A Fig. 3.15 mostra a seção transversal da antena de microfita com patch em anel sobre duas camadas ferrita/dielétrico, na qual o patch condutor em anel, de raio interno r1 e
raio externo r2, está impresso sobre uma camada de substrato ferrimagnético (camada 2), de
altura d2, suspenso por uma camada de dielétrico isotrópico (camada 3), de altura d3,
apoiada sobre um plano de terra.
d2 2 ε 2 , µ z y 1 r2 r1 3 ε3 , µ0 d3
Fig. 3.15 – Seção transversal de uma antena de microfita com patch em anel sobre duas camadas (ferrita/dielétrico).
As Fig. 3.16 e 3.17 mostram a influência da adição de uma subcamada no comportamento da antena de microfita sobre ferrita. Verifica-se que a freqüência de ressonância cresce em função da intensidade do campo magnetico DC aplicado. Foram obtidos resultados para antenas de microfita com patch em anel sobre substrato ferrimagnético magnetizado (d2 = 0,03 cm), com permissividade elétrica εr2 = 12,5,
magnetização de saturação 4πMs = 5000 G e razão giromagnética γ = 2,9 MHz/Oe. Na Fig.
3.16, os resultados são obtidos considerando o substrato com uma camada de ferrita (d3 =
0) e com a ferrita suspensa por um dielétrico isotrópico (d3 = 0,03 e εr3 = 2,32). Na Fig.
Fig. 3.16 - Curva da freqüência de ressonância em função da intensidade do campo magnético DC.
Fig. 3.17 - Curva da freqüência de ressonância em função da intensidade do campo magnético DC.
FERRIMAGNÉTICOS
Na Fig. 3.18, observa-se o comportamento da freqüência de ressonância em função da altura da camada dielétrica, d3, variando de 0,01 cm a 0,045 cm, para dois tipos de
dielétricos (εr3 = 2,32 e εr3 = 4,4). Como esperado, a antena apresenta valores mais elevados
de freqüência de ressonância à medida que as permissividades diminuem.
Fig. 3.18 - Curva da freqüência de ressonância em função da altura da camada dielétrica.
As Figs. 3.19 e 3.20 mostram, respectivamente, os resultados para o diagrama de radiação (componentes de campo elétrico, Eθ e Eφ), para a estrutura considerada na Fig. 3.17. Observa-se, na Fig. 3.19, que a diretividade da antena aumenta com a altura da camada de isotrópica. Entretanto, o efeito dessa variação é praticamente nulo no diagrama de radiação Eφ, como mostra a Fig. 3.20.
Pode ser observado, na Fig. 3.21, que com a diminuição do valor da permissividade da camada dielétrica, a diretividade da antena aumenta.
Fig. 3.19 – Diagrama de radiação (Eθ) para dois valores diferentes de altura da camada dielétrica, d3.
Fig. 3.20 – Diagrama de radiação (Eφ) para dois valores diferentes de altura da camada
dielétrica, d3.
Fig. 3.21 – Diagrama de radiação (Eθ) para dois valores diferentes de permissividade para a camada dielétrica, d3.
FERRIMAGNÉTICOS
A Fig. 3.22 apresenta as curvas para a freqüência ressonância em função da altura de camada dielétrica, d3, para diferentes tipos de dielétricos. Como esperado, variando-se a
permissividade de um valor mais baixo, εr3 = 1,0 (ar), simulando o caso suspenso, para um
valor de permissividade mais alta, εr3 = 9,8, a freqüência ressonância diminui com o
aumento da permissividade da camada dielétrica.
Fig. 3.22 - Curva da freqüência de ressonância em função da altura da camada dielétrica.
As Figs. 3.23 e 3.24 mostram o comportamento da freqüência de ressonância para uma antena de microfita em anel com ferrita, em função da altura de camada dielétrica, d3,
para valores diferentes de campo magnético DC aplicado. A altura da camada dielétrica (εr3
= 2,32) varia de 0,01 cm a 0,045 cm, enquanto o raio externo do patch é r2 = 0,15 cm. Na
Fig. 3.24, o raio externo do anel igual a r2 = 0,1 cm. Os resultados mostram que a
freqüência de ressonância aumenta com a intensidade do campo magnético DC aplicado e com a altura da camada dielétrica, permitindo uma sintonia externa à estrutura. À medida que o campo magnético aumenta, a freqüência de ressonância tende ao caso isotrópico.
Fig. 3.23 - Curva da freqüência de ressonância em função da altura da camada dielétrica.
FERRIMAGNÉTICOS
3.4 Conclusão
Neste capítulo, foram apresentados os resultados numéricos para uma antena com
patch em anel de microfita com multicamadas, constituídas por materiais
ferrimagnético/dielétrico. Observou-se nos resultados que, quando o campo magnético aplicado externamente é variado, obtém-se também uma variação no comportamento da freqüência de ressonância. Com isto, é possivel realizar-se uma sintonia externa da antena, sem alterar suas caracteristicas físicas. Foram feitas comparações com resultados de outros trabalhos publicados para o caso de patch circular e quadrado, convergindo numericamente o raio interno a um valor infinitesimal nos programas elaborados utilizando Matlab®.
Observou-se uma boa concordância com resultados obtidos através do Ansoft HFSS®.
Quando comparado ao software HFSS, o método de Galerkin permitiu uma melhor investigação da região de ressonância giromagnética da ferrita, por ser mais sensível às variações do campo magnético DC aplicado.
Metamateriais
4.1 Introdução
As propriedades elétricas e magnéticas dos materiais podem ser determinadas por dois parâmetros constitutivos denominados permissividade elétrica (ε) e permeabilidade magnética (µ). Em conjunto, a permeabilidade e a permissividade determinam a resposta do
material quando uma onda eletromagnética se propaga através do mesmo. Geralmente, ε e
µ são ambos positivos em meios convencionais. Enquanto ε pode ser negativo em alguns
materiais (por exemplo, ε pode apresentar valores negativos abaixo da freqüência de plasma dos metais), nenhum material natural com µ negativo é conhecido. Porém, certos materiais, chamados de materiais LHM (Left-Handed Materials), possuem permissividade efetiva (εeff) e permeabilidade efetiva (µeff) apresentando, simultaneamente, valores
negativos. Em tais materiais, o índice de refração (n) é negativo, fator este que resulta na inversão de fenômenos eletromagnéticos conhecidos, os quais foram investigados,
teoricamente, pelo físico russo Veselago em 1967 (VESELAGO, 1967). Na época da
publicação do estudo, o próprio Veselago ressaltou que tais materiais não estavam disponíveis na natureza, o que fez com que suas observações ficassem apenas no território das curiosidades.
A princípio, materiais com permissividade negativa puderam ser obtidos através de um arranjo periódico de fios condutores milimétricos alinhados ao longo da direção de
propagação, como mostra a Fig. 4.1. Entretanto, para que o estudo de Veselago fosse comprovado, faltava fabricar um material com permeabilidade negativa.
Fig. 4.1 – Arranjo de fios condutores para produzir um meio efetivo com permissividade negativa. Reproduzido de (SARTORI, 2004).
O desafio, então, era construir um meio que apresentasse uma permeabilidade magnética efetiva negativa. Em 1999, Pendry demonstrou que uma estrutura em anel aberto (na forma de “C”), denominada ressoador em anel dividido (Split Ring Resonator – SRR), podia promover uma permeabilidade negativa (PENDRY et al., 1999), conforme a Fig. 4.2. Combinando as duas estruturas de Pendry em um único arranjo, dado pela Fig. 4.3, de modo que o comprimento de onda a ser utilizado fosse maior que os elementos e o espaçamento do arranjo compreendido pelos mesmos, o comportamento left-handed foi alcançado por Smith, confirmando o estudo realizado, há três décadas, por Veselago.
Fig. 4.2 – Ressoador em anel dividido (SRR) para produzir um meio efetivo com permeabilidade negativa. Reproduzido de (SARTORI, 2004).
Fig. 4.3 – Arranjo de SRR e fios metálicos criando um meio efetivo com ε e µ negativos.
Reproduzido de (SARTORI, 2004).
Esses novos materiais são denominados de metamateriais, onde o prefixo meta é uma alusão à natureza excêntrica de seus parâmetros eletromagnéticos. Entretanto, existem outras denominações para estes meios, na literatura, de acordo com as propriedades do material, tais como materiais left-handed (LHM), materiais de índice de refração negativo (NRI), materiais de índices negativos (NIM), materiais duplo-negativos (DNG), dentre outros.
O Departamento de Defesa Norte-Americano (DARPA) tem uma definição para os metamateriais: “Metamaterial é uma nova classe de nano-inclusões artificiais ordenadas
numa estrutura que apresenta propriedades excepcionais não observadas na natureza. Estas propriedades também não são observadas nos materiais constituintes dessas estruturas e resultam das respostas eletromagnéticas dessas inclusões extrínsecas, não- homogêneas e fabricadas artificialmente”.
Um ponto é de extrema importância diante desta definição. A citação “não observadas nos materiais que os constituem” diz respeito ao fato de que não se considera o caráter microscópico dos materiais que constituem o metamaterial, mas somente é considerado que no composto há materiais homogêneos com parâmetros eletromagnéticos
bem definidos de ε e µ. De acordo com o eletromagnetismo clássico, pode-se dizer que o
pode ser considerada um material. Os parâmetros eletromagnéticos ε e µ não precisam surgir estritamente da resposta de átomos e moléculas. Qualquer coleção de objetos cujo tamanho e o espaçamento sejam muito menores do que o comprimento de onda pode ser descrita por um ε e um µ, cujos valores são determinados pelas propriedades de espalhamento das estruturas dos objetos. Portanto, uma onda eletromagnética passando através desse arranjo não distingue a diferença, embora tal coleção não-homogênea não satisfaça a definição intuitiva de um material. Do ponto de vista do eletromagnetismo, trata- se de um material artificial, ou um metamaterial.
Os metamateriais surgiram como a mais promissora tecnologia, capaz de atender às exigências excepcionais dos sistemas atuais e futuros de comunicações. Baseados em uma atraente e revolucionária classe de materiais que possuem novas e poderosas propriedades de propagação eletromagnética, eles foram considerados pela revista Science como sendo um dos 10 maiores avanços da ciência no ano de 2006 (SCIENCE, 2006). Vários trabalhos têm sido publicados na literatura procurando explorar novos efeitos e descobrir novas aplicações para este “fantástico” material. Como exemplos, destacam-se o desenvolvimento de superlentes capazes de fornecer imagens de objetos ou estruturas que são muito menores do que o comprimento de onda da luz e mecanismos de invisibilidade, para determinadas freqüências de oscilações eletromagnéticas, capazes de tornar objetos invisíveis ao olho humano. Outras aplicações dos LHMs incluem a fabricação de antenas com propriedades novas, nanolitografia óptica, microscópios de altíssima resolução, nanocircuitos para supercomputadores, dispositivos MIMO WiFi, ultra-compactos, de várias bandas e modos com velocidade de comunicação, alcance e mobilidade superiores (RASPEN, 2010).