será apresentada a análise de uma antena em microfita de banda dupla, cuja aplicação abrange as redes de conexão Bluetooth, Wi-Fi, WLAN e WiMAX. Visa-se também a análise da otimização da antena com a aplicação da tecnologia metamaterial. 2. ANTENA MULTIBANDA: INFORMAÇÕES E PARÂMETROS A antena multibanda referenciada aqui tem como objetivo operar nas frequências de 2.5 GHz e 5.9 GHz o que a enquadra, segundo o quadro de atribuição de faixas de frequências no Brasil da ANATEL atualizado em 2015, como sendo atuante na transmissão de dados móveis e rádio, ambas executadas pelo satélite. Sendo assim, para analisar o comportamento da antena, os parâmetros diretividade, ganho e perdas por retorno. Esses parâmetros, quando em conjunto, irão descrever a eficiência do equipamento no exercício da sua função de transmitir dados. O substrato utilizado neste trabalho foi o FR-4, com permissividade elétrica de 4.3, e espessura de 1.56 mm. O Patch da antena, junto com o plano terra são elaborados utilizando cobre recozido, cuja permeabilidade magnética vale 1, e densidade relativa de 5.8 (S/m). Para ambas as estruturas, considera-se uma espessura de 35µ. As demais dimensões são definidas na Tabela I: 119
Tabela I - Dimensões da antena especificadas em milímetros. Figura 1 - Dimensões da antena de estudo. L H Lf Hf F G 45 28 8 18 4 17 A antena é alimentada por uma linha de transmissão com impedância de entrada normalizada em 50Ω, cuja ligação com a antena dá-se por uma porta sendo o comprimento 3 vezes e a largura 2 vezes a medida correspondente a linha de microfita. Na Fig. 2, é mostrada a resposta de perda por retorno da antena, na qual observa-se dois picos de ressonância próximos a 2,5GHz e 5,9 GHz, os quais confirmam seu comportamento de banda dupla. É importante ressaltar que níveis de parâmetro S11 abaixo de 10GHz, representam que a antena tem condições de enviar e receber informação. As Figuras 3 e 4, apresentam o ganho para as frequências de 2,55 GHz e 5,9 GHz, com ganhos de 3 db e 6 db, respectivamente. Já as Figuras 5 e 6, apresentam a diretividade em 3D para as frequências de 2,55 GHz e 5,9 GHz, com valores de 7,07 dbi e 6,86 dbi, respectivamente. Figura 2 - Parâmetro S11 - perda por retorno. Figura 34 - Ganho para frequência de 2.55 GHz Figura 4 - Ganho para frequência de 5.9 GHz 120
Figura 5 - Diretividade 3D para frequência de 2.55 GHz Figura 6 - Diretividade 3D para frequência de 5.9 GHz 3. TECNOLOGIA METAMATERIAL Os metamateriais surgem de um conceito de materiais artificiais, pois apresentam um comportamento que não é comum em materiais encontrados na natureza. Esse comportamento diferenciado é proveniente de suas características intrínsecas, definidas pelos parâmetros constitutivos permeabilidade magnética (µ) e permissividade elétrica (ε), ambas apresentando valores negativos (Capolino, 2009). As propriedades elétricas e magnéticas dos materiais em relação ao campo eletromagnético são caracterizadas pelos parâmetros constitutivos, permissividade elétrica (ε) e permeabilidade magnética (μ), respectivamente. Juntos, esses dois parâmetros determinam a resposta de um material a uma radiação eletromagnética (Pozar, 2012). Assim, os metamateriais possuem uma classificação especial, DNG (Double Negative) justificada pelos valores negativos de ambos os parâmetros ε e µ. De fato, os metamateriais oferecem propriedades inovadoras, e a principal se baseia na diferenciação do comportamento eletromagnético (Caloz, 2006), que não segue o padrão comum, abrangendo várias aplicações e possibilitando novos conceitos. A estrutura metamaterial aqui abordada é um arranjo de material utilizado para a manipulação de propriedades eletromagnéticas do sistema que compõe a antena. Um estudo mais particular, envolve a estrutura metamaterial CLL (Capacitively Load Loop), como mostrado na Fig. 7 utilizada na otimização da antena apresentada neste artigo. Dependendo da direção de polarização da onda, esta estrutura pode funcionar de duas maneiras: quando a onda incide sobre a região em que contém a abertura, a estrutura comporta-se como um condutor magnético artificial; quando a onda é polarizada no lado oposto, a estrutura comporta-se como um condutor elétrico artificial (Cui, 2010). Figura 7 Estrutura metamaterial CLL Como mostrado na imagem acima, as dimensões L, S e δ são definidas a partir da frequência, f, de atuação da antena. Para o cálculo destas dimensões, considera-se o comprimento de onda definido por (Araujo, 2011): λ 0 = c f (1) Sendo c a velocidade da luz no vácuo. A partir do valor obtido, temos as seguintes equações: 121
L = λ 0 10 δ = L 6 (2) (3) S = δ 2 (4) 4. RESULTADOS Utilizando os conceitos citados na seção anterior sobre o metamaterial (CLL), é feito então o cálculo do mesmo aplicado ao caso da antena aqui trabalhada, apresentada na Fig. 1. Utilizando as equações acima para as duas frequências de interesse aqui trabalhadas (2.5 e 5.9 GHz) são encontrados resultados bastante divergentes. Se for feito o cálculo tendo como base a frequência de 2.55 GHz será obtido um metamaterial de comprimento L 12 mm algo muito incompatível com as dimensões da antena. Contrapondo essa discrepância realizando os cálculos para a frequência de 5.9 GHz o comprimento será de L 5 mm algo um pouco mais compatível com as dimensões do modelo base. Foram portanto realizados testes com esse último comprimento obtido, assim como um tamanho mais reduzido seguindo os seguintes arranjos: aplicação no patch, aplicação no substrato e aplicação no Terra. Uma vez que o objetivo da aplicação dos metamateriais é a melhoria das duas bandas dessa antena foi optado um tamanho de L=10mm que por estar entre uma média das duas medidas encontradas se espera que gere resultados positivos para as duas frequências desejadas. A estrutura projetada é apresentada na Fig. 8. Figura 8 - Aplicação de metamaterial no substrato da antena A configuração do posicionamento das estruturas metamateriais foi feito se pensando na manutenção da periodicidade. Desse modo o espaçamento entre as estruturas é de 10 mm, entres as bordas superior e inferior há uma distância de 2,5 mm e das bordas laterais 4 mm. Na Fig. 9, é mostrada a resposta de perda por retorno da antena projetada com metamateriais, na qual observa-se uma melhoria significativa nos dois picos de ressonância próximos a 2,5GHz e 5,9 GHz, os quais confirmam seu comportamento de banda dupla, com uma melhoria de cerca de 30%. As Figuras 10 e 11, apresentam o ganho para as frequências de 2,55 GHz e 5,9 GHz, com ganhos de 6,12 db e 3,99 db, respectivamente. Esses resultados mostram uma melhora na frequência de 2,55 GHz, mas uma diminuição do ganho na frequência mais alta. Já as Figuras 12 e 13, apresentam a diretividade em 3D para as frequências de 2,55 GHz e 5,9 GHz, com valores de 7,24 dbi e 7,16 dbi, respectivamente. Para ambos os casos a diretividade foi melhorada. Como pode ser observado através do ganho e da diretividade registrado nos gráficos houve um aumento significativo quando se deu a aplicação do metamaterial. O melhor resultado, como constatado, foi obtido quando analisada a frequência de 5.9 GHz, a mais alta dentre as duas escolhidas de operação para antena. Esse fato se deve principalmente ao fato da aplicação do metamaterial CLL ser mais favorável ao incremento do ganho sobre frequências mais altas. Contudo o ganho de diretividade para a frequência de 2.5 GHz é relativamente considerável uma vez que ao aplicar o metamaterial já era esperado que houvesse uma melhora apenas em altas frequências. 122
Figura 9 - Relação da perda de retorno da antena normal (vermelho) com a antena com metamaterial (verde). Figura 12 - Ganho para a frequência de 2.55 GHz. Figura 13 - Ganho para a frequência de 5.9 GHz. Figura 12 - Diretividade para a frequência de 2.55 GHz. Figura 13 18 - Diretividade para a frequência de 5.9 GHz. 123
5. CONCLUSÕES Neste trabalho, apresentou-se uma solução prática e sem custo para otimizar uma antena planar de banda dubla, utilizando a tecnologia dos metamateriais. Através dos resultados obtidos, observou-se uma melhora significativa nas frequências de ressonância, com uma melhoria em torno de 30%. Com a aplicação da célula metamaterial CLL, houve um ganho significativo no que se diz respeito ao incremento da diretividade e do ganho das duas frequências escolhidas para análise. Apesar de um ganho mais significativo ter sido obtido na frequência de maior valor, a antena continua a desempenhar suas funções iniciais, atuando nas duas bandas com precisão e definição, contudo passa agora a atuar com maior ganho e menor perda de potência. REFERÊNCIAS C. Caloz e T Itoh, Electromagnetic Metamaterials: Transmission line Theory and Microwave Applications: The Engineering Approach John Wiley & Sons, Inc, Hoboken, New Jersey USA, 2006. Cui, T. J., D. V. Smith and R. Liu. Metamaterials:Theory, Design and Applications. Springer, New York, 2010. D. M. POZAR Microwave engineering. 4. ed. [S.l.]: John Wiley & Sons, 2012. 732 p. E. F. GUELBER Aplicação da Tecnologia Metamaterial Em Dispositivos de Telecomunicações, monografia, Departamento de Engenharia de Telecomunicações, UFSJ, 2014. H. C. C. FERNANDES e M. do B. L. de AQUINO. Antenas de Microfita com Metamateriais, artigo, Departamento de Engenharia Elétrica, UFRN, doi: 59.078-970 H. X. Araujo and L. C. Kretly, The Effect of Metamaterial Patterning to Improve the Septum GTEM Chamber Performance, PIERS Proceedings, Marrakesh, MOROCCO, March 20 23, 2011. H. X. Araujo, S. Barbin, L. C. Kretly.Conceitos de Metamateriais Aplicados em Dispositivos de Micro-ondas.Momag 2012, João Pessoa, Brasil, Agosto, 2012 F. Capolino. Metamaterials Handbook: Theory and Phenomena of Metamaterials. CRC Press, 2009. RAHMAN, Md Ashikur et al. Design and Performance Analysis of A Dual-band Microstrip Patch Antenna for Mobile WiMAX, WLAN, Wi-Fi and Bluetooth Applications. In: 3rd INTERNATIONAL CONFERENCE ON INFORMATICS, ELECTRONICS & VISION 2014, 2014, Dhaka, Bangladesh. [S.l.: s.n.], 2014. p. 1-5. ROCHA, Jéssica Pederneiras Moraes et al. Caracterização e confeccção de uma antena de microfita para recepção de TV digital e aplicação em notebooks através do Ansoft HFSS. Revista Principia, João Pessoa, 01 dez. 2012. Divulgação científica e tecnológica do IFPB, p. 50. 124