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Universidade Federal do Rio Grande do Norte Centro de Tecnologia Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação Desenvolvimento de FSS Mecanicamente Reconfigurável para Aplicações em Micro- Ondas Rafaela Gomes Gonçalves de Carvalho Orientador: Prof. Dr. José Patrocínio da Silva Co-orientador: Prof. Dr. Adaildo Gomes D’Assunção Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Computação da UFRN (área de concentração: Engenharia Elétrica) como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências. Número de ordem PPgEE: M486 Natal, RN, Janeiro de 2017

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Universidade Federal do Rio Grande do Norte

Centro de Tecnologia Programa de Pós-Graduação em Engenharia

Elétrica e de Computação

Desenvolvimento de FSS Mecanicamente

Reconfigurável para Aplicações em Micro-

Ondas

Rafaela Gomes Gonçalves de Carvalho

Orientador: Prof. Dr. José Patrocínio da Silva

Co-orientador: Prof. Dr. Adaildo Gomes D’Assunção

Dissertação de Mestrado apresentada

ao Programa de Pós-Graduação em

Engenharia Elétrica e Computação da

UFRN (área de concentração:

Engenharia Elétrica) como parte dos

requisitos para obtenção do título de

Mestre em Ciências.

Número de ordem PPgEE: M486

Natal, RN, Janeiro de 2017

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Desenvolvimento de FSS Mecanicamente

Reconfigurável para Aplicações em Micro-

Ondas

Rafaela Gomes Gonçalves de Carvalho

Dissertação de Mestrado aprovada em 30 de janeiro de 2017 pela banca examinadora

composta pelos seguintes membros:

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À minha família, amigos e

professores, por acreditarem na

realização desse trabalho.

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Agradecimentos

Agradeço primeiramente aos meus pais e irmãs, que amo incondicionalmente,

Júlia, Roberto, Raquel e Marina, por todo o apoio e dedicação, sempre preocupados com

o meu futuro profissional e minha realização pessoal. Pelo carinho e compreensão que

tanto precisei durante esse período.

À minha avó, Terezinha, por se preocupar com minha alimentação e horas de

sono, sempre atenta às minhas conquistas.

Ao meu querido avô, Antônio, que não está mais nesse plano, mas que estará

sempre presente nos meus pensamentos, por todos os conselhos e testemunhos de vida, e

seu eterno compromisso com a verdade verdadeira!

Aos meus amigos André e Hildérica, sempre dispostos a me ajudar diante das

dificuldades e festejar diante das metas alcançadas. Obrigada pela companhia, carinho e

paciência e, sobretudo, pela amizade.

Aos meus professores, tão importantes para minha formação profissional, sempre

preocupados com a construção sólida do meu intelecto.

À CAPES, pelo apoio financeiro.

À UFRN, em especial ao PPgEEC e INCT-CSF, pelo suporte, estrutura e

oportunidade de pesquisa.

Ao GTEMA/IFPB pela colaboração, que permitiu o uso do Laboratório de

Telecomunicações, onde foram realizadas medições.

Finalmente, agradeço a Deus, por ter me permitido caminhar até aqui com saúde

e conseguir conquistar aos poucos o meu próprio espaço.

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Resumo

A reconfigurabilidade é uma característica muito importante nos sistemas

modernos de comunicação, pois permite que uma mesma estrutura se adapte aos

diferentes cenários de uma mesma aplicação, como por exemplo, radomes, rádio

cognitivo, e telas adaptativas que bloqueiam transmissões sem fio indesejadas. Essa

característica pode ser alcançada mediante métodos tradicionais, como o uso de

dispositivos semicondutores ativos (diodos PIN, Schottky) ou capacitores variáveis

acoplados a cada elemento básico da superfície seletiva de frequência (FSS), sendo

necessário o uso de um circuito separado para alimentar esses dispositivos. No entanto,

estes métodos requerem um número elevado de elementos ativos, o que aumenta a

complexidade e o custo de fabricação, abrindo espaço para o surgimento de técnicas mais

simples e robustas quanto à seletividade, como a reconfigurabilidade mecânica. Este

trabalho consiste no desenvolvimento de uma superfície seletiva de frequência (FSS)

reconfigurável, para operar na banda X, formada por patches condutores triangulares

impressos em uma camada de dielétrico de fibra de vidro (FR-4). A FSS desenvolvida

permite a reconfiguração da frequência de ressonância a partir da variação do ângulo da

onda incidente na estrutura, com polarização TE, e pode ser aplicada em sistemas de

comunicação via satélite a partir de uma interface microcontrolada. A análise da estrutura

da FSS é efetuada através do software Ansoft Designer do Método das Ondas – WCIP.

Palavras-chave: Superfície seletiva de frequência, FSS, FSS reconfigurável,

reconfigurabilidade mecânica, FSS com interface microcontrolada.

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Abstract

Reconfigurability is a very important feature in modern communication systems

because it allows the same structure to adapt to different scenarios of the same application,

such as radomes, cognitive radio, and adaptive screens that block unwanted wireless

transmissions. This characteristic can be achieved by traditional methods, such as the use

of active semiconductor devices (PIN and Schottky diodes) or variable capacitors coupled

to each basic element of the frequency selective surface (FSS), requiring the use of a

separate circuit to feed these components. However, these methods require a high number

of active elements, which increases the complexity and cost of manufacturing, opening

space for the emergence of simpler and more robust techniques for selectivity, such as

mechanical reconfigurability. This work consists of the development of a reconfigurable

frequency selective surface (FSS), to operate in the X-band, composed of triangular patch

elements printed on a dielectric layer of fiberglass (FR-4). The developed FSS allows the

reconfiguration of the resonant frequency from the variation of the angle of the incident

wave in the structure, in the TE polarization, and can be applied in satellite

communication systems through a microcontrolled interface. The analysis of the structure

of the FSS is done through Ansoft Designer software and WCIP method.

Keywords: Frequency selective surface, FSS, reconfigurable FSS, mechanical

reconfigurability, FSS with microcontrollable interface.

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Sumário

Sumário .............................................................................................................................. i

Lista de Figuras ............................................................................................................... iii

Lista de Tabelas ............................................................................................................... vi

Lista de Símbolos e Abreviaturas ................................................................................... vii

1 Introdução ...................................................................................................................... 1

1.1 Objetivos ............................................................................................................ 2

1.2 Metodologia ....................................................................................................... 3

2 Superfícies Seletivas em Frequência - FSS ................................................................... 4

2.1 Introdução .......................................................................................................... 4

2.2 Classificação das FSS ........................................................................................ 5

2.3 Resposta em Frequência .................................................................................... 8

2.4 Técnicas de Análise Numérica ........................................................................... 9

2.5 Análise Experimental ....................................................................................... 10

2.6 Aplicações ........................................................................................................ 12

2.7 Considerações Finais ....................................................................................... 13

3 Método das Ondas ....................................................................................................... 14

3.1 Introdução ........................................................................................................ 14

3.2 Princípio de Funcionamento ............................................................................ 14

3.3 Campo Eletromagnético e Operadores ............................................................ 15

3.4 Interface de Programação ................................................................................ 18

3.5 Considerações Finais ....................................................................................... 18

4 FSS Mecanicamente Reconfigurável .......................................................................... 19

4.1 Introdução ........................................................................................................ 19

4.2 Estado da Arte .................................................................................................. 20

4.3 Proposta: FSS Reconfigurável Mecanicamente ............................................... 27

4.4 Resultados ........................................................................................................ 28

4.5 Considerações Finais ....................................................................................... 33

5 Efeito do Deslocamento de Elementos ........................................................................ 35

5.1 Introdução ........................................................................................................ 35

5.2 Deslocamento (skew) de Elementos da FSS .................................................... 36

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5.3 Resultados ........................................................................................................ 38

5.4 Considerações Finais ....................................................................................... 46

6 Conclusão .................................................................................................................... 49

Referências Bibliográficas .............................................................................................. 51

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Lista de Figuras

2.1 Frequency Selective Surface – FSS 5

2.2 FSS do tipo abertura / Filtro passa-faixa 6

2.3 FSS do tipo condutor / Filtro rejeita-faixa 6

2.4 Grupo 1: N-polos conectados pelo centro 7

2.5 Grupo 2: Espiras. 7

2.6 Grupo 3: Elementos de interior sólido 7

2.7 Grupo 4: Elementos combinados 7

2.8 Características que influenciam a resposta em frequência da FSS 8

2.9 Análise da FSS através de um circuito elétrico equivalente 9

2.10 Circuito elétrico equivalente para uma geometria conhecida 10

2.11 Setup de medição de FSS com um par de antenas cornetas 11

2.12 Setup de medição de FSS com par de antenas e lentes 11

2.13 Setup de medição de FSS em uma câmara anecóica 12

2.14 Aplicação de FSS em subrefletores de antenas parabólicas 12

2.15 Aplicação comercial de FSS 13

3.1 Ondas transmitidas e refletidas: Método das Ondas 15

3.2 Domínios utilizados no WCIP 16

3.3 Discretização da superfície S em pixels 17

4.1 MEMS em um substrato flexível 21

4.2 Configurações dos diodos 21

4.3 Resposta em frequência nas duas configurações da FSS 22

4.4 Geometria da célula unitária da FSS 3D 23

4.5 Resposta em frequência para a banda de rejeição 24

4.6 Resposta em frequência para a banda passante 24

4.7 Conceitos de movimentos 25

4.8 Deformação mecânica relacionada ao ângulo α 26

4.9 Resultados simulados (a) e medidos (b) 26

4.10 Elemento da célula unitária e arranjo de elementos da FSS 27

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4.11 Protótipo da FSS fabricado 28

4.12 Polarização TE e TM 29

4.13 Variação do ângulo θ a partir da rotação da estrutura 29

4.14 Resultados simulados do coeficiente de transmissão para polarização TE 30

4.15 Setup de medição com base rotatória 30

4.16 Comparação dos resultados medidos e MoM para polarização TE 31

4.17 Comparação dos resultados do WCIP, MoM e medidos em polarização TE 31

4.18 Resultados simulados do coeficiente de transmissão para polarização TM 32

4.19 Comparação dos resultados do WCIP e MoM para polarização TM 32

4.20 Curva quase linear da frequência de ressonância em função de θ 33

5.1 Ângulo α e deslocamento d dos elementos 35

5.2 Célula unitária com deslocamento d 36

5.3 Arranjo de células unitárias com deslocamento d 36

5.4 Célula com deslocamento d = 5 mm entre três elementos adjacentes 37

5.5 Arranjo de células unitárias com deslocamento d = 5 mm entre três

elementos adjacentes

37

5.6 Protótipos construídos com d = 5 mm (a) e d =10 mm (b). 38

5.7 Resultados simulados com d = 5 mm para polarização TE 39

5.8 Base rotatória utilizada nas medições 39

5.9 Curvas obtidas pelo MoM e medição para d = 5 mm e polarização TE 40

5.10 Curvas obtidas pelo WCIP, MoM e medição para d = 5 mm e polarização

TE

40

5.11 Curvas obtidas pelo MoM e medição para d = 10 mm e polarização TE 41

5.12 Curvas obtidas pelo WCIP, MoM e medição para d = 10 mm e polarização

TE

41

5.13 Resultados obtidos pelo MoM para deslocamento de três elementos

consecutivos na polarização TE

42

5.14 Resultados obtidos pelo MoM e WCIP para deslocamento de três

elementos consecutivos na polarização TE

42

5.15 Coeficiente de transmissão obtido pelo MoM para polarização TM com d

= 5 mm

43

5.16 Resultados medidos e simulados para d = 5 mm na polarização TM 44

5.17 Curvas obtidas através do WCIP, MoM e medição para d = 5 mm e

polarização TM

44

5.18 Curvas obtidas pelo MoM e medição para d = 10mm e polarização TM 45

5.19 Curvas obtidas pelo WCIP, MoM e medição para d = 10 mm e polarização

TM

45

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v

5.20 Resultados obtidos pelo MoM para deslocamento de três elementos

consecutivos na polarização TM

46

5.21 Resultados obtidos pelo MoM e WCIP para deslocamento de três

elementos consecutivos na polarização TM

46

5.22 Frequência de ressonância em função de θ para diferentes valores de d 47

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Lista de Tabelas

4.1 Trabalhos relevantes sobre FSS reconfigurável 20

4.2 Trabalhos relevantes sobre FSS reconfigurável mecanicamente 23

4.3 Larguras de banda para diferentes valores de θ 34

5.1 Parâmetros θ e d analisados 36

5.2 Representação do ângulo α para valores de d 37

5.3 Diferença de resultados entre WCIP e medições para diferentes valores de

d

47

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Lista de Símbolos e Abreviaturas

A - Vetor onda incidente

B - Vetor onda refletida

dB - Decibel

d - Deslocamento do elemento

Db - Dimensão da base do triângulo

Dh - Dimensão da altura do triângulo

E - Campo elétrico

EBG - Electromagnetic bandgap

FFT - Fast Fourier Transform (Transformada Rápida de Fourier)

FR-4 - Substrato de fibra de vidro e epoxy

FSS - Frequency Seletive Surface (Superfície Seletiva em Frequência)

h - Espessura do substrato

I - Matriz identidade

IFFT - Inverse Fast Fourier Transform (Transformada Rápida de Fourier

Inversa)

IFPB - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba

J - Densidade de corrente superficial

MATLAB - MATrixLABoratory

MEMS - Microelectromechanical Systems

MoM - Método dos Momentos

S21 - Coeficiente de transmissão

S - Superfície

Sxy - Operador de espalhamento

TBE - Operador de passagem do domínio espectral para modal

TEB - Operador de passagem do domínio modal para espectral

Tx - Dimensão da célula unitária na direção x

Ty - Dimensão da célula unitária na direção y

WCIP - Wave Concept Iterative Procedure (Método das Ondas - Processo

Iterativo)

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viii

Y - Admitância do meio

𝑍0 - Impedância característica no vácuo

∆x - Largura do pixel na direção x

∆y - Largura do pixel na direção y

𝜀𝑟 - Permissividade relativa

𝜀0 - Permissividade dielétrica no vácuo

μ0 - Permeabilidade magnética no vácuo

𝛼 - Ângulo do skew

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1

Capítulo 1

1Introdução

O intenso crescimento de aplicações que utilizam os sistemas de telecomunicações

demanda cada vez mais a disponibilidade de bandas de frequência do espectro

eletromagnético. Esse crescimento é determinado principalmente por tecnologias

desenvolvidas para tablets e smartphones, e disputado por diversos serviços, tais como

veículos aéreos não tripulados, radar veicular, sistemas de radionavegação incluindo o

GPS e o Galileo, TV digital, serviços de internet, enlaces terrestres, etc. [1]-[3].

O desenvolvimento de equipamentos capazes de operar simultaneamente em

diferentes faixas de frequência e limitar as interferências entre os diferentes sistemas é

um tema bastante desafiador para os pesquisadores de telecomunicações.

Consequentemente, limitar as interferências entre os sistemas, assim como maximizar

a utilização das antenas, torna-se cada vez mais importante.

Há vários métodos de se obter antenas reconfiguráveis, através do controle eletrônico

de parâmetros da antena, modificando seu diagrama de radiação, ou faixa de operação em

frequência, mas o circuito ativo responsável pelo controle aumenta a complexidade e

custo do projeto. Portanto é proposto um projeto de reconfiguração de antenas através de

superfícies seletivas em frequência – Frequency Selective Surface (FSS), de forma a ter

menor custo e menor complexidade quando comparado aos dispositivos convencionais

[4], [5].

As FSS são estruturas formadas por arranjos geométricos, dispostos sobre uma

superfície dielétrica de forma periódica, que dependendo de como são dispostos os

arranjos, podem se comportar como filtros passa-faixa ou rejeita-faixa. Essas estruturas

podem ser aplicadas, por exemplo, na área militar (plataformas militares na redução da

assinatura de radar) e na segurança de redes sem fio (como um papel de parede

bloqueando sinais de redes sem fio e permitindo a passagem de sinais de telefonia

celular). Além disso, as FSS podem ser usadas em radomes, blindagens eletromagnéticas

(protegem ambientes de propagação indoor contra interferências indesejadas), filtros

angulares de micro-ondas, absorvedores de micro-ondas e janelas eficientes (bloqueiam

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a radiação eletromagnética na faixa de infravermelho e transmite a faixa de luz visível do

espectro), etc. [6].

A reconfigurabilidade da FSS pode ser alcançada mediante métodos tradicionais, com

o uso de dispositivos semicondutores ativos (diodos PIN, diodos Schottky, chaves MEMs)

[7], [8] ou capacitores variáveis acoplados a cada elemento básico da FSS [9], sendo

necessário o uso de um circuito separado para alimentar esses dispositivos. No entanto,

estes métodos requerem um número elevado de elementos ativos, que aumentam a

complexidade e o custo de fabricação, abrindo espaço para o surgimento de técnicas mais

simples e robustas quanto a seletividade, como switches passivos [10] e a

reconfigurabilidade mecânica [11].

Dada a relevância e necessidade do dinamismo no espectro eletromagnético nos

sistemas de comunicação, este trabalho propõe um simples modelo FSS reconfigurável,

através do deslocamento mecânico da estrutura, cuja frequência de operação varia de

acordo com o ângulo da onda incidente. A FSS analisada opera na banda-X (8,2~12,4

GHz), e possui elementos do tipo patch triangulares. A análise numérica da estrutura foi

realizada utilizando o WCIP (Wave Concept Iterative Procedure), e o software comercial

Ansoft Designer. Foram observados os modos de polarização TE e TM e ainda o efeito

do deslocamento dos elementos (skew) da estrutura.

1.1 Objetivos

O objetivo geral deste trabalho é investigar o comportamento em frequência da FSS

mecanicamente reconfigurável, a partir da caracterização numérica e experimental da

estrutura.

Os objetivos específicos deste trabalho são:

• Revisar a bibliografia relativa ao projeto proposto;

• Compreender os princípios fundamentais das FSS;

• Projetar e caracterizar numericamente FSS reconfiguráveis utilizando tanto o

Ansoft Designer como o WCIP;

• Fabricar e caracterizar experimentalmente as FSS reconfiguráveis;

• Comparar os resultados numéricos com os resultados obtidos

experimentalmente.

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3

1.2 Metodologia

O trabalho foi realizado mediante o cumprimento de 4 etapas. A primeira etapa

consistiu em um estudo teórico sobre as FSS, destacando as características que

influenciam sua resposta em frequência, descritas no Capítulo 2. Observou-se também os

princípios do WCIP (Wave Concept Iterative Procedure), ferramenta utilizada para a

análise numérica das FSS, baseada no Método das Ondas, descritos no Capítulo 3.

Na segunda etapa, descrita no Capítulo 4, foi realizada a caracterização numérica e

experimental das FSS com elementos triangulares, observando a resposta em frequência

da estrutura a partir da variação do ângulo da onda incidente.

A terceira etapa, descrita no Capítulo 5, consistiu na análise numérica e experimental

da FSS com deslocamento linear dos elementos (skew), na qual considerou a variação do

ângulo da onda incidente na estrutura em função da frequência.

Por fim, na quarta etapa, foram realizadas as considerações finais sobre o trabalho, e

possíveis propostas para trabalhos futuros, descritos no Capítulo 6.

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Capítulo 2

2Superfícies Seletivas em Frequência - FSS

2.1 Introdução

A observação da decomposição do feixe luminoso sobre uma dada superfície,

relatada pelo físico David Rittenhouse em 1786 [12], originou o estudo das FSS. Através

da construção de um anteparo com arranjos de fios igualmente espaçados, foi possível

observar que com a incidência de luz, a estrutura se comportou como um filtro, impedindo

a passagem de determinados comprimentos de onda. Esse experimento provou que a

disposição física de cada elemento, o espaçamento entre eles e se estes eram condutores

ou não, estavam diretamente ligados à disposição do campo elétrico sobre a superfície

seletiva em frequência, correlacionando a resposta em frequência às características físicas

da estrutura. Tal pesquisa se estendeu a diversas áreas da engenharia, principalmente para

aplicações em telecomunicações [13], [14].

A partir da década de 60, o conceito de FSS passou a ser extensivamente estudado,

principalmente por seu grande potencial em aplicações militares, como atividades

aeroespaciais. Posteriormente, a grande demanda de dispositivos com configurações

específicas de banda passante, devido à expansão das comunicações sem fio, impulsionou

o estudo dessa estrutura, destacando as vantagens de sua aplicação em antenas e circuitos,

entre elas o baixo custo, leveza, dimensões reduzidas e menor complexidade [14].

Uma superfície seletiva em frequência (Frequency Selective Surface – FSS) é um

arranjo periódico planar de aberturas ou de elementos condutores, capaz de se comportar

como uma interface transparente, ou não, a determinadas frequências. Este

comportamento é determinado por parâmetros como a polarização da onda incidente,

dimensões da estrutura, formato geométrico do elemento, periodicidade, espessura (h) e

permissividade (𝜀𝑟) do substrato dielétrico, mostrado na Figura 2.1 [6].

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Figura 2.1: Frequency Selective Surface – FSS [6].

As FSS possuem um elemento básico, ou seja, uma célula unitária, sobre a qual é

gravada uma geometria metalizada - patch, ou uma abertura - slot, sobre um substrato

dielétrico, e, usualmente, disposta de forma planar e periódica. As características que

influenciam a resposta em frequência da estrutura, bem como as técnicas de análise

numérica e experimental são discutidas nas subseções deste capítulo. Também é possível

classificá-las quanto ao tipo de alimentação, preenchimento da célula (elemento condutor

ou não condutor) e quanto a geometria do elemento [14], como descrito na subseção

seguinte.

2.2 Classificação das FSS

Fundamentalmente, os elementos periódicos podem ser ativados de duas maneiras:

por uma onda plana incidente, formando um arranjo passivo de elementos, ou por

geradores individuais conectados a cada elemento - arranjo ativo [6], [13], [15]. Além

disso, as FSS podem ser classificadas quanto ao tipo de elemento que compõe a célula

unitária (tipo patch ou slot), e quanto ao tipo de geometria do elemento [14].

Preenchimento da Célula Unitária

As FSS podem ser classificadas como um arranjo periódico do tipo elemento

condutor (patch) ou do tipo abertura (slot), característica que está relacionada à resposta

em frequência da estrutura.

As estruturas que possuem a célula unitária com elementos do tipo abertura se

comportam como um filtro passa-faixa, ou seja, quando os elementos entram em

ressonância, a estrutura se torna um anteparo transparente à onda incidente, até que na

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frequência de ressonância da estrutura, ocorre a transmissão total da onda [14], como

ilustra a Figura 2.2 [6].

Figura 2.2: FSS do tipo abertura / Filtro passa-faixa [6].

Já a FSS que possui elementos do tipo condutor (patch) se comporta como um filtro

rejeita faixa, ou seja, na frequência de ressonância da estrutura, ocorre a reflexão total da

onda, como mostra a Figura 2.3 [6].

Figura 2.3: FSS do tipo condutor / Filtro rejeita-faixa [6].

Geometria do elemento

A forma do elemento utilizado em uma FSS é um dos fatores que influenciam

diretamente na resposta em frequência da estrutura, por isso é de extrema importância a

escolha adequada da geometria desses elementos. Para isso, existe uma grande variedade

de pesquisas que investigam o comportamento das mais diversas geometrias, o que

originou a classificação das mesmas em quatro grupos, segundo a literatura [13].

O grupo 1 corresponde aos N-polos conectados pelo centro, sendo as formas mais

conhecidas o dipolo fino, dipolo cruzado, cruz de Jerusalém e o tripolo, ilustrados na

Figura 2.4 [6],[13], [14].

Superfície Dielétrica

Superfície Metalizada

Superfície Dielétrica

Superfície Metalizada

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Dipolo fino Dipolo cruzado Cruz de Jerusalém Tripolo

Figura 2.4: Grupo 1: N-polos conectados pelo centro [6].

O grupo 2, ilustrado na Figura 2.5, representa os elementos do tipo espiras: espiras

quadradas, quadradas duplas, quadradas com grades e anéis circulares concêntricos [6],

[14].

Espira quadrada Espira quadrada

dupla Espira quadrada

com grade Anéis circulares

concêntricos

Figura 2.5: Grupo 2: Espiras [6].

. O grupo 3 é formado pelos elementos de interior sólido: patches quadrados,

retangulares, hexagonais e circulares, como mostra a Figura 2.6 [6], [14].

Patch quadrado Patch Retangular Patch Hexagonal Patch Circular

Figura 2.6: Grupo 3: Elementos de interior sólido [6].

Por fim, o grupo 4 consiste de elementos formados por combinações dos grupos

anteriores, melhor ilustrados na Figura 2.7 [6], [14].

Combinação 1 Combinação 2 Combinação 3 Combinação 4

Figura 2.7: Grupo 4: Elementos combinados [6].

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8

2.3 Resposta em Frequência

O atributo de transparência ou não das FSS à incidência de uma onda, correspondente

a sua resposta em frequência, se deve a algumas características, tais quais: espessura e

permissividade do substrato dielétrico, dimensões da célula unitária, geometria do

elemento (patch ou slot), periodicidade e polarização da onda incidente, como

esquematizado na Figura 2.8 [6].

Figura 2.8: Características que influenciam a resposta em frequência da FSS [6].

As dimensões do elemento são diretamente relacionadas com a frequência de

ressonância. Quando a onda eletromagnética atinge a superfície da FSS o arranjo de

elementos irá ressoar quando meio comprimento de onda for múltiplo do comprimento

efetivo do elemento (para os casos de geometrias abertas, como dipolos, slot, patch).

Então o fenômeno de espalhamento de energia dos elementos do arranjo combinados,

caracterizarão uma transmissão ou reflexão da onda incidente, de forma que fora da

frequência de ressonância, a FSS se comportará como um anteparo transparente [16]-[18].

O comprimento efetivo do elemento é calculado mediante a contribuição dos

aspectos estruturais da FSS, como a permissividade do dielétrico, espessura, e anisotropia

do substrato [16].

Além dessas características, a polarização também contribui na resposta em

frequência da FSS, pois dada a mudança da direção do vetor campo elétrico, a geometria

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9

do elemento apresenta-se sob uma nova perspectiva (se não houver simetria) para a onda

incidente.

2.4 Técnicas de Análise Numérica

A caracterização numérica da FSS pode ser realizada através de fórmulas

aproximadas, desenvolvidas por alguns autores, capazes de determinar as características

de transmissão e reflexão da superfície. A complexidade da geometria é um fator limitante

para esse tipo de análise, visto que pode aumentar o tempo de análise computacional, ou

produzir resultados imprecisos [13], [14].

Entre esses, podemos destacar o método dos circuitos equivalentes, que prediz o

comportamento em frequência da FSS modelando-a como um circuito LC (indutor e

capacitor). A Figura 2.9 representa a análise de um circuito elétrico equivalente [6], [19].

Figura 2.9: Análise da FSS através de um circuito elétrico equivalente [6].

O circuito LC pode ser alterado a partir de modificações na geometria do elemento

da célula unitária, como demonstrado na Figura 2.10, podendo se tornar mais complexo

e impossibilitando a determinação analítica dos elementos do circuito reativo [19] – [22].

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10

A Figura 2.10: Circuito elétrico equivalente para uma geometria conhecida [19].

Há também outros métodos advindos do avanço de recursos computacionais, mais

eficientes e com resultados mais confiáveis, dada as limitações das fórmulas

aproximadas. Por exemplo, o método das diferenças finitas no domínio do tempo – FDTD

[23], que analisa a geometria do elemento, as perdas dielétricas e a homogeneidade da

estrutura baseado em equações diferenciais, e permite a análise do comportamento da

estrutura caso suas características sejam alteradas com o tempo [16].

Outras técnicas de análise computacional destacadas são o Método dos Momentos,

presente no software Ansoft Designer, baseado em equações integrais, e o Método das

Ondas, conhecido como WCIP (Wave Concept Iterative Procedure), que descreve as FSS

mediante a relação das ondas transmitidas e refletidas pela estrutura (melhor descrito no

Capítulo 3). Esses métodos são utilizados na caracterização numérica de estruturas de

FSS consideradas neste trabalho. Além disso, pode-se ainda utilizar técnicas de

inteligência artificial combinadas a esses métodos, como redes neurais e algoritmos

genéricos [16], [24]-[27].

2.5 Análise Experimental

A análise experimental da FSS pode ser realizada em várias configurações.

Normalmente, utiliza-se um analisador de redes e antenas cornetas direcionais para medir

os níveis de transmissão / recepção da estrutura, conforme a Figura 2.11. Para caracterizar

experimentalmente a FSS nas polarizações TE e TM, altera-se a posição da estrutura,

rotacionando a FSS em 90º.

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Figura 2.11: Setup de medição de FSS com um par de antenas cornetas [6].

Para medições mais precisas, adicionam-se lentes entre a antena e a FSS, o que

diminui o efeito de difração nas extremidades, pois as lentes dielétricas transformam a

onda esférica das cornetas em um feixe colimado de ondas planas, Figura 2.12 [6], [14].

Figura 2.12 – Setup de medição de FSS com par de antenas e lentes [6].

Outra configuração com alta precisão é a que utiliza uma câmara anecóica, ilustrada

na Figura 2.13, na qual os absorvedores da câmara eliminam as reflexões no solo, no teto

e nas paredes laterais, enquanto absorvedores eliminam as difrações nas bordas da FSS.

Isso permite que as antenas cornetas sejam mais afastadas da estrutura, garantindo que a

onda incidente seja plana [6], [14].

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Figura 2.13 – Setup de medição de FSS em uma câmara anecóica [6].

2.6 Aplicações

As superfícies seletivas em frequência podem ser aplicadas em plataformas militares,

utilizada, por exemplo, para reduzir a RCS (Radar Cross Section) na aviação [28],

absorvedores [29], subrefletores de antenas parabólicas, como mostra a Figura 2.14, e

reflectarrays para comunicação via satélite [6],[30], entre outras.

Figura 2.14: Aplicação de FSS em subrefletores de antenas parabólicas [6].

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Há também uma gama de aplicações na área comercial, como por exemplo na

segurança de redes sem fio em ambientes indoor, protegendo ambientes de propagação

contra interferências indesejadas [31], [32]; radomes [33], RFID chipless, que funcionam

como etiquetas (tags) codificadas a partir de um padrão de reflexão em determinadas

faixas de frequência [34],[35]. A Figura 2.15 ilustra algumas aplicações comerciais

comentadas [6].

Figura 2.15: Aplicação comercial de FSS [6].

As FSS ainda podem ser acopladas a antenas, para reconfigurar o ganho da antena

em determinadas direções, com aplicações em comunicação sem fio [36], e

reconfiguração de faixa de operação da antena para aplicações de rádio cognitivo em

comunicações móveis [37].

2.7 Considerações Finais

Neste capítulo foram abordados as principais características, classificações e

aplicações das superfícies seletivas em frequência nos sistemas de comunicação. Foram

citados os principais métodos de análise numérica e experimental, entre esses o WCIP,

que será utilizado na caracterização numérica deste trabalho e detalhado no próximo

capítulo.

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Capítulo 3

3Método das Ondas

3.1 Introdução

O Método das Ondas, mais conhecido como Wave Concept Iterative Procedure -

WCIP, foi desenvolvido nos anos 90 e é um procedimento capaz de caracterizar

numericamente uma FSS, apresentando flexibilidade e facilidade de implementação

quanto à geometria do elemento da estrutura e rapidez de execução, destacando-se por ser

um software com custo computacional reduzido e de livre acesso [6],[24],[25].

Diferentemente dos métodos clássicos, diferenciais, como o FDTD, e integrais, como

o MoM, o WCIP não utiliza inversão de matrizes na sua resolução. A formulação do

problema é baseada na combinação linear dos campos tangenciais, resultado do

espalhamento das ondas incidentes na interface da estrutura analisada e o espalhamento

de ondas refletidas por essa superfície [38].

Neste capítulo são apresentados os princípios básicos de funcionamento do método

para circuitos planares de micro-ondas e algumas de suas aplicações na caracterização

numérica de diversas estruturas.

3.2 Princípio de Funcionamento

O princípio de funcionamento desse método é baseado nas relações entre as ondas

transmitidas e refletidas, a partir de uma onda incidente na superfície proposta. Ao incidir

sobre a superfície no meio 1 (ver Figura 3.1), a onda de vetor 𝐀0,1, sofre dois processos:

uma parte é transmitida para o meio 2, vetor 𝐁1,2, na direção z, no sentido negativo e outra

parte é refletida, 𝐁1,1, que sofre uma nova reflexão, dando origem a onda 𝐀1,1. A onda

𝐀1,1 incide perpendicularmente na superfície S. Analogamente, a onda 𝐁1,2, sofre uma

reflexão no meio 2, dando origem a onda 𝐀1,2, e o processo se repete conforme mostra a

Figura 3.1 [6],[39].

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Figura 3.1 – Ondas transmitidas e refletidas: Método das Ondas [6].

Após a k-ésima repetição do processo, a onda resultante sobre a superfície S será a

soma de todas as ondas incidentes e refletidas. Se parte da potência é absorvida a cada

iteração, seja pelas características da superfície S, ou pelas condições de propagação nos

meios 1 e 2, o processo converge e os somatórios das ondas incidentes, A, e refletidas, B,

podem ser determinados [39], segundo as Equações 3.1 e 3.2.

𝑨 = 𝑆𝑥𝑦𝑩 + 𝑨0 (3.1)

𝑩 = 𝛤𝑨 (3.2)

Em que Sxy descreve o comportamento da onda ao incidir sobre a superfície, e 𝛤 descreve

o comportamento da onda ao se propagar no meio.

3.3 Campo Eletromagnético e Operadores

As ondas eletromagnéticas incidente e refletida podem ser expressas a partir do vetor

campo elétrico (E) e da densidade de corrente superficial (J), como mostrado nas

equações 3.3 e 3.4.

𝑨 =1

2√𝑍0[𝑬 + 𝒁0𝑱] (3.3)

𝑩 =1

2√𝑍0[𝑬 − 𝒁0𝑱] (3.4)

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sendo Z0 a impedância característica no vácuo, representada pela equação 3.5.

𝒁𝟎 = √𝝁𝟎

𝜺𝟎

(3.5)

Os valores de E e J podem ser calculados em função das ondas incidente e refletida,

a partir das equações 3.3 e 3.4, como segue:

𝑬 = √𝑍0[𝑨 + 𝑩] (3.6)

𝑱 =1

√𝑍0[𝑨 − 𝑩] (3.7)

Determinados os valores do campo elétrico e densidade de corrente, E e J, os

parâmetros de impedância, frequência de ressonância e coeficientes de transmissão

podem ser calculados, caracterizando a resposta em frequência da estrutura [38],[39].

A análise da onda na superfície e a propagação ou reflexão da onda no meio é

realizada em três domínios: domínio espacial, domínio espectral e domínio modal,

representados na Figura 3.2 [6],[38].

Figura 3.2: Domínios utilizados no WCIP [6].

Partindo do domínio espacial f(x,y), FFT e IFFT correspondem à Transformada

Rápida de Fourier e sua inversa, respectivamente, e determinam a passagem do domínio

espacial para o espectral e vice-versa. TBE e TEB são operadores de passagem do

domínio espectral para o domínio modal e vice-versa.

A análise da incidência/reflexão da onda na superfície S é realizada no domínio

espacial. A superfície é discretizada em pixels de dimensão ∆x×∆y e a região delimitada

por cada pixel é caracterizada como sendo uma interface do tipo: condutor perfeito,

isolante perfeito ou dielétrico, como mostra a Figura 3.3 [6]. Além das interfaces já

citadas, existem ainda os pixels que delimitam regiões de fontes e cargas. Dessa forma,

cada pixel possui um parâmetro de transição Sxy [6], [39].

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Figura 3.3: Discretização da superfície S em pixels [6].

Para cada pixel é associado um diferente operador de transição Sxy, que considera as

condições de contorno entre as interfaces de diferentes materiais, como as interfaces

dielétrico/dielétrico, condutor perfeito e isolador perfeito [40], [41]. O operador pode ser

definido como:

𝑺𝒙𝒚 = [−𝐻𝑚 + 𝜂1𝐻𝑑 + 𝜒11𝐻𝑠 𝜂2𝐻𝑑 + 𝜒12𝐻𝑑

𝜂2𝐻𝑑 + 𝜒21𝐻𝑑 −𝐻𝑚 + 𝜂1𝐻𝑑 + 𝜒22𝐻𝑠]

(3.8)

onde os coeficientes η1, η2 e 𝜒 dependem das características do material da interface, e

podem ser melhor detalhados em [43]. A função H é definida pelas equações (3.9) –

(3.11):

𝑯𝒎 = {1, 𝑠𝑒 𝑓𝑜𝑟 𝑢𝑚 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟

0, 𝑜𝑢𝑡𝑟𝑜

(3.9)

𝑯𝒅 = {1, 𝑠𝑒 𝑓𝑜𝑟 𝑢𝑚 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 𝑑𝑖𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜

0, 𝑜𝑢𝑡𝑟𝑜

(3.7)

𝑯𝒔 = {1, 𝑠𝑒 𝑓𝑜𝑟 𝑢𝑚 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑛𝑡𝑒

0, 𝑜𝑢𝑡𝑟𝑜

(3.10)

As condições de contorno da propagação nas mediações da interface são dadas pelo

operador de reflexão Γmn, definido no domínio espectral [42]. A abordagem matemática

dos operadores é descrita na equação 3.11.

𝜞 = (𝐼 − 𝑍0𝑌𝑖)×(𝐼 + 𝑍0𝑌𝑖) (3.7)

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onde I é a matriz identidade e Y é um operador de admitância definido pelas

características do meio.

3.4 Interface de Programação

A interface de programação do WCIP utilizada foi o WCIPAGA8, executável

desenvolvido em FORTRAN. O programa permite a entrada de dados já existentes,

previamente simulados, ou a entrada de novos dados. Sendo a segunda opção escolhida,

é solicitado ao usuário os parâmetros necessários para a caracterização numérica, como,

por exemplo, o tipo de material, geometria da célula, polarização da onda incidente, entre

outros. Por fim o usuário escolhe um nome para o arquivo de saída de dados em três

extensões: .txt (arquivo de texto), .csv (comma separeted values) – compatível com o

programa Microsoft Excel, e .m, utilizada no software MATLAB™ [6]

Os dados de saída gerados possibilitam a análise gráfica dos resultados, como

frequência, valores reais, imaginários e absolutos dos parâmetros S, Z e fr (impedância ×

frequência) [6], além da visualização da estrutura como imagem, gerada a partir de

funções do MATLAB™.

3.5 Considerações Finais

Neste capítulo foram abordados os principais conceitos do método iterativo das

ondas. Este método se destaca por sua fácil implementação e não dependência do layout

do circuito elétrico e planar, e pode ser utilizado para caracterizar antenas planares, FSS,

guias de ondas, estruturas EBG (nanotubos de carbono), dispositivos fotônicos, entre

outros circuitos planares em geral [42]-[45]. O WCIP foi ainda utilizado neste trabalho,

para a caracterização numérica da FSS reconfigurável, detalhada no capítulo seguinte.

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Capítulo 4

4FSS Mecanicamente Reconfigurável

4.1 Introdução

A reconfigurabilidade é uma característica muito importante nos sistemas modernos

de comunicação, pois permite que uma mesma estrutura se adapte à diferentes cenários

de uma mesma aplicação.

Consequentemente, a aplicação de uma tecnologia capaz de explorar o espectro de

frequências de maneira eficiente e dinâmica se faz necessária. Entre as diversas formas

de reconfiguração em frequência, as mais comuns são obtidas através de duas antenas: a

presença de uma antena faixa larga para sensoriamento espectral e uma antena com

resposta em frequência reconfigurável para operar no canal de comunicação selecionado;

ou utilizando apenas uma única antena, capaz de alterar seu funcionamento de operação

faixa larga para faixa estreita reconfigurável [46], [47].

Há vários métodos de se obter antenas reconfiguráveis, entre esses, o arranjo de

antenas, que permite controlar eletronicamente o seu padrão de irradiação. Outra forma

de reconfiguração é através de superfícies seletivas em frequência – FSS, que conseguem

ser bastante eficientes quanto a seletividade em frequência e são menos complexas

quando comparadas aos dispositivos convencionais.

A característica de reconfigurabilidade da FSS tem sido abordada recentemente pelos

pesquisadores, e tradicionalmente utilizam-se dispositivos semicondutores ativos (diodos

PIN, Schottky) ou capacitores variáveis acoplados a cada elemento básico da estrutura,

com um circuito isolado de alimentação. No entanto, estes métodos requerem um número

elevado de elementos ativos, que podem interferir na resposta em frequência da estrutura,

e dificultar a concepção do projeto [48], [49], abrindo espaço para o surgimento de

técnicas mais simples e robustas quanto a seletividade, como a reconfigurabilidade

mecânica [50], [51], proposta nesse capítulo.

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Serão abordadas, nas seções seguintes, as pesquisas recentes (estado da arte)

relacionadas às FSS reconfiguráveis, bem como a proposta do trabalho, seguido dos

resultados numéricos e experimentais, e discussão.

4.2 Estado da Arte

Nos últimos anos, as FSS reconfiguráveis ganharam bastante atenção devido às

inúmeras possibilidades de seletividade em frequência (multibanda) e suas possíveis

aplicações nos sistemas de comunicação. Alguns dos trabalhos mais relevantes são

apresentados e resumidamente descritos na Tabela 4.1.

Tabela 4.1: Trabalhos relevantes sobre FSS reconfigurável.

Ano/ Autor Título do trabalho Descrição

2008/G. M. Coutts, R. R.

Mansour, K. Chaudhuri

[53]

Microelectromechanical Systems

Tunable Frequency-Selective

Surfaces and Electromagnetic-

Bandgap Structures on Rigid-

Flex Substrates

FSS reconfigurável a

partir da aplicação de

tensão em MEMS

integrados a substrato

flexível, com aplicação

nas bandas Ka e Ku.

2013/ M. R. Silva, C. L.

Nóbrega, P. H. F. Silva,

A. G. D’Assunção [54]

Stable and Compact Multiband

Frequency Selective Surfaces

with Peano Pre-Fractal

Configurations

FSS multibanda,

reconfigurável através

de switcthes, com

excelente estabilidade

angular.

2016/ M. Majidzadeh, C.

Ghobadi, J. Nourinia [55]

Novel Single Layer

Reconfigurable Frequency

Selective Surface with UWB and

Multi-Band Modes of Operation

FSS reconfigurável a

partir da mudança de

estado dos diodos, com

aplicação UWB e

multibanda (WiMAX,

WLAN e banda X).

2016/ A. Ebrahimi, Z.

Shen, W.

Withayachumnankul, S.

F. Al-Sarawi, D. Abbott

[56]

Varactor-Tunable Second-Order

Bandpass Frequency-Selective

Surface with Embedded Bias

Network

FSS reconfigurável de

3 camadas

interconectadas que

promovem a

alimentação dos

varactores..

Dentre os artigos pesquisados, é possível notar que a abordagem mais comum de

reconfiguração se dá a partir de elementos eletronicamente variáveis que são

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incorporados aos elementos da célula unitária da FSS. Podemos destacar o uso de chaves

MEMS (Microelectromechanical Systems), exemplificado em [53], no qual utiliza a

variação da capacitância do dispositivo conseguida com a aplicação de tensão no mesmo.

A Figura 4.1 destaca o dispositivo MEMS em um substrato flexível, utilizado em [53].

Figura 4.1: MEMS em um substrato flexível [53].

Outro dispositivo eletrônico largamente utilizado são os diodos PIN, que podem ser

facilmente acoplados aos elementos da FSS. Em [55] são utilizados 4 diodos por

elemento, e a partir da mudança de estado ON/OFF do dispositivo, o comportamento da

FSS pode ser reconfigurado. A Figura 4.2 representa a célula unitária da FSS nas duas

configurações analisadas.

Figura 4.2: Configurações dos diodos [55].

A resposta em frequência da FSS nas configurações 1 e 2 são ilustradas na Figura

4.3. A mudança do estado do diodo (configuração 2) resulta na rejeição de 3 bandas

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bastante utilizadas nos sistemas de comunicações: WiMAX (banda1), WLAN (banda 2)

e Banda X (banda 3) [55].

Figura 4.3: Resposta em frequência nas duas configurações da FSS [55].

O projeto de FSS reconfiguráveis com elementos ativos é bastante desafiador. O

motivo se dá pela fabricação da estrutura, em que os inúmeros elementos da superfície

devem ser conectados a no mínimo um dispositivo ativo (diodo PIN, varactor, MEMS),

não bastante, às vezes se faz necessário a conexão de 2 dispositivos, para FSS que

independem da polarização. Além disso, dependendo da técnica de alimentação desses

dispositivos, devem ser integrados elementos isoladores de RF/DC, apresentando mais

uma dificuldade para concepção do projeto.

Diante dessa problemática, a reconfiguração mecânica da FSS surge como uma

forma de contornar as dificuldades encontradas por essas técnicas tradicionais [51],[57].

Algumas propostas de reconfiguração mecânica de superfície seletiva em frequência

foram abordadas em [56], [57], e em [51], referente a esse trabalho, que são detalhadas

resumidamente na Tabela 4.2.

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Tabela 4.2: Trabalhos relevantes sobre FSS reconfigurável mecanicamente.

Ano/ Autor Título do trabalho Descrição

2013 / S.N. Azemi,

K. Ghorbani,

W.S.T. Rowe [56]

Reconfigurable FSS Using a

Spring Resonator Element

FSS 3D reconfigurável que

utiliza uma espiral em forma

de mola metálica como

elemento ressonante.

2016/S. Abadi, J. H.

Booske, N. Behdad

[57]

Exploiting Mechanical

Flexure as a Means of

Tuning the Responses of

Large-Scale Periodic

Structures

Estrutura reconfigurável a

partir da deformação mecânica

do substrato flexível.

2017 / A. G.

D’Assunção, R. G. G.

Carvalho, A. N. Silva

[51].

Simple and Efficient Design

of Reconfigurable FSS with

Triangular Patch Elements

FSS de elementos triangulares

reconfigurável mecanicamente

a partir da variação do ângulo

incidente da onda.

A reconfiguração mecânica da FSS em [56] decorre da compressão ou relaxamento

do elemento condutor 3D da FSS, cuja geometria é representada por uma espira com

dimensões de altura (h), diâmetro (d), e espaçamento (S), como ilustrado na Figura 4.4.

Figura 4.4: Geometria da célula unitária da FSS 3D [56].

A alteração do parâmetro h do elemento configura diferentes frequências de operação

da estrutura. Foram analisadas as bandas passante e de rejeição da FSS. A altura h do

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elemento ressonante variou entre 14 mm a 16 mm, e a frequência de ressonância variou

entre aproximadamente 3,6 GHz a 3,4 GHz, para a banda de rejeição. A análise numérica

utilizou o método de circuito equivalente, e foi comparado aos resultados medidos,

apresentando uma boa concordância entre as curvas, como mostra a Figura 4.5.

Figura 4.5: Resposta em frequência para a banda de rejeição [56].

A banda passante da FSS foi obtida variando a altura h da espira entre 26 mm e 36

mm. A resposta em frequência variou entre 3 GHz e 4 GHz, como mostra Figura 4.6.

Figura 4.6: Resposta em frequência para a banda passante [56].

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Outro relevante trabalho é descrito em [57], no qual a reconfigurabilidade mecânica

é abordada de diversas formas, utilizando um substrato flexível. A Figura 4.7 ilustra os

três conceitos de movimentos adotados no trabalho.

Figura 4.7: Conceitos de movimentos: sobreposição e movimento relativo (a),

stretching (b), e deformação mecânica (c) [57].

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A estrutura é composta por um arranjo periódico de listras metálicas de largura w,

separadas por uma distância g, com periodicidade D. A Figura 4.7 (a) representa a

sobreposição de duas estruturas separadas por um fino dielétrico e o movimento relativo

na direção do eixo x, possibilitando um deslocamento máximo de O (D/2). Em 4.7 (b) a

estrutura representa o esticamento (stretching), que altera as dimensões g, w e D. A

deformação mecânica é ilustrada em 4.7 (c), essa deformação aproxima as listras

metálicas, alterando a indutância da estrutura.

Para esse último conceito de movimento, a indutância da estrutura foi relacionada ao

ângulo α, ilustrado na Figura 4.8.

Figura 4.8:Deformação mecânica relacionada ao ângulo α [57].

A resposta em frequência da estrutura foi analisada em função da variação do ângulo

de 0° a 60°. Os resultados simulados e medidos são demonstrados na Figura 4.9 (a) e (b),

respectivamente. A medida que o ângulo α aumenta, a frequência de ressonância da

estrutura diminui, o que a torna reconfigurável mecanicamente [57].

Figura 4.9: Resultados simulados (a) e medidos (b).

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Algumas dessas aplicações citadas nesta seção requerem que a frequência de

operação das FSS seja independente dos ângulos de incidência da onda e seja indiferente

às polarizações dentro da faixa de operação. Pesquisas recentes na área abordam diversas

propostas de melhoria na estabilidade angular das FSS através de mecanismos como

minituarização do elemento, deslocamento do elemento (skew), uso de metamateriais, e

diferentes configurações de fractais [3]-[6]. Porém, a não-estabilidade angular pode ser

aproveitada na reconfiguração da FSS, para que esta opere em diferentes frequências,

como realizada neste trabalho.

Na seção seguinte é descrito um simples modelo FSS reconfigurável mecanicamente

de uma única camada, rejeita-faixa com aplicações na banda-X (8,2 GHz a 12,4 GHz),

reconfigurável através do deslocamento mecânico da estrutura, cuja frequência de

operação varia de acordo com o ângulo da onda incidente.

4.3 Proposta: FSS Reconfigurável Mecanicamente

A FSS analisada possui elementos condutores triangulares não simétricos dispostos

num substrato de fibra de vidro (FR-4) com permissividade εr = 4,4; tangente de perdas

tanδ = 0,02; e altura do substrato de h = 1,5 mm.

O elemento da célula unitária é um triângulo isósceles, cuja base é descrita pela

variável Db e a altura, Dh, e a célula unitária possui dimensões Tx e Ty, de valores:

𝑻𝒙 = 𝑻𝒚 = 𝟐𝟎 𝒎𝒎 (4.1)

𝑫𝒃 = 𝑫𝒉 = 𝟐𝟎 𝒎𝒎 (4.2)

A Figura 4.10 ilustra o elemento triangular da célula unitária e o arranjo de elementos.

Figura 4.10: Elemento da célula unitária e arranjo de elementos da FSS.

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28

Análise paramétrica da estrutura foi realizada empregando-se o Método dos

Momentos através do software comercial Ansoft Designer e o Método das Ondas – WCIP.

Foram observados os modos de polarização TE e TM e a variação angular da onda

incidente 0 º ~ 40°. Para a caracterização experimental foi fabricado um protótipo da FSS,

ilustrado na Figura 4.11.

Figura 4.11: Protótipo da FSS fabricado.

As medições da estrutura foram realizadas no Laboratório de Telecomunicações –

GTEMA/IFPB, utilizando um analisador de rede Agilent E5071C. Os resultados obtidos

são descritos na seção seguinte.

4.4 Resultados

A análise da superfície seletiva em frequência considerou a polarização TE, campo

elétrico ao longo do eixo x, e a polarização TM, campo elétrico ao longo do eixo y,

exemplificado na Figura 4.12.

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29

Figura 4.12: Polarização TE e TM.

Para cada polarização foram observados o coeficiente de transmissão da FSS em

função da frequência, para diferentes ângulos de incidência da onda na superfície. A

rotação da estrutura na Figura 4.13 simula os diferentes valores do ângulo θ (0° a 40º) da

onda incidente. A faixa de frequência de operação da estrutura foi definida a partir da

varredura do espectro de 1 GHz a 20 GHz (em simulação numérica), apenas apresentando

ressonância satisfatória na faixa de 7 GHz a 11 GHz.

Figura 4.13: Variação do ângulo θ a partir da rotação da estrutura.

Na caracterização numérica, o ângulo incidente θ foi configurado inicialmente no

programa computacional Ansoft Designer como um parâmetro variável da onda plana

incidente. No método WCIP, apenas a incidência normal para as polarizaçções TE e TM

(θ= 0°) foi observada. Os resultados numéricos e experimentais para as polarizações TE

e TM são mostrados a seguir.

x

y TM

�⃗⃗� 𝒚

�⃗⃗� 𝒙

TE

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30

Polarização TE

Para a polarização TE, a Figura 4.14 demonstra o coeficiente de transmissão em

função da frequência, para diferentes valores de θ(°), simulados no Ansoft Designer.

Figura 4.14: Resultados simulados do coeficiente de transmissão para polarização TE.

Para a análise experimental, o setup de medição aplicado utilizou duas antenas

cornetas e uma base rotatória para apoiar a FSS, considerando os diferentes ângulos de

incidência a partir do movimento mecânico da base, ilustrada na Figura 4.15.

Figura 4.15: Setup de medição com base rotatória.

A Figura 4.16 compara os resultados simulados no Ansoft Designer com os

resultados medidos.

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31

Figura 4.16: Comparação dos resultados medidos e MoM para polarização TE.

Para a simulação numérica dos Método das Ondas – WCIP, utilizou-se 300 iterações,

e a estrutura foi discretizada em 201x201 pixels. Os resultados foram comparados com

os obtidos pelo MoM e os medidos, como mostra a Figura 4.17.

Figura 4.17: Comparação dos resultados do WCIP, MoM e medidos em polarização TE.

Polarização TM

Para a polarização TM, foi verificada a resposta em frequência da FSS para ângulos

de incidência de θ = 0° a θ = 40°, entretanto, a banda de rejeição da estrutura simulada

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32

com θ > 20° não atingiu o limiar de 10 dB do coeficiente de transmissão. A Figura 4.18

representa os resultados simulados com o Ansoft Designer – MoM.

Figura 4.18: Resultados simulados do coeficiente de transmissão para polarização TM.

Diferentemente da polarização no modo TE, a estrutura polarizada em y (TM),

não apresenta características de reconfiguração mecânica com a variação do ângulo

incidente.

A caracterização numérica no WCIP é comparada ao MoM e apresentada na Figura 4.19.

Figura 4.19: Comparação dos resultados do WCIP e MoM para polarização TM.

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33

4.5 Considerações Finais

Os resultados obtidos para a polarização TE apresentaram uma característica de

seletividade em frequência a partir da variação do ângulo incidente da onda, conseguido

com a rotação da estrutura em torno de seu eixo. A relação entre a frequência de

ressonância e o ângulo θ (°) mostrou-se quase linear, como pode ser verificado na curva

característica exibida na Figura 4.20. A diferença entre os resultados medidos e simulados

foi de 0,5%, demonstrando uma boa concordância entre os resultados.

Figura 4.20: Curva quase linear da frequência de ressonância em função de θ.

Para a polarização TE, além da quase-linearidade da frequência de ressonância, as

simulações apresentaram uma boa margem de largura de banda para a seletividade de 9

faixas de frequência, resultantes da variação de θ de 0° a 40°, a um passo de 5°.

Já para a polarização TM, não houve característica de seletividade, portanto as

frequências de ressonância assumiram uma característica de estabilidade angular até θ =

20°, mantendo uma boa margem de largura de banda (até 200 MHz). A Tabela 4.3

apresenta a largura de banda para cada variação do ângulo, nas polarizações TE e TM.

7

8

9

10

11

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Fre

quên

cia

(GH

z)

θ (°)

MoM

Medido

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34

Tabela 4.3: Larguras de banda para diferentes valores de θ (°).

θ (°)

Polarização TE Polarização TM

Faixa de

frequência

(GHz)

Largura de

banda

(GHz)

Faixa de

frequência

(GHz)

Largura de

banda

(GHz)

0 9,5 – 9,9 0,4 10,1 – 10,4 0,3

5 9,4 – 9,8 0,4 10,1 – 10,4 0,3

10 9,3 – 9,7 0,4 10,2 – 10,5 0,3

15 9,1 – 9,4 0,3 10,3 – 10,5 0,2

20 8,9 – 9,2 0,3 10,3 – 10,6 0,3

25 8,6 – 8,9 0,3 – –

30 8,4 – 8,6 0,2 – –

35 8,2 – 8,4 0,2 – –

40 7,9 – 8,1 0,2 – –

A partir da análise dos resultados, podemos considerar que a estrutura proposta

apresenta uma consistente seletividade em frequência, inerente a sua característica,

indesejada na maioria dos trabalhos, de não-estabilidade angular. A rotação da estrutura

permite a rejeição de faixas de frequências consecutivas, podendo ser controlada para

operar na faixa desejada, a partir de uma interface microcontrolada acoplada ao eixo

girante da FSS.

Além disso, o modo de polarização TM apresentou uma característica de estabilidade

com a variação do ângulo incidente. A fim de otimizar essa condição, e investigar a

permanência da seletividade na polarização TE, foi proposto um estudo do deslocamento

de elementos (skew) da FSS, que na literatura é recomendado para melhorar a estabilidade

angular [13]. O estudo do skew da estrutura é detalhado no capítulo seguinte.

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35

Capítulo 5

5Efeito do Deslocamento de Elementos

5.1 Introdução

O efeito do deslocamento de elementos, mais conhecido como skew, é definido como

sendo o movimento relativo das células unitárias adjacentes. Esse desvio d do elemento

vizinho correspondente é mensurado pelo ângulo α, como mostra a Figura 5.1.

Figura 5.1: Ângulo α e deslocamento d dos elementos.

O skew da célula unitária foi utilizado em alguns trabalhos para otimizar a

estabilidade angular da estrutura, com ângulos de incidência de até 50° [58], [59]. Além

disso, o skew pode modificar a frequência de ressonância da FSS, alterando parâmetros

que interferem na sua resposta em frequência, como a periodicidade da célula unitária

[13], [60], podendo ser uma característica capaz de reconfigurar a frequência de operação

da FSS.

Nesse contexto, foi proposto um estudo do deslocamento do elemento, para verificar

o efeito desse desvio na resposta em frequência da FSS com elementos triangulares, para

as polarizações TE e TM.

Neste capítulo, as análises numérica e experimental da estrutura são descritas, bem

como os resultados obtidos e discussão dos mesmos.

α α

d

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5.2 Deslocamento (skew) de Elementos da FSS

O deslocamento dos elementos da FSS foi verificado para os diferentes valores de θ,

mantendo as dimensões da célula unitária Tx = Ty = 20 mm, e do elemento triangular,

ilustrado na Figura5.2. Para facilitar o desenho da estrutura no Ansoft Designer e no

WCIP, o skew foi alterado a partir da variável d, que corresponde ao desvio entre os

elementos das células adjacentes (Figura 5.2). A Figura 5.3 corresponde ao esquema de

arranjo das células da FSS.

Figura 5.2: Célula unitária com deslocamento d.

Figura 5.3: Arranjo de células unitárias com deslocamento d.

Assim como no Capítulo 4, a FSS caracterizada possui substrato de fibra de vidro

(FR-4) com permissividade εr = 4,4; tangente de perdas tanδ = 0,02; e altura do substrato

de h = 1,5 mm. A análise numérica da FSS através do MoM, observou os parâmetros θ e

d, para diferentes valores e polarizações TE e TM, descritos na Tabela 5.1.

Tabela 5.1: Parâmetros θ e d analisados.

Parâmetro Variação Passo

θ 0° a 40° 5°

d 0 a 10 mm 5 mm

2Tx

Ty

d

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37

O deslocamento d pode ser representado pelo ângulo de skew α, que foi calculado

para os valores de deslocamento d utilizados, como mostra a Tabela 5.2.

Tabela 5.2: Representação do ângulo α para valores de d.

Deslocamento α

d = 0 mm 90°

d = 5 mm 71,56°

d = 10 mm 56,31°

Além do deslocamento entre duas células adjacentes, foi realizado um estudo com

deslocamento entre três elementos adjacentes. A FSS foi observada para o valor de d = 5

mm, ilustrada nas Figuras 5.4 e 5.5.

Figura 5.4: Célula unitária com deslocamento d = 5 mm entre três elementos adjacentes.

Figura 5.5: Arranjo de células unitárias com deslocamento d = 5 mm entre três

elementos adjacentes.

Utilizando o Método das Ondas, verificou-se o desvio d de 5 mm e 10 mm para a

incidência normal da onda (θ = 0°), nas polarizações TE e TM.

Para a análise experimental, foram construídos dois protótipos de FSS, um para d =

5mm, e outro com d = 10 mm. Os protótipos fabricados são mostrados na Figura 5.6.

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38

Figura 5.6: Protótipos construídos com d = 5 mm (a) e d =10 mm (b).

5.3 Resultados

Os resultados do efeito do deslocamento do elemento foram obtidos através da

implementação da estrutura no Ansoft Designer e WCIP. Foram observados o coeficiente

de transmissão da FSS em função da frequência, dentro da faixa de 7 GHz a 11 GHz, para

os modos de polarização TE e TM.

Polarização TE

Para a polarização TE, coeficiente de transmissão obtido pelo MoM – Ansoft

Designer, para o caso d = 5mm é ilustrado na Figura 5.7. As características de

seletividade em frequência a partir da variação do ângulo de incidência observadas no

Capítulo 4 foram mantidas, apesar do parâmetro d.

(a)

(b)

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39

Figura 5.7: Resultados simulados com d = 5 mm para polarização TE.

O resultado obtido do MoM foi comparado ao resultado medido da estrutura. As

medições foram realizadas utilizando o mesmo setup descrito no Capítulo 4. A base

rotatória utilizada para girar a FSS e variar o ângulo θ é ilustrada na Figura 5.8.

Figura 5.8: Base rotatória utilizada nas medições.

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40

A Figura 5.9 apresenta a comparação da resposta em frequência obtida pelo MoM e

medição da estrutura.

Figura 5.9: Curvas obtidas pelo MoM e medição para d = 5mm e polarização TE.

A resposta em frequência obtida pelo WCIP, com 300 iterações e estrutura

discretizada em 201x201 pixels, foi comparada ao MoM e ao resultado medido, para o

ângulo de incidência normal, apresentando boa concordância entre as curvas, exibidas na

Figura 5.10.

.

Figura 5.10: Curvas obtidas pelo WCIP, MoM e medição para d = 5 mm e polarização

TE.

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41

Para o segundo caso de deslocamento, com d = 10 mm, a resposta em frequência

obtida pela MoM apresentou características semelhantes de seletividade em frequência

sem o deslocamento de elementos e para o caso anterior, com d = 5 mm. A Figura 5.11

apresenta as curvas obtidas pelo Ansoft Designer e medições realizadas.

Figura 5.11: Curvas obtidas pelo MoM e medição para d = 10 mm e polarização TE.

O resultado para o deslocamento d = 10 mm obtido no WCIP foi comparado aos

resultados obtidos pelo MoM e medição, para incidência normal da onda, representados

na Figura 5.12.

Figura 5.12: Curvas obtidas pelo WCIP, MoM e medição para d=10mm e polarização

TE.

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11

Coef

icie

nte

de

Tra

nsm

issã

o (

dB

)

Frequência (GHz)

0° - WCIP

0° - MoM

0° - Medido

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42

Os resultados obtidos através do Método dos Momentos e WCIP para o efeito do

deslocamento d = 5 mm em três elementos consecutivos são apresentados nas Figuras

5.12 e 5.13.

Figura 5.13: Resultados obtidos pelo MoM para deslocamento de três elementos

consecutivos na polarização TE.

Figura 5.14: Resultados obtidos pelo MoM e WCIP para deslocamento de três

elementos consecutivos na polarização TE.

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43

Polarização TM

Foram analisadas as estruturas com d = 5 mm, para dois e três elementos

consecutivos, e d = 10 mm, para a polarização TM. A característica de estabilidade

angular inerente a FSS sem o deslocamento de elementos obteve uma boa melhora com

o efeito do skew, aumentando para 30º o limite de θ para uma ressonância aceitável. A

Figura 5.15 apresenta a resposta em frequência a partir da variação do ângulo incidente θ

(0° a 25°), para o caso d = 5 mm.

Figura 5.15: Coeficiente de transmissão obtido pelo MoM para polarização TM com

d = 5 mm.

Os resultados medidos são apresentados na Figura 5.15, comparados aos resultados

obtidos pelo MoM.

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44

Figura 5.16: Resultados medidos e simulados para d = 5 mm na polarização TM.

A Figura 5.17 apresenta os resultados obtidos através do Método das Ondas,

comparados aos resultados simulados no Ansoft Designer – MoM, e resultado medido.

Figura 5.17: Curvas obtidas através do WCIP, MoM e medição para d = 5 mm e

polarização TM.

O deslocamento dos elementos com d = 10 mm apresentou características de

estabilidade angular atenuada, quando comparadas ao caso anterior. A Figura 5.18

apresenta os resultados simulados através do MoM e as medições realizadas para os

respectivos valores de θ.

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11

Coef

icie

nte

de

Tra

nsm

issã

o (

dB

)

Frequência (GHz)

0° - WCIP

0° - MoM

0° - Medido

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45

Figura 5.18: Curvas obtidas pelo MoM e medição para d = 10 mm e polarização TM.

A Figura 5.19 compara a análise numérica realizada no Ansoft Designer e o resultado

obtido pela simulação da estrutura utilizando o WCIP.

Figura 5.19: Curvas obtidas pelo WCIP, MoM e medição para d = 10mm e polarização

TM.

O efeito do skew em três elementos consecutivos foram analisados através do MoM

e WCIP, para o modo TM. A Figura 5.20 e 5.21 apresentam os resultados obtidos das

simulações da estrutura.

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46

Figura 5.20: Resultados obtidos pelo MoM para deslocamento de três elementos

consecutivos na polarização TM.

Figura 5.21: Resultados obtidos pelo MoM e WCIP para deslocamento de três

elementos consecutivos na polarização TM.

5.4 Considerações Finais

Os resultados apresentados na seção anterior confirmam a característica de

reconfiguração mecânica da FSS. Nota-se que o efeito do deslocamento dos elementos

não interfere na seletividade em frequência da estrutura para a polarização TE para a

estrutura proposta. As curvas presentes na Figura 5.21 representam a frequência de

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ressonância em função da variação do ângulo θ, para os casos de d = 0 mm, 5mm e 10

mm.

Figura 5.22: Curva quase linear da frequência de ressonância em função de θ para

diferentes valores de d.

Como o efeito do skew praticamente não alterou a resposta em frequência do modo

de polarização TE, e manteve o a largura de banda das faixas de operação. Essa

característica torna a FSS mais robusta quanto a possíveis defeitos de fabricação.

Algumas considerações podem ser feitas em relação ao efeito do deslocamento.

Observa-se que o resultado ótimo para a polarização TM é conseguido com d = 5 mm,

que apresentou uma melhor estabilidade angular para os valores θ < 25°, enquanto que

para d = 10 mm houve um desvio de 200 MHz entre as frequências de ressonância das

curvas θ = 0° e 20°.

O efeito do skew para três elementos consecutivos apresentou as mesmas

características do deslocamento de d = 5 mm entre dois elementos, em ambos os modos

de polarização. Houve uma otimização na estabilidade angular conseguida na polarização

TM, devida a diminuição do coeficiente de transmissão para os valores de ângulos de

incidência θ < 30°.

Os resultados numéricos obtidos pelo Método das Ondas apresentaram boa

concordância com os resultados medidos, cuja diferença entre esses são dados na Tabela

5.3.

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Tabela 5.3: Diferença de resultados entre WCIP e medições para diferentes valores de d.

Deslocamento - d Diferença

Polarização TE Polarização TM

0 mm 3,12% 2,83%

5 mm 2,99% 0,96%

10 mm 3,63% 3,43%

O WCIP se destacou pela facilidade de implementação e custo computacional

reduzido quando comparado ao Método dos Momentos, empregado no Ansoft Designer.

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49

Capítulo 6

6Conclusão

.

Esse trabalho propôs um modelo simples de FSS reconfigurável mecanicamente, que

opera na faixa de micro-ondas, especificamente na banda X. As propriedades de

transmissão foram analisadas nos modos TE e TM de polarização, resultando em um

comportamento multibanda e banda única da FSS, respectivamente. Além da análise da

variação do ângulo incidente, estudou-se o efeito do deslocamento de elementos da célula

unitária, mais conhecido como skew. Para a análise numérica foi utilizado o WCIP e o

Ansoft Designer, cujos resultados apresentaram boa concordância com os resultados

medidos.

Na polarização TE é possível configurar a frequência de ressonância da FSS a partir

da variação do ângulo da onda que incide na estrutura, conseguido a partir da rotação da

estrutura sobre seu próprio eixo. Para a polarização TM, os resultados mostraram uma

estabilidade angular de até 20º.

O efeito do skew na polarização TE indicou que mesmo que haja defeitos na

fabricação da FSS, as suas características de transmissão não são alteradas, constatando-

se a robustez da estrutura proposta. O deslocamento dos elementos melhorou a

estabilidade angular da estrutura no modo de polarização TM, aumentando para 25º o

ângulo da onda incidente aceitável.

As características observadas através dos resultados obtidos demonstram a

versatilidade da FSS proposta. Seu simples design triangular promove sua fácil

implementação nos programas de simulação, bem como na fabricação do protótipo. Além

disso, o comportamento quase linear da FSS permite a implementação de um sistema

microcontrolado associado ao deslocamento angular da estrutura, que pode ser

aproveitado em aplicações de comunicações sem fio, como a tecnologia de rádios

cognitivos, comunicações via satélite.

Como trabalhos futuros propõe-se a investigação de novos parâmetros de

reconfiguração, como a modificação da geometria do elemento, alteração nos valores de

base e altura do triângulo, rotação do elemento da célula unitária, deslocamento de

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elementos (skew) em cascata, e a implementação de um sistema microcontrolado

acoplado ao eixo de rotação da FSS.

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51

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