4. METHODOLOGY AND MATERIALS
4.3. Application of QCA in this study
O arranjo e a metasuperfície foram estudados e projetados utilizando simulações realizadas no Ansoft HFSS™ e para verificar e validar os resultados foi realizada a construção e medição das estruturas, observando-se uma boa concordância entre eles. As medições foram feitas usando o analisador de redes vetorial (modelo N5230A Agilent). Essas medições foram realizadas no Laboratório de Medidas em Telecomunicações do GTEMA-IFPB. As estruturas foram analisadas na faixa de frequência de 2 a 3 GHz, já que a frequência de operação desejada é em torno de 2,45 GHz. A fotografia com o setup de medição é mostrada na Figura 4.6.
Figura 4.6 - Setup de medição.
Para verificar se a metasuperfície funcionava como uma estrutura polarizadora, inicialmente foram realizados testes com a metasuperfície acoplada a uma antena simples, com as dimensões (todas em mm) apresentadas na Figura 4.7.
Figura 4.7 - Geometria da antena (dimensões em mm).
As perdas de retorno simuladas e medidas para a antena isolada e para a estrutura acoplada (metasuperfície e antena), utilizando um espaçamento d = 8 mm são mostradas na Figura 4.8 (seguindo o valor de espaçamento entre as estruturas apresentado em [13]). Para calcular a largura de banda de perda de retorno, em todos os casos é usado como referência o valor de -10 dB. Pode-se ver que a antena isolada possui valores simulados de frequência de ressonância em 2,44 GHz a -15,83 dB com largura de banda de 40 MHz (2,42 a 2,46 GHz) e valores medidos de frequência de ressonância em 2,47 GHz a -17,26 dB com largura de banda de 70 MHz (2,45 a 2,52 GHz). A estrutura acoplada possui valores simulados de frequência de ressonância em 2,55 GHz a -15,56 dB e valores medidos de frequência de ressonância em 2,55 GHz a -18,91 dB. Com a inserção da metasuperfície a uma distância de 8 mm, a largura de banda da perda de retorno teve um aumento, na simulação de 40 para 70 MHz (2,50 a 2,57 GHz) e na medição de 70 para 120 MHz (2,50 a 2,62 GHz).
Figura 4.8 - Simulação e medição da perda de retorno para a antena isolada e para a estrutura acoplada (metasuperfície e antena), com d = 8 mm.
Como o objetivo principal deste trabalho é obter uma estrutura polarizadora, foi necessário investigar o comportamento das estruturas em termos de razão axial. No projeto de uma antena/arranjo planar circularmente polarizado, a razão axial é um dos fatores importantes a ser considerado [13]. A razão axial é a relação expressa em dB, entre o eixo maior e o eixo menor da elipse de polarização descrita pelo comportamento do vetor campo elétrico [52]. Para uma antena ser considerada circularmente polarizada, a razão axial precisa estar próxima a 0 dB. Por essa razão, são tomados como referência valores menores que 3 dB [53], valor esse que também é usado, em todos os casos para calcular a largura de banda de razão axial. O procedimento para a medição da razão axial pode ser encontrado em [54].
A Figura 4.9 mostra a razão axial simulada para a antena isolada, o que comprova que esta estrutura apresenta polarização linear.
Figura 4.9 - Simulação da razão axial para a antena isolada.
A razão axial simulada para a estrutura acoplada (metasuperfície e antena), utilizando um espaçamento d = 8 mm é mostrada na Figura 4.10. Pela dificuldade na medição, em todos os casos, a razão axial medida será mostrada apenas na faixa de frequência de interesse.
Figura 4.10 - Simulação da razão axial para a estrutura acoplada (metasuperfície e antena), com d = 8 mm.
A razão axial simulada e medida (na faixa de frequência de interesse) para a estrutura acoplada, utilizando um espaçamento d = 8 mm é mostrada na Figura 4.11. Pode-se ver que com a inserção da metasuperfície nessa distância, a razão axial fica abaixo de 3 dB em torno da frequência de ressonância, apresentando uma largura de banda de razão axial de 110 MHz (2,48 a 2,59 GHz) para valores simulados e de 120 MHz (2,49 a 2,61 GHz) para valores medidos.
Figura 4.11 - Simulação e medição da razão axial para a estrutura acoplada (metasuperfície e antena), com d = 8 mm.
Com esses resultados comprovou-se que a metasuperfície proposta funcionou como uma estrutura polarizadora para a antena isolada. A partir daí iniciaram-se os testes de acoplamento da metasuperfície com o arranjo.
As perdas de retorno simuladas e medidas para o arranjo isolado e para a estrutura acoplada (metasuperfície e arranjo), utilizando um espaçamento d = 8 mm são mostradas na Figura 4.12. Pode-se ver que arranjo isolado possui valores simulados de frequência de ressonância em 2,43 GHz a -32,76 dB com largura de banda de 80 MHz (2,39 a 2,47 GHz) e valores medidos de frequência de ressonância em 2,45 GHz a -30,08 dB com largura de banda de 100 MHz (2,40 a 2,50 GHz). Com a inserção da metasuperfície a uma distância de 8 mm, a estrutura apresenta valores simulados de frequência de ressonância em 2,53 GHz a -18,29 dB
com largura de banda de 40 MHz (2,51 a 2,55 GHz) e valores medidos de frequência de ressonância em 2,55 GHz a -20,45 dB com largura de banda de 60 MHz (2,50 a 2,56 GHz).
Figura 4.12 - Simulação e medição da perda de retorno para o arranjo isolado e para a estrutura acoplada (metasuperfície e arranjo), com d = 8 mm.
A Figura 4.13 mostra a razão axial simulada para o arranjo isolado, comprovando que esta estrutura apresenta polarização linear.
Figura 4.13 - Simulação da razão axial para o arranjo isolado.
A razão axial simulada para a estrutura acoplada (metasuperfície e arranjo), utilizando um espaçamento d = 8 mm é mostrada na Figura 4.14.
Figura 4.14 - Simulação da razão axial para a estrutura acoplada (metasuperfície e arranjo), com d = 8 mm.
A razão axial simulada e medida (na faixa de frequência de interesse) para a estrutura acoplada, utilizando um espaçamento d = 8 mm é mostrada na Figura 4.15. Pode-se ver que com a inserção da metasuperfície nessa distância, a razão axial fica abaixo de 3 dB em torno da frequência de ressonância, apresentando uma largura de banda de razão axial de 260 MHz (2,45 a 2,71 GHz) para valores simulados e de 290 MHz (2,44 a 2,73 GHz) para valores medidos.
Figura 4.15 - Simulação e medição da razão axial para a estrutura acoplada (metasuperfície e arranjo), com d = 8 mm.
A medida em que foram feitos os testes de simulação, tanto para a antena quanto para o arranjo, observou-se que ao utilizar a metasuperfície acoplada houve um deslocamento da frequência de ressonância para a direita. Além disso houve uma diminuição da largura de banda de perda de retorno para a estrutura acoplada (arranjo e metasuperfície).
Para buscar um melhor casamento de impedância entre as estruturas acopladas e manter a frequência de ressonância em torno de 2,45 GHz com boa largura de banda, foi projetado um toco simples na linha de alimentação principal, utilizando equações encontradas na literatura tradicional [55]. A Figura 4.16 mostra o arranjo otimizado com a inserção do toco com dtoco = 28,09 mm e ltoco = 8,29 mm, mantendo-se as demais dimensões da estrutura original.
Figura 4.16 - Arranjo otimizado utilizando um toco.
Após várias simulações verificou-se que os melhores resultados para a estrutura acoplada foram nos casos em que o espaçamento d entre o arranjo e a metasuperfície era de 8, 9 e 10 mm. Para valores maiores que 10 mm, a metasuperfície passa a não ter tanta influência sobre o comportamento do arranjo, deixando assim de operar como uma estrutura polarizadora.
As perdas de retorno simuladas e medidas para o arranjo isolado e para a estrutura acoplada (metasuperfície e arranjo otimizado), utilizando um espaçamento d = 8 mm são mostradas na Figura 4.17. Pode-se ver que o arranjo isolado possui valores simulados de frequência de ressonância em 2,43 GHz a -32,76 dB com largura de banda de 80 MHz (2,39 a 2,47 GHz) e valores medidos de frequência de ressonância em 2,45 GHz a - 30,08 dB com largura de banda de 100 MHz (2,40 a 2,50 GHz). A estrutura acoplada possui valores
simulados de frequência de ressonância em 2,48 GHz a -35,71 dB e valores medidos de frequência de ressonância em 2,50 GHz a -35,64 dB. Com a inserção da metasuperfície a uma distância de 8 mm, a largura de banda da perda de retorno teve um aumento considerável, na simulação de 80 para 230 MHz (2,42 a 2,65 GHz) e na medição de 100 para 260 MHz (2,41 a 2,67 GHz).
Figura 4.17 - Simulação e medição da perda de retorno para o arranjo isolado e para a estrutura acoplada, com d = 8 mm.
As perdas de retorno simuladas e medidas para o arranjo isolado e para a estrutura acoplada (metasuperfície e arranjo otimizado), utilizando um espaçamento d = 9 mm são mostradas na Figura 4.18. A estrutura acoplada possui valores simulados de frequência de
ressonância em 2,46 GHz a -44,76 dB e valores medidos de frequência de ressonância em 2,47 GHz a -41,14 dB. Com a inserção da metasuperfície a uma distância de 9 mm, a largura de banda da perda de retorno teve um aumento considerável, na simulação de 80 para 250 MHz (2,40 a 2,65 GHz) e na medição de 100 para 270 MHz (2,39 a 2,66 GHz).
Figura 4.18 - Simulação e medição da perda de retorno para o arranjo isolado e para a estrutura acoplada, com d = 9 mm.
As perdas de retorno simuladas e medidas para o arranjo isolado e para a estrutura acoplada (metasuperfície e arranjo otimizado), utilizando um espaçamento d = 10 mm são mostradas na Figura 4.19. A estrutura acoplada possui valores simulados de frequência de ressonância em 2,46 GHz a -25,27 dB e valores medidos de frequência de ressonância em 2,47 GHz a -35,53 dB. Com a inserção da metasuperfície a uma distância de 10 mm, a largura
de banda da perda de retorno teve um aumento considerável, na simulação de 80 para 260 MHz (2,40 a 2,66 GHz) e na medição de 100 para 270 MHz (2,39 a 2,66 GHz).
Figura 4.19 - Simulação e medição da perda de retorno para o arranjo isolado e para a estrutura acoplada, com d = 10 mm.
Com esses resultados comprova-se que há um aumento substancial na largura de banda de perda de retorno com o uso da metasuperfície acoplada ao arranjo otimizado. Além disso a perda de retorno foi mantida em torno da frequência de interesse.
A Figura 4.20 mostra a razão axial simulada para o arranjo otimizado isolado, o que comprova que esta estrutura apresenta polarização linear.
Figura 4.20 - Simulação da razão axial para o arranjo otimizado isolado.
A razão axial simulada para a estrutura acoplada (metasuperfície e arranjo otimizado), utilizando um espaçamento d = 8 mm é mostrada na Figura 4.21.
Figura 4.21 - Simulação da razão axial para a estrutura acoplada (metasuperfície e arranjo otimizado), com d = 8 mm.
A razão axial simulada e medida (na faixa de frequência de interesse) para a estrutura acoplada, utilizando um espaçamento d = 8 mm é mostrada na Figura 4.22. Pode-se ver que com a inserção da metasuperfície nessa distância, a razão axial fica abaixo de 3 dB em torno da frequência de interesse, apresentando uma largura de banda de razão axial de 40 MHz (2,43 a 2,47 GHz) para valores simulados e de 50 MHz (2,42 a 2,47 GHz) para valores medidos.
Figura 4.22 - Simulação e medição da razão axial para a estrutura acoplada, com d = 8 mm.
A razão axial simulada para a estrutura acoplada (metasuperfície e arranjo otimizado), utilizando um espaçamento d = 9 mm é mostrada na Figura 4.23.
Figura 4.23 - Simulação da razão axial para a estrutura acoplada (metasuperfície e arranjo otimizado), com d = 9 mm.
A razão axial simulada e medida (na faixa de frequência de interesse) para a estrutura acoplada, utilizando um espaçamento d = 9 mm é mostrada na Figura 4.24. Nessa distância a largura de banda de razão axial encontrada é de 60 MHz (2,40 a 2,46 GHz) para valores simulados e de 70 MHz (2,39 a 2,46 GHz) para valores medidos.
Figura 4.24 - Simulação e medição da razão axial para a estrutura acoplada, com d = 9 mm.
A razão axial simulada para a estrutura acoplada (metasuperfície e arranjo otimizado), utilizando um espaçamento d = 10 mm é mostrada na Figura 4.25.
Figura 4.25 - Simulação da razão axial para a estrutura acoplada (metasuperfície e arranjo otimizado), com d = 10 mm.
A razão axial simulada e medida (na faixa de frequência de interesse) para a estrutura acoplada, utilizando um espaçamento d = 10 mm é mostrada na Figura 4.26. Nessa distância a largura de banda de razão axial encontrada é de 210 MHz (2,37 a 2,58 GHz) para valores simulados e de 220 MHz (2,37 a 2,59 GHz) para valores medidos.
Figura 4.26 - Simulação e medição da razão axial para a estrutura acoplada, com d = 10 mm.
Os resultados de razão axial comprovam que a metasuperfície proposta funciona como um polarizador na faixa de frequência de interesse, convertendo sinais linearmente polarizados gerados pelo arranjo de antenas planar em sinais circularmente polarizados, com boa largura de banda de perda de retorno e de razão axial. Após a análise do resultados verificou-se que o caso onde o espaçamento entre as estruturas é d = 10 mm obteve os melhores resultados, pois além da boa largura de banda de perda de retorno, houve um aumento substancial na largura de banda de razão axial, em comparação aos demais casos com o arranjo otimizado.
Foi observado que em todos os casos houve uma boa concordância entre os resultados simulados e medidos. As diferenças existentes são devido a imprecisão no processo de fabricação das estruturas, bem como o alinhamento do arranjo com a metasuperfície.
Para uma melhor visualização a Tabela 4.1 e a Tabela 4.2 mostram uma comparação dos resultados obtidos para a perda de retorno e para a razão axial, respectivamente.
Tabela 4.1 - Comparação dos resultados obtidos para perda de retorno.
Estrutura fr (sim) - GHz fr (med) - GHz Erro (%) LB (sim) - MHz LB (med) - MHz antena isolada 2,44 2,47 1,21 40 (2,42 a 2,46) 70 (2,45 a 2,52) antena com MS, para d = 8 mm 2,55 2,55 0 70 (2,50 a 2,57) 120 (2,50 a 2,62) arranjo isolado 2,43 2,45 0,81 80 (2,39 a 2,47) 100 (2,40 a 2,50) arranjo com MS, para d = 8 mm 2,53 2,55 0,78 40 (2,51 a 2,55) 60 (2,50 a 2,56) arranjo otimizado com MS, para d = 8 mm 2,48 2,50 0,8 230 (2,42 a 2,65) 260 (2,41 a 2,67) arranjo otimizado com MS, para d = 9 mm 2,46 2,47 0,4 250 (2,40 a 2,65) 270 (2,39 a 2,66) arranjo otimizado com MS, para d = 10 mm 2,46 2,47 0,4 260 (2,40 a 2,66) 270 (2,39 a 2,66)
Tabela 4.2 - Comparação dos resultados obtidos para razão axial.
Estrutura LB (sim) - MHz LB (med) - MHz
antena com metasuperfície, para d = 8 mm 110 (2,48 a 2,59) 120 (2,49 a 2,61) arranjo com metasuperfície, para d = 8 mm 260 (2,45 a 2,71) 290 (2,44 a 2,73) arranjo otimizado com metasuperfície, para d = 8 mm 40 (2,43 a 2,47) 50 (2,42 a 2,47) arranjo otimizado com metasuperfície, para d = 9 mm 60 (2,40 a 2,46) 70 (2,39 a 2,46) arranjo otimizado com metasuperfície, para d = 10 mm 210 (2,37 a 2,58) 220 (2,37 a 2,59)
4.4 - Conclusões
Neste capítulo foram apresentados os resultados numéricos da estrutura proposta obtidos por meio do Ansoft HFSS™, bem como os resultados experimentais, os quais apresentaram uma boa concordância com os resultados simulados.
Dos resultados obtidos, comprova-se que essa nova metasuperfície pode converter efetivamente sinais linearmente polarizados de um arranjo planar em sinais circularmente polarizados, com bons desempenhos em termos de largura de banda de perda de retorno e de razão axial, provando assim a aplicabilidade da estrutura proposta.
Conclusões
Neste trabalho foi proposto um novo modelo de metasuperfície, com geometria triangular, capaz de converter os sinais linearmente polarizados gerados por um arranjo de antenas planar em sinais circularmente polarizados.
Para a realização do trabalho, inicialmente foi feito um estudo bibliográfico a cerca do tema. Para poder estudar o comportamento da estrutura, a metasuperfície proposta foi acoplada a três estruturas diferentes. Primeiro ela foi utilizada acoplada a uma antena simples. Em seguida foi utilizada acoplada a um arranjo com dois elementos do tipo patch. E posteriormente acoplada a um arranjo otimizado, utilizando um toco em sua alimentação principal, para obter um melhor casamento de impedâncias.
As estruturas foram analisadas numericamente por meio do Ansoft HFSS™ e para validar esses resultados, as estruturas foram caracterizadas experimentalmente. Os protótipos foram fabricados e as características de transmissão simuladas e medidas foram apresentadas. Os resultados experimentais mostraram uma boa concordância com os resultados simulados.
Após a análise dos resultados, comprovou-se que essa nova metasuperfície pode converter efetivamente sinais linearmente polarizados de um arranjo planar em sinais circularmente polarizados, com bons desempenhos em termos de largura de banda de perda de retorno e de razão axial, alcançando assim o objetivo central deste trabalho.
Verificou-se também que dentre os casos apresentados, o caso onde o espaçamento entre as estruturas é d = 10 mm obteve os melhores resultados, pois além da boa largura de banda de perda de retorno, houve um aumento substancial na largura de banda de razão axial, em comparação aos demais casos com o arranjo otimizado. Além disso, a ressonância foi mantida na faixa de frequência de interesse.
Portanto, a metasuperfície proposta neste trabalho apresenta-se como uma estrutura inovadora que fornece uma maneira conveniente de converter sinais linearmente polarizados em sinais circularmente polarizados para a faixa de frequência ISM (2,45 GHz) apresentando vantagens de possuir uma geometria simples de ser construída, utilizando um substrato de baixo custo (FR-4), bem como uma largura de banda de perda de retorno muito boa para esse tipo de antena e uma largura de banda de razão axial melhor ou igual a outros resultados apresentados na literatura.
Como propostas à continuidade do trabalho, novas investigações podem ser realizadas, como a utilização de outras configurações para antenas/arranjos e para a metasuperfície, a utilização dessa estrutura projetada para outras faixas de frequência, bem como sua aplicação em estruturas multibanda.