Carlos Augusto Teixeira Coelho cies Seletivas em Frequ

Universidade Federal Fluminense

Escola de Engenharia

Curso de Graduacao em Engenharia de

Telecomunicacoes

Carlos Augusto Teixeira Coelho

Superfıcies Seletivas em Frequencia aplicadas a

Projeto de Antena Dual-Band para a faixa ISM

Niteroi – RJ

2018

i


Superfıcies Seletivas em Frequencia aplicadas a Projeto de Antena Dual-Band para a

faixa ISM

Trabalho de Conclusao de Curso apresentado ao

Curso de Graduacao em Engenharia de Teleco-

municacoes da Universidade Federal Fluminense,

como requisito parcial para obtencao do Grau de

Engenheiro de Telecomunicacoes.

Orientador: Prof.a Dr.a Leni Joaquim de Matos

Co-orientador: Prof. Dr. Maurıcio Weber Benjo da Silva

Niteroi – RJ

2018

Ficha catalográfica automática - SDC/BEE

Bibliotecária responsável: Fabiana Menezes Santos da Silva - CRB7/5274

C672s Coelho, Carlos Augusto Teixeira Superfícies Seletivas em Frequência aplicadas a Projeto deAntena Dual-Band para a faixa ISM / Carlos Augusto TeixeiraCoelho ; Leni Joaquim de Matos, orientadora ; Maurício WeberBenjó da Silva, coorientador. Niterói, 2018. 82 f. : il.

Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenhariade Telecomunicações)-Universidade Federal Fluminense, Escolade Engenharia, Niterói, 2018.

1. Antena (Eletrônica). 2. Eletromagnetismo. 3. Microonda.4. Radiofreqüência. 5. Produção intelectual. I. TítuloII. Matos,Leni Joaquim de, orientadora. III. Silva, MaurícioWeber Benjó da, coorientador. IV. Universidade FederalFluminense. Escola de Engenharia. Departamento de Engenhariade Telecomunicações.

CDD -

iii


Superfıcies Seletivas em Frequencia aplicadas a Projeto de Antena Dual-Band para a

faixa ISM

Trabalho de Conclusao de Curso apresentado ao

Curso de Graduacao em Engenharia de Teleco-

municacoes da Universidade Federal Fluminense,

como requisito parcial para obtencao do Grau de

Engenheiro de Telecomunicacoes.

Aprovada em 10 de dezembro de 2018.

BANCA EXAMINADORA

Prof.a Dr.a Leni Joaquim de Matos — Orientadora

Universidade Federal Fluminense — UFF

Prof. Dr. Maurıcio Weber Benjo da Silva — Co-orientador


Prof.a Dr.a Vanessa Przybylski Ribeiro Magri


Niteroi – RJ

2018

iv

Resumo

A evolucao dos sistemas de comunicacao moveis e sem fio tem promovido, nos ultimos

anos, uma demanda crescente por solucoes compactas e que atendam requisitos de ope-

racao em multiplas faixas de frequencia. Nesse sentido, para o domınio das micro-ondas,

as antenas em microfita sao vantajosas por apresentarem dimensoes reduzidas, leveza e

grande versatilidade, adaptando-se a diversos perfis de superfıcies, no entanto, alguns tipos

de antenas de microfita apresentam baixa largura de banda e pouco ganho e diretividade.

Desse modo, conforme a aplicacao desejada, faz-se necessario pensar em maneiras de me-

lhorar o desempenho desse tipo de antena. Um desses modos consiste no desenvolvimento

e emprego de superfıcies seletivas em frequencia (FSS), que fazem o papel de filtros de

radiofrequencia e, de acordo com seu projeto geometrico e de materiais utilizados, podem

acarretar aumento das larguras de banda de uma antena e de seus parametros de desem-

penho em funcao da frequencia, atraves da reflexao, transmissao e/ou absorcao das ondas

emitidas pela mesma.

A proposta deste trabalho e apresentar uma combinacao de duas superfıcies seleti-

vas em frequencia, acopladas a uma antena em microfita de banda dupla para faixas ISM,

todas desenvolvidas no Laboratorio de Antenas e Propagacao da Universidade Federal

Fluminense, com o intuito de melhorar a performance da antena, no que tange o compor-

tamento de seu ganho, diretividade, relacao frente–costas e parametros de espalhamento.

Foram feitos levantamentos teoricos e, em seguida, foram descritos os devidos pas-

sos para os projetos da antena e de ambas as FSSs, levando em consideracao a escolha de

sua geometria e dos materiais empregados, e as respectivas simulacoes em software. Ao fi-

nal, os resultados obtidos, via simulacao, sao comparados entre si e conclusoes sao tiradas

de forma a verificar o cumprimento dos requisitos do projeto e, tambem, sao estipuladas

as escolhas para futuras etapas.

v

Palavras-chave: Antena de Banda Dupla, CST, ISM, Microfita, Micro-ondas, Su-

perfıcie Seletiva em Frequencia.

vi

Abstract

The evolution of mobile and wireless comunication systems has promoted in recent years

a rising demand towards solutions that are compact and attend operation requirements

for multiple frequency bands. With this respect, for the microwave dominion, microstrip

antennas show advantages due to their reduced dimensions, lightness and great versatility,

adapting to several surface profiles, however, certain types of microstrip antennas feature

short bandwidth and low gain and directivity. Therefore, depending on the desired ap-

plication, it is necessary to think of ways to improve its performance. One of such ways

consists on the development and usage of frequency-selective surfaces (FSS), which play

the role of radiofrequency filters and, according to its geometric and material-wise pro-

ject, are able to bring about expansion of an antenna’s bandwidths and its performance

parameters in function of frequency and space, through reflection, transmission and/or

absorption of the waves emitted by it.

The proposal of this monograph is to present a combination of two frequency-

selective surfaces, linked to a dual-band ISM microstrip antenna, all of which having been

developed at the Laboratory of Antennas and Propagation of the Fluminense Federal

University, whose goal is to improve the antenna performance, with respect to its gain,

directivity, front-to-back ratio and scattering parameters.

Theoretic research was made and, later, the proper steps to the designs of the

antenna and both FSSs were described, taking into account the choice of their geometry

and used materials, and their software simulations. Eventually, the results gathered via

simulation are compared and conclusions are taken in order to confirm the fulfillment of

the project requirements; in addition, choices for future project steps are stablished.

Keywords: Dual-Band Antenna, CST, ISM, Microstrip, Microwaves, Frequency-

selective surface.

vii

A meu pai, Carlos Renato, pelo amor e cari-

nho fundamentais.

A meu primo, Pedro, exemplo de persistencia

e de dedicacao.

viii

Agradecimentos

A minha famılia, pelo infinito carinho, amor e dedicacao durante toda a minha

vida, sem os quais nao haveria trilhado o mesmo caminho que sigo hoje.

A Prof.a Dr.a Leni Joaquim de Matos, pela imensa cooperacao durante minha

estada no Laboratorio de Antenas e Propagacao da UFF, e pela orientacao no projeto

de Iniciacao Cientıfica, no qual o conhecimento e experiencia pratica adquiridos foram

fundamentais para o desenvolvimento e execucao deste trabalho.

Ao Co-orientador, Prof. Dr. Maurıcio Weber Benjo da Silva, pelos esclarecimentos

prestados durante o projeto, pelo auxılio dado a utilizacao do software para simulacao em

micro-ondas e, principalmente, pela excelente relacao mantida.

A colega e amiga, Roberta Neves Guimaraes de Carvalho, pela ajuda e orientacao

dadas durante o projeto de iniciacao cientıfica, iniciado por ela e herdado por mim, que

deu origem a este trabalho.

A colega e amiga, Carla Florentino Schueler, por toda a ajuda e companheirismo

durante minha convivencia no Laboratorio de Antenas e Propagacao da UFF.

A professora e membro da banca, Prof.a Dr.a Vanessa P. R. Magri, por toda orien-

tacao dada durante o estudo da teoria e fabricacao de circuitos impressos, fundamentais

a correta execucao deste trabalho.

A todos os amigos que fiz, durante e fora do curso de Engenharia de Telecomuni-

cacoes, pelo amparo, compreensao e forca que me deram.

A Universidade Federal Fluminense, por ter-me proporcionado conhecimento cru-

cial para minha formacao academica, profissional e pela minha formacao como cidadao.

Lista de Figuras

2.1 Diagrama de radiacao de uma antena omnidirecional [3]. . . . . . . . . . . 5

2.2 Diagrama de radiacao de uma antena em escalas linear e logarıtmica [3]. . 5

2.3 Diagrama de radiacao de uma antena, com as larguras de feixe assinaladas

[3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.4 Esquematizacao de uma antena conectada a um gerador e seus terminais. . 8

2.5 Parametros de espalhamento em um sistema de 2 portas [2]. . . . . . . . . 9

2.6 Largura de banda delimitada segundo o criterio de −10 dB de perda de

retorno [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.7 Antenas filamentares [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.8 Antenas em abertura [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.9 Antenas refletoras parabolicas [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.10 Antenas em conjuntos matriciais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.11 Exemplo de antena lenticular de formato convexo–convexo [3]. . . . . . . . 13

2.12 Esquematizacao de uma antena de microfita [3]. . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.13 Exemplos de formatos de um patch [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.14 Alimentacao por cabo coaxial [3] [12]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.15 Alimentacao por acoplamento por proximidade [3]. . . . . . . . . . . . . . 18

2.16 Alimentacao por acoplamento por abertura [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.1 Esquematizacao de uma superfıcie seletiva em frequencia e seus componen-

tes [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2 Representacao de fitas condutoras paralelas e seus circuitos equivalentes

em funcao do vetor E0 [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.3 Fitas condutoras nao contınuas e seu circuito equivalente. . . . . . . . . . . 22

3.4 Grades metalicas e seus circuitos equivalentes. . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.5 Grupo de FSS formado por elementos radiais. . . . . . . . . . . . . . . . . 23

ix

x

3.6 Grupo de FSS formado por elementos cıclicos. . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.7 Grupo de FSS formado por elementos solidos. . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.8 Exemplos de estruturas com combinacoes [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.9 Representacao dos tipos de substrato e seu comportamento [2] [33]. . . . . 25

3.10 Efeito promovido pelo substrato dieletrico sobre o padrao de ressonancia

da FSS [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.11 Representacao da reducao do espacamento efetivo da FSS em funcao do

angulo de incidencia da onda [2] [33]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.12 Demonstracao do funcionamento de um radome, onde F1 e a frequencia de

trabalho da antena e F2 e qualquer frequencia indesejada [2] [41]. . . . . . 28

3.13 Representacao de uma antena de banda dupla com sub-refletores [2]. . . . . 28

4.1 Esquema da antena de microfita e seus componentes [2] [50]. . . . . . . . . 31

4.2 Parametros dimensionais da antena [2] [50]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.3 Diagrama do coeficiente de reflexao da antena (S11) [2]. . . . . . . . . . . . 33

4.4 Parametros de radiacao da antena em funcao da frequencia [2]. . . . . . . . 35

4.5 Parametros de radiacao da antena em funcao da frequencia [2]. . . . . . . 36

4.6 Parametros dimensionais da primeira FSS [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.7 Malha completa da primeira FSS [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.8 Diagrama dos coeficientes de reflexao (S11) e de trasmissao (S21) da pri-

meira FSS [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.9 Demonstracao do padrao de campo eletrico ao longo do plano transversal

a FSS [2]. Em todas as figuras, supoe-se que a antena esteja localizada na

parte inferior dos graficos, com a face do plano de terra voltada para a FSS. 40

4.10 Representacao da antena de microfita integrada a primeira FSS projetada

[2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.11 Diagrama do coeficiente de reflexao da antena (S11), em funcao da frequen-

cia, comparada a sua integracao com a primeira FSS [2]. . . . . . . . . . . 42

4.12 Comparacao entre os parametros de radiacao originais da antena, em funcao

da frequencia, e os da antena integrada a FSS [2]. Linhas retas indicam

simulacoes efetuadas apenas em dois valores de frequencia. . . . . . . . . . 44

xi

4.13 Parametros de radiacao da antena em funcao da frequencia (em vermelho,

de a a d), comparados a sua integracao com a primeira FSS (em verde, de

a a d) [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.14 Estrutura da celula unitaria da segunda FSS. . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.15 Diagrama do coeficiente de transmissao da segunda FSS em seu primeiro

dimensionamento (S21). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.16 Novo dimensionamento da segunda FSS. (Cobre em dourado, substrato em

bege.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.17 Diagrama do coeficiente de transmissao da segunda FSS em seu segundo

dimensionamento (S21). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.18 Representacao da antena de microfita integrada a ambas as FSS projetadas. 51

4.19 Diagrama da perda de retorno da antena (S11) comparada a sua integracao

com a primeira FSS e com as duas FSS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.20 Comparacao entre os parametros de radiacao da antena integrada a pri-

meira FSS, em funcao da frequencia, e os da antena integrada as duas FSS.

Linhas retas indicam simulacao apenas para dois valores fixos de frequencia. 54

4.21 Parametros de radiacao da antena em funcao da frequencia, em sua inte-

gracao com ambas as FSSs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.1 Maquina prototipadora LPKF Protomat S103 [51]. . . . . . . . . . . . . . 59

6.2 Analisador Anritsu MS2034A [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

xii

Lista de Tabelas

2.1 Materiais utilizados como substrato e suas caracterısticas [2] [14]. . . . . . 16

3.1 Comparacao de desempenho entre geometrias diferentes [2]. . . . . . . . . . 24

4.1 Parametros de dimensionamento da antena de microfita. . . . . . . . . . . 33

4.2 Caracterizacao obtida das bandas de operacao da antena de microfita. . . . 33

4.3 Parametros de radiacao da antena de microfita. . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.4 Dimensoes da primeira FSS encontradas por simulacao. . . . . . . . . . . . 38

4.5 Caracterizacao obtida das bandas de operacao da primeira FSS. . . . . . . 39

4.6 Caracterizacao obtida das bandas de operacao da antena integrada a pri-

meira FSS, comparada a situacao anterior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.7 Parametros de radiacao da antena de microfita, integrada a primeira FSS. . 43

4.8 Dimensoes da segunda FSS encontradas por simulacao. . . . . . . . . . . . 46

4.9 Primeira caracterizacao obtida das bandas de operacao da segunda FSS. . 47

4.10 Dimensoes da segunda FSS encontradas por simulacao. . . . . . . . . . . . 49

4.11 Caracterizacao obtida das bandas de operacao da segunda FSS. . . . . . . 50

4.12 Caracterizacao obtida das bandas de operacao da antena integrada as duas

FSS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.13 Parametros de radiacao da antena de microfita integrada as duas FSS. . . . 53

Sumario

Resumo iv

Abstract vi

Agradecimentos viii

Lista de Figuras xi

Lista de Tabelas xii

1 Introducao 1

1.1 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Estrutura da monografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Aspectos importantes da teoria de antenas 4

2.1 Parametros das antenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1.1 Diagrama de radiacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1.2 Diretividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.3 Ganho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.4 Eficiencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.5 Larguras de feixe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.5.1 HPBW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.5.2 FNBW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.6 Impedancia de entrada e parametros de espalhamento . . . . . . . . 8

2.1.7 Largura de banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.8 Relacao frente–costas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Classificacao das antenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

xiii

xiv

2.2.1 Filamentares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2.2 Em abertura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.3 Refletoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.4 Antenas em arranjos (conjuntos) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.5 Lenticulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2.6 Microfita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3 Antenas de microfita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.1 Estrutura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.1.1 Patch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3.1.2 Substrato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3.2 Alimentacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3.2.1 Por linha de microfita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3.2.2 Por cabo coaxial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3.2.3 Por acoplamento por proximidade . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3.2.4 Por abertura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3 Superfıcies Seletivas em Frequencia 19

3.1 Principais aspectos teoricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.1.1 Circuito equivalente de uma FSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1.2 Geometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1.3 Substrato dieletrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.1.4 Angulo de incidencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.2 Aplicacoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2.1 FSSs metalicas e resistivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4 Projeto e simulacao da estrutura 30

4.1 Antena de microfita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.1.1 Projeto da antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.1.2 Simulacao da antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.2 Primeira FSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.2.1 Projeto da FSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.2.2 Simulacao da FSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.3 Integracao da antena a primeira FSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

xv

4.3.1 Projeto do conjunto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.3.2 Simulacao do conjunto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.4 Segunda FSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.4.1 Projeto da FSS: primeira etapa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.4.2 Simulacao: primeira etapa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.4.3 Projeto da FSS: segunda etapa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.4.4 Simulacao: segunda etapa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.5 FSSs integradas a antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.5.1 Projeto da estrutura final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.5.2 Simulacao da estrutura final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5 Conclusao 56

6 Sugestoes para trabalhos futuros 58

6.1 Fabricacao da FSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

6.2 Medicoes em laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

6.3 Medicoes em camara anecoica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

6.4 Substituicao por FSS resistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Referencias Bibliograficas 61

Capıtulo 1

Introducao

A utilizacao e o desenvolvimento de tecnologias de comunicacao sem fio vem apresentando

um consideravel crescimento, principalmente nas faixas de frequencia nao licenciadas ISM

(sigla do ingles Industrial, Scientific and Medical) de 2,4 e 5,8 GHz [1]. As bandas ISM sao

reservadas para o estudo e implementacao nas areas industrial, cientıfica e medica, com

seu emprego regulamentado por normas que regem parametros como largura de banda

e potencia maxima de transmissao. Podemos destacar o emprego dessas faixas pelos

sistemas WLAN (do ingles Wireless Local Area Network), convenientes pela flexibilidade,

no que diz respeito a area de cobertura e melhor aproveitamento do espaco fısico.

Com a evolucao dos sistemas de comunicacoes moveis, podemos notar a necessidade

da construcao de antenas com dimensoes cada vez mais compactas. Tendo em vista

a quantidade de servicos operando em faixas de frequencias distintas, e interessante a

proposta de antenas que atuem em sistemas multibanda. E importante ressaltar que

a transmissao de sinais de radio pode causar interferencia entre sistemas coexistentes,

quando os sinais se propagarem alem de seus receptores.

Para tanto, e essencial assegurar que os efeitos de interferencia entre os sistemas

sejam reduzidos ou investir no desenvolvimento de tecnicas que possibilitem a operacao

adequada dos sistemas coexistentes, mesmo na presenca deste fenomeno. Assim, antenas

compactas multibanda podem ser desenvolvidas, permitindo passagem de sinais nas faixas

de frequencias desejadas e rejeitando as demais frequencias. Para esta finalidade, antenas

de microfita sao comumente empregadas.

Algumas antenas em microfita apresentam baixa largura de banda e nıveis nao

satisfatorios de ganho e diretividade, o que pode limitar a sua utilizacao em algumas

2

aplicacoes. Assim, para melhorar seu desempenho, sao utilizadas superfıcies seletivas

em frequencia, que possibilitam melhores resultados nos parametros de radiacao e, desta

forma, um melhor desempenho.

Uma superfıcie seletiva em frequencia (FSS, do ingles frequency-selective surface)

e um conjunto periodico de elementos do tipo patch condutor ou abertura — isto e, o

elemento consiste em uma regiao vazada de um plano condutor —, ou, ainda, uma com-

binacao dos dois tipos de elementos. Esses arranjos comportam-se de maneira similar aos

filtros de circuitos tradicionais de radiofrequencia, assumindo caracterısticas de resposta

em frequencia analogas as de filtros passa-altas, passa-baixas, passa-faixas e rejeita-faixas.

1.1 Objetivo

O objetivo deste trabalho e descrever a continuacao de um projeto corrente de antenas em

microfita, o qual foi iniciado pela aluna do Programa de Pos-Graduacao em Engenharia

Eletrica e de Telecomunicacoes (PPGEET) da Universidade Federal Fluminense, Elidiane

Mirella Farias Fernandes, e exposto em sua Dissertacao de Mestrado no ano de 2016,

referenciada em [2].

Tal projeto trata do desenvolvimento e fabricacao de uma antena em microfita, a

analise dos seus parametros de irradiacao e espectrais e, posteriormente, a sua integracao

com uma unica superfıcie seletiva em frequencia, projetada com o intuito de melhorar o

desempenho e diretividade da antena por meio da reflexao dos sinais irradiados atras da

mesma.

Para a nova fase do projeto, foi desenvolvida uma segunda FSS, com o objetivo

de continuar a busca por melhorias no desempenho da antena ao trabalhar em conjunto

com a primeira FSS desenvolvida anteriormente. Foram realizados testes, por meio de

simulacao em software, baseados em uma FSS metalica.

1.2 Estrutura da monografia

A presente monografia organiza-se, excetuada a introducao, em cinco capıtulos, a saber:

O capıtulo 2 introduz a teoria de antenas e discorre sobre seus principais parametros

de desempenho, alem de apresentar os tipos de antenas mais conhecidos e utilizados. Ao

3

final, uma atencao especial e dada as antenas de microfita, objeto de estudo do trabalho,

descrevendo suas estruturas especıficas e de alimentacao.

O capıtulo 3 tem como tema as superfıcies seletivas em frequencia (FSS), apresen-

tando sua definicao e exemplificando seus diferentes tipos e as respectivas respostas em

frequencia. Sao abordados os principais fatores de influencia em seu desempenho, bem

como suas principais aplicacoes.

O capıtulo 4 detalha, em um primeiro momento, as etapas de projeto e simulacao

das FSSs em software e expoe os resultados obtidos pelas mesmas, principalmente as

frequencias de ressonancia e largura de banda obtidas. Em seguida, relata-se a integracao

com a antena, efetuando-se assim a comparacao dos resultados finais com aqueles vistos

previamente com a antena isolada.

Por fim, os capıtulos 5 e 6 apresentam, respectivamente, as conclusoes tomadas e

os resultados obtidos ao longo do trabalho; e uma discussao sobre possıveis sugestoes de

etapas posteriores do projeto.

Capıtulo 2

Aspectos importantes da teoria de

antenas

Uma antena pode ser definida como um dispositivo projetado para a transmissao e recep-

cao de ondas eletromagneticas, fazendo assim o papel de interface entre o meio externo

e meios confinados por estruturas fısicas. Tal funcao torna a antena a base de qualquer

projeto de comunicacao sem fio.

Determinadas aplicacoes de antenas, tais como RFID (identificacao por radio-

frequencia), telefonia celular e sistemas de posicionamento como GPS e GLONASS, de-

mandam leveza e baixo custo de fabricacao, como e o caso das antenas planares.

Este capıtulo se dispoe, primeiramente, a descricao dos parametros mais impor-

tantes de caracterizacao e avaliacao de desempenho de uma antena e, em seguida, a

apresentar brevemente os tipos de antenas mais utilizados. Ao final, sera dada enfase as

antenas construıdas em microfita, que e o tipo a ser adotado neste trabalho.

2.1 Parametros das antenas

2.1.1 Diagrama de radiacao

Tambem conhecido como padrao de radiacao (do ingles radiation pattern), trata-se de uma

representacao tridimensional ou bidimensional — onde o domınio e o espaco e a antena

se encontra na origem — a qual representa as propriedades de irradiacao da antena, tais

como polarizacao, diretividade e intensidade de radiacao [3].

Costuma-se representar o diagrama de radiacao para uma antena linearmente pola-

5

rizada na forma bidimensional, fixando-se os planos E (contendo o vetor campo eletrico) e

H (contendo o vetor campo magnetico) e tambem outro plano perpendicular aos anteriores

[4]. Um exemplo de diagrama de radiacao e ilustrado na figura 2.1.

Figura 2.1: Diagrama de radiacao de uma antena omnidirecional [3].

Para facilitar a analise dos diagramas, outras duas praticas comuns sao a norma-

lizacao dos padroes de campo ou potencia segundo seu maximo valor e a plotagem dos

valores em escala logarıtmica (decibeis — dB), esta com o intuito de evidenciar melhor

possıveis lobulos laterais, isto e, regioes com baixos ou muito baixos valores absolutos.

Este metodo e ilustrado e comparado com a escala linear na figura 2.2.

Figura 2.2: Diagrama de radiacao de uma antena em escalas linear e logarıtmica [3].

6

2.1.2 Diretividade

A diretividade de uma antena e definida como a relacao, apresentada na equacao 2.1, entre

a intensidade de radiacao avaliada em determinada regiao do espaco (U) e a media da

radiacao tomada para todas as direcoes — isto e, a radiacao de uma fonte isotropica (U0).

Fontes isotropicas sao aquelas que irradiam para todas as regioes do espaco de maneira

uniforme ou constante [3].

D =U

U0

= 4πU

Prad

(2.1)

Sem uma especificacao da direcao, entende-se a diretividade em seu valor maximo,

ou seja, tomado na direcao de maxima intensidade de radiacao (Dmax), de acordo com a

equacao 2.2:

Dmax =Umax

U0

= 4πUmax

Prad

(2.2)

2.1.3 Ganho

Definido de forma analoga a diretividade, o ganho de uma antena e a relacao entre a in-

tensidade de radiacao em determinado ponto do espaco e a potencia de entrada da antena.

Tambem pode ser definida como o produto da diretividade pela eficiencia, apresentada na

equacao 2.3 [3].

G = 4πU

Pi= ηD (2.3)

2.1.4 Eficiencia

Define-se eficiencia como a razao entre a potencia entregue (irradiada) pela antena (Prad)

e a potencia de entrada que chega a antena (Pi); portanto, trata-se de uma medida que

varia entre zero e um — este ultimo sendo o caso de uma antena sem perdas [5].

A eficiencia tambem pode ser entendida como a razao, apresentada na equacao 2.4,

entre o ganho de uma antena e sua diretividade, assim, essas duas grandezas sao iguais

em uma antena sem perdas.

η =Prad

Pi=G

D(2.4)

2.1.5 Larguras de feixe

Considerando o diagrama de radiacao de uma antena e o seu lobulo principal, isto e, a

regiao que apresenta maior intensidade de irradiacao, torna-se necessario avaliar a con-

7

centracao de energia do mesmo ao redor da direcao de maxima radiacao. Isso pode ser

feito adotando-se criterios de medicao da largura de feixe do lobulo, em valor angular.

Os dois tipos mais comumente empregados de larguras de feixe sao a largura de feixe

de meia potencia (HPBW) e a largura de feixe dos primeiros nulos (FNBW), descritas

a seguir. A largura de feixe possui uma relacao inversa com o nıvel de lobulos laterais

(SLL), portanto sua diminuicao implica aumento na intensidade dos mesmos e vice-versa.

A figura 2.3 ilustra o padrao de radiacao de uma antena, com o lobulo principal em

destaque e os angulos de HPBW e FNBW discriminados.

Figura 2.3: Diagrama de radiacao de uma antena, com as larguras de feixe assinaladas

[3].

2.1.5.1 HPBW

A largura de feixe de meia potencia (do ingles half-power beamwidth, HPBW), como sugere

o nome, e o angulo de separacao entre os pontos do lobulo principal nos quais a potencia

irradiada (e consequentemente a intensidade de radiacao) e exatamente igual a metade

do maximo do lobulo. Como o fator 12

e aproximadamente igual a –3,01 dB, pode-se

chamar tambem a HPBW de largura de feixe entre pontos de 3 dB, sendo que tais pontos

localizam-se 3 dB abaixo do ponto maximo [3].

8

2.1.5.2 FNBW

Outro fator de merito importante e a largura de feixe dos primeiros nulos (do ingles first

null beamwidth, FNBW). Em vez de tomar os pontos de meia potencia, mede-se o angulo

de separacao entre os pontos em que nao ha nenhuma potencia irradiada (nulos). Trata-

se, portanto, da regiao de fronteira do lobulo principal. Notar que, em dB, o fator zero

equivale a uma queda ao infinito negativo (−∞) [3].

2.1.6 Impedancia de entrada e parametros de espalhamento

A impedancia de entrada (Zi) e o valor de impedancia medido nos terminais de entrada

da antena (ilustrados na figura 2.4), sendo calculado por meio da razao entre os valores

de tensao (Vi) e corrente (Ii) vistos entre tais terminais, sem adicao de cargas, conforme

a equacao 2.5.

Zi = Ri + Xi =ViIi, (2.5)

onde Ri e Xi sao respectivamente a resistencia e a reatancia de entrada.

Figura 2.4: Esquematizacao de uma antena conectada a um gerador e seus terminais.

Costuma-se, tambem, normalizar a impedancia (Zi) com relacao a impedancia

caracterıstica (Z0) da linha de transmissao. Diz-se que ha um casamento de impedancias

quando Zi = Z0, e como consequencia, nao ha reflexao (Γ = 0).

Zi =ZiZ0

(2.6)

Os parametros de espalhamento (ou parametros S) dizem respeito as relacoes entre

os sinais ou ondas que incidem e refletem nas portas de uma linha de transmissao [6]. Aqui,

terao maior destaque os parametros S11 e S21, a serem descritos a seguir.

A figura 2.5 ilustra um sistema de 2 portas, em que a1 =V +1√Z0

e a2 =V +2√Z0

indicam

as ondas que incidem, respectivamente, nas portas 1 e 2, e b1 =V −1√Z0

e b2 =V −2√Z0

indicam

as refletidas nas mesmas portas [6], sendo Z0 a impedancia caracterıstica da linha.

9

Figura 2.5: Parametros de espalhamento em um sistema de 2 portas [2].

Tais ondas relacionam-se segundo a equacao matricial 2.7, b1

b2

=

S11 S12

S21 S22

a1

a2

, (2.7)

onde Sij (i, j = 1 ou 2) sao os parametros de espalhamento da linha em questao.

No ambito deste trabalho, os parametros de espalhamento mais importantes sao os

da primeira coluna da matriz S, ao se considerar a porta 1 como principal. O parametro

S11 tambem e chamado coeficiente de reflexao, descrito na equacao 2.8, por medir o

grau de reflexao na porta 1, e e encontrado quando a porta 2 esta com uma carga casada,

ou seja, a2 = 0.

S11 =b1

a1

∣∣∣∣a2=0

=V −1V +

1

∣∣∣∣a2=0

(2.8)

O parametro S21, por sua vez, chama-se alternativamente perda por insercao

ou perda de transmissao e avalia o grau de transmissao da porta 1 ate a porta 2, na

mesma condicao de carga casada na ultima, conforme a equacao 2.9.

S21 =b2

a1

∣∣∣∣a2=0

=V −2V +

1

∣∣∣∣a2=0

(2.9)

2.1.7 Largura de banda

A largura de banda, ou largura de faixa, de uma antena e uma determinada regiao do

espectro de frequencias dentro da qual a antena devera operar de acordo com um pa-

drao tecnico previamente especificado [3]. Pode-se considera-la como uma faixa, centrada

em uma frequencia central (fc), em que as caracterısticas fundamentais da antena sao

preservadas a patamares aceitaveis.

Define-se, entao, a largura de banda (BW, do ingles bandwidth), em termos abso-

lutos, segundo a seguinte formula:

BW = f2 − f1, (2.10)

10

onde f1 e f2 sao, respectivamente, as frequencias de limiar inferior e superior da banda

de operacao, e tambem em termos proporcionais:

BW% =f2 − f1

fc(2.11)

Um dos criterios utilizados para definir a larguda de banda de uma antena e, consi-

derando o seu grafico de coeficiente de reflexao, estabelecer como limites as frequencias nas

quais a perda seja igual a −10 dB. Tal valor equivale a 0,10 em escala linear, denotando

90% de absorcao de energia nesses pontos, como demonstra a figura 2.6 [2].

Figura 2.6: Largura de banda delimitada segundo o criterio de −10 dB de perda de retorno

[2].

2.1.8 Relacao frente–costas

A relacao frente–costas de uma antena e a razao entre a potencia maxima entregue no

lobulo principal (expressa na formula a seguir por PLP) e o valor de potencia irradiada no

sentido oposto ao mesmo (expressa por PLO).

FBR [dB] = 10 logPLP

PLO

(2.12)

2.2 Classificacao das antenas

2.2.1 Filamentares

Trata-se do tipo mais simples de antena e um dos mais versateis e baratos, possuindo um

formato filamentar que pode assumir diversas formas, tais como fio reto (dipolo), espira

quadrada ou circular e helicoide [3]. Essas antenas sao ilustradas pela figura 2.7.

11

(a) Antena dipolo. (b) Antena em espira, circular ou qua-

drada.

(c) Antena helicoidal.

Figura 2.7: Antenas filamentares [3].

Dipolos sao mais comumente dimensionados a metade ou quarto do comprimento

de onda em que operam. Enquanto o dipolo de meio comprimento de onda e alimentado

por uma linha de transmissao em seu centro e e polarizado horizontalmente (se deitado), o

dipolo de quarto de comprimento de onda e usado, normalmente, com polarizacao vertical,

e e disposto acima de um plano condutor infinito (plano de terra).

Quanto as espiras, o formato mais comum e o circular, por sua simplicidade de

analise e construcao. Antenas helicoidais, por sua vez, permitem a geracao de ondas com

polarizacao circular e que se deslocam no formato de uma espiral. Sao comuns em sistemas

como o GPS, por nao necessitarem de ajustes de polarizacao [2] [7].

2.2.2 Em abertura

Antenas em abertura sao uteis em aplicacoes aeroespaciais, pois e possıvel monta-las de

forma conveniente no corpo de uma aeronave ou espaconave [3]. Sao, preferencialmente,

utilizadas para sistemas onde se empregam guias de onda, e podem promover alto ganho

e diretividade, determinados em funcao de seu dimensionamento [8]. A figura 2.8 ilustra

alguns tipos de antenas em abertura.

12

(a) Abertura simples de um

guia de onda retangular.

(b) Abertura piramidal. (c) Abertura conica.

Figura 2.8: Antenas em abertura [3].

2.2.3 Refletoras

A necessidade de comunicacoes em escala global gera uma demanda por antenas que sejam

capazes de irradiar sinais por milhares de quilometros de distancia. Um grupo que satisfaz

essa meta sao as antenas refletoras, cujo representante mais popular e a antena parabolica.

A figura 2.9 demonstra seu princıpio de funcionamento: os raios emitidos onidire-

cionalmente pela antena sao refletidos por uma superfıcie curva, localizada a sua frente,

e passam a se propagar de forma paralela no espaco. De forma distinta, a parabolica

Cassegrain envia os raios para um refletor secundario e este, por sua vez, os direciona

para o refletor principal [3].

(a) Antena parabolica comum. (b) Antena Cassegrain.

Figura 2.9: Antenas refletoras parabolicas [3].

2.2.4 Antenas em arranjos (conjuntos)

Determinadas aplicacoes pedem padroes de radiacao que podem nao ser atendidos por um

unico elemento, no entanto, tais demandas podem ser satisfeitas atraves de um agrupa-

mento de elementos radiantes, organizados de acordo com sua geometria ou caracterısticas

eletromagneticas [3].

Antenas em arranjo podem tanto ser feitas por elementos fisicamente separados,

13

tais como a antena Yagi-Uda (figura 2.10a), quanto por elementos montados em uma

estrutura unificada, como e o caso dos conjuntos em microfita (figura 2.10b).

(a) Antena Yagi-Uda. (b) Antena matricial de micro-

fita.

Figura 2.10: Antenas em conjuntos matriciais.

2.2.5 Lenticulares

Este grupo de antenas possui elementos auxiliares com formato de lente, e sua proposta de

funcionamento e direcionar os feixes irradiados, transformando-os assim em ondas planas

e impedindo a propagacao dos sinais em direcoes indesejadas, conforme esquematiza a

figura 2.11.

Figura 2.11: Exemplo de antena lenticular de formato convexo–convexo [3].

Devido as propriedades similares, antenas lenticulares podem ter as mesmas apli-

cacoes das parabolicas, principalmente para altas frequencias [3].

14

2.2.6 Microfita

Tambem chamada pelo nome em ingles microstrip, a antena de microfita e o tipo a ser

utilizado neste trabalho e sera descrita com maior profundidade na secao a seguir.

2.3 Antenas de microfita

As antenas em microfita tiveram ascensao em popularidade na decada de 1970, princi-

palmente em aplicacoes espaciais [3] [9] [10]. Na atualidade, seu campo de utilizacao

e amplo, sendo requisitadas tanto para instalacoes de satelite, aeroespaciais e militares

quanto para comunicacoes em radio sem fio, incluindo-se aı telefonia celular e redes WiFi

[3]. As antenas de microfita ou antenas impressas sao antenas construıdas a partir de

tecnicas de fabricacao de circuito impresso. Antenas deste tipo sao leves, de baixo custo e

de baixo perfil planar, o que resulta na sua escolha em relacao as antenas convencionais.

Podemos destacar o emprego destas antenas em aplicacoes como em comunicacoes via

satelite, GPS, radares, sensoreamento remoto, sistemas de comunicacao sem fio, comando

e controle, telemetria de mısseis e aplicacoes medicas [11].

Dentre os motivos para sua demanda, destacam-se sua leveza e tamanho reduzido,

sua capacidade de adaptacao a superfıcies, planares ou nao, custo de fabricacao relati-

vamente baixo e versatilidade com relacao a frequencias de ressonancia, impedancia e

polarizacao.

A antena de microfita, no entanto, possui desvantagens como baixo ganho e po-

tencia de radiacao, largura de banda muito estreita e propagacao de ondas superficiais.

2.3.1 Estrutura

A estrutura basica de uma antena de microfita consiste em tres elementos: um patch, um

substrato e um plano de terra, conforme ilustrado na figura 2.12. L e o comprimento do

patch, W e sua largura, t sua espessura, h a espessura do substrato e εr a sua constante

dieletrica.

Tanto o patch como o plano de terra devem ser bem finos, com espessura (t) muito

menor do que o comprimento de onda no espaco livre (t � λ0). A mesma condicao se

aplica para a espessura do substrato (h).

15

(a) Vista oblıqua. (b) Vista lateral.

Figura 2.12: Esquematizacao de uma antena de microfita [3].

2.3.1.1 Patch

O patch e o elemento radiante propriamente dito da antena, sendo feito de qualquer

material bom condutor, como o cobre, e podendo assumir diversas formas geometricas

que influenciam na distribuicao de campo eletromagnetico da antena e tambem em sua

frequencia de ressonancia, impedancia e polarizacao. Alguns exemplos de formas assumi-

das pelo patch sao expostos na figura 2.13.

(a) Quadrado. (b) Retangular. (c) Dipolo. (d) Circular.

Figura 2.13: Exemplos de formatos de um patch [2].

Os formatos retangular, quadrado, dipolo e circular sao os mais vistos em antenas

de microfita, por apresentarem maior simplicidade de analise e fabricacao e baixa pola-

rizacao cruzada. Patches quadrados e retangulares apresentam maior largura de banda,

enquanto aqueles em forma de dipolo tem a vantagem de ocupar menos espaco. As

antenas podem ter seu desempenho melhorado adotando-se outros formatos, por vezes

combinando aqueles vistos aqui [3] [12].

2.3.1.2 Substrato

O substrato serve como uma camada dieletrica na qual repousam os demais elementos con-

dutores. Tres fatores principais devem ser levados em conta na escolha de um substrato:

a constante dieletrica (εr), a tangente de perdas (tan δ) e a espessura (h).

16

Diversos tipos de substrato podem ser utilizados na construcao de uma antena em

microfita, com constante dieletrica variando, na maioria das aplicacoes, na faixa 2.2 ≤

εr ≤ 12. Valores mais altos de εr permitem uma antena de menores dimensoes, porem

implicam diminuicao da largura de banda e da eficiencia e, portanto, do ganho [3]. Altos

valores de tangente de perdas acarretam um aumento de perdas na alimentacao e reducao

de eficiencia.

Embora uma maior espessura implique um aumento na largura de banda, tambem

intensifica a propagacao de ondas superficiais indesejaveis, que prejudicam a eficiencia da

antena. E preciso, portanto, obedecer ao limiar superior estabelecido pela formula

h ≤ 0.3c

2πfmax√εr, (2.13)

onde c e a velocidade da luz, fmax e a maior frequencia de operacao e εr e a constante

dieletrica relativa do material [13].

Um material bastante comum para fabricacao de substrato e o FR–4, constituıdo

de epoxi com fibra de vidro, sendo uma alternativa barata aos caros alumina e teflon,

porem apresenta altos valores de perda dieletrica [2]. A tabela 2.1 relaciona os tipos mais

comuns de material utilizados para construcao de antenas de microfita, bem como suas

constantes dieletricas e tangentes de perdas.

Tabela 2.1: Materiais utilizados como substrato e suas caracterısticas [2] [14].

Material εr tan δ

PTFE nao reforcado 2,10 0,0004

PTFE com fibra de vidro 2,33 0,00115

PTFE com quartzo 2,47 0,0006

Teflon 2,08 0,00037

FR–4 4,4 0,025

RT/Duroid 5880 2,26 0,0018

RT/Duroid 6006 6,36 0,0017

Epsilam 10 10,3 0,0004

Oxido de poliolefina 2,55 0,00016

Ultralam 2000 2,50 0,0019

Ceramica de alumina 9,6 a 10,1 0,0004

AD/1000 10,2 0,0023

17

2.3.2 Alimentacao

A seguir, serao descritas as tecnicas de alimentacao de antenas de microfita mais populares,

a saber, linha de microfita, cabo coaxial, acoplamento por proximidade e acoplamento por

abertura.

2.3.2.1 Por linha de microfita

Produz-se uma linha condutora estreita que comeca em uma das arestas do bloco da antena

e termina diretamente no patch radiante, podendo ser vista como um prolongamento deste,

conforme visto anteriormente na figura 2.12a.

E um metodo de simples fabricacao e que facilita o casamento de impedancias,

porem, a medida que aumenta a espessura do substrato, aumenta a ocorrencia de ondas

superficiais e radiacao espuria, o que acaba por limitar a largura de banda [15].

2.3.2.2 Por cabo coaxial

Utiliza-se uma peca condutora que parte do plano de terra, atravessa o substrato e termina

no patch, como indica a figura 2.14. Reduz as radiacoes espurias e, tambem, e de facil

fabricacao e casamento, porem sua modelagem e difıcil e possui largura de banda estreita.

Figura 2.14: Alimentacao por cabo coaxial [3] [12].

2.3.2.3 Por acoplamento por proximidade

Sao utilizados dois substratos separados, sendo que em um deles se encontra o patch

radiante (localizado na face externa) e no outro, a linha condutora, a qual esta orientada

18

entre os dois substratos (face interna), conforme esquematizado na figura 2.15. Com

isso, os substratos podem ter caracterısticas distintas para melhorar o desempenho. Sua

fabricacao e mais difıcil do que a alimentacao por linha de microfita ou cabo coaxial, tendo

em vista que e necessario um bom alinhamento entre as duas partes para o acoplamento

adequado [11].

Figura 2.15: Alimentacao por acoplamento por proximidade [3].

2.3.2.4 Por abertura

Utilizam-se dois substratos separados, um deles contendo o patch radiante na face externa,

enquanto o outro contem um plano de terra na face interna e a linha condutora na face

externa, conforme esquematizado na figura 2.16. Uma pequena fenda no substrato inferior

e responsavel pelo acoplamento entre o patch e a linha condutora [3] [16].

Dentre os quatro metodos aqui expostos, e aquele de mais difıcil fabricacao e possui

pequena largura de banda, porem apresenta nıveis moderados de radiacoes espurias e sua

modelagem e mais simples [3].

Figura 2.16: Alimentacao por acoplamento por abertura [3].

Capıtulo 3

Superfıcies Seletivas em Frequencia

Objeto de estudo deste trabalho e projeto, as superfıcies seletivas em frequencia sao um

subconjunto de um grupo de materiais denominado metamateriais. Este grupo abrange

todo e qualquer tipo de material, de producao artificial, cuja caracterıstica fundamental

seja a reproducao de comportamentos de materiais naturais ou, entao, a presenca de

propriedades fısicas nao encontradas na natureza [2].

O grupo dos metamateriais divide-se em diversas classes e subclasses, dentre as

quais as mais importantes para estudos da area de comunicacoes sem fio estao reunidas

no grupo EBG (do ingles electromagnetic band gap), que consiste em estruturas tridimen-

sionais que bloqueiam ondas eletromagneticas para uma certa banda frequencial. Dessa

forma, essas estruturas atuam da mesma forma que os filtros tradicionais abordados no

estudo de circuitos eletricos. Dentro do EBG, pode-se encontrar, em maior importancia,

os seguintes subgrupos:

• PBG (photonic band gap, Lacuna de Banda Fotonica): atua como um filtro rejeita-

faixa, servindo de substrato a antenas e tambem a controle de propagacao de ondas

em substratos [17] [18]. Embora se refira a faixa optica do espectro em seu nome,

estruturas PBG tambem sao empregadas em sistemas de micro-ondas [19].

• AMC (Artificial Magnetic Conductor, condutor magnetico artificial): estruturas de

carater metalico e dieletrico que, em determinada banda do espectro, comportam-se

como um condutor magnetico perfeito, refletindo ondas em fase e eliminando ondas

superficiais.

• HIS (High-Impedance Surfaces, superfıcies de alta impedancia): cavidades resso-

20

nantes que repousam em um substrato dieletrico e apresentam plano de terra na

face oposta as mesmas. Promovem reflexao com manutencao de fase [20], alem de

bloquear ondas superficiais para uma dada banda.

• FSS (Frequency-Selective Surfaces, superfıcies seletivas em frequencia): tambem

planares, podem assumir diversas configuracoes de filtros espectrais, e serao abor-

dadas com maior profundidade neste capıtulo.

3.1 Principais aspectos teoricos

Superfıcies seletivas em frequencia (do acronimo em ingles FSS — frequency-selective sur-

face) consistem em um arranjo periodico de elementos, seja do tipo patch condutor — tais

qual visto em antenas de microfita — seja do tipo abertura, isto e, uma superfıcie condu-

tora vazada [21]. Esse arranjo e impresso em cima de um ou mais substratos dieletricos

conforme o projeto desejado. Todo esse esquema e ilustrado pela figura 3.1.

Figura 3.1: Esquematizacao de uma superfıcie seletiva em frequencia e seus componentes

[2].

A principal funcao de uma FSS e atuar como um filtro, ou seja, repassar sinais ele-

tromagneticos (transmissao) apenas em determinados segmentos do espectro de frequen-

cias, e rejeita-los (reflexao) nas demais [22]. O carater de uma FSS e determinado pelo

tipo de arranjo nela presente.

Nesse sentido, caso a FSS seja feita de elementos do tipo abertura, tera caracterıs-

tica indutiva e ira atuar como um filtro passa-faixas, ou seja, provoca maxima transmissao

da onda incidente em sua frequencia de ressonancia. Ao contrario, caso a FSS seja feita de

elementos do tipo patch condutor, tera caracterıstica capacitiva e se comportara, entao,

como um filtro rejeita-faixas, fazendo maxima reflexao da onda incidente [23].

21

3.1.1 Circuito equivalente de uma FSS

Um ponto de partida para a discussao dos efeitos capacitivos e indutivos de uma superfıcie

seletiva em frequencia e a relacao de sua estrutura com circuitos esquematicos equivalen-

tes. Primeiramente, concebe-se um plano refletivo que utilize o mınimo metal possıvel,

considerando que uma menor quantidade de metal implica menor coeficiente de reflexao.

A solucao para tal problema pode ser alcancada de duas formas: por meio de um arranjo

de fitas metalicas longas, ou por um conjunto matricial de pequenas fitas metalicas (di-

polos). No entanto, conforme sera explicado adiante, o real comportamento de cada uma

vai de encontro a ideia de menor reflexao com menor quantidade de metal no plano, pois

de fato, a matriz de dipolos reflete totalmente as ondas incidentes em sua frequencia de

ressonancia [2] [24].

Na figura 3.2, tem-se uma grade de fitas condutoras paralelas entre si, que de

acordo com a orientacao do vetor campo eletrico (E0), ora se comporta como um filtro

capacitivo (vetor perpendicular as fitas), ora indutivo (vetor paralelo as fitas).

(a) Filtro capacitivo. (b) Filtro indutivo.

Figura 3.2: Representacao de fitas condutoras paralelas e seus circuitos equivalentes em

funcao do vetor E0 [2].

O capacitor em paralelo funciona como filtro passa-baixas, pelo qual sao direcio-

nadas as correntes de altas frequencias, enquanto aquelas de baixas frequencias passam

ate a porta de saıda. O indutor em paralelo, por sua vez, apresenta comportamento

oposto, funcionando como filtro passa-altas, por onde sao absorvidas as correntes de bai-

xas frequencias.

Se as fitas condutoras nao sao contınuas, apresentando espacamentos, entao ocor-

rera uma sobreposicao entre efeitos indutivo e capacitivo (filtro LC em serie, conforme

ilustra a figura 3.3), e a FSS comporta-se como um filtro rejeita-faixa [22], estando a

22

frequencia de ressonancia em funcao da distancia de separacao entre as estruturas e o seu

comprimento.

Figura 3.3: Fitas condutoras nao contınuas e seu circuito equivalente.

O tipo de FSS descrito acima requer, para seu funcionamento adequado, uma pola-

rizacao linear e alinhada a um dos seus eixos [2]. Para outras configuracoes de polarizacao,

pode-se usar geometrias diferentes, tais quais as mostradas na figura 3.4.

(a) Filtro indutivo. (b) Filtro capacitivo.

Figura 3.4: Grades metalicas e seus circuitos equivalentes.

3.1.2 Geometria

Diversas formas geometricas sao empregadas no projeto de FSS, sendo que a escolha das

mesmas deve levar em conta os requisitos das aplicacoes, a saber: nıvel de dependencia do

angulo de incidencia da onda, polarizacao cruzada, largura de banda, nıvel de separacao

da banda, independencia de polarizacao e reducao de tamanho da FSS.

Uma classificacao usual de geometrias de FSS em grupos e relacionada abaixo [2]

[24]:

1. Elementos radiais;

2. Elementos em loop (espiras);

23

3. Elementos solidos;

4. Combinacoes dos anteriores.

O grupo 1 e ilustrado pela figura 3.5, e abrange elementos ligados pelo centro,

assumindo uma simetria radial [24]. Seus tipos mais comuns sao o dipolo [25], dipolo

cruzado [26], tripolo e cruz-de-jerusalem [27].

(a) Dipolo. (b) Dipolo cruzado. (c) Tripolo. (d) Cruz-de-jerusalem.

Figura 3.5: Grupo de FSS formado por elementos radiais.

O grupo 2 compreende elementos em formato de espira, simples ou dupla [24],

sendo os tipos mais comuns expostos na figura 3.6 [28] [29] [30].

(a) Espira quadrada. (b) Espira quadrada

dupla.

(c) Espira circular. (d) Espira circular du-

pla.

Figura 3.6: Grupo de FSS formado por elementos cıclicos.

O grupo 3 abrange formas solidas, nao vazadas, como os patches quadrado [25],

circular [31] e hexagonal vistos na figura 3.7 [24].

(a) Patch quadrado. (b) Patch circular. (c) Patch hexagonal.

Figura 3.7: Grupo de FSS formado por elementos solidos.

24

O grupo 4 reune, por sua vez, elementos que agregam caracterısticas dos grupos an-

teriores, exemplificados na figura 3.8. Elementos desse grupo podem apresentar vantagens

como estabilidade angular a diferentes polarizacoes [2] [32].

Figura 3.8: Exemplos de estruturas com combinacoes [2].

Certas formas podem apresentar transicoes mais rapidas entre bandas de passagem

e rejeicao do que outras, entretanto com uma maior sensibilidade ao angulo de incidencia.

A tabela 3.1 compara o desempenho de diversas formas adotadas na construcao de uma

FSS, com respeito a suas caracterısticas de estabilidade angular, polarizacao cruzada,

largura de banda e banda de separacao. Adota-se uma classificacao decrescente, onde

menores numeros indicam melhor desempenho [25].

Tabela 3.1: Comparacao de desempenho entre geometrias diferentes [2].

Estabilidade an-

gular

Polarizacao cru-

zada

Maior largura

de banda

Menor banda de

separacao

Espira quadrada 1 1 1 1

Espira circular 1 2 1 1

Cruz-de-jerusalem 2 3 2 2

Tripolo 3 3 3 2

Dipolo cruzado 3 3 3 3

Dipolo 4 1 4 1

Observa-se, portanto, que para todos os requisitos listados, a espira quadrada e

aquela que promove os melhores resultados, enquanto o dipolo apresenta maiores restricoes

no que tange a angulo de incidencia e largura de banda.

Cada formato de elemento apresenta caracterısticas distintas de ressonancia, a

partir das quais deve ser projetada a FSS. Dipolos, por exemplo, ressoam quando seu

comprimento e multiplo de metade do comprimento de onda (λ2), enquanto espiras qua-

dradas fazem o mesmo com a dimensao do lado igual a um multiplo de comprimento de

25

onda (λ). Elementos solidos, por sua vez, ressoam quando o fator de periodicidade (i.e. a

distancia de repeticao das unidades) e multiplo do comprimento de onda.

3.1.3 Substrato dieletrico

Alem do projeto dos elementos que constituem a FSS, tambem e necessario modelar

adequadamente o substrato dieletrico, tendo em vista que este tambem possui influencia

importante na ressonancia da estrutura. O substrato pode tanto envolver totalmente

a malha, como visto na figura 3.9a, quanto a malha pode apenas repousar sobre sua

superfıcie, como na figura 3.9b.

(a) FSS embutida no substrato. (b) FSS sobre o substrato.

Figura 3.9: Representacao dos tipos de substrato e seu comportamento [2] [33].

A figura 3.9a ilustra que para uma FSS totalmente envolvida por um substrato

dieletrico infinito, a frequencia de ressonancia (f0) reduz-se por um fator igual a√εeff , onde

εeff e a constante dieletrica efetiva do substrato. Para valores de espessura do substrato

maiores do que aproximadamente 120

do comprimento de onda eletrico (λe), vale que

εeff = εr, porem, no caso em que o substrato e finito, conforme visto na figura 3.9b, o fator

de reducao encontra-se no intervalo entre 1 e√εr [24].

Quando a FSS e encoberta pelo substrato apenas em um dos lados, como se ve na

figura 3.9b, εeff passa a ser a media aritmetica entre εr e 1 (1+εr2

), onde 1 e a constante

dieletrica relativa ao espaco livre (ε0).

Os dois esquemas de configuracao do substrato alteram a frequencia de ressonancia

de diferentes maneiras, no entanto, uma caracterıstica comum dos dois e a melhora da

estabilidade angular, ou seja, diminuicao da sensibilidade a angulos de incidencia oblıquos.

26

(a) FSS embutida em substrato infinito. (b) FSS embutida, e sobre substrato finito.

Figura 3.10: Efeito promovido pelo substrato dieletrico sobre o padrao de ressonancia da

FSS [2].

Isso se explica pelo fato de, pela lei de Snell, sendo o ındice de refracao do dieletrico maior

do que o do ar (nsub > nar), o angulo de incidencia e menor dentro do substrato do que

no espaco livre (θsub < θar) [34].

3.1.4 Angulo de incidencia

As propriedades de ressonancia de uma FSS tambem podem ser modificadas de acordo

com o angulo de incidencia da onda eletromagnetica. Conforme mostra a figura 3.11,

uma onda oblıqua enxerga o espacamento periodico entre as unidades condutoras (g)

efetivamente reduzido a um fator de cos θ, onde θ e o angulo entre a reta normal a FSS e

a onda incidente [35]. No caso de espiras quadradas, um aumento de θ implica diminuicao

do valor de frequencia de ressonancia [27] [36] [37] [38].

Figura 3.11: Representacao da reducao do espacamento efetivo da FSS em funcao do

angulo de incidencia da onda [2] [33].

27

A polarizacao da onda tambem e um fator determinante no comportamento da

FSS. Para o caso de uma polarizacao TE, o vetor campo eletrico e sempre paralelo as

fitas condutoras, logo o comprimento efetivo e totalmente independente do angulo de

incidencia; enquanto na polarizacao TM o vetor campo eletrico chega oblıquo as fitas,

assim diminuindo os comprimentos efetivos a medida que aumenta o angulo de incidencia

[2].

Mudancas da resposta em frequencia de uma FSS por angulo de incidencia ou pola-

rizacao podem ser contornadas por meio do dimensionamento adequado de seus elementos,

ou mesmo com a aplicacao de multiplos substratos [34] [39] [40].

3.2 Aplicacoes

Dentre todas as aplicacoes de superfıcies seletivas em frequencia, talvez a mais conhecida

e popular seja a grade protetora da porta dos fornos de micro-ondas. De modo geral ela

e feita de estruturas do tipo abertura que comportam-se como um filtro passa-alta; desta

forma, as ondas de frequencias mais baixas, da faixa de 2,4 GHz, geradas pelo aparelho

com o proposito de aquecer os alimentos permanecem enclausuradas e refletidas em seu

interior, nao sendo irradiadas para as areas externas [25].

Uma das primeiras situacoes de emprego das FSSs foi na diminuicao da RCS (secao

reta de radar) em embarcacoes e aeronaves, funcionando como radomes passa-faixa que

sao transparentes para ondas na banda de operacao da antena e refletem as demais para

direcoes diferentes do emissor. Seu princıpio de funcionamento e esquematizado nas figuras

3.12a, posicionada no mastro de um navio, e 3.12b, posta na extremidade da antena de

radar de uma aeronave [24] [25].

Outras aplicacoes de FSS residem em absorvedores eletromagneticos, tais como a

tela de Salisbury e a configuracao Jaumann [42] [43] [44], as quais sao caracterizadas por

alta absorcao e baixa sensibilidade de polarizacao e incidencia angular; e tambem sao

empregadas como sub-refletores dicroicos, que permitem compartilhamento com mais de

uma fonte de alimentacao ao provocarem reflexao total em uma banda de frequencia e

transmissao total para outra banda, tal como ilustrado na figura 3.13.

As superfıcies seletivas em frequencia tambem se fazem presentes em determinados

projetos destinados a reducao de interferencia de sistemas sem fio em escritorios. Con-

28

(a) Mastro de navio. (b) Extremidade de aeronave.

Figura 3.12: Demonstracao do funcionamento de um radome, onde F1 e a frequencia de

trabalho da antena e F2 e qualquer frequencia indesejada [2] [41].

Figura 3.13: Representacao de uma antena de banda dupla com sub-refletores [2].

forme exemplificado em [45], uma divisoria de escritorio foi convertida em uma FSS com

espiras metalicas quadradas e um substrato fino, a qual demonstrou promover uma atenu-

acao de sinais proximos na ordem de 10 dB, melhorando assim o desempenho do sistema

WLAN do escritorio.

3.2.1 FSSs metalicas e resistivas

Enquanto superfıcies seletivas em frequencia feitas de material metalico em seus elemen-

tos radiantes, foco deste trabalho, sao projetadas para operar atraves dos fenomenos de

reflexao e transmissao dos sinais eletromagneticos irradiados ou recebidos, ha na litera-

tura aplicacoes de superfıcies seletivas em frequencia do tipo resistivo. A fundamentacao

desse tipo de superfıcie esta no seu carater absorvedor, ou seja, e capaz de transformar

parte da energia eletromagnetica que nela incide em energia termica [46].

Discute-se, por exemplo, em [33] a modelagem e projeto de absorvedores para

uso em sistemas WLAN, WiMAX e aplicacoes de radar. FSSs absorvedoras tambem

29

encontram aplicacao, segundo [47], [48] e [49], em sistemas celulares indoor, bloqueando

sinais WLAN e deixando passar sinais de telefonia movel, reduzindo nıveis de propagacao

multipercurso e de atraso.

Capıtulo 4

Projeto e simulacao da estrutura

O presente capıtulo relata todas as etapas de desenvolvimento do projeto de integracao

de duas FSSs a uma antena em microfita, com o objetivo de melhorar o seu desempenho,

alem de todas as suas simulacoes realizadas por meio do software CST Microwave Studio.

Foram aplicados os conceitos teoricos da construcao de antenas em microfita e superfıcies

seletivas abordados nos capıtulos anteriores.

A primeira fase consistiu em modelar a antena de microfita de forma a operar

em duas bandas de frequencia incluıdas no conjunto ISM (do ingles Industrial, Scientific

and Medical : industrial, cientıfico e medico), definido pela Uniao Internacional de Te-

lecomunicacoes (ITU) para promover isencao de licenciamento, estipulando, entretanto,

limites para o nıvel de potencia da transmissao. As faixas em questao compreendem as

frequencias de 2400 MHz a 2483,5 MHz, e 5725 MHz a 5850 MHz.

A segunda fase do projeto ateve-se a criacao de uma primeira superfıcie seletiva em

frequencia com bandas de operacao correspondentes aquelas da antena, com a finalidade

de estudar sua integracao e a observacao de seu comportamento.

A terceira fase envolve a realizacao de testes computacionais com a antena inte-

grada a primeira FSS. Esta sera disposta atras da antena para melhor direcionar sua

irradiacao, por meio da reflexao dos sinais que estejam dentro das bandas de operacao.

Por fim, a quarta e ultima fase, que e o objeto de foco desta monografia, consiste

na criacao de uma segunda superfıcie seletiva a ser integrada a antena, a qual, desta vez,

estara posicionada a sua frente. O conjunto completo com as duas superfıcies seletivas

sera posto em simulacao e tera seu desempenho comparado a fase anterior do projeto.

31

4.1 Antena de microfita

4.1.1 Projeto da antena

Para a concepcao da antena, e preciso levar em consideracao a geometria mais adequada

a sua proposta, assim como as escolhas do material a compor o substrato, do plano de

terra e do metodo de alimentacao. TIZYI et al. apresentam em [50] uma proposta de

antena de banda dupla para uso em projetos de identificacao por radio-frequencia (RFID,

do ingles radiofrequency identification), e e ilustrada na figura 4.1, com seus principais

componentes assinalados.

Figura 4.1: Esquema da antena de microfita e seus componentes [2] [50].

Como se observa, essa antena e formada por uma espira retangular, alimentada por

meio de um prolongamento em forma de linha e apresentando um patch no lado oposto

a esta. Ha, ainda, um stub de casamento perpendicular a linha de microfita, dedicada a

adaptacao e compensacao de possıveis descasamentos de impedancia. Esse stub e ajustado

segundo seu comprimento e sua distancia ao ponto de alimentacao, isto e, a extremidade

da linha de microfita.

O plano de terra, por sua vez, e truncado, ou seja, nao cobre a totalidade da

superfıcie do substrato oposta a antena. Esta medida tem o intuito de promover um

aumento da largura de banda e favorecer reducao das dimensoes da antena [32]. O plano

de terra apresenta ainda um stub de sintonia, localizado proximo a borda do substrato.

A figura 4.2 evidencia todas as variaveis dimensionais da antena, as quais foram

testadas repetidas vezes por meio de simulacoes em software a fim de encontrar padroes

de resposta em frequencias o mais satisfatorios possıvel.

Para o substrato, que e ilustrado em vista lateral da antena na figura 4.2c, o

material escolhido foi o FR–4, por ter um custo baixo e relativa facilidade de obtencao.

32

Tal como visto na tabela 2.1, seu valor relativo de permissividade eletrica (εr) e igual a

4,4 e sua tangente de perdas (tan δ) e igual a 0,025. As melhores dimensoes encontradas

para a antena, o plano de terra e o substrato estao relacionadas na tabela 4.1.

(a) Vista frontal. (b) Vista traseira.

(c) Vista lateral.

Figura 4.2: Parametros dimensionais da antena [2] [50].

4.1.2 Simulacao da antena

A antena de microfita foi devidamente modelada no software CST Microwave Studio,

no qual foram realizadas sucessivas simulacoes com o objetivo de encontrar o dimensi-

onamento que melhor se ajustasse aos requisitos da antena. A figura 4.3 expoe, entao,

o grafico do coeficiente de reflexao da antena (parametro S11) em funcao da frequencia

de operacao. Tomando-o como base, e possıvel evidenciar o aspecto de cada banda de

operacao, sua largura de banda, as respectivas frequencias de ressonancia e seus valores

mınimos em dB alcancados.

Foram reunidos, entao, os valores que caracterizam as duas bandas de operacao da

antena de microfita, lembrando-se que o criterio adotado nesta monografia para definir os

limites de largura de banda e o patamar de 10 dB de perda de retorno. Esses parametros

estao reunidos na tabela 4.2.

Durante o processo de dimensionamento da antena, verificou-se que os principais

fatores determinantes para o estabelecimento da primeira e a segunda frequencias de

33

Tabela 4.1: Parametros de dimensionamento da antena de microfita.

(a) Antena.

Parametro Valor (mm)

Lp 6

Wp 2

S 10

Ws 13,8

Lf 19

Wf 3

Lst 10

Yst 8,7

Wst 1

(b) Plano de terra.


Wg 40

Lg 12

d 1

Wstub 1

Lstub 9

(c) Substrato.


Lsub 40

Wsub 40

tsub 1,6

Figura 4.3: Diagrama do coeficiente de reflexao da antena (S11) [2].

Tabela 4.2: Caracterizacao obtida das bandas de operacao da antena de microfita.

BandaLim. inferior

(GHz)

Freq. de resso-

nancia (GHz)

Lim. supe-

rior (GHz)

Larg. de

banda (MHz)

Coef. de refle-

xao (dB)

I 2,2 2,34 2,5 303,4 −23,3

II 4,8 5,6 6,1 1290 −40,4

34

ressonancia foram, respectivamente, o comprimento do stub de sintonia no plano de terra

(Lstub), e a altura da espira retangular da antena (S).

Os demais parametros da antena, a saber, ganho, diretividade, relacao frente–

costas, HPBW e VSWR, tambem foram obtidos pela simulacao e estao relacionados na

tabela 4.3 e ilustrados em graficos na figura 4.4.

Tabela 4.3: Parametros de radiacao da antena de microfita.

Parametros 2,34 GHz 5,6 GHz

Ganho (dBi) 1,8 4,3

Diretividade (dBi) 2,0 5,5

RFC (dB) 0,6 7,9

HPBW 90,8 46,4

VSWR 1,1 1,0

Os diagramas de radiacao polar em planos E e H da antena, para ambas as frequen-

cias de ressonancia, estao ilustrados nas figuras 4.5a a 4.5d, enquanto as figuras 4.5e e 4.5f

faz o mesmo em forma tridimensional. Entretanto, pela presenca de lobulos de grande

intensidade orientados a direcao oposta ao lobulo principal, verifica-se uma baixa relacao

frente–costas da antena. Esse fato ocorre em virtude da configuracao truncada do plano

de terra, o qual nao e capaz de refletir totalmente as ondas irradiadas pela antena.

Observa-se, tambem, que tanto a primeira quanto a segunda banda da antena

conseguiram englobar totalmente as faixas desejadas do conjunto ISM, de 2,4 a 2,4835

GHz e 5,725 GHz a 5,85 GHz. Alem disso, mesmo que os valores maximos da perda de

retorno estejam fora destas faixas, elas ainda apresentam um desempenho satisfatorio.

4.2 Primeira FSS

Para que uma superfıcie seletiva em frequencia consiga melhorar as caracterısticas de

desempenho de uma antena e seus parametros de radiacao, e necessario que ela opere em

paridade com a antena, isto e, que suas frequencias de ressonancia e bandas de operacao

sejam iguais ou semelhantes. Assim, a primeira FSS deve ser projetada de modo a atender

tanto aos requisitos das faixas ISM, quanto as bandas da antena obtidas por simulacao.

A proposta desta primeira FSS e promover um melhor direcionamento do padrao

de radiacao da antena, visto que esta apresentou um lobulo lateral forte na direcao oposta

35

(a) Ganho. (b) Diretividade.

(c) Relacao frente–costas. (d) VSWR.

Figura 4.4: Parametros de radiacao da antena em funcao da frequencia [2].

36

(a) Padrao de radiacao a 2,34 GHz no

plano E.

(b) Padrao de radiacao a 2,34 GHz no

plano H.

(c) Padrao de radiacao a 5,6 GHz no

plano E.

(d) Padrao de radiacao a 5,6 GHz no

plano E.

(e) Padrao de radiacao 3D a 2,34 GHz. (f) Padrao de radiacao 3D a 5,6 GHz.

Figura 4.5: Parametros de radiacao da antena em funcao da frequencia [2].

37

ao lobulo principal, e portanto uma relacao frente–costas muito baixa. Tal direcionamento

tem como base a reflexao de sinais dentro das bandas de operacao da antena para que

nao ocorra uma irradiacao tao forte a esse sentido.

4.2.1 Projeto da FSS

Os procedimentos de projeto da FSS abrangem a escolha da geometria dos elementos e

do material do substrato, o dimensionamento dos mesmos e a periodicidade da estrutura.

Desse modo, o modelo de espira quadrada dupla foi o escolhido para compor a primeira

FSS, pois tal como abordado no capıtulo 3, esse tipo de geometria e aquele com o me-

lhor desempenho frente aos demais tipos, ja que possui maior estabilidade angular e de

polarizacao e possibilita reducao de dimensoes.

Como a ressonancia de cada espira quadrada ocorre quando a medida do seu lado

e multipla do comprimento de onda (λ), conforme tambem visto no capıtulo 3, este foi o

ponto de partida para o correto dimensionamento dos elementos, novamente por meio de

varreduras parametricas no software CST Microwave Studio. A figura 4.6 exibe o esquema

estrutural da FSS em questao, com os devidos parametros dimensionais discriminados,

enquanto a tabela 4.4 relaciona os valores otimos obtidos por simulacao.

Figura 4.6: Parametros dimensionais da primeira FSS [2].

Como visto na subsecao 4.1.1, a antena repousa num quadrado de lado igual a 40

mm, por isso e necessario que a FSS possua dimensoes aproximadamente iguais ao dobro

desse lado, de modo que receba a radiacao da antena no maior patamar possıvel. Assim,

verificou-se, tomando o perıodo (p) da estrutura, que o tamanho da malha de FSS que

38

Tabela 4.4: Dimensoes da primeira FSS encontradas por simulacao.


D1 15,7

W1 1

D2 12

W2 1

g1 0,5

g2 0,85

p 16,2

mais se aproxima desse criterio e uma matriz de 5 linhas e 5 colunas, totalizando 25 celulas

unitarias. Logo, a estrutura completa da FSS possui lado igual a 81 mm, sendo ilustrada

na figura 4.7a em visao frontal, e na figura 4.7b em visao lateral.

(a) Vista frontal. (b) Vista lateral.

Figura 4.7: Malha completa da primeira FSS [2].

A espessura de cada elemento metalico (t), tal como na antena de microfita, ficou

estabelecida em 0,035 mm. O substrato escolhido para compor a FSS possui as mesmas

caracterısticas da antena de microfita projetada, tambem sendo feito de FR–4 e tendo

espessura (tsub) de 1,6 mm.

4.2.2 Simulacao da FSS

No software CST Microwave Studio, a simulacao da primeira superfıcie seletiva em frequen-

cia foi feita apenas considerando uma das celulas unitarias, a fim de analisar seu com-

39

portamento independentemente do numero de estruturas requerido no projeto. Assim, os

limites espaciais do modelo foram devidamente ajustados para respeitar as condicoes de

contorno dessa estrutura.

Os resultados dos parametros S11 (coeficiente de reflexao) e S21 (coeficiente de

transmissao) estao relacionados, em funcao da frequencia do sinal, na figura 4.8. Pelo

grafico, portanto, foi possıvel analisar as frequencias de ressonancia da estrutura e as

respectivas larguras de banda, alem dos pontos de maxima transmissao, os quais estao

listados na tabela 4.5.

Figura 4.8: Diagrama dos coeficientes de reflexao (S11) e de trasmissao (S21) da primeira

FSS [2].

Tabela 4.5: Caracterizacao obtida das bandas de operacao da primeira FSS.

BandaLim. inferior

(GHz)

Freq. de resso-

nancia (GHz)

Lim. supe-

rior (GHz)

Larg. de

banda (GHz)

Coef. de trans-

missao (dB)

I 1,9 2,6 3,1 1,2 −36

II 4,8 5,6 6,7 1,9 −35

Ao comparar o aspecto das bandas, conclui-se que as faixas de operacao dessa pri-

meira FSS praticamente englobam as bandas da antena de microfita, demonstrando assim

um projeto bem-sucedido, que atende ao proposito de aperfeicoamento do desempenho

da antena.

Uma complementacao do estudo dessa primeira FSS e ilustrada na figura 4.9, que

evidencia o comportamento do campo eletrico a frente e atras da espira quadrada dupla,

40

sendo efetivamente refletido nas frequencias de ressonancia e transmitido fora de suas

bandas de operacao.

(a) Padrao na primeira frequencia de resso-

nancia.

(b) Padrao na segunda frequencia de resso-

nancia.

(c) Padrao fora das regioes de ressonancia.

Figura 4.9: Demonstracao do padrao de campo eletrico ao longo do plano transversal a

FSS [2]. Em todas as figuras, supoe-se que a antena esteja localizada na parte inferior dos

graficos, com a face do plano de terra voltada para a FSS.

4.3 Integracao da antena a primeira FSS

Concluıdas as etapas de modelagem e simulacao da antena de microfita e da primeira FSS

separadamente, prosseguiu-se a analise da influencia da superfıcie seletiva nos parametros

e padroes de radiacao da antena, visando a verificacao da melhora do seu desempenho.

4.3.1 Projeto do conjunto

A ideia por tras da primeira FSS, conforme ressaltado anteriormente, e atuar como um

filtro rejeita-faixas, disposto atras da antena de microfita de forma a refletir totalmente

os sinais irradiados em suas frequencias de ressonancia. Os dois dispositivos devem ser

alinhados segundo seu eixo central, conforme ilustra a figura 4.10 em vista frontal, oblıqua

41

e lateral. Tambem foi definido um bloco espacador que representa o espaco livre entre as

estruturas.

(a) Vista frontal. (b) Vista oblıqua.

(c) Vista lateral.

Figura 4.10: Representacao da antena de microfita integrada a primeira FSS projetada

[2].

Deve-se definir, tambem, o espacamento mais adequado entre a FSS e a antena, o

qual, a princıpio, e estipulado de maneira otima como um quarto do comprimento de onda

de ressonancia (λ4). Sabendo-se que a antena opera com duas frequencias de ressonancia,

foram obtidos os valores de espacamento ideais correspondentes (28 mm para 2,34 GHz e

13,4 mm para 5,6 GHz), e atraves de sucessivas simulacoes em software, chegou-se a um

42

unico valor de distancia que entregasse resultados satisfatorios, sendo igual a 35 mm.

4.3.2 Simulacao do conjunto

A antena de microfita integrada a primeira FSS foi posta em simulacao pelo software CST

Microwave Studio, por meio de variacoes parametricas sucessivas, de modo a encontrar a

melhor distancia de separacao entre ambas. Assim, produziu-se o grafico do parametro S11,

ilustrado na figura 4.11 diante do grafico obtido na simulacao da antena sem integracao.

Figura 4.11: Diagrama do coeficiente de reflexao da antena (S11), em funcao da frequencia,

comparada a sua integracao com a primeira FSS [2].

A nova configuracao das bandas esta relacionada na tabela 4.6, na qual se pode

verificar que, comparada a antena isolada, a primeira frequencia de ressonancia diminuiu

de 2,34 GHz para 2,30 GHz e apresentou um maior patamar de coeficiente de reflexao,

enquanto a segunda, por sua vez, aumentou para 5,7 GHz e diminuiu o valor de perda de

retorno. Alem disso, a primeira banda apresentou um aumento de largura de aproxima-

damente 50 MHz, enquanto a segunda banda teve sua extensao praticamente inalterada,

sofrendo apenas um deslocamento de 100 MHz acima.

Tambem foram obtidos, por simulacao, os parametros de radiacao da antena, sendo

relacionados na tabela 4.7 e, graficamente, na figura 4.12. Os diagramas polares de ra-

diacao, por sua vez, estao ilustrados nas figuras 4.13a e 4.13b para a primeira frequencia

43

Tabela 4.6: Caracterizacao obtida das bandas de operacao da antena integrada a primeira

FSS, comparada a situacao anterior.

BandaLim. inferior

(GHz)

Freq. de resso-

nancia (GHz)

Lim. supe-

rior (GHz)

Larg. de

banda (MHz)

Coef. de refle-

xao (dB)

Antena

I 2,2 2,34 2,5 303,4 −23,3

II 4,8 5,6 6,1 1290 −40,4

Antena integrada a primeira FSS

I 2,17 2,30 2,52 350 −34,6

II 4,95 5,70 6,24 1290 −30,8

de ressonancia, 4.13c e 4.13d para a segunda, e nas figuras 4.13e e 4.13f em formato

tridimensional para ambas as frequencias de ressonancia.

Tabela 4.7: Parametros de radiacao da antena de microfita, integrada a primeira FSS.

Antena Antena com a 1a FSS

Parametros 2,34 GHz 5,6 GHz 2,30 GHz 5,7 GHz

Ganho (dBi) 1,8 4,3 7,24 6,8

Diretividade (dBi) 2,0 5,5 7,9 8,11

RFC (dB) 0,6 7,9 6,75 10,12

HPBW 90,8◦ 46,4◦ 68◦ 26,6◦

VSWR 1,1 1,01 1,04 1,08

Diante da comparacao entre o desempenho da antena de microfita isolada e da

mesma integrada a primeira FSS, foi possıvel constatar, para ambas as frequencias de

operacao, um aumento significativo dos valores de ganho, diretividade e relacao frente–

costas, alem de uma reducao dos valores de HPBW e da manutencao dos nıveis de VSWR.

Com relacao aos diagramas de radiacao da estrutura, conclui-se que os lobulos

laterais foram diminuıdos, embora com maior intensidade para a primeira banda do que

a segunda; assim, houve maior eficiencia da irradiacao da antena. Logo, o projeto da

primeira FSS foi bem-sucedido, tendo em vista que todos seus requisitos de operacao e

proposta de melhoria de desempenho para as faixas ISM foram atendidos.

44



Figura 4.12: Comparacao entre os parametros de radiacao originais da antena, em funcao

da frequencia, e os da antena integrada a FSS [2]. Linhas retas indicam simulacoes

efetuadas apenas em dois valores de frequencia.

45

(a) Padrao de radiacao a 2,34 GHz

(dBV) no plano E.

(b) Padrao de radiacao a 2,34 GHz

(dBV) no plano H.

(c) Padrao de radiacao a 5,6 GHz

(dBV) no plano E.

(d) Padrao de radiacao a 5,6 GHz

(dBV) no plano E.

(e) Padrao de radiacao 3D (dBV) a

2,34 GHz.

(f) Padrao de radiacao 3D (dBV) a 5,6

GHz.

Figura 4.13: Parametros de radiacao da antena em funcao da frequencia (em vermelho,

de a a d), comparados a sua integracao com a primeira FSS (em verde, de a a d) [2].

46

4.4 Segunda FSS

Enquanto a primeira FSS projetada para o sistema teve como proposta de trabalho um

aumento do ganho e diretividade da antena de microfita atraves da reflexao das ondas

irradiadas atras da mesma, a nova superfıcie seletiva a ser descrita nesta secao sera posta

a frente da antena, com os mesmos objetivos, porem com operacao distinta: atuar como

um filtro passa-faixas para melhor selecionar os sinais irradiados pela antena.

4.4.1 Projeto da FSS: primeira etapa

Como esta FSS ira atuar como filtro passa-faixa, devera ser composta por elementos do

tipo abertura, ao contrario da primeira FSS, que foi baseada em estruturas condutoras; e

tal como na primeira superfıcie seletiva, foi escolhido o modelo da espira quadrada dupla,

de forma a atender ao requisito de operacao em duas frequencias.

Novamente, o dimensionamento da FSS partiu da ressonancia de suas estruturas a

uma medida de lado igual a um multiplo do comprimento de onda (λ), por meio de varre-

duras parametricas no programa CST Microwave Studio. A figura 4.14 exibe o esquema

estrutural da FSS em questao, com os devidos parametros dimensionais relacionados, as-

sim como sua vizualizacao no software, enquanto a tabela 4.8 relaciona os valores otimos

obtidos por simulacao. O dieletrico utilizado para a segunda FSS tambem e feito de FR–4,

e sua espessura tambem foi definida igual a 1,6 mm.

Tabela 4.8: Dimensoes da segunda FSS encontradas por simulacao.

Parametro Valor I (mm)

W1 0,4

W2 0,4

W3 4,8

W4 1,2

W5 7,4

W6 21,0

W7 0,4

47

(a) Esquema dimensional. (Cobre em azul.) (b) Vista oblıqua em software. (Cobre em

dourado, substrato em branco.)

Figura 4.14: Estrutura da celula unitaria da segunda FSS.

4.4.2 Simulacao: primeira etapa

Assim como a primeira FSS, a simulacao da segunda superfıcie seletiva em frequencia

foi feita considerando uma das celulas unitarias, a fim de analisar seu comportamento

independentemente do numero de estruturas requerido no projeto.

Os resultados do parametro S21 estao relacionados, em funcao da frequencia do

sinal, na figura 4.15. Pelo grafico, portanto, foi possıvel analisar as frequencias de resso-

nancia da segunda FSS e suas larguras de banda, alem dos pontos de maxima transmissao,

os quais estao listados na tabela 4.9.

Tabela 4.9: Primeira caracterizacao obtida das bandas de operacao da segunda FSS.

BandaLim. inferior

(GHz)

Freq. de resso-

nancia (GHz)

Lim. supe-

rior (GHz)

Larg. de

banda (MHz)

Parametro S

(dB)

Antena

I 2,2 2,34 2,5 303,4 −23,3 (S11)

II 4,8 5,6 6,1 1290 −40,4 (S11)

Segunda FSS

I 2,07 2,25 2,38 317,4 −24,2 (S21)

II 5,04 5,89 6,89 1890,4 −21,1 (S21)

48

Figura 4.15: Diagrama do coeficiente de transmissao da segunda FSS em seu primeiro

dimensionamento (S21).

Pode-se concluir que a largura de banda I, obtida na frequencia de ressonancia de

2,25 GHz, abrangeu toda a primeira banda de operacao original da antena, de 300 MHz,

e que a largura de banda II, alcancada na frequencia de ressonancia de 5,89 GHz, compre-

endeu toda a segunda banda original da antena, de 1,3 GHz. Desta forma, os resultados

obtidos no dimensionamento da espira quadrada dupla aberta (EQD) sao satisfatorios,

possuindo as caracterısticas essenciais para o aumento do desempenho da antena de mi-

crofita, entretanto, o grafico tambem mostra que o coeficiente de transmissao sofre uma

queda significativa e indesejavel entre as duas bandas de operacao, influenciada principal-

mente pela curvatura da banda II. Portanto, em uma segunda etapa deste projeto, faz-se

necessario um novo dimensionamento com o intuito de corrigir tal problema, de modo

que a banda I nao perca suas caracterısticas, e ainda que parte da banda II precise ser

sacrificada.

4.4.3 Projeto da FSS: segunda etapa

Os estudos de dimensionamento das espiras continuaram, com os objetivos de diminuir,

significativamente, a perda de transmissao nas regioes do espectro proximas a segunda

faixa, sem implicar dilatacoes na primeira, bem como um deslocamento desta para valores

mais proximos a 2,4 GHz. Com isso, foram realizados sucessivos testes por meio de

modificacao gradativa das espessuras e espacamento tanto das espiras, como do quadrado

central. O melhor resultado foi alcancado deixando a espira exterior ligeiramente mais

49

espessa, e a interior e o quadrado, por sua vez, com uma espessura consideravelmente

maior, conforme mostrado na figura 4.16.

Figura 4.16: Novo dimensionamento da segunda FSS. (Cobre em dourado, substrato em

bege.)

Os novos valores dimensionais obtidos, conforme nomeados anteriormente na figura

4.14a, estao relacionados na tabela 4.10.

Tabela 4.10: Dimensoes da segunda FSS encontradas por simulacao.

Parametro Valor II (mm)

W1 2,7

W2 2,7

W3 1,3

W4 1,4

W5 9,0

W6 21,0

W7 0,6

4.4.4 Simulacao: segunda etapa

Os resultados do parametro S21 estao relacionados, em funcao da frequencia do sinal, na

figura 4.17. Pelo grafico, portanto, foi possıvel analisar as frequencias de ressonancia da

segunda FSS e suas larguras de banda, alem dos pontos de maxima transmissao, os quais

estao listados na tabela 4.11.

Conclui-se que a largura de banda I aumentou em, aproximadamente, 200 MHz,

mantendo a abrangencia em toda a primeira banda de operacao original da antena, sendo

assim bem projetada para melhorar seu desempenho nesta faixa; entretanto, a largura de

50

Figura 4.17: Diagrama do coeficiente de transmissao da segunda FSS em seu segundo

dimensionamento (S21).

Tabela 4.11: Caracterizacao obtida das bandas de operacao da segunda FSS.

BandaLim. inferior

(GHz)

Freq. de resso-

nancia (GHz)

Lim. supe-

rior (GHz)

Larg. de

banda (MHz)

Parametro S

(dB)

Antena

I 2,2 2,34 2,5 303,4 −23,3 (S11)

II 4,8 5,6 6,1 1290 −40,4 (S11)

Segunda FSS

I 2,19 2,44 2,69 498,1 −27,3 (S21)

II 5,58 5,85 6,17 584,7 −18,1 (S21)

banda II despreza a sub-banda original da antena de 4,8 a 5,58 GHz, portanto, conclui-se

que esta segunda FSS projetada nao serve para operacao em sinais dentro dessa sub-

banda; ainda assim, espera-se que para o resto da banda II da antena, a segunda FSS

opere satisfatoriamente.

4.5 FSSs integradas a antena

Terminadas as etapas de modelagem e simulacao da antena de microfita integrada apenas

a primeira FSS, foi dado inıcio a ultima etapa do projeto, que consiste em integrar a

segunda FSS desenvolvida ao conjunto anterior, com o proposito de verificar sua influencia

na mudanca de desempenho espectral e espacial da antena de microfita.

51

4.5.1 Projeto da estrutura final

A segunda FSS sera disposta a frente da antena de microfita, atuando dessa forma como

um filtro passa-faixas projetado para melhora de seu ganho e diretividade. Tal como a

primeira, foi escolhida uma malha de 5 linhas por 5 colunas, e e necessario que a segunda

FSS tambem esteja alinhada a antena de microfita conforme seu eixo transversal. A

estrutura completa e ilustrada pela figura 4.18.

(a) Vista oblıqua I. (b) Vista oblıqua II.

Figura 4.18: Representacao da antena de microfita integrada a ambas as FSS projetadas.

Como foi mencionado em secoes anteriores, a distancia entre a antena e a FSS

mais adequada e encontrada partindo-se de um quarto do comprimento de onda (λ4)

correspondente as frequencias de ressonancia da antena, com afastamentos graduais e suas

avaliacoes por varredura de parametros em software. Por fim, o valor de distanciamento

otimizado entre a antena e a segunda FSS do conjunto foi definido como 56 mm, enquanto

a separacao entre a antena e a primeira FSS foi mantido em 35 mm.

4.5.2 Simulacao da estrutura final

A etapa final da simulacao, novamente, baseou-se na varredura de parametros para encon-

trar a melhor distancia de separacao entre as duas FSSs e a antena. Assim, produziu-se

o grafico do parametro S11, ilustrado na figura 4.19 diante do grafico obtido na simulacao

da antena sem integracao.

52

Figura 4.19: Diagrama da perda de retorno da antena (S11) comparada a sua integracao

com a primeira FSS e com as duas FSS.

A nova configuracao das bandas esta relacionada na tabela 4.12, na qual se pode

verificar que, comparada a antena isolada, a primeira frequencia de ressonancia aumen-

tou de 2,30 GHz para 2,44 GHz e apresentou um menor patamar de perda de retorno,

enquanto a segunda, por sua vez, recuou para 5,54 GHz, e aumentou o valor de perda de

retorno. Alem disso, a primeira banda apresentou um aumento de largura consideravel,

de aproximadamente 190 MHz, enquanto a segunda banda recuou apenas em 30 MHz,

mantendo-se semelhante.

Tambem foram obtidos, por simulacao, os parametros de radiacao da antena, sendo

relacionados na tabela 4.13 e, graficamente, na figura 4.20. Os diagramas polares de ra-

diacao, por sua vez, estao ilustrados nas figuras 4.21a e 4.21b para a primeira frequencia

de ressonancia, 4.5c e 4.13d para a segunda, e nas figuras 4.21e e 4.21f em formato tridi-

mensional para ambas as frequencias de ressonancia.

Diante da comparacao entre o desempenho da antena de microfita integrada a

primeira FSS e as duas FSSs, constatou-se uma reducao do ganho e diretividade, para

ambos mais significativa na banda I e mais sutil na banda II, e ao mesmo tempo um

crescimento da relacao frente–costas para ambas as bandas, alem de reducao dos valores

de HPBW e de um aumento do VSWR para a primeira banda.

Com relacao aos diagramas de radiacao da estrutura, nota-se que para a primeira

53

Tabela 4.12: Caracterizacao obtida das bandas de operacao da antena integrada as duas

FSS.

BandaLim. inferior

(GHz)

Freq. de resso-

nancia (GHz)

Lim. supe-

rior (GHz)

Larg. de

banda (MHz)

Coef. de refle-

xao (dB)

Antena

I 2,2 2,34 2,5 303,4 −23,3

II 4,8 5,6 6,1 1290 −40,4

Antena integrada a primeira FSSs

I 2,17 2,30 2,52 350 −34,6

II 4,95 5,70 6,24 1290 −30,8

Antena integrada as duas FSSs

I 2,00 2,44 2,54 540 −26,6

II 4,89 5,54 6,15 1260 −47,3

Tabela 4.13: Parametros de radiacao da antena de microfita integrada as duas FSS.

Antena Antena com a 1a FSS Antena com as duas FSS

Parametros 2,34 GHz 5,6 GHz 2,30 GHz 5,7 GHz 2,4 GHz 5,6 GHz

Ganho (dBi) 1,8 4,3 7,24 6,8 5,6 6,4

Diretividade (dBi) 2,0 5,5 7,9 8,11 6,7 7,8

RFC (dB) 0,6 7,9 6,75 10,12 9,4 11,3

HPBW 90,8◦ 46,4◦ 68◦ 26,6◦ 47◦ 24,8◦

VSWR 1,1 1,01 1,04 1,08 1,38 1,09

banda o lobulo principal foi deslocado para a direcao oposta e houve crescimento dos

lobulos laterais, enquanto o padrao para a segunda banda manteve um perfil semelhante.

Conclui-se entao que, embora a segunda FSS tenha promovido um aumento da largura

de banda da faixa de 2,4 GHz e tenha mantido a segunda banda praticamente inalterada,

nem todos os seus parametros de desempenho sofreram melhorias, cabendo considerar

apenas uma melhoria na relacao frente–costas da antena.

54



Figura 4.20: Comparacao entre os parametros de radiacao da antena integrada a primeira

FSS, em funcao da frequencia, e os da antena integrada as duas FSS. Linhas retas indicam

simulacao apenas para dois valores fixos de frequencia.

55

(a) Padrao de radiacao a 2,4 GHz

(dBV) no plano E.

(b) Padrao de radiacao a 2,4 GHz

(dBV) no plano H.

(c) Padrao de radiacao a 5,6 GHz

(dBV) no plano E.

(d) Padrao de radiacao a 5,6 GHz

(dBV) no plano E.

(e) Padrao de radiacao 3D (dBV) a 2,4

GHz.

(f) Padrao de radiacao 3D (dBV) a 5,6

GHz.

Figura 4.21: Parametros de radiacao da antena em funcao da frequencia, em sua integracao

com ambas as FSSs.

Capıtulo 5

Conclusao

Esta monografia relatou as etapas de estudo e projeto de uma segunda superfıcie seletiva

em frequencia (FSS), a ser acoplada a uma antena de microfita de banda dupla ISM inte-

grada anteriormente a outra FSS, com o intuito de observar sua influencia no desempenho

da antena e verificar possıveis melhorias.

Em um primeiro momento, foi realizado um levantamento teorico sobre antenas,

relacionando os seus principais parametros de avaliacao de desempenho e os diferentes

tipos de antenas desenvolvidos ao longo do tempo. Foi dada forte enfase na descricao de

antenas de microfita, detalhando suas caracterısticas estruturais e as diversas tecnicas de

alimentacao utilizadas, com suas vantagens e desvantagens.

Posteriormente, o mesmo procedimento foi feito com respeito as superfıcies seletivas

em frequencia. Foram abordados seus circuitos equivalentes de filtros em frequencia e a

escolha de diversas formas geometricas para sua composicao, bem como a influencia dos

materiais e dos angulos de incidencia das ondas. Foram relatadas suas principais aplicacoes

encontradas na literatura, alem de uma comparacao entre a escolha de materiais metalicos

e resistivos para compor a FSS.

Com toda a teoria reunida, foi dado inıcio as etapas de projeto e simulacao da

antena de microfita e as duas FSSs desenvolvidas, por meio do software CST Microwave

Studio. As simulacoes foram baseadas em varreduras parametricas, com o objetivo de

encontrar as dimensoes dos elementos mais adequadas para o funcionamento desejado do

projeto, bem como o afastamento entre os mesmos; assim, a antena foi projetada para

operar em bandas ISM nao licenciadas que abrangem as faixas de 2,4 GHz e 5,8 GHz, e

as FSSs acompanharam seu padrao.

57

A analise de resultados, via simulacao, permitiu fazer diversas comparacoes de

desempenho entre a situacao original da antena acoplada apenas a primeira FSS desen-

volvida e a nova configuracao, na qual a antena encontra-se entre duas FSSs. Constatou-se

que a primeira FSS, sozinha, ao funcionar como um refletor das ondas irradiadas atras

da antena, foi responsavel por uma grande melhora em seu ganho, diretividade, relacao

frente–costas e VSWR, alem da reducao dos nıveis de lobulos laterais e largura de feixe,

comprovando-se assim sua utilidade como elemento auxiliar no desenvolvimento de sis-

temas sem fio usando antenas de microfita, entretanto, ao ser inserida a segunda FSS a

frente da antena, verificou-se uma diminuicao em ganho e diretividade, com mais intensi-

dade para a faixa de 2,4 GHz, embora a relacao frente–costas tenha aumentado para esta

banda e a sua largura de banda tenha sofrido um aumento consideravel. Alem disso, o

lobulo principal em 2,4 GHz foi deslocado para a direcao oposta a face frontal da antena.

Conforme sera descrito no capıtulo seguinte, ainda sera preciso fabricar a segunda

FSS por meio de uma maquina prototipadora, com o intuito de verificar o real comporta-

mento do sistema em ambiente adequado de medicoes. Tambem se torna necessario definir

etapas futuras de melhoria do projeto, as quais podem incluir um novo dimensionamento

da segunda FSS e uma substituicao dos materiais utilizados, com enfase no uso de FSSs

resistivas de modo a, possivelmente, compactar o conjunto e aumentar sua praticidade.

Capıtulo 6

Sugestoes para trabalhos futuros

O presente capıtulo trata da definicao de futuras etapas para o projeto abordado, cujo

objetivo e promover melhorias no desempenho da antena de microfita. Sera descrita a

etapa de fabricacao da segunda FSS e medicoes em campo, assim como uma proposta de

substituicao dos materiais utilizados.

6.1 Fabricacao da FSS

O Laboratorio de Antenas e Propagacao da UFF, local onde foi concebido todo o projeto

da antena de microfita e suas FSSs, dispoe de um equipamento especial para a confeccao

de circuitos impressos. Trata-se da maquina prototipadora LPKF Protomat S103, ilus-

trada na figura 6.1. Esse equipamento realiza fresagem, perfuracao e cortes em placas

de circuito impresso adequadas para altas frequencias e micro-ondas. Posteriormente, a

placa e cortada manualmente em seu formato desejado, e e utilizada solucao de perclo-

reto de ferro para remover quaisquer regioes de cobre indesejadas. Para uma confeccao

bem-sucedida do prototipo da FSS, e necessario utilizar software especıfico da fabricante,

a saber: Ansoft HFSS, Ansys Design e LPKF Circuit Pro.

6.2 Medicoes em laboratorio

O Laboratorio de Antenas e Propagacao tambem dispoe de equimapentos necessarios para

a efetuacao de medicoes da antena integrada as duas FSSs, tais como o analisador vetorial

de rede Anritsu MS2034A, ilustrado na figura 6.2, que se conecta a antena por meio de um

59

Figura 6.1: Maquina prototipadora LPKF Protomat S103 [51].

cabo coaxial, entretanto nao opera para frequencias alem de 4 GHz, nao sendo adequado

para realizacao dos testes para a segunda banda da antena [2]. Os valores e parametros

obtidos serao posteriormente salvos e transferidos a um computador e comparados com

os graficos obtidos anteriormente via simulacao.

Figura 6.2: Analisador Anritsu MS2034A [2].

6.3 Medicoes em camara anecoica

Laboratorios sao ambientes, em geral, sujeitos a interferencias de diversas naturezas, como

por exemplo reflexoes de ondas devido a presenca de equipamentos que se comportam

como obstaculos ao meio de propagacao. Diante disso, na avaliacao de uma antena, e

necessario, tambem, dispor de um ambiente que promova o mınimo possıvel de interfe-

rencias nos sinais irradiados, de forma que seja possıvel obter resultados confiaveis que

caracterizem corretamente a antena. Nesse sentido, sao feitas camaras anecoicas especı-

60

ficas para aplicacoes de radiofrequencia, cujo material e forma geometrica sao projetados

para maxima absorcao das ondas irradiadas pela antena [46].

6.4 Substituicao por FSS resistiva

De acordo com o que foi exposto na subsecao 3.2.1, as superfıcies seletivas em frequencia

compostas por elementos resistivos possuem a propriedade de transformar parte da energia

incidente em calor, nao refletindo totalmente, desse modo, os sinais de fora. Com base

nesse princıpio, pode-se propor, para a segunda FSS desenvolvida neste projeto, uma

troca do material condutor por outro com caracterısticas absorvedoras, na busca por uma

diminuicao do nıvel de reflexao do sinal irradiado pela antena para sua direcao oposta na

faixa de 2,4 GHz. Espera-se, assim, uma maior semelhanca com o padrao original obtido

para a primeira banda.

61

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Carlos Augusto Teixeira Coelho cies Seletivas em Frequ