Projeto de absorvedores de micro-ondas usando Superfícies … · 2017. 11. 9. · A utilização...

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

Centro de Tecnologia

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e

de Computação

Projeto de absorvedores de micro-ondas

usando Superfícies Seletivas em

Frequência

José Jaime Guimarães Peixoto Neto

Orientador: Prof. Dr. Antonio Luiz Pereira de Siqueira Campos

Dissertação de Mestrado

apresentada ao Programa de Pós-

Graduação em Engenharia Elétrica

da UFRN (área de concentração:

Telecomunicações) como parte dos

requisitos para obtenção do título de

Mestre em Ciências.

Número de Ordem do PPgEEC: M476

Natal, Dezembro de 2016.

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN

Sistema de Bibliotecas – SISBI

Catalogação da Publicação na Fonte - Biblioteca Central Zila Mamede

Peixoto Neto, José Jaime Guimarães.

Projeto de absorvedores de micro-ondas usando Superfícies Seletivas em Frequência

/ José Jaime Guimarães Peixoto Neto. 2017.

47 f. : il.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de

Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação. - Natal, RN,

2017.

Orientador: Prof. Dr. Antônio Luiz Pereira de Siqueira Campos.

1. Absorvedor de micro-ondas - Dissertação. 2. Superfície seletiva em frequência -

Dissertação. 3. Espira quadrada - Dissertação. 4. Dipolo cruzado - Dissertação. I. Campos,

Antônio Luiz Pereira de Siqueira. II. Título.

RN/UFRN/BCZM CDU 621.391.3

Agradecimentos

A Deus por ter conseguido alcançar esta conquista.

Ao meus avós, pais e irmãos pelas palavras de apoio e incentivo durante

‘todos os momentos difíceis.

Ao Professor Antônio Luiz Pereira de Siqueira Campos, pela orientação e pelo grande incentivo dado. A todos os professores do PPGEEC que me transmitiram seus conhecimentos e experiências profissionais durante este período.

Resumo

Com o rápido crescimento dos sistemas de comunicações sem fio, estudos

envolvendo absorvedores de ondas eletromagnéticas tem despertado grande

atenção pelos pesquisadores. Suas aplicações vão desde sistemas indoor até

aplicações militares. Em paralelo a esse crescimento, os estudos crescentes em

Superfícies Seletivas em Frequência (FSS) permitem que suas propriedades de

filtragem sejam aplicáveis em diversos sistemas como em antenas refletoras,

em radomes passa-faixa e em absorvedores que será o foco desse trabalho.

Esse trabalho tem como objetivo projetar absorvedores de micro-ondas

usando superfícies seletivas em frequência. A metodologia consiste

basicamente em duas etapas: na primeira etapa, uma análise teórica e numérica

de FSS com a geometria proposta é desenvolvida e na segunda etapa, a

simulação e análise dos absorvedores projetados é feita. Para a análise será

utilizado um programa computacional comercial, que fornece características de

transmissão da estrutura para uma onda plana com incidência normal e oblíqua.

Serão apresentados resultados iniciais, que demonstram domínio no uso do

programa computacional comercial, bem como, entendimento dos efeitos

analisados. Duas geometrias existentes na literatura foram escolhidas, para

estudo e projeto de absorvedores de micro-ondas usando FSS: o dipolo cruzado

e a espira quadrada.

Palavras-chave: Absorvedor de Micro-ondas, Superfície Seletiva em

Frequência, Espira quadrada, Dipolo cruzado.

Abstract

With fast increase of wireless systems, studies involving electromagnetic

wave absorbers have attracted great attention from researchers. Their

applications range from indoor systems to military applications. In parallel with

this growth, the increasing studies in Selective Frequency Surfaces (FSS) allow

its filtering properties to be applicable in several systems such as reflecting

antennas, bandpass radomes and absorbers that will be the focus of this work.

This work aims to design microwave absorbers using frequency selective

surfaces. The methodology consists of two steps: in the first phase, a theoretical

and numerical analysis of FSS with the geometries used and in the second

phase, the simulation and analysis of the absorbers. For the analysis will be used

a commercial computer program, which provides characteristics of transmission

of the structure to a flat wave with normal and oblique incidence.

Initial results are presented, which shows dominance in software use, as

well as understanding the effects analyzed. Two existing structures in the

literature were chosen for modeling microwave absorber using FSS: crossed

dipole and square loop.

Keywords: Microwave Absorber, Frequency Selective Surface, Square

loop, crossed dipole.

Sumário 1 INTRODUÇÃO ................................................................................. 10

2 FSS .................................................................................................. 12

2.1 RESPOSTA EM FREQUÊNCIA ................................................ 12

2.2 ELEMENTOS BÁSICOS ........................................................... 14

2.3 COMPORTAMENTO DAS CARACTERÍSTICAS DA FSS ........ 17

2.4 APLICAÇÕES ........................................................................... 18

2.5 CONCLUSÕES ......................................................................... 22

3 ABSORVEDORES DE MICRO-ONDAS .......................................... 23

3.1 INTRODUÇÃO .......................................................................... 23

3.2 TIPOS DE ABSORVEDORES ................................................... 23

3.2.1 ABSORVEDOR DE SALISBURY ........................................ 23

3.2.2 ABSORVEDOR DE JAUMANN ........................................... 25

3.2.3 ABSORVEDOR DE DALLENBACH .................................... 25

3.3 PROJETO DE ABSORVEDORES COM FSS ........................... 26

3.4 CONCLUSÃO ............................................................................ 27

4 METODOLOGIA DA PROJETO ...................................................... 28

5 RESULTADOS ................................................................................. 34

6 CONCLUSÕES ................................................................................ 44

REFERÊNCIAS ..................................................................................... 46

Lista de Figuras

Figura 2.1: Tipos de FSS e suas respostas, onde a superfície cinzenta

representa uma superfície metálica. (a) Arranjo do tipo patch condutor e seu

comportamento passa-baixa, (b) Arranjo do tipo abertura e seu comportamento

passa-alta, (c) e (d) apresenta os elementos sob a característica de ressonância;

no primeiro, o tipo patch condutor como um filtro rejeita-faixa e, no outro, o tipo

abertura como um filtro passa-faixa. ................................................................ 13

Figura 2.2: (a) diferentes σd onde d=1mm. À medida que σd diminui, o

comportamento seletivo de frequência da estrutura desaparece, (b) resposta em

frequência de transmissão para σd = 0.1S; os resultados são próximos, formando

uma curva sólida, obtida por extrapolação. ...................................................... 14

Figura 2.3: Elementos (a) do tipo abertura e (b) tipo patch condutor. .... 15

Figura 2.4: Grupo 1 – N-polos conectados pelo centro.......................... 15

Figura 2.5: Grupo 2 – Espiras. ............................................................... 16

Figura 2.6: Grupo 3 – Interior sólido. ..................................................... 16

Figura 2.7: Grupo 4 – Combinações. .................................................... 17

Figura 2.8: FSS como janelas eficientes................................................ 19

Figura 2.9: O modelo de uma FSS e antena WLAN combinados. ......... 20

Figura 2.10: FSS em cascata. ............................................................... 21

Figura 2.11: Célula unitária de uma FSS desenvolvida pelo MGA. (a)

incidência oblíqua (θ = 45º, θ = 0º), (b) incidência normal e oblíqua (θ = 0º e 45º,

φ = 0º). ............................................................................................................. 22

Figura 2.12: FSS baseada em absorvedor de microonda planar

esquematizado. (a) Dimensões da célula unitária do dipolo, (b) Primeiro arranjo

usando uma HIS absorvente, (c) Segundo arranjo usando o design de tela de

Salisbury modificado. ....................................................................................... 22

Figura 3.1: Geometria de um Absorvedor de Salysbury. ....................... 24

Figura 3.2: Absorvedor de Jaumann. ..................................................... 25

Figura 3.3: Absorvedor de Dallenbach................................................... 26

Figura 4.1: Configuração do primeiro absorvedor analisado ................. 28

Figura 4.2: Geometria do segundo absorvedor analisado. .................... 30

Figura 4.3: Absorvedor Espira Quadrada. ............................................. 32

Figura 5.1: Resultado das medições da camada de FSS condutiva com

dipolo cruzado. ................................................................................................. 34

Figura 5.2: Resultados medidos da superfície mostrando a absorção .. 35

Figura 5.3: Resultado da simulação da camada de FSS condutiva para

polarização perpendicular (TE). ....................................................................... 36

Figura 5.4: Resultado da simulação da camada de FSS condutiva para

polarização paralela (TM). ................................................................................ 37

Figura 5.5: Resultado da simulação do absorvedor para polarização

perpendicular (TE) e ângulo de incidência de 0º e 45º. .................................... 37

Figura 5.6: Resultado da simulação do absorvedor para polarização

paralela (TM) e ângulo de incidência de 0º e 45º. ............................................ 38

Figura 5.7: Parâmetro S para diferentes valores de d. .......................... 39

Figura 5.8: Parâmetro S para diferentes valores de d1 ......................... 40

Figura 5.9: Parâmetro S para diferentes valores de 𝑤1. ........................ 40

Figura 5.10: Parâmetro S para diferentes valores de ℎ1. ...................... 41

Figura 5.11: Parâmetro S para diferentes valores de 𝑑2. ...................... 42

Figura 5.12: Parâmetro S para diferentes valores de 𝑤2. ...................... 42

Figura 5.13: Parâmetro S para diferentes valores de h2. ...................... 43

Lista de Símbolos e Abreviaturas

FSS: Superfície Seletiva em Frequência

WLAN: Wireless Local Area Network

MGA: Microgenetic Algorithm

HIS: High Impedance Surface

λ𝑜 : Comprimento de onda no espaço livre

𝑍𝑜: Impedância intrínseca do espaço livre

𝑅𝑠: Resistência superficial

𝐶𝑠: Condutância superficial

г: Coeficiente de reflexão

V: Volume

𝐶𝑏: Condutividade de massa

GHz: Gigahertz

MHz: Megahertz

dB: Decibel

TE: Transversal Elétrica

TM: Transversal magnética

10

1 INTRODUÇÃO

Com o desenvolvimento tecnológico ocorrido nos últimos anos na área de

comunicação, os dispositivos têm cada vez mais a necessidade de se comunicar;

esses mesmos dispositivos estão sendo miniaturizados, limitando assim o tamanho

dos dispositivos de comunicação agregados a eles, o que torna a utilização de

Superfícies Seletivas em Frequências (Frequency Selective Surface - FSS) como

sendo uma opção atrativa para essas aplicações modernas [1] – [4].

Com a difusão das comunicações sem fio, cada vez mais frequências do

espectro estão sendo usadas, com isso a necessidade de utilizar matérias

absorvedores de ondas eletromagnéticas aumenta. O uso de absorvedores objetiva a

diminuição da interferência eletromagnética e das perdas multipercurso proveniente

das construções [5] - [7].

Na literatura, observa-se um grande número de produções científicas com

superfícies seletivas em frequência. Os absorvedores de micro-ondas podem ser

utilizados para redução de problemas ocasionados pela interferência eletromagnética.

A utilização de FSS integradas a absorvedores de micro-ondas é capaz de fornecer

melhorias relacionadas ao desempenho desses dispositivos. A incorporação de uma

FSS pode causar mudanças nas propriedades de reflexão dos absorvedores. Pode-

se notar que a utilização dessas superfícies seletivas em frequência aplicada a

absorvedores [8].

O uso de absorvedores não é algo novo, visto que o absorvedor de Salisbury

foi criado pelo engenheiro americano Winfield Salisbury no ano de 1952 e foi dado a

esse absorvedor o nome de tela de Salisbury possuía uso militar [9]. Em aplicações

recentes, utilizando as configurações de uma tela de Salisbury em conjunto com

Superfícies Seletivas em Frequência, foi alcançado o efeito de aumentar a largura de

banda.

Nesse trabalho é proposto o projeto de um absorvedor de ondas

eletromagnéticas utilizando superfícies seletivas em frequência, projetado com dupla

camada de superfícies seletivas em frequência separadas por uma distância d. A

primeira camada é resistiva, enquanto que a segunda camada é condutiva.

Este trabalho está organizado da seguinte forma:

11

No Capítulo 2, é apresentada uma descrição geral das superfícies seletivas em

frequência, mostrando-se um breve histórico de como elas surgiram, os tipos básicos

encontrados na literatura, as suas formas e algumas das suas aplicações.

O Capítulo 3 apresenta um estudo sobre absorvedores de ondas

eletromagnéticas, abordando aspectos como os tipos de absorvedores, parâmetros

importantes e projeto de absorvedores.

No Capítulo 4 é apresentada uma análise paramétrica de alguns dos

parâmetros de um absorvedor, mostrando o impacto das mudanças desses parâmetro

na resposta em frequência de uma estrutura proposta.

No Capítulo 5, são apresentados os resultados obtidos com a proposta de

criação de um absorvedor de ondas eletromagnéticas utilizando uma dupla camada

de superfícies seletivas em frequências.

Por fim, no Capítulo 6 são apresentadas as principais conclusões que foram

obtidas através deste trabalho e são propostas sugestões para a sua continuidade.

12

2 FSS

As Superfícies Seletivas em Frequência são estruturas compostas por arranjos

periódicos, geralmente bidimensionais, constituídos por elementos do tipo patch

condutor ou do tipo abertura, assim como também podem funcionar com uma

combinação desses dois elementos. Nessas estruturas, filtros são importantes para

permitir a passagem ou rejeitar determinada faixa de frequência.

Diversos parâmetros e princípios são relacionados com a estrutura periódica e

são de bastante relevância no projeto do dispositivo, como o tipo e a forma do

elemento, peso e dimensão da estrutura, os tipos de materiais dielétricos e as

espessuras dos substratos empregados, espaçamento utilizado na estrutura

condutora, entre outros.

2.1 RESPOSTA EM FREQUÊNCIA

A resposta em frequência refere-se à resposta em um regime estacionário de

um sistema com entrada senoidal. Nos métodos mais utilizados para análise, a

frequência do sinal de entrada sofre uma variação, em certo intervalo de tempo, e a

resposta em frequência resultante é estudada [10].

No funcionamento de uma FSS são quatro os tipos de resposta em frequência:

passa-baixa, passa-alta, passa-faixa e rejeita-faixa, como exposto na Figura 2.1.

Os filtros passa-baixa e passa-alta são superfícies complementares, no sentido

de que juntas cobrem toda a superfície. De acordo com o Princípio de Babinet [11], os

coeficientes de transmissão e reflexão de uma superfície serão os mesmos do outro.

Isto significa que um filtro passa-alta é obtido a partir de um filtro passa-baixa,

substituindo as partes condutoras por não condutoras. Isso também é aplicado para

os filtros passa-faixa e rejeita-faixa. No entanto, a superfície deve satisfazer alguns

requisitos. Em primeiro lugar, a espessura da tela deve ser inferior a 1/1000 λ

(extremamente fina) e não deve existir nenhuma camada dielétrica, pois a existência

dessa camada diminui a frequência de ressonância. Na Figura 2.1a, um arranjo

periódico de elementos condutores (quadrados cinzentos) é apresentado. Com o uso

do Princípio de Babinet, a característica passa-baixa do arranjo da Figura 2.1a, é

obtida em 2.1b, com a inversão dos materiais. De forma similar, o filtro passa-faixa

13

representado na Figura 2.1d constitui-se de uma estrutura que é o complemento da

estrutura do filtro rejeita-faixa, da Figura 2.1c. [6]

Figura 2.1: Tipos de FSS e suas respostas, onde a superfície cinzenta representa uma superfície metálica. (a) Arranjo do tipo patch condutor e seu comportamento passa-baixa, (b) Arranjo

do tipo abertura e seu comportamento passa-alta, (c) e (d) apresenta os elementos sob a característica de ressonância; no primeiro, o tipo patch condutor como um filtro rejeita-faixa e, no

outro, o tipo abertura como um filtro passa-faixa.

No gráfico da Figura 2.2, visualizamos um exemplo onde a resposta de

frequência é estudada. Em aplicações de FSS como janelas eficientes, a forma do

elemento utilizado é hexagonal, devido à sua grande largura de banda e estabilidade

para diferentes ângulos de incidência e polarizações. Na Figura 2.2, é apresentada a

dependência da resposta em frequência de transmissão para uma FSS de forma

hexagonal.

14

Figura 2.2: (a) diferentes σd onde d=1mm. À medida que σd diminui, o comportamento seletivo de frequência da estrutura desaparece, (b) resposta em frequência de transmissão para σd =

0.1S; os resultados são próximos, formando uma curva sólida, obtida por extrapolação.

2.2 ELEMENTOS BÁSICOS

As FSS são compostas por dois tipos fundamentais de elementos. O primeiro

consiste de patches metálicos condutores sobre um substrato, que funcionam com um

filtro passa-baixa. O outro tipo de elemento consiste de aberturas sobre uma folha

metálica, que se comporta como um filtro passa-alta. Se a configuração dos elementos

apresenta características de ressonância, os elementos do tipo patch condutor

comportam-se como um filtro rejeita-faixa em torno da frequência de ressonância,

enquanto os elementos do tipo abertura funcionam como um filtro passa-faixa. [5] No

caso do tipo abertura, de filtro passa-faixa, à medida que os elementos vão entrando

em ressonância, a estrutura vai se tornando transparente para a onda incidente, até

que na frequência de ressonância da estrutura, ocorre a transmissão total da onda.

Em outras palavras, o sinal passa através da estrutura com perdas mínimas de

inserção na frequência de operação. Enquanto que nos elementos do tipo patch

condutor, de filtro rejeita-faixa, conforme os elementos vão entrando em ressonância,

radiam a potência incidente na direção da reflexão, até que na frequência de

ressonância da estrutura, está se comporta como um condutor perfeito refletindo

totalmente a onda incidente. Ou seja, o sinal é refletido em frequências fora da banda

de operação. [12]

15

Figura 2.3: Elementos (a) do tipo abertura e (b) tipo patch condutor.

A forma do elemento é fundamental para o projeto de uma FSS. Eles podem

ser divididos em quatro grupos principais [26]:

Grupo 1: N – polos conectados pelo centro;

Grupo 2: espiras;

Grupo 3: elementos de interior sólido;

Grupo 4: combinações.

As formas mais usuais de elementos do primeiro grupo são: dipolo fino (dipolo

cruzado, cruz de Jerusalém e o tripolo, como podem ser vistos na Figura 2.4.

Figura 2.4: Grupo 1 – N-polos conectados pelo centro.

16

Os elementos do tipo espira formam o segundo grupo. Os tipos mais comuns

são: espiras quadradas, quadradas duplas, quadradas com grades e anéis circulares

concêntricos, como podem ser vistos na Figura 2.5.

Figura 2.5: Grupo 2 – Espiras.

O Grupo 3 é constituído por elementos de interior sólido. Os mais comuns são:

os patches retangulares, hexagonais e circulares, como podem ser vistos na Figura

2.6.

Figura 2.6: Grupo 3 – Interior sólido.

Por fim, o Grupo 4, são elementos formados a partir de uma combinação dos

elementos típicos. Um exemplo de combinação pode ser visto na Figura 2.7.

17

Figura 2.7: Grupo 4 – Combinações.

As FSS também podem ser classificadas como anteparo-fino e anteparo-

espesso, de acordo com a espessura do elemento. A FSS anteparo-fino refere-se a

um anteparo com elementos do tipo circuito impresso que tem espessura menor que

0,001 λ0, em que λ0 é o comprimento de onda para a frequência de ressonância.

Geralmente, caracteriza-se pelo seu peso, volume e custo baixos. Contrapondo-se a

isso, a FSS do tipo anteparo-espesso é pesada e sua fabricação necessita do

manuseio preciso de um bloco de metal espesso. Porém, a vantagem das FSS de

anteparo-espesso é que sua banda de separação – isto é, a razão da frequência

transmitida para a frequência refletida (ft/fr) – pode ser reduzida para 1,15, valor

adequado para antenas de satélite de comunicações multifrequenciais. [12]

2.3 COMPORTAMENTO DAS CARACTERÍSTICAS DA FSS

Em aplicações da FSS, há a necessidade de uso em dispositivos que operem

em diferentes faixas de frequência, por isso existe um processo de filtragem,

selecionando-se bandas. O arranjo periódico da estrutura caracteriza-se por funcionar

como uma barreira para determinadas frequências. Existe uma antena transmissora

que propaga seu sinal, incidindo na FSS, surgindo uma densidade de corrente nos

elementos de patch metálico e, dessa forma, passa a haver uma seleção de

frequências onde apenas é captado o sinal desejável, chegando à antena receptora.

Na análise de FSS, para ocorrer esse processo de filtragem, são diversos os

parâmetros de projeto que exercem influência nessa seleção. Variações na forma,

periodicidade, dimensões físicas da célula unitária, na espessura do substrato, no tipo

de material dielétrico empregado, no ângulo de incidência, bem como no ângulo de

defasagem entre as células, provocam alterações na frequência de ressonância e na

18

largura de banda da estrutura projetada. A espessura do dielétrico em relação ao

comprimento de onda (espessura elétrica) é importante para a caracterização da FSS,

assim como a constante do substrato é essencial para as propriedades.

Considerando a análise de FSS, o uso de camadas dielétricas anisotrópicas

aponta para vantagens significativas. O uso de materiais anisotrópicos pode afetar as

características de transmissão e de reflexão de uma FSS, introduzindo mais um

parâmetro de projeto. Os materiais anisotrópicos podem apresentar ainda, uma baixa

tangente de perdas, comparando-se com materiais isotrópicos, consistindo em uma

vantagem a mais, sendo, dessa forma, muito útil para aplicações em micro-ondas. [12]

2.4 APLICAÇÕES

As aplicações das FSS são diversas. Talvez a mais conhecida seja a do

anteparo da porta do forno de micro-ondas, que consiste de um arranjo periódico

projetado para refletir energia na frequência de 2.45GHz. O seu princípio de

funcionamento consiste de um filtro passa-faixa que libera a passagem da faixa de

frequência da luz visível e rejeita a faixa de micro-ondas. Nas aplicações de micro-

ondas, FSS podem ser utilizadas para tornar o uso da antena refletora mais eficiente,

permitindo o uso simultâneo de mais de uma fonte. São usadas como cobertura

protetora de antenas (radomes), como antenas de satélite, etc. Na região de

infravermelho distante (far-infraredregion), FSS são usadas como polarizadores,

divisores de feixe, espelhos para melhorar a eficiência na amplificação dos lasers,

sensores infravermelho, etc. Na região de infravermelho próximo (near-infraredregion)

e porções do visível, têm sido utilizadas para aumentar a eficiência dos coletores de

energia solar. [13]

Ainda na região de infravermelho, existe a utilização de FSS como janelas

eficientes, para uma economia efetiva de energia, onde é aplicada uma camada

metálica muito fina em projetos de janelas modernas. Atuando como um filtro, a

camada bloqueia a radiação eletromagnética na região do infravermelho e é

completamente transparente à parte visível do espectro, assim rejeita a transferência

de calor de fora para dentro do ambiente no verão e vice-versa no inverno.

19

Figura 2.8: FSS como janelas eficientes.

Recentemente, com a pesquisa de novas configurações de arranjos periódicos

empregando elementos com configurações não usuais, visando alcançar novas

características eletromagnéticas, têm sido publicadas na literatura aplicações

inovadoras dessas estruturas. Na faixa de micro-ondas temos, como exemplos, o

metal invisível, o espelho magnético e o magnetismo óptico. Na região de teraHertz,

aplicações relacionadas com a manipulação de ondas e sensoriamento foram

publicadas. [13]

Apesar de serem geralmente bidimensionais, também existem aplicações de

FSS em três dimensões. Por exemplo, uma superfície seletiva em frequência

tridimensional que funciona como um filtro passa-faixa, com múltiplos zeros de

transmissão. Essa proposta é uma combinação de uma FSS tridimensional de banda

dupla com um filtro rejeita-faixa e uma FSS tridimensional com um filtro passa-faixa.

Tal aplicação apresenta elevadas seletividade e largura de banda, útil em muitos

casos. Porém, FSS em 3D ainda é um conceito relativamente novo e poucas

propostas foram desenvolvidas. [3]

Superfícies seletivas em frequência com resposta de frequência passa-faixa

têm encontrado aplicações na geração de energia solar, rádio astronomia,

20

transceptores de ondas milimétrica/submilimétricas, economia de energia e lentes de

micro-ondas. FSS com resposta do tipo rejeita-faixa são utilizadas em sistemas de

celular, imagens de onda milimétrica, propagação de rede sem fio interna e redução

da interferência eletromagnética.

Existem pesquisas de grande potencial no desenvolvimento de antenas WLAN

(Wireless Local Area Network) combinadas com FSS, como pode ser visto da Figura

2.9. É possível projetar uma FSS de banda dupla que funciona como um filtro rejeita-

faixa, baseada em um método de combinação. [14]

Figura 2.9: O modelo de uma FSS e antena WLAN combinados.

Ainda abordando sistemas de comunicação sem fio WLAN, um exemplo de

aplicação de FSS com múltiplas camadas é o cascateamento de estruturas para

bloqueio de sinais de comunicação. Na Figura 2.10, é esquematizada uma estrutura

cascateada utilizada em bloqueio de sinais de redes sem fio WLAN. Nesse caso, a

estrutura periódica funciona como um refletor dos sinais WLAN e permite a passagem

de sinais de telefonia celular.

21

Figura 2.10: FSS em cascata.

Pesquisas relacionadas a FSS integradas a absorvedores de micro-ondas são

importantes, pois essa estrutura pode fornecer melhorias ao desempenho de diversos

dispositivos para sistemas de comunicação modernos. Exemplo disso é a aplicação

do Algoritmo Microgenético (MicrogeneticAlgorithm – MGA) para o projeto de banda

larga por meio de absorvedores de micro-ondas usando superfícies seletivas em

frequência sobre telas dielétricas. Fornecida a quantidade de camadas dielétricas, a

espessura do compósito e a gama de permitividade de valores para cada camada, o

MGA constrói iterativamente um composto cuja resposta de frequência se aproxima

da resposta desejada. Além disso, o MGA também otimiza os parâmetros FSS. [5]

Outra aplicação é uma FSS baseada em absorvedores de micro-ondas planar.

Em estudos recentes, este projeto pode ser dividido em dois tipos: o primeiro tipo de

absorvedor de micro-ondas é uma Superfície de alta impedância (High

ImpedanceSurface – HIS), construída com o uso de dipolos com perdas periódicas,

onde a FSS é suportada por uma placa de metal. O segundo tipo é o Amortecedor de

tela Salisbury, resistivamente carregado por uma HIS. [6]

22

Figura 2.11: Célula unitária de uma FSS desenvolvida pelo MGA. (a) incidência oblíqua (θ = 45º, θ = 0º), (b) incidência normal e oblíqua (θ = 0º e 45º, φ = 0º).

Figura 2.12: FSS baseada em absorvedor de microonda planar esquematizado. (a) Dimensões da célula unitária do dipolo, (b) Primeiro arranjo usando uma HIS absorvente, (c) Segundo arranjo

usando o design de tela de Salisbury modificado.

2.5 CONCLUSÕES

Nesse capítulo foi apresentado uma introdução sobre superfícies seletivas em

frequência, foram apresentados seus elementos básicos, tipos e formas. Foi mostrado

também exemplo de comportamento das características da FSS e suas aplicações.

23

3 ABSORVEDORES DE MICRO-ONDAS

Nesse capítulo serão apresentados os principais conceitos sobre absorvedores

de micro-ondas. Na seção 3.1 é mostrada uma breve introdução sobre absorvedores

de micro-ondas. Na seção 3.2 são mostrados os tipos de absorvedores de micro-

ondas. Por fim, na seção 3.3 é apresentado o projeto de absorvedores com FSS.

3.1 INTRODUÇÃO

Absorvedores de micro-ondas são matérias capazes de transformar a energia

proveniente de ondas eletromagnéticas em calor. Esses materiais podem absorver a

energia proveniente de uma onda que opera em uma única frequência ou podem

funcionar em várias frequências e serem multibanda. A utilização de absorvedores

visa obter baixo coeficiente de reflexão. Pode-se obter esse baixo coeficiente de

reflexão casando-se a impedância de uma onda eletromagnética na interface espaço

livre-absorvedor, resultando assim na propagação da onda incidente no absorvedor,

ou pode-se usar um absorvedor de várias camadas cujas ondas refletidas em suas

camadas geram interferência destrutiva, como é o caso dos Absorvedores de

Dallenbach, Absorvedores de Salisbury e Absorvedores de Jaumann.

Conhecendo-se a espessura, a permissividade elétrica complexa e a

permeabilidade magnética complexa é possível calcular o coeficiente de reflexão do

absorvedor. Porém, as propriedades ótimas do absorvedor, por exemplo, a largura de

banda de frequência para um absorvedor com espessura inferior a 1 centímetro,

geralmente não podem ser garantidas; pode-se apenas garantir essa propriedade

caso seja usado um absorvedor multicamadas.

3.2 TIPOS DE ABSORVEDORES

3.2.1 ABSORVEDOR DE SALISBURY

Também conhecido como tela de Salisbury, esse absorvedor foi patenteado no

ano de 1952, pelo engenheiro americano Winfield Salisbury. Sua primeira aplicação

24

foi militar, e esse absorvedor foi um dos primeiros conceitos sobre material absorvedor

de radar. A sua estrutura básica consiste de um plano de terra, um isolante

(espaçador, dielétrico sem perdas) e um material que apresente uma resistência

superficial Rs, como um semicondutor. A separação entre o plano de terra e o material

com resistência superficial é dada por d, onde essa distância d é igual a um múltiplo

de λ/4, como pode ser visto na Fig. 3.1.

Figura 3.1: Geometria de um Absorvedor de Salysbury.

Geralmente é usado o ar como espaçador, mas pode-se usar também um

material com baixa constante dielétrica para substituir o ar com o objetivo de obter

uma elevada largura de banda com pequena espessura. O método para análise para

esse absorvedor é o da linha de transmissão. Para se obter um coeficiente de reflexão

nulo, ou seja, uma absorção total da onda aparecendo no comprimento de onda

correspondente ao usado no comprimento do espaçador, deve-se utilizar um material

na camada resistiva com impedância efetiva semelhante a do espaço livre, causando

assim um casamento de impedância da onda.

Partindo-se de um valor de coeficiente de reflexão aceitável, pode-se maximizar

a largura de banda da frequência do Absorvedor de Salisbury por meio do cálculo da

impedância efetiva da camada:

𝑅𝑐𝑎𝑚𝑎𝑑𝑎 = 𝑍0

1 + Γ𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡á𝑣𝑒𝑙

1 − Γ𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡á𝑣𝑒𝑙

em que aceitável é o valor máximo do coeficiente de reflexão permitido e Z0 é a

impedância intrínseca do espaço livre. Sabe-se que a largura de banda diminui com o

aumento da permissividade da camada espaçadora.

25

3.2.2 ABSORVEDOR DE JAUMANN

Essa tipo de absorvedor é o mais usado na prática. Sua principal função é a de

maximizar a largura de banda absorvida, a um dado valor de refletividade com uma

quantidade mínima de superfícies resistivas. Este absorvedor consiste na adição de

camadas resistivas espaçadas igualmente, como pode ser visto na Figura 3.2. Ao

aumentar o número de camadas resistivas, eleva-se o desempenho do coeficiente de

reflexão desta configuração em relação à sua largura de banda.

Figura 3.2: Absorvedor de Jaumann.

3.2.3 ABSORVEDOR DE DALLENBACH

Nesse tipo de absorvedor, nenhuma folha resistiva é utilizada. Sua estrutura é

composta por uma camada de material dielétrico homogêneo com perdas magnéticas,

que é posicionada à frente de uma camada de metal, como pode ser visto na Figura

3.3. A mudança do meio de propagação, com consequente mudança de impedância

de onda na interface, causa a reflexão sobre o material. Caso a impedância do

material se aproxime do valor 377Ω, então não ocorrerá reflexão na interface entre o

espaço-livre e o material, fazendo assim com que a atenuação dependa somente da

espessura e dos parâmetros eletromagnéticos do material. [15]

26

Figura 3.3: Absorvedor de Dallenbach.

3.3 PROJETO DE ABSORVEDORES COM FSS

O projeto de absorvedores de micro-ondas utilizando Superfícies Seletivas em

frequência tem sido recentemente bastante difundido na literatura [4], visto que a

utilização de FSS faz com que esses absorvedores possam ser miniaturizados e

tenham um menor custo de produção.

Partindo da estrutura do Absorvedor de Salisbury, pode-se substituir os

elementos dessa estrutura por Superfícies Seletivas em frequência com funções

similares para projetar um absorvedor, substituindo o plano de terra por uma FSS

condutora que opere em uma faixa de frequência desejada e substituindo o material

semicondutor por uma FSS resistiva com resistência superficial 𝑅𝑠, separadas por um

isolante a uma dada distância d, que é respectivamente um múltiplo de λ/4.

Em [1], um absorvedor de ondas eletromagnéticas, projetado com superfícies

seletivas em frequência foi projetada e construída, visando aplicações em redes locais

sem fio (WLAN) de 5 GHz. A novidade do projeto é que é capaz de absorver, ao

contrário de refletir, sinais WLAN, enquanto deixa passar sinais de telefonia móvel. O

absorvedor consiste em duas FSS cascateadas, uma com dipolos cruzados

condutores convencionais e a outra com dipolos cruzados resistivos. A absorção do

sinal WLAN é importante para reduzir multipercursos adicionais e o desvanecimento

resultante causado. A estrutura possui boas características de transmissão para

bandas móveis 900/1800/1900-MHz e funciona bem para polarizações horizontais e

verticais. A distância entre as duas camadas é inferior a um quarto de comprimento

de onda no espaço livre.

27

Em [4], duas superfícies seletivas em frequência (FSS) cascateadas, formando

uma estrutura com características absorvedoras, foi apresentada. A aplicação visou

segurança de redes locais sem fio (WLAN) em 5 GHz. As FSS propostas tem um

grande potencial, para absorver sinais de WLAN. A estrutura consiste em duas

camadas, uma com FSS resistiva e outra com FSS condutora. A geometria utilizada

foi o anel circular. A estrutura apresentou uma resposta em frequência estável para

as polarizações TE e TM, mesmo quando o ângulo incidente variou de 0o a 45o.

Em [27], os layouts apresentados são capazes de proporcionar

comportamentos absorventes que vão desde a banda ultra estreita até a banda ultra-

larga. Uma comparação entre várias soluções é apresentada tanto em termos de

largura de banda alcançável quanto em termos de espessura teórica mínima. Mostra-

se que as ressonâncias podem ser amortecidas usando soluções alternativas em

relação ao uso clássico de materiais magnéticos com perdas.

Em [28], é proposto um absorvedor de banda larga de camada única com

espessura compacta. O absorvedor consiste na matriz de dois dipolos transversais

condutores com elementos de resistência agrupados na parte superior de um

substrato FR4 de camada única, apoiado por uma camada metálica contínua. A

espessura da amostra fabricada é inferior a 0,077𝜆𝐿 (comprimento de onda na menor

frequência de corte). Oferece largura de banda total a meio-máximo de (3,75-12 GHz).

3.4 CONCLUSÃO

Nesse capítulo foram apresentados absorvedores de Dallenbach, Salisbury e

Jaumann. Além disso, foram descritos os principais aspectos relativos a cada tipo de

absorvedor, apontando vantagens e desvantagens.

28

4 METODOLOGIA DA PROJETO

Inicialmente, foi verificada a necessidade de reproduzir resultados encontrados

na literatura, para se familiarizar com o projeto de absorvedores de micro-ondas com

FSS. Assim, duas estruturas apresentadas em [1] e [4] foram analisadas e tiveram

seus resultados reproduzidos.

A primeira configuração é a da superfície de duas camadas mostrada na Figura

4.1 [1]. O dielétrico utilizado na camada da FSS condutora e na camada da FSS

resistiva foi o FR4, de constante dielétrica εr = 4,4, com espessuras ilustradas na

Figura 4.1. O patch da FSS condutora possui a forma de dipolo cruzado, assim como

o patch da camada resistiva. Entre os dois dielétricos, existe uma camada de ar de 10

mm de espessura, que respeita a especificação da distância de um quarto do

comprimento de onda utilizada num absorvedor de Salisbury convencional. A camada

resistiva possui uma resistência superficial de 50 Ω/.

Figura 4.1: Configuração do primeiro absorvedor analisado

Inicialmente foi definido o dielétrico utilizado no projeto, seguido pelo tamanho

da célula da FSS. No passo seguinte, foi montada uma pilha de materiais, respeitando

a ordem da Figura 4.1, e foram definidas as espessuras, materiais e o tipo de cada

camada, que são divididos em sinal, sinal metalizado e dielétrico. No caso, para os

29

dipolos cruzados foi utilizado o tipo sinal e para as camadas de dielétricos e do ar, foi

utilizado o tipo dielétrico.

Para definir o material da camada resistiva utilizado no absorvedor, foi

solicitada a modificação das especificações de um material, no caso, o cobre, para

que o mesmo adquirisse propriedades resistivas. A propriedade modificada foi a

condutividade do cobre, medida em Siemens/m. Para calcular essa condutividade a

partir do valor da resistência superficial da camada resistiva (50 Ω/) é preciso efetuar

os seguintes cálculos:

Sabendo que Rs = 50 Ω/, onde pode ser dado em mm2, e que a condutância

Cs é o inverso da resistência, temos:

𝐶𝑠 =1

𝑅𝑠=

1

50= 0,02 𝑆𝑖𝑒𝑚𝑒𝑛𝑠. 𝑚𝑚3

Em seguida, o volume da camada resistiva é calculado. Para facilitar os

cálculos, o dipolo cruzado será dividido em três paralelepípedos, um com dimensões

20,58 mm × 3,83 mm × 0,0001 mm, e os outros dois iguais, com dimensões 8,375 mm

× 3,83 mm × 0,0001 mm. O valor 0,0001 mm corresponde à espessura do material

resistivo e foi obtido a partir de arquivos enviados por um fabricante de filme resistivo,

a Ohmega® Technologies, Inc., sobre um de seus produtos, o Ohmega-Ply®.

𝑉 = 𝑉1 + 𝑉2 + 𝑉3 = 20,58 . 3,83 . 0,0001 + 8,375 .3,83 .0,0001 + 8,375 .3,83 .0,0001 ≅ 0,0143 𝑚𝑚2

De posse da condutância Cs e do volume V, obtém-se o valor da Condutividade

de Massa (do inglês, Bulk Conductivity), parâmetro pedido pelo programa de

simulação fazendo a seguinte operação:

𝐶𝑏 =𝐶𝑠

𝑉=

0,02

0,0143= 1,3989 𝑆𝑖𝑒𝑚𝑒𝑛𝑠

𝑚𝑚⁄ = 1398,9 𝑆𝑖𝑒𝑚𝑒𝑛𝑠𝑚⁄

Feito isso, os dipolos cruzados foram desenhados, a excitação foi definida

como onda plana incidente, o setup de simulação foi determinado, o intervalo de

frequência de varredura foi escolhido de acordo com as situações simuladas, ou seja,

para a análise separadamente da FSS e do absorvedor foi escolhido um intervalo

entre 3,5 e 7 GHz, com um passo de 100 MHz. Na análise final da estrutura integrada,

foi escolhido um intervalo de 100 MHz a 8 GHz, com passo de 100 MHz.

A segunda geometria escolhida foi a espira circular. As superfícies são

separadas por uma distância d, como pode ser visto na Figura 4.2.

A segunda estrutura foi apresentada em [4]. O dielétrico utilizado na camada

da FSS condutora e na camada da FSS resistiva foi o FR4, de constante dielétrica εr

30

= 4,4, com espessuras ilustradas na Figura 4.2. O patch da FSS condutora possui a

forma de anel circular, assim como o patch da camada resistiva. Entre os dois

dielétricos, existe uma camada de ar de 6 mm de espessura, que respeita a

especificação da distância de um quarto do comprimento de onda utilizada num

absorvedor de Salisbury convencional. A camada resistiva possui uma resistência

superficial de 50 Ω/. Esse absorvedor funciona da mesma forma que uma tela

convencional de Salisbury e do absorvedor de Jaumann, a diferença principal é que a

FSS condutora atua como refletor apenas para a faixa de frequências desejada,

deixando passar todas as outras frequências.

Figura 4.2: Geometria do segundo absorvedor analisado.

O projeto foi simulado utilizando um programa computacional comercial.

Inicialmente foi definido o dielétrico utilizado no projeto, seguido pelo tamanho da

célula da FSS. No passo seguinte, foi montada uma pilha de materiais, respeitando a

ordem da Figura 4.2, e foram definidas as espessuras, materiais e o tipo de cada

camada, que são divididos em sinal, sinal metalizado e dielétrico. No caso, para os

dipolos cruzados foi utilizado o tipo sinal e para as camadas de dielétricos e do ar, foi

utilizado o tipo dielétrico.



31


condutividade do cobre, medida em Siemens/m.

Sabendo que Rs = 100 Ω/, onde pode ser dado em 𝑚𝑚2, e a condutância

Cs é o inverso da resistência, tem-se:

𝐶𝑠 =1

𝑅𝑠=

1


Em seguida, o volume da camada resistiva é calculado. O valor 0,0001 mm

corresponde à espessura do material resistivo e foi obtido a partir de arquivos

enviados por um fabricante de filme resistivo, a Ohmega® Technologies, Inc., sobre

um de seus produtos, o Ohmega-Ply®.

𝑉 = 0,001 𝑥 𝐴𝑎𝑛𝑒𝑙 = 0,00311 𝑚𝑚3




𝐶𝑏 =𝐶𝑠

𝑉=

0,01

0,00311= 3,2154 𝑆𝑖𝑒𝑚𝑒𝑛𝑠


Ambos os projetos apresentados em [1] e [4] foram para a faixa de frequências

de 5 a 6 GHz. Assim, a ideia nesse trabalho é projetar e simular uma estrutura

absorvedora de micro-ondas, que emprega superfícies seletivas em frequência com

espira quadrada, para operar 2 a 3 GHz, outra faixa de frequências para aplicações

WLAN. A estrutura proposta tem capacidade de absorver a energia eletromagnética

em uma faixa de frequência de interesse, impedindo a reflexão/transmissão de ondas

eletromagnéticas, e é transparente para as demais frequências. Por não possuir plano

de terra, esse tipo de estrutura absorvedora não agrava os múltiplos percursos nas

vizinhanças nas quais são instaladas.

A estrutura proposta faz uso da geometria espira quadrada. Esse tipo de

geometria foi escolhido porque o mesmo apresenta estabilidade angular e

independência de polarização [26], o que é exigência, para aplicações envolvendo

absorvedores eletromagnéticos.

A configuração do absorvedor de micro-ondas proposto é ilustrada na Figura

4.3. Cada camada de FSS é impressa em uma placa de FR4, cuja constante dielétrica

é 4,4. O patch condutor da FSS possui a forma de espira quadrada, assim como a

32

camada resistiva. Entre as duas camadas existe uma camada de ar de 24 mm de

espessura, que respeita a especificação da distância de um quarto do comprimento

de onda utilizada num absorvedor de Salisbury convencional. A camada resistiva

possui uma resistência superficial que pode ser de 25 Ω/, 50 Ω/ ou 100 Ω/. A ideia

é projetar um absorvedor, para absorver a faixa de frequência entre 2GHz e 3GHz.

Figura 4.3: Absorvedor Espira Quadrada.

A condutividade de massa é uma medida que depende das dimensões da

espira quadrada (comprimento da espira e largura da fita), bem como da espessura

da camada de material resistivo, depositada sobre o dielétrico FR-4. Assim, essas

variáveis afetam fortemente a energia eletromagnética refletida do absorvedor. A

transmissão através da estrutura é fortemente afetada pelas dimensões da FSS

condutora. Além disso, o afastamento entre as duas estruturas, d, também influencia

a reflexão e a transmissão.




condutividade do cobre, medida em Siemens/m.

33

Sabendo que Rs = 50 Ω/, onde pode ser dado em 𝑚𝑚2, e a condutância Cs

é o inverso da resistência, tem-se:

𝐶𝑠 =1

𝑅𝑠=

1


Em seguida, o volume da camada resistiva é calculado. O valor 0,0001 mm

corresponde à espessura do material resistivo e foi obtido a partir de arquivos

enviados por um fabricante de filme resistivo, a Ohmega® Technologies, Inc., sobre

um de seus produtos, o Ohmega-Ply®.

𝑉 = 0,001 𝑥 𝐴𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎 = 0,00329 𝑚𝑚3




𝐶𝑏 =𝐶𝑠

𝑉=

0,02

0,0329= 0,6079 𝑆𝑖𝑒𝑚𝑒𝑛𝑠


Feito isso, foi possível simular no software. No capítulo seguinte serão

mostrados os resultados obtidos com a estrutura projetada.

34

5 RESULTADOS

Nesse capítulo serão mostrados os resultados simulados, com o intuito de

avaliar a ferramenta computacional de análise e o desempenho dos absorvedores

analisados. Os resultados de simulações foram obtidos mediante implementação das

estruturas em um software comercial.

A primeira estrutura a ser simulada foi apenas a FSS condutora com dipolo

cruzado. Os resultados obtidos nessa simulação podem ser vistos na Figura 5.1.

Figura 5.1: Resultado das medições da camada de FSS condutiva com dipolo cruzado.

A largura de banda passante obtida foi de, aproximadamente, 600 MHz, e a

frequência de maior absorção da estrutura, ocorre em 5,20 GHz com um coeficiente

de - 28,74 dB. Os resultados simulados são comparados com resultados

experimentais obtidos pelos autores em [4]. Pode-se observar uma boa concordância

entre os resultados.

A segunda estrutura a ser simulada foi o absorvedor projetado com FSS com

dipolos cruzados. Observa-se na Figura 5.2 os resultados da simulação.

35

Figura 5.2: Resultados medidos da superfície mostrando a absorção

É possível perceber que o coeficiente de transmissão se assemelha bastante

ao da FSS, porém com uma largura de banda um pouco maior, de aproximadamente

900 MHz, e uma resposta de - 37,57 dB numa frequência de 5,15 GHz. Já o coeficiente

de reflexão possui uma resposta diferente, pois ao invés de refletir as ondas de

frequências próximas às do padrão IEEE 802.11a/n, ele demonstra um

comportamento de absorção. Mais uma vez, os resultados simulados foram

comparados com os resultados medidos em [4]. Pode-se observar que os resultados

apresentam boa convergência.

A terceira estrutura simulada foi a FSS condutora com espira circular, ou seja,

o anel referente a camada inferior da configuração da Figura 4.3. Os resultados

obtidos nessa primeira simulação podem ser vistos na Figura 5.3. Pode-se observar

que a largura da banda passante é de aproximadamente 1 GHz, e a frequência de

ressonância da estrutura é 5,13 GHz com um coeficiente de -30,30 dB. Nessa mesma

frequência, o coeficiente de reflexão atinge seu valor máximo, que é de - 0.1dB.

Essa simulação considerou uma polarização vertical (TE), para os ângulos de

incidência de 0º e 45º. Observa-se que as frequências de ressonância para os ângulos

de 0º e 45º foram respectivamente 5,13 GHz e 5 GHz. Para um ângulo de incidência

de 45º, obteve-se um coeficiente de reflexão máximo de -0,18 dB e um coeficiente de

transmissão mínimo de -29,94 dB.

36

Figura 5.3: Resultado da simulação da camada de FSS condutiva para polarização perpendicular (TE).

Foi simulado o desempenho da camada de FSS condutiva para uma

polarização horizontal (TM). Para os ângulos de incidência de 0º e 45º, como pode ser

visto na Figura 5.4, pode-se notar que a frequência de ressonância para ambos os

ângulos de incidência foi de 5,13 GHz. Para um ângulo de incidência de 45º, obteve-

se um coeficiente de reflexão máximo de -0,3 dB e um coeficiente de transmissão

mínimo de -25,68 dB.

Após simular a camada condutiva da estrutura, simulou-se a estrutura

completa. Foi obtido, uma largura de banda de aproximadamente 1,5 GHz, um

coeficiente de reflexão mínimo de 16,16 dB para a frequência de ressonância de 5,20

GHz, e um coeficiente de transmissão mínimo de -25,97 dB para a frequência de

ressonância de 5,10 GHz, como pode ser visto na Figura 5.5.

Foi simulado o desempenho desse absorvedor para o caso de uma onda

polarizada vertical (TE), com ângulos de incidência de 0° e 45º, para o ângulo de

incidência igual a 45º pode-se observar que o valor máximo do coeficiente de reflexão

foi de -2,22 dB quando a frequência é igual 3,70 GHz, e um valor mínimo de - 27,46

dB para o coeficiente de transmissão quando a frequência é igual a 5 GHz.

37

Figura 5.4: Resultado da simulação da camada de FSS condutiva para polarização paralela (TM).

Figura 5.5: Resultado da simulação do absorvedor para polarização perpendicular (TE) e ângulo de incidência de 0º e 45º.

Simulou-se também o absorvedor para um ângulo de incidência de 0º e 45º e

uma onda polarizada paralelamente (TM). Como pode ser visto na Figura 5.6, para o

ângulo de incidência de 45º foi obtido o valor máximo do coeficiente de reflexão de

valor igual a -3,12 dB quando a frequência é igual 4,50 GHz, e um valor mínimo de -

21,09 dB para o coeficiente de transmissão quando a frequência é igual a 5,10 GHz.

38

Figura 5.6: Resultado da simulação do absorvedor para polarização paralela (TM) e ângulo de incidência de 0º e 45º.

Estes foram os resultados obtidos através da simulação do absorvedor

projetado usando o software ANSYS HFSS.

Um amplo estudo paramétrico foi realizado, com o intuito de avaliar como as

variáveis de projeto influenciam na resposta em frequência do absorvedor de micro-

ondas, com espira quadrada, uma vez que essa geometria não foi proposta ainda para

projeto de absorvedores de micro-ondas. O estudo foi feito tanto do ponto de vista de

reflexão, quanto do ponto de vista de transmissão. A camada resistiva possui uma

resistência superficial de 50 Ω/. Os resultados simulados foram obtidos através do

ANSYS HFSS.

A primeira análise foi o efeito da distância de separação entre as duas FSS, d.

O valor desse parâmetro foi variado como: 20 mm, 24 mm e 28 mm, como pode ser

visto na Figura 5.7.

Para esse estudo paramétrico, a FSS resistiva teve as seguintes dimensões: T

= 30 mm, d1 = 27 mm, w1 = 3.5 mm e h1 = 1.054 mm. A FSS condutora teve as

seguintes dimensões: T = 30 mm, d2 = 27 mm, w2 = 3 mm e h2 = 2 mm. Percebe-se

uma grande influência do valor da distância, d, sobre a largura de banda e frequência

de ressonância do coeficiente de reflexão, ocorrendo uma diminuição de ambos,

enquanto que o coeficiente de transmissão permanece inalterado, como ilustrado na

Figura 5.7.

39

Figura 5.7: Parâmetro S para diferentes valores de d.

A segunda análise foi o efeito do comprimento da espira resistiva, d1. O valor

desse parâmetro foi variado como: 23 mm, 25 mm e 27 mm.


= 30 mm, w1 = 3.5 mm e h1 = 1.054 mm. A FSS condutora teve as seguintes

dimensões: T = 30 mm, d2 = 27 mm, w2 = 3 mm e h2 = 2 mm. A separação entre as

duas FSS foi 24 mm. Percebe-se que a influência do comprimento da espira resistiva,

d1, sobre a largura de banda e frequência de ressonância do coeficiente de reflexão

ocorre, mas não é tão intensa quanto da avaliação passada. Ocorre uma diminuição

de ambos, enquanto que o coeficiente de transmissão permanece inalterado, como

ilustrado na Figura 5.8. Havendo um aumento de potência refletida.

A terceira análise foi o efeito da espessura da fita da espira resistiva, w1. O

valor desse parâmetro foi variado como: 2,5 mm, 3,5 mm e 4,5 mm.


= 30 mm, d1 = 27 mm, h1 = 1.054 mm. A FSS condutora teve as seguintes dimensões:

T = 30 mm, d2 = 27 mm, w2 = 3 mm e h2 = 2 mm. A separação entre as duas FSS foi

24 mm. Percebe-se que a influência da largura da fita da espira resistiva, w1, sobre a

largura de banda e frequência de ressonância do coeficiente de reflexão ocorre de

forma semelhante à avaliação passada. Ocorre uma diminuição de ambos, enquanto

que o coeficiente de transmissão permanece inalterado, como ilustrado na Figura 5.9.

Havendo um aumento de potência refletida, em torno de 6 dB.

40

Figura 5.8: Parâmetro S para diferentes valores de d1

Figura 5.9: Parâmetro S para diferentes valores de 𝑤1.

A quarta análise foi o efeito da espessura do dielétrico da FSS resistiva, h1. O

valor desse parâmetro foi variado como: 0,8 mm, 1,054 mm e 1,2 mm.


= 30 mm, d1 = 27 mm e w1 = 3.5 mm. A FSS condutora teve as seguintes dimensões:

T = 30 mm, d2 = 27 mm, w2 = 3 mm e h2 = 2 mm. A separação entre as duas FSS foi

24 mm. Percebe-se que a espessura do dielétrico da FSS resistiva é desprezível.

41

Pouca influência ocorre mesmo no coeficiente de reflexão, como ilustrado na Figura

5.10.

Figura 5.10: Parâmetro S para diferentes valores de ℎ1.

A quinta análise foi o efeito do comprimento da espira condutora, d2. O valor




seguintes dimensões: T = 30 mm, w2 = 3 mm e h2 = 2 mm. A separação entre as duas

FSS foi de 24 mm. Percebe-se uma grande influência do comprimento da espira

condutora, d2, sobre a largura de banda e frequência de ressonância dos coeficientes

de reflexão e de transmissão, ocorrendo uma diminuição de ambos e um aumento da

potência refletida pela estrutura, como ilustrado na Figura 5.11.

A sexta análise foi o efeito da espessura da fita da espira condutora, w2. O valor




seguintes dimensões: T = 30 mm, d2 = 27 mm e h2 = 2 mm. A separação entre as

duas FSS foi 24 mm. Percebe-se que a influência da largura da fita da espira resistiva,

w1, produz pouca variação no coeficiente de reflexão. Entretanto, o coeficiente de

transmissão é fortemente afetado pelo parâmetro w2, ocorrendo um aumento na

frequência de ressonância e na largura de banda, como ilustrado na Figura 5.12.

42

Figura 5.11: Parâmetro S para diferentes valores de 𝑑2.

Figura 5.12: Parâmetro S para diferentes valores de 𝑤2.

Por fim, a espessura do dielétrico da FSS condutora, h2, foi variado. O valor

desse parâmetro foi variado como: 1,2 mm, 1,6 mm e 2,0 mm.



seguintes dimensões: T = 30 mm, d2 = 27 mm e w2 = 3 mm. A separação entre as

duas FSS foi 24 mm. Percebe-se que a espessura do dielétrico da FSS condutora não

43

influencia em nada no coeficiente de reflexão e que a mesma produz uma influência

moderada no coeficiente de transmissão, reduzindo a frequência de ressonância do

mesmo e produzindo uma variação desprezível na largura de banda, como ilustrado

em Figura 5.13.

Figura 5.13: Parâmetro S para diferentes valores de h2.

44

6 CONCLUSÕES

Neste trabalho, foi apresentado um estudo teórico sobre absorvedores de

ondas eletromagnéticas utilizando superfícies seletivas em frequência.

Foram obtidos resultados numéricos para o absorvedor que foi projetado neste

trabalho. Para obter esses resultados foi utilizado o software comercial de simulação

ANSYS HFSS.

Observou-se, na análise, que a utilização de superfícies seletivas em

frequência aplicada a absorvedores é muito interessante, pois sua utilização traz

benefícios, como é o caso da miniaturização de absorvedores, diminuição do custo de

fabricação, obtenção de melhores resultados quanto à largura de banda e coeficientes

de transmissão e reflexão melhores. Outro benefício obtido com esse uso, é a maior

flexibilidade de projeto, pois as superfícies seletivas em frequência possuem diversos

formatos e geometrias, podendo substituir o plano de terra em absorvedores de

Salisbury.

O absorvedor projetado com dipolo cruzado apresentou resultados

satisfatórios. Entre eles, pode-se citar a largura de banda de 1,5 GHz, que possibilita

seu uso para uma aplicação em WLAN (Wireless Local Area Network). Ao mesmo

tempo em que atenua sinais de WLAN, o absorvedor produz pouco efeito em sinais

de outras faixas de frequência, como sinais provenientes de serviços de telefonia

celular. Essa atenuação alcança o valor máximo de 27,46 dB para a frequência de

ressonância de 5 GHz.

Para o outro absorvedor proposto, utilizando a espira quadrada, foi realizado

um estudo paramétrico detalhado e extenso dos parâmetros físicos. A partir deste

estudo, pode-se observar quais parâmetros influenciam mais no projeto do absorvedor

e foi proposta uma metodologia de projeto. A análise mostrou que o projeto do

absorvedor deve ser iniciado pelo projeto da FSS condutora. A partir daí, pode-se usar

os parâmetros comprimento e largura da fita da FSS resistiva, bem como o

espaçamento entre as FSS, para fazer um ajuste fino. Alcançando a máxima reflexão

desejada.

A continuidade desse trabalho é válida, em função dos resultados mostrarem

que a utilização de superfícies seletivas em frequência aplicadas a absorvedores

proporcionarem resultados interessantes. Para continuação desse trabalho, pode-se

45

realizar o estudo de fractais e multifractais para aplicação juntamente com superfícies

seletivas em frequência, para obtenção de resultados melhores do ponto de vista de

largura de banda da faixa de rejeição, maior atenuação nessa faixa e redução das

dimensões do absorvedor.

46

REFERÊNCIAS

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Projeto de absorvedores de micro-ondas usando Superfícies … · 2017. 11. 9. · A utilização...

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