Tilhørighet og fellesskap

Esta seção mostra, através do formalismo de onda completa, um estudo comparativo do desempenho de antenas de microfita com patch em anel sobre quatro diferentes tipos de

substrato. O comportamento da freqüência de ressonância em função das dimensões do radiador em anel é analisado.

São considerados substratos do tipo dielétrico isotrópico, dielétrico anisotrópico, ferrimagnético (ferrita) e metamaterial. Neste estudo, os substratos apresentam a mesma altura d1 = 0,159 cm. Cada patch em anel possui raio interno fixo (r1 = 1,5 cm), enquanto o

raio externo r2 varia, conforme a Fig. 5.26.

É possível observar que as antenas com substratos dielétricos isotrópicos e anisotrópicos apresentam freqüências de ressonância muito elevadas quando comparadas com as antenas impressas em substratos apresentando anisotropia magnética, como é o caso das ferritas e dos metamateriais. Observa-se ainda que uma redução nas dimensões do radiador em anel, nas antenas com anisotropia magnética, levará a faixas de freqüência de ressonância mais elevadas, favorecendo a opção de utilização desses substratos em projetos de antenas com tamanhos miniaturizados.

METAMATERIAIS

5.5 Conclusões

Este capítulo reuniu os resultados mais significantes obtidos para antenas de microfita com patch em anel sobre substrato metamaterial, tendo sido realizado um estudo de caso para as quatro diferentes configurações dos tensores ε e µ, conforme a análise teórica realizada no Capítulo 4. Foi efetuada uma caracterização do metamaterial a partir de modelos analíticos existentes na literatura especializada. Todos os resultados foram discutidos detalhadamente, com a finalidade de possibilitar um entendimento completo do que foi proposto neste trabalho. Observou-se que a definição adequada da bianisotropia do metamaterial possibilita uma redução significativa na faixa de operação da antena, o que acarreta uma miniaturização da estrutura, além de apresentar uma maior largura de banda, comparado ao uso de substratos dielétricos isotrópicos. Foram feitas comparações com resultados simulados no software HFSS®, para validação da análise realizada neste trabalho.

Conclusões

Este trabalho apresentou uma análise teórica e numérica das características ressonantes da antena de microfita com patch em anel, através de um formalismo rigoroso de onda completa, utilizando como substratos materiais ferrimagnéticos e metamateriais, com suas respectivas anisotropia magnética e bianisotropia magnético-dielétrica.

Após definidas as propriedades anisotrópicas de cada tipo de substrato, a antena foi então modelada através do método dos potenciais vetoriais de Hertz e do método de Galerkin, onde as componentes de campo elétrico e magnético foram determinadas em função dos potenciais vetoriais de Hertz, orientados na direção perpendicular ao plano de terra. As componentes da matriz impedância, no domínio da transformada de Hankel, foram obtidas solucionando o problema de contorno da estrutura. A freqüência de ressonância foi determinada com a aplicação do método numérico de Galerkin.

O método adotado neste trabalho tem sido amplamente utilizado na modelagem das características de irradiação das antenas de microfita do tipo patch em meios dielétricos iso/anisotrópicos. No entanto, seu uso em estruturas com materiais mais complexos, particularmente, os materiais ferrimagnéticos, tem-se concentrado em análises que utilizam formas geométricas de patch circular e retangular. Outra contribuição importante deste trabalho foi empregar o mesmo procedimento de análise teórica e numérica, desenvolvido para antenas com materiais dielétricos iso/anisotrópicos e ferrimagnéticos, no estudo de antenas de microfita com patch em anel contendo uma nova classe de materiais, os chamados metamateriais, considerando suas propriedades bianisotrópicas.

Neste trabalho, foi possível observar que o patch em anel sobre substratos ferrimagnéticos é tão, ou mais, vantajoso que as formas geométricas retangulares e circulares apresentadas na literatura. O estudo de antenas com patch em anel sobre substratos metamateriais comprova a versatilidade do método e sua aplicação na modelagem de vários tipos de estruturas.

Resultados foram apresentados para a freqüência de ressonância, diagrama de radiação, perda de retorno e largura de banda para antenas de microfita com patch em anel sobre uma camada de substrato ferrimagnético ou metamaterial e para antenas sobre substratos contendo duas camadas, usando a composição ferrita/dielétrico isotrópico. Foram também consideradas estruturas sobre substratos suspensos, com a incorporação de uma camada de ar entre o substrato ferrimagnético e o plano de terra.

Os programas computacionais, para a simulação de resultados e validação das equações obtidas nas respectivas análises teóricas, foram desenvolvidos utilizando Matlab®, considerando cada tipo de substrato, permitindo o modelamento de estruturas com dimensões e materiais diferentes, através da mudança dos parâmetros de entrada nas rotinas computacionais.

Os resultados apresentados mostraram a possibilidade de variação da freqüência de ressonância a partir da variação da intensidade do campo magnético H0 de polarização

aplicado externamente às estruturas com substratos ferrimagnéticos. Esta característica é importante, considerando que não são necessárias alterações físicas na estrutura. Deste modo, é possível realizar sintonias externas na freqüência de ressonância da antena. Observou-se ainda que a freqüência de ressonância da antena cresce à medida que o campo magnético de polarização aplicado aumenta, aproximando-se do caso isotrópico, porém, é inversamente proporcional à dimensão do anel.

O emprego de múltiplas camadas na fabricação de antenas do tipo patch tem a vantagem de permitir um aumento na largura da faixa de operação da antena. Esse comportamento foi observado para antenas com camadas ferrimagnética/dielétrica, verificando-se que a largura da faixa de operação da estrutura analisada depende da altura da camada dielétrica, bem como do tipo de dielétrico utilizado, onde as freqüências de

ressonância mais elevadas são obtidas com a diminuição dos valores de permissividade da camada dielétrica.

Os resultados deste trabalho evidenciaram que o método desenvolvido apresenta maior precisão às variações dos parâmetros característicos das ferritas, em comparação com

a utilização do software comercial Ansoft HFSS®, que demonstrou pouca sensibilidade às

variações de campo magnético de polarização aplicado.

Entretanto, a principal contribuição deste trabalho foi desenvolver uma análise rigorosa, a partir dos potenciais vetoriais de Hertz, para antenas de microfita com patch em anel sobre substrato metamaterial, através do estudo de seus parâmetros constitutivos, permissividade tensorial e permeabilidade tensorial.

O conceito da obtenção dos meios efetivos foi introduzido e alguns exemplos foram abordados. Foi possível observar as características de permissividade e permeabilidade efetivas negativas do metamaterial. Resultados para a permissividade e permeabilidade efetivas foram apresentados, considerando a variação de vários parâmetros geométricos do arranjo periódico composto por SRR e TW, observando-se o comportamento da freqüência de ressonância e a faixa onde o meio efetivo apresenta valores negativos e valores positivos elevados.

Após a caracterização do meio, a análise numérica se estendeu para a obtenção de resultados para a freqüência de ressonância e perda de retorno da antena de microfita com

patch em anel sobre uma camada de substrato bianisotrópico magnético-dielétrico

(metamaterial). A análise teórica possibilitou a investigação de quatro diferentes configurações do par de tensor do metamaterial, através da variação dos valores efetivos de permissividade e permeabilidade nos respectivos eixos do tensor. Essas variações foram realizadas numericamente utilizando rotinas desenvolvidas no Matlab®, a partir da análise

teórica, e comparadas com resultados gerados pelo Ansoft HFSS®.

Foram apresentadas curvas para a freqüência de ressonância em função dos parâmetros estruturais do patch em anel e curvas para perda de retorno, considerando os diversos casos de tensor mencionados.

Foi possível observar que os resultados que apresentaram maior significância foram os considerados nos CASOS 1, 2 e 3, pois demonstraram que o metamaterial realmente

promove uma redução na faixa de freqüência de operação, tornando assim evidente sua contribuição para uma miniaturização da estrutura. Verificou-se que o método é eficiente em todas as faixas de freqüência simuladas para a antena e que a definição adequada dos valores de permissividade e permeabilidade efetivas do meio metamaterial contribui para uma maior perda de retorno da estrutura, o que acarreta uma melhora na largura de banda, que é naturalmente estreita nas antenas de microfita.

Foi observado nos resultados apresentados pelo CASO 4 que com a definição do tensor da maneira adotada, os resultados não são satisfatórios, pois o comportamento se assemelha ao comportamento da estrutura para o caso isotrópico. Assim, nenhum benefício é acrescentado ao projeto, já que o meio metamaterial exige que seja fabricado um arranjo periódico milimétrico composto por circuitos (SRR e TW, por exemplo) embutidos em um meio dielétrico comum, para a obtenção das características de permissividade e permeabilidade efetivas do meio. No entanto, é possível observar que para determinados casos o substrato metamaterial apresenta um aumento acentuado na perda de retorno comparado ao substrato dielétrico.

O método de análise mostrou-se eficiente e preciso, podendo ser aplicado a outros tipos de geometria dos patches, modificando-se as condições de contorno e implementando-se a distribuição de corrente inerente a cada estrutura. A análise teórica e numérica desenvolvidas permitiram caracterizar um determinado metamaterial e aplicá-lo como substrato da antena, a partir da definição de seus parâmetros constitutivos efetivos, levando em consideração as possibilidades de configuração dos tensores. Uma boa concordância foi observada entre os resultados obtidos neste trabalho, mesmo considerando-se, na análise numérica, apenas uma função de base.

Como continuidade deste trabalho, sugere-se:

• Análise numérica para a antena de microfita em anel sobre substrato

metamaterial suspenso por um dielétrico isotrópico;

• Determinação de outras características ressonantes da antena, como

impedância de entrada, ganho e diretividade;

• Desenvolvimento de diversas configurações de substratos metamateriais a partir de arranjos periódicos milimétricos;

• Análise de antenas de microfita com outras formas de patch sobre substrato metamaterial;

• Investigação da adaptação do método teórico desenvolvido para análise de antenas com substratos metamateriais que utilizam valores negativos para a permissividade elétrica e permeabilidade magnética.