projeto de absorvedores de micro-ondas usando superfícies … · 2017. 11. 9. · a utilização...
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Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Centro de Tecnologia
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e
de Computação
Projeto de absorvedores de micro-ondas
usando Superfícies Seletivas em
Frequência
José Jaime Guimarães Peixoto Neto
Orientador: Prof. Dr. Antonio Luiz Pereira de Siqueira Campos
Dissertação de Mestrado
apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Elétrica
da UFRN (área de concentração:
Telecomunicações) como parte dos
requisitos para obtenção do título de
Mestre em Ciências.
Número de Ordem do PPgEEC: M476
Natal, Dezembro de 2016.
Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN
Sistema de Bibliotecas – SISBI
Catalogação da Publicação na Fonte - Biblioteca Central Zila Mamede
Peixoto Neto, José Jaime Guimarães.
Projeto de absorvedores de micro-ondas usando Superfícies Seletivas em Frequência
/ José Jaime Guimarães Peixoto Neto. 2017.
47 f. : il.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de
Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação. - Natal, RN,
2017.
Orientador: Prof. Dr. Antônio Luiz Pereira de Siqueira Campos.
1. Absorvedor de micro-ondas - Dissertação. 2. Superfície seletiva em frequência -
Dissertação. 3. Espira quadrada - Dissertação. 4. Dipolo cruzado - Dissertação. I. Campos,
Antônio Luiz Pereira de Siqueira. II. Título.
RN/UFRN/BCZM CDU 621.391.3
Agradecimentos
A Deus por ter conseguido alcançar esta conquista.
Ao meus avós, pais e irmãos pelas palavras de apoio e incentivo durante
‘todos os momentos difíceis.
Ao Professor Antônio Luiz Pereira de Siqueira Campos, pela orientação e pelo grande incentivo dado. A todos os professores do PPGEEC que me transmitiram seus conhecimentos e experiências profissionais durante este período.
Resumo
Com o rápido crescimento dos sistemas de comunicações sem fio, estudos
envolvendo absorvedores de ondas eletromagnéticas tem despertado grande
atenção pelos pesquisadores. Suas aplicações vão desde sistemas indoor até
aplicações militares. Em paralelo a esse crescimento, os estudos crescentes em
Superfícies Seletivas em Frequência (FSS) permitem que suas propriedades de
filtragem sejam aplicáveis em diversos sistemas como em antenas refletoras,
em radomes passa-faixa e em absorvedores que será o foco desse trabalho.
Esse trabalho tem como objetivo projetar absorvedores de micro-ondas
usando superfícies seletivas em frequência. A metodologia consiste
basicamente em duas etapas: na primeira etapa, uma análise teórica e numérica
de FSS com a geometria proposta é desenvolvida e na segunda etapa, a
simulação e análise dos absorvedores projetados é feita. Para a análise será
utilizado um programa computacional comercial, que fornece características de
transmissão da estrutura para uma onda plana com incidência normal e oblíqua.
Serão apresentados resultados iniciais, que demonstram domínio no uso do
programa computacional comercial, bem como, entendimento dos efeitos
analisados. Duas geometrias existentes na literatura foram escolhidas, para
estudo e projeto de absorvedores de micro-ondas usando FSS: o dipolo cruzado
e a espira quadrada.
Palavras-chave: Absorvedor de Micro-ondas, Superfície Seletiva em
Frequência, Espira quadrada, Dipolo cruzado.
Abstract
With fast increase of wireless systems, studies involving electromagnetic
wave absorbers have attracted great attention from researchers. Their
applications range from indoor systems to military applications. In parallel with
this growth, the increasing studies in Selective Frequency Surfaces (FSS) allow
its filtering properties to be applicable in several systems such as reflecting
antennas, bandpass radomes and absorbers that will be the focus of this work.
This work aims to design microwave absorbers using frequency selective
surfaces. The methodology consists of two steps: in the first phase, a theoretical
and numerical analysis of FSS with the geometries used and in the second
phase, the simulation and analysis of the absorbers. For the analysis will be used
a commercial computer program, which provides characteristics of transmission
of the structure to a flat wave with normal and oblique incidence.
Initial results are presented, which shows dominance in software use, as
well as understanding the effects analyzed. Two existing structures in the
literature were chosen for modeling microwave absorber using FSS: crossed
dipole and square loop.
Keywords: Microwave Absorber, Frequency Selective Surface, Square
loop, crossed dipole.
Sumário 1 INTRODUÇÃO ................................................................................. 10
2 FSS .................................................................................................. 12
2.1 RESPOSTA EM FREQUÊNCIA ................................................ 12
2.2 ELEMENTOS BÁSICOS ........................................................... 14
2.3 COMPORTAMENTO DAS CARACTERÍSTICAS DA FSS ........ 17
2.4 APLICAÇÕES ........................................................................... 18
2.5 CONCLUSÕES ......................................................................... 22
3 ABSORVEDORES DE MICRO-ONDAS .......................................... 23
3.1 INTRODUÇÃO .......................................................................... 23
3.2 TIPOS DE ABSORVEDORES ................................................... 23
3.2.1 ABSORVEDOR DE SALISBURY ........................................ 23
3.2.2 ABSORVEDOR DE JAUMANN ........................................... 25
3.2.3 ABSORVEDOR DE DALLENBACH .................................... 25
3.3 PROJETO DE ABSORVEDORES COM FSS ........................... 26
3.4 CONCLUSÃO ............................................................................ 27
4 METODOLOGIA DA PROJETO ...................................................... 28
5 RESULTADOS ................................................................................. 34
6 CONCLUSÕES ................................................................................ 44
REFERÊNCIAS ..................................................................................... 46
Lista de Figuras
Figura 2.1: Tipos de FSS e suas respostas, onde a superfície cinzenta
representa uma superfície metálica. (a) Arranjo do tipo patch condutor e seu
comportamento passa-baixa, (b) Arranjo do tipo abertura e seu comportamento
passa-alta, (c) e (d) apresenta os elementos sob a característica de ressonância;
no primeiro, o tipo patch condutor como um filtro rejeita-faixa e, no outro, o tipo
abertura como um filtro passa-faixa. ................................................................ 13
Figura 2.2: (a) diferentes σd onde d=1mm. À medida que σd diminui, o
comportamento seletivo de frequência da estrutura desaparece, (b) resposta em
frequência de transmissão para σd = 0.1S; os resultados são próximos, formando
uma curva sólida, obtida por extrapolação. ...................................................... 14
Figura 2.3: Elementos (a) do tipo abertura e (b) tipo patch condutor. .... 15
Figura 2.4: Grupo 1 – N-polos conectados pelo centro.......................... 15
Figura 2.5: Grupo 2 – Espiras. ............................................................... 16
Figura 2.6: Grupo 3 – Interior sólido. ..................................................... 16
Figura 2.7: Grupo 4 – Combinações. .................................................... 17
Figura 2.8: FSS como janelas eficientes................................................ 19
Figura 2.9: O modelo de uma FSS e antena WLAN combinados. ......... 20
Figura 2.10: FSS em cascata. ............................................................... 21
Figura 2.11: Célula unitária de uma FSS desenvolvida pelo MGA. (a)
incidência oblíqua (θ = 45º, θ = 0º), (b) incidência normal e oblíqua (θ = 0º e 45º,
φ = 0º). ............................................................................................................. 22
Figura 2.12: FSS baseada em absorvedor de microonda planar
esquematizado. (a) Dimensões da célula unitária do dipolo, (b) Primeiro arranjo
usando uma HIS absorvente, (c) Segundo arranjo usando o design de tela de
Salisbury modificado. ....................................................................................... 22
Figura 3.1: Geometria de um Absorvedor de Salysbury. ....................... 24
Figura 3.2: Absorvedor de Jaumann. ..................................................... 25
Figura 3.3: Absorvedor de Dallenbach................................................... 26
Figura 4.1: Configuração do primeiro absorvedor analisado ................. 28
Figura 4.2: Geometria do segundo absorvedor analisado. .................... 30
Figura 4.3: Absorvedor Espira Quadrada. ............................................. 32
Figura 5.1: Resultado das medições da camada de FSS condutiva com
dipolo cruzado. ................................................................................................. 34
Figura 5.2: Resultados medidos da superfície mostrando a absorção .. 35
Figura 5.3: Resultado da simulação da camada de FSS condutiva para
polarização perpendicular (TE). ....................................................................... 36
Figura 5.4: Resultado da simulação da camada de FSS condutiva para
polarização paralela (TM). ................................................................................ 37
Figura 5.5: Resultado da simulação do absorvedor para polarização
perpendicular (TE) e ângulo de incidência de 0º e 45º. .................................... 37
Figura 5.6: Resultado da simulação do absorvedor para polarização
paralela (TM) e ângulo de incidência de 0º e 45º. ............................................ 38
Figura 5.7: Parâmetro S para diferentes valores de d. .......................... 39
Figura 5.8: Parâmetro S para diferentes valores de d1 ......................... 40
Figura 5.9: Parâmetro S para diferentes valores de 𝑤1. ........................ 40
Figura 5.10: Parâmetro S para diferentes valores de ℎ1. ...................... 41
Figura 5.11: Parâmetro S para diferentes valores de 𝑑2. ...................... 42
Figura 5.12: Parâmetro S para diferentes valores de 𝑤2. ...................... 42
Figura 5.13: Parâmetro S para diferentes valores de h2. ...................... 43
Lista de Símbolos e Abreviaturas
FSS: Superfície Seletiva em Frequência
WLAN: Wireless Local Area Network
MGA: Microgenetic Algorithm
HIS: High Impedance Surface
λ𝑜 : Comprimento de onda no espaço livre
𝑍𝑜: Impedância intrínseca do espaço livre
𝑅𝑠: Resistência superficial
𝐶𝑠: Condutância superficial
г: Coeficiente de reflexão
V: Volume
𝐶𝑏: Condutividade de massa
GHz: Gigahertz
MHz: Megahertz
dB: Decibel
TE: Transversal Elétrica
TM: Transversal magnética
10
1 INTRODUÇÃO
Com o desenvolvimento tecnológico ocorrido nos últimos anos na área de
comunicação, os dispositivos têm cada vez mais a necessidade de se comunicar;
esses mesmos dispositivos estão sendo miniaturizados, limitando assim o tamanho
dos dispositivos de comunicação agregados a eles, o que torna a utilização de
Superfícies Seletivas em Frequências (Frequency Selective Surface - FSS) como
sendo uma opção atrativa para essas aplicações modernas [1] – [4].
Com a difusão das comunicações sem fio, cada vez mais frequências do
espectro estão sendo usadas, com isso a necessidade de utilizar matérias
absorvedores de ondas eletromagnéticas aumenta. O uso de absorvedores objetiva a
diminuição da interferência eletromagnética e das perdas multipercurso proveniente
das construções [5] - [7].
Na literatura, observa-se um grande número de produções científicas com
superfícies seletivas em frequência. Os absorvedores de micro-ondas podem ser
utilizados para redução de problemas ocasionados pela interferência eletromagnética.
A utilização de FSS integradas a absorvedores de micro-ondas é capaz de fornecer
melhorias relacionadas ao desempenho desses dispositivos. A incorporação de uma
FSS pode causar mudanças nas propriedades de reflexão dos absorvedores. Pode-
se notar que a utilização dessas superfícies seletivas em frequência aplicada a
absorvedores [8].
O uso de absorvedores não é algo novo, visto que o absorvedor de Salisbury
foi criado pelo engenheiro americano Winfield Salisbury no ano de 1952 e foi dado a
esse absorvedor o nome de tela de Salisbury possuía uso militar [9]. Em aplicações
recentes, utilizando as configurações de uma tela de Salisbury em conjunto com
Superfícies Seletivas em Frequência, foi alcançado o efeito de aumentar a largura de
banda.
Nesse trabalho é proposto o projeto de um absorvedor de ondas
eletromagnéticas utilizando superfícies seletivas em frequência, projetado com dupla
camada de superfícies seletivas em frequência separadas por uma distância d. A
primeira camada é resistiva, enquanto que a segunda camada é condutiva.
Este trabalho está organizado da seguinte forma:
11
No Capítulo 2, é apresentada uma descrição geral das superfícies seletivas em
frequência, mostrando-se um breve histórico de como elas surgiram, os tipos básicos
encontrados na literatura, as suas formas e algumas das suas aplicações.
O Capítulo 3 apresenta um estudo sobre absorvedores de ondas
eletromagnéticas, abordando aspectos como os tipos de absorvedores, parâmetros
importantes e projeto de absorvedores.
No Capítulo 4 é apresentada uma análise paramétrica de alguns dos
parâmetros de um absorvedor, mostrando o impacto das mudanças desses parâmetro
na resposta em frequência de uma estrutura proposta.
No Capítulo 5, são apresentados os resultados obtidos com a proposta de
criação de um absorvedor de ondas eletromagnéticas utilizando uma dupla camada
de superfícies seletivas em frequências.
Por fim, no Capítulo 6 são apresentadas as principais conclusões que foram
obtidas através deste trabalho e são propostas sugestões para a sua continuidade.
12
2 FSS
As Superfícies Seletivas em Frequência são estruturas compostas por arranjos
periódicos, geralmente bidimensionais, constituídos por elementos do tipo patch
condutor ou do tipo abertura, assim como também podem funcionar com uma
combinação desses dois elementos. Nessas estruturas, filtros são importantes para
permitir a passagem ou rejeitar determinada faixa de frequência.
Diversos parâmetros e princípios são relacionados com a estrutura periódica e
são de bastante relevância no projeto do dispositivo, como o tipo e a forma do
elemento, peso e dimensão da estrutura, os tipos de materiais dielétricos e as
espessuras dos substratos empregados, espaçamento utilizado na estrutura
condutora, entre outros.
2.1 RESPOSTA EM FREQUÊNCIA
A resposta em frequência refere-se à resposta em um regime estacionário de
um sistema com entrada senoidal. Nos métodos mais utilizados para análise, a
frequência do sinal de entrada sofre uma variação, em certo intervalo de tempo, e a
resposta em frequência resultante é estudada [10].
No funcionamento de uma FSS são quatro os tipos de resposta em frequência:
passa-baixa, passa-alta, passa-faixa e rejeita-faixa, como exposto na Figura 2.1.
Os filtros passa-baixa e passa-alta são superfícies complementares, no sentido
de que juntas cobrem toda a superfície. De acordo com o Princípio de Babinet [11], os
coeficientes de transmissão e reflexão de uma superfície serão os mesmos do outro.
Isto significa que um filtro passa-alta é obtido a partir de um filtro passa-baixa,
substituindo as partes condutoras por não condutoras. Isso também é aplicado para
os filtros passa-faixa e rejeita-faixa. No entanto, a superfície deve satisfazer alguns
requisitos. Em primeiro lugar, a espessura da tela deve ser inferior a 1/1000 λ
(extremamente fina) e não deve existir nenhuma camada dielétrica, pois a existência
dessa camada diminui a frequência de ressonância. Na Figura 2.1a, um arranjo
periódico de elementos condutores (quadrados cinzentos) é apresentado. Com o uso
do Princípio de Babinet, a característica passa-baixa do arranjo da Figura 2.1a, é
obtida em 2.1b, com a inversão dos materiais. De forma similar, o filtro passa-faixa
13
representado na Figura 2.1d constitui-se de uma estrutura que é o complemento da
estrutura do filtro rejeita-faixa, da Figura 2.1c. [6]
Figura 2.1: Tipos de FSS e suas respostas, onde a superfície cinzenta representa uma superfície metálica. (a) Arranjo do tipo patch condutor e seu comportamento passa-baixa, (b) Arranjo
do tipo abertura e seu comportamento passa-alta, (c) e (d) apresenta os elementos sob a característica de ressonância; no primeiro, o tipo patch condutor como um filtro rejeita-faixa e, no
outro, o tipo abertura como um filtro passa-faixa.
No gráfico da Figura 2.2, visualizamos um exemplo onde a resposta de
frequência é estudada. Em aplicações de FSS como janelas eficientes, a forma do
elemento utilizado é hexagonal, devido à sua grande largura de banda e estabilidade
para diferentes ângulos de incidência e polarizações. Na Figura 2.2, é apresentada a
dependência da resposta em frequência de transmissão para uma FSS de forma
hexagonal.
14
Figura 2.2: (a) diferentes σd onde d=1mm. À medida que σd diminui, o comportamento seletivo de frequência da estrutura desaparece, (b) resposta em frequência de transmissão para σd =
0.1S; os resultados são próximos, formando uma curva sólida, obtida por extrapolação.
2.2 ELEMENTOS BÁSICOS
As FSS são compostas por dois tipos fundamentais de elementos. O primeiro
consiste de patches metálicos condutores sobre um substrato, que funcionam com um
filtro passa-baixa. O outro tipo de elemento consiste de aberturas sobre uma folha
metálica, que se comporta como um filtro passa-alta. Se a configuração dos elementos
apresenta características de ressonância, os elementos do tipo patch condutor
comportam-se como um filtro rejeita-faixa em torno da frequência de ressonância,
enquanto os elementos do tipo abertura funcionam como um filtro passa-faixa. [5] No
caso do tipo abertura, de filtro passa-faixa, à medida que os elementos vão entrando
em ressonância, a estrutura vai se tornando transparente para a onda incidente, até
que na frequência de ressonância da estrutura, ocorre a transmissão total da onda.
Em outras palavras, o sinal passa através da estrutura com perdas mínimas de
inserção na frequência de operação. Enquanto que nos elementos do tipo patch
condutor, de filtro rejeita-faixa, conforme os elementos vão entrando em ressonância,
radiam a potência incidente na direção da reflexão, até que na frequência de
ressonância da estrutura, está se comporta como um condutor perfeito refletindo
totalmente a onda incidente. Ou seja, o sinal é refletido em frequências fora da banda
de operação. [12]
15
Figura 2.3: Elementos (a) do tipo abertura e (b) tipo patch condutor.
A forma do elemento é fundamental para o projeto de uma FSS. Eles podem
ser divididos em quatro grupos principais [26]:
Grupo 1: N – polos conectados pelo centro;
Grupo 2: espiras;
Grupo 3: elementos de interior sólido;
Grupo 4: combinações.
As formas mais usuais de elementos do primeiro grupo são: dipolo fino (dipolo
cruzado, cruz de Jerusalém e o tripolo, como podem ser vistos na Figura 2.4.
Figura 2.4: Grupo 1 – N-polos conectados pelo centro.
16
Os elementos do tipo espira formam o segundo grupo. Os tipos mais comuns
são: espiras quadradas, quadradas duplas, quadradas com grades e anéis circulares
concêntricos, como podem ser vistos na Figura 2.5.
Figura 2.5: Grupo 2 – Espiras.
O Grupo 3 é constituído por elementos de interior sólido. Os mais comuns são:
os patches retangulares, hexagonais e circulares, como podem ser vistos na Figura
2.6.
Figura 2.6: Grupo 3 – Interior sólido.
Por fim, o Grupo 4, são elementos formados a partir de uma combinação dos
elementos típicos. Um exemplo de combinação pode ser visto na Figura 2.7.
17
Figura 2.7: Grupo 4 – Combinações.
As FSS também podem ser classificadas como anteparo-fino e anteparo-
espesso, de acordo com a espessura do elemento. A FSS anteparo-fino refere-se a
um anteparo com elementos do tipo circuito impresso que tem espessura menor que
0,001 λ0, em que λ0 é o comprimento de onda para a frequência de ressonância.
Geralmente, caracteriza-se pelo seu peso, volume e custo baixos. Contrapondo-se a
isso, a FSS do tipo anteparo-espesso é pesada e sua fabricação necessita do
manuseio preciso de um bloco de metal espesso. Porém, a vantagem das FSS de
anteparo-espesso é que sua banda de separação – isto é, a razão da frequência
transmitida para a frequência refletida (ft/fr) – pode ser reduzida para 1,15, valor
adequado para antenas de satélite de comunicações multifrequenciais. [12]
2.3 COMPORTAMENTO DAS CARACTERÍSTICAS DA FSS
Em aplicações da FSS, há a necessidade de uso em dispositivos que operem
em diferentes faixas de frequência, por isso existe um processo de filtragem,
selecionando-se bandas. O arranjo periódico da estrutura caracteriza-se por funcionar
como uma barreira para determinadas frequências. Existe uma antena transmissora
que propaga seu sinal, incidindo na FSS, surgindo uma densidade de corrente nos
elementos de patch metálico e, dessa forma, passa a haver uma seleção de
frequências onde apenas é captado o sinal desejável, chegando à antena receptora.
Na análise de FSS, para ocorrer esse processo de filtragem, são diversos os
parâmetros de projeto que exercem influência nessa seleção. Variações na forma,
periodicidade, dimensões físicas da célula unitária, na espessura do substrato, no tipo
de material dielétrico empregado, no ângulo de incidência, bem como no ângulo de
defasagem entre as células, provocam alterações na frequência de ressonância e na
18
largura de banda da estrutura projetada. A espessura do dielétrico em relação ao
comprimento de onda (espessura elétrica) é importante para a caracterização da FSS,
assim como a constante do substrato é essencial para as propriedades.
Considerando a análise de FSS, o uso de camadas dielétricas anisotrópicas
aponta para vantagens significativas. O uso de materiais anisotrópicos pode afetar as
características de transmissão e de reflexão de uma FSS, introduzindo mais um
parâmetro de projeto. Os materiais anisotrópicos podem apresentar ainda, uma baixa
tangente de perdas, comparando-se com materiais isotrópicos, consistindo em uma
vantagem a mais, sendo, dessa forma, muito útil para aplicações em micro-ondas. [12]
2.4 APLICAÇÕES
As aplicações das FSS são diversas. Talvez a mais conhecida seja a do
anteparo da porta do forno de micro-ondas, que consiste de um arranjo periódico
projetado para refletir energia na frequência de 2.45GHz. O seu princípio de
funcionamento consiste de um filtro passa-faixa que libera a passagem da faixa de
frequência da luz visível e rejeita a faixa de micro-ondas. Nas aplicações de micro-
ondas, FSS podem ser utilizadas para tornar o uso da antena refletora mais eficiente,
permitindo o uso simultâneo de mais de uma fonte. São usadas como cobertura
protetora de antenas (radomes), como antenas de satélite, etc. Na região de
infravermelho distante (far-infraredregion), FSS são usadas como polarizadores,
divisores de feixe, espelhos para melhorar a eficiência na amplificação dos lasers,
sensores infravermelho, etc. Na região de infravermelho próximo (near-infraredregion)
e porções do visível, têm sido utilizadas para aumentar a eficiência dos coletores de
energia solar. [13]
Ainda na região de infravermelho, existe a utilização de FSS como janelas
eficientes, para uma economia efetiva de energia, onde é aplicada uma camada
metálica muito fina em projetos de janelas modernas. Atuando como um filtro, a
camada bloqueia a radiação eletromagnética na região do infravermelho e é
completamente transparente à parte visível do espectro, assim rejeita a transferência
de calor de fora para dentro do ambiente no verão e vice-versa no inverno.
19
Figura 2.8: FSS como janelas eficientes.
Recentemente, com a pesquisa de novas configurações de arranjos periódicos
empregando elementos com configurações não usuais, visando alcançar novas
características eletromagnéticas, têm sido publicadas na literatura aplicações
inovadoras dessas estruturas. Na faixa de micro-ondas temos, como exemplos, o
metal invisível, o espelho magnético e o magnetismo óptico. Na região de teraHertz,
aplicações relacionadas com a manipulação de ondas e sensoriamento foram
publicadas. [13]
Apesar de serem geralmente bidimensionais, também existem aplicações de
FSS em três dimensões. Por exemplo, uma superfície seletiva em frequência
tridimensional que funciona como um filtro passa-faixa, com múltiplos zeros de
transmissão. Essa proposta é uma combinação de uma FSS tridimensional de banda
dupla com um filtro rejeita-faixa e uma FSS tridimensional com um filtro passa-faixa.
Tal aplicação apresenta elevadas seletividade e largura de banda, útil em muitos
casos. Porém, FSS em 3D ainda é um conceito relativamente novo e poucas
propostas foram desenvolvidas. [3]
Superfícies seletivas em frequência com resposta de frequência passa-faixa
têm encontrado aplicações na geração de energia solar, rádio astronomia,
20
transceptores de ondas milimétrica/submilimétricas, economia de energia e lentes de
micro-ondas. FSS com resposta do tipo rejeita-faixa são utilizadas em sistemas de
celular, imagens de onda milimétrica, propagação de rede sem fio interna e redução
da interferência eletromagnética.
Existem pesquisas de grande potencial no desenvolvimento de antenas WLAN
(Wireless Local Area Network) combinadas com FSS, como pode ser visto da Figura
2.9. É possível projetar uma FSS de banda dupla que funciona como um filtro rejeita-
faixa, baseada em um método de combinação. [14]
Figura 2.9: O modelo de uma FSS e antena WLAN combinados.
Ainda abordando sistemas de comunicação sem fio WLAN, um exemplo de
aplicação de FSS com múltiplas camadas é o cascateamento de estruturas para
bloqueio de sinais de comunicação. Na Figura 2.10, é esquematizada uma estrutura
cascateada utilizada em bloqueio de sinais de redes sem fio WLAN. Nesse caso, a
estrutura periódica funciona como um refletor dos sinais WLAN e permite a passagem
de sinais de telefonia celular.
21
Figura 2.10: FSS em cascata.
Pesquisas relacionadas a FSS integradas a absorvedores de micro-ondas são
importantes, pois essa estrutura pode fornecer melhorias ao desempenho de diversos
dispositivos para sistemas de comunicação modernos. Exemplo disso é a aplicação
do Algoritmo Microgenético (MicrogeneticAlgorithm – MGA) para o projeto de banda
larga por meio de absorvedores de micro-ondas usando superfícies seletivas em
frequência sobre telas dielétricas. Fornecida a quantidade de camadas dielétricas, a
espessura do compósito e a gama de permitividade de valores para cada camada, o
MGA constrói iterativamente um composto cuja resposta de frequência se aproxima
da resposta desejada. Além disso, o MGA também otimiza os parâmetros FSS. [5]
Outra aplicação é uma FSS baseada em absorvedores de micro-ondas planar.
Em estudos recentes, este projeto pode ser dividido em dois tipos: o primeiro tipo de
absorvedor de micro-ondas é uma Superfície de alta impedância (High
ImpedanceSurface – HIS), construída com o uso de dipolos com perdas periódicas,
onde a FSS é suportada por uma placa de metal. O segundo tipo é o Amortecedor de
tela Salisbury, resistivamente carregado por uma HIS. [6]
22
Figura 2.11: Célula unitária de uma FSS desenvolvida pelo MGA. (a) incidência oblíqua (θ = 45º, θ = 0º), (b) incidência normal e oblíqua (θ = 0º e 45º, φ = 0º).
Figura 2.12: FSS baseada em absorvedor de microonda planar esquematizado. (a) Dimensões da célula unitária do dipolo, (b) Primeiro arranjo usando uma HIS absorvente, (c) Segundo arranjo
usando o design de tela de Salisbury modificado.
2.5 CONCLUSÕES
Nesse capítulo foi apresentado uma introdução sobre superfícies seletivas em
frequência, foram apresentados seus elementos básicos, tipos e formas. Foi mostrado
também exemplo de comportamento das características da FSS e suas aplicações.
23
3 ABSORVEDORES DE MICRO-ONDAS
Nesse capítulo serão apresentados os principais conceitos sobre absorvedores
de micro-ondas. Na seção 3.1 é mostrada uma breve introdução sobre absorvedores
de micro-ondas. Na seção 3.2 são mostrados os tipos de absorvedores de micro-
ondas. Por fim, na seção 3.3 é apresentado o projeto de absorvedores com FSS.
3.1 INTRODUÇÃO
Absorvedores de micro-ondas são matérias capazes de transformar a energia
proveniente de ondas eletromagnéticas em calor. Esses materiais podem absorver a
energia proveniente de uma onda que opera em uma única frequência ou podem
funcionar em várias frequências e serem multibanda. A utilização de absorvedores
visa obter baixo coeficiente de reflexão. Pode-se obter esse baixo coeficiente de
reflexão casando-se a impedância de uma onda eletromagnética na interface espaço
livre-absorvedor, resultando assim na propagação da onda incidente no absorvedor,
ou pode-se usar um absorvedor de várias camadas cujas ondas refletidas em suas
camadas geram interferência destrutiva, como é o caso dos Absorvedores de
Dallenbach, Absorvedores de Salisbury e Absorvedores de Jaumann.
Conhecendo-se a espessura, a permissividade elétrica complexa e a
permeabilidade magnética complexa é possível calcular o coeficiente de reflexão do
absorvedor. Porém, as propriedades ótimas do absorvedor, por exemplo, a largura de
banda de frequência para um absorvedor com espessura inferior a 1 centímetro,
geralmente não podem ser garantidas; pode-se apenas garantir essa propriedade
caso seja usado um absorvedor multicamadas.
3.2 TIPOS DE ABSORVEDORES
3.2.1 ABSORVEDOR DE SALISBURY
Também conhecido como tela de Salisbury, esse absorvedor foi patenteado no
ano de 1952, pelo engenheiro americano Winfield Salisbury. Sua primeira aplicação
24
foi militar, e esse absorvedor foi um dos primeiros conceitos sobre material absorvedor
de radar. A sua estrutura básica consiste de um plano de terra, um isolante
(espaçador, dielétrico sem perdas) e um material que apresente uma resistência
superficial Rs, como um semicondutor. A separação entre o plano de terra e o material
com resistência superficial é dada por d, onde essa distância d é igual a um múltiplo
de λ/4, como pode ser visto na Fig. 3.1.
Figura 3.1: Geometria de um Absorvedor de Salysbury.
Geralmente é usado o ar como espaçador, mas pode-se usar também um
material com baixa constante dielétrica para substituir o ar com o objetivo de obter
uma elevada largura de banda com pequena espessura. O método para análise para
esse absorvedor é o da linha de transmissão. Para se obter um coeficiente de reflexão
nulo, ou seja, uma absorção total da onda aparecendo no comprimento de onda
correspondente ao usado no comprimento do espaçador, deve-se utilizar um material
na camada resistiva com impedância efetiva semelhante a do espaço livre, causando
assim um casamento de impedância da onda.
Partindo-se de um valor de coeficiente de reflexão aceitável, pode-se maximizar
a largura de banda da frequência do Absorvedor de Salisbury por meio do cálculo da
impedância efetiva da camada:
𝑅𝑐𝑎𝑚𝑎𝑑𝑎 = 𝑍0
1 + Γ𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡á𝑣𝑒𝑙
1 − Γ𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡á𝑣𝑒𝑙
em que aceitável é o valor máximo do coeficiente de reflexão permitido e Z0 é a
impedância intrínseca do espaço livre. Sabe-se que a largura de banda diminui com o
aumento da permissividade da camada espaçadora.
25
3.2.2 ABSORVEDOR DE JAUMANN
Essa tipo de absorvedor é o mais usado na prática. Sua principal função é a de
maximizar a largura de banda absorvida, a um dado valor de refletividade com uma
quantidade mínima de superfícies resistivas. Este absorvedor consiste na adição de
camadas resistivas espaçadas igualmente, como pode ser visto na Figura 3.2. Ao
aumentar o número de camadas resistivas, eleva-se o desempenho do coeficiente de
reflexão desta configuração em relação à sua largura de banda.
Figura 3.2: Absorvedor de Jaumann.
3.2.3 ABSORVEDOR DE DALLENBACH
Nesse tipo de absorvedor, nenhuma folha resistiva é utilizada. Sua estrutura é
composta por uma camada de material dielétrico homogêneo com perdas magnéticas,
que é posicionada à frente de uma camada de metal, como pode ser visto na Figura
3.3. A mudança do meio de propagação, com consequente mudança de impedância
de onda na interface, causa a reflexão sobre o material. Caso a impedância do
material se aproxime do valor 377Ω, então não ocorrerá reflexão na interface entre o
espaço-livre e o material, fazendo assim com que a atenuação dependa somente da
espessura e dos parâmetros eletromagnéticos do material. [15]
26
Figura 3.3: Absorvedor de Dallenbach.
3.3 PROJETO DE ABSORVEDORES COM FSS
O projeto de absorvedores de micro-ondas utilizando Superfícies Seletivas em
frequência tem sido recentemente bastante difundido na literatura [4], visto que a
utilização de FSS faz com que esses absorvedores possam ser miniaturizados e
tenham um menor custo de produção.
Partindo da estrutura do Absorvedor de Salisbury, pode-se substituir os
elementos dessa estrutura por Superfícies Seletivas em frequência com funções
similares para projetar um absorvedor, substituindo o plano de terra por uma FSS
condutora que opere em uma faixa de frequência desejada e substituindo o material
semicondutor por uma FSS resistiva com resistência superficial 𝑅𝑠, separadas por um
isolante a uma dada distância d, que é respectivamente um múltiplo de λ/4.
Em [1], um absorvedor de ondas eletromagnéticas, projetado com superfícies
seletivas em frequência foi projetada e construída, visando aplicações em redes locais
sem fio (WLAN) de 5 GHz. A novidade do projeto é que é capaz de absorver, ao
contrário de refletir, sinais WLAN, enquanto deixa passar sinais de telefonia móvel. O
absorvedor consiste em duas FSS cascateadas, uma com dipolos cruzados
condutores convencionais e a outra com dipolos cruzados resistivos. A absorção do
sinal WLAN é importante para reduzir multipercursos adicionais e o desvanecimento
resultante causado. A estrutura possui boas características de transmissão para
bandas móveis 900/1800/1900-MHz e funciona bem para polarizações horizontais e
verticais. A distância entre as duas camadas é inferior a um quarto de comprimento
de onda no espaço livre.
27
Em [4], duas superfícies seletivas em frequência (FSS) cascateadas, formando
uma estrutura com características absorvedoras, foi apresentada. A aplicação visou
segurança de redes locais sem fio (WLAN) em 5 GHz. As FSS propostas tem um
grande potencial, para absorver sinais de WLAN. A estrutura consiste em duas
camadas, uma com FSS resistiva e outra com FSS condutora. A geometria utilizada
foi o anel circular. A estrutura apresentou uma resposta em frequência estável para
as polarizações TE e TM, mesmo quando o ângulo incidente variou de 0o a 45o.
Em [27], os layouts apresentados são capazes de proporcionar
comportamentos absorventes que vão desde a banda ultra estreita até a banda ultra-
larga. Uma comparação entre várias soluções é apresentada tanto em termos de
largura de banda alcançável quanto em termos de espessura teórica mínima. Mostra-
se que as ressonâncias podem ser amortecidas usando soluções alternativas em
relação ao uso clássico de materiais magnéticos com perdas.
Em [28], é proposto um absorvedor de banda larga de camada única com
espessura compacta. O absorvedor consiste na matriz de dois dipolos transversais
condutores com elementos de resistência agrupados na parte superior de um
substrato FR4 de camada única, apoiado por uma camada metálica contínua. A
espessura da amostra fabricada é inferior a 0,077𝜆𝐿 (comprimento de onda na menor
frequência de corte). Oferece largura de banda total a meio-máximo de (3,75-12 GHz).
3.4 CONCLUSÃO
Nesse capítulo foram apresentados absorvedores de Dallenbach, Salisbury e
Jaumann. Além disso, foram descritos os principais aspectos relativos a cada tipo de
absorvedor, apontando vantagens e desvantagens.
28
4 METODOLOGIA DA PROJETO
Inicialmente, foi verificada a necessidade de reproduzir resultados encontrados
na literatura, para se familiarizar com o projeto de absorvedores de micro-ondas com
FSS. Assim, duas estruturas apresentadas em [1] e [4] foram analisadas e tiveram
seus resultados reproduzidos.
A primeira configuração é a da superfície de duas camadas mostrada na Figura
4.1 [1]. O dielétrico utilizado na camada da FSS condutora e na camada da FSS
resistiva foi o FR4, de constante dielétrica εr = 4,4, com espessuras ilustradas na
Figura 4.1. O patch da FSS condutora possui a forma de dipolo cruzado, assim como
o patch da camada resistiva. Entre os dois dielétricos, existe uma camada de ar de 10
mm de espessura, que respeita a especificação da distância de um quarto do
comprimento de onda utilizada num absorvedor de Salisbury convencional. A camada
resistiva possui uma resistência superficial de 50 Ω/.
Figura 4.1: Configuração do primeiro absorvedor analisado
Inicialmente foi definido o dielétrico utilizado no projeto, seguido pelo tamanho
da célula da FSS. No passo seguinte, foi montada uma pilha de materiais, respeitando
a ordem da Figura 4.1, e foram definidas as espessuras, materiais e o tipo de cada
camada, que são divididos em sinal, sinal metalizado e dielétrico. No caso, para os
29
dipolos cruzados foi utilizado o tipo sinal e para as camadas de dielétricos e do ar, foi
utilizado o tipo dielétrico.
Para definir o material da camada resistiva utilizado no absorvedor, foi
solicitada a modificação das especificações de um material, no caso, o cobre, para
que o mesmo adquirisse propriedades resistivas. A propriedade modificada foi a
condutividade do cobre, medida em Siemens/m. Para calcular essa condutividade a
partir do valor da resistência superficial da camada resistiva (50 Ω/) é preciso efetuar
os seguintes cálculos:
Sabendo que Rs = 50 Ω/, onde pode ser dado em mm2, e que a condutância
Cs é o inverso da resistência, temos:
𝐶𝑠 =1
𝑅𝑠=
1
50= 0,02 𝑆𝑖𝑒𝑚𝑒𝑛𝑠. 𝑚𝑚3
Em seguida, o volume da camada resistiva é calculado. Para facilitar os
cálculos, o dipolo cruzado será dividido em três paralelepípedos, um com dimensões
20,58 mm × 3,83 mm × 0,0001 mm, e os outros dois iguais, com dimensões 8,375 mm
× 3,83 mm × 0,0001 mm. O valor 0,0001 mm corresponde à espessura do material
resistivo e foi obtido a partir de arquivos enviados por um fabricante de filme resistivo,
a Ohmega® Technologies, Inc., sobre um de seus produtos, o Ohmega-Ply®.
𝑉 = 𝑉1 + 𝑉2 + 𝑉3 = 20,58 . 3,83 . 0,0001 + 8,375 .3,83 .0,0001 + 8,375 .3,83 .0,0001 ≅ 0,0143 𝑚𝑚2
De posse da condutância Cs e do volume V, obtém-se o valor da Condutividade
de Massa (do inglês, Bulk Conductivity), parâmetro pedido pelo programa de
simulação fazendo a seguinte operação:
𝐶𝑏 =𝐶𝑠
𝑉=
0,02
0,0143= 1,3989 𝑆𝑖𝑒𝑚𝑒𝑛𝑠
𝑚𝑚⁄ = 1398,9 𝑆𝑖𝑒𝑚𝑒𝑛𝑠𝑚⁄
Feito isso, os dipolos cruzados foram desenhados, a excitação foi definida
como onda plana incidente, o setup de simulação foi determinado, o intervalo de
frequência de varredura foi escolhido de acordo com as situações simuladas, ou seja,
para a análise separadamente da FSS e do absorvedor foi escolhido um intervalo
entre 3,5 e 7 GHz, com um passo de 100 MHz. Na análise final da estrutura integrada,
foi escolhido um intervalo de 100 MHz a 8 GHz, com passo de 100 MHz.
A segunda geometria escolhida foi a espira circular. As superfícies são
separadas por uma distância d, como pode ser visto na Figura 4.2.
A segunda estrutura foi apresentada em [4]. O dielétrico utilizado na camada
da FSS condutora e na camada da FSS resistiva foi o FR4, de constante dielétrica εr
30
= 4,4, com espessuras ilustradas na Figura 4.2. O patch da FSS condutora possui a
forma de anel circular, assim como o patch da camada resistiva. Entre os dois
dielétricos, existe uma camada de ar de 6 mm de espessura, que respeita a
especificação da distância de um quarto do comprimento de onda utilizada num
absorvedor de Salisbury convencional. A camada resistiva possui uma resistência
superficial de 50 Ω/. Esse absorvedor funciona da mesma forma que uma tela
convencional de Salisbury e do absorvedor de Jaumann, a diferença principal é que a
FSS condutora atua como refletor apenas para a faixa de frequências desejada,
deixando passar todas as outras frequências.
Figura 4.2: Geometria do segundo absorvedor analisado.
O projeto foi simulado utilizando um programa computacional comercial.
Inicialmente foi definido o dielétrico utilizado no projeto, seguido pelo tamanho da
célula da FSS. No passo seguinte, foi montada uma pilha de materiais, respeitando a
ordem da Figura 4.2, e foram definidas as espessuras, materiais e o tipo de cada
camada, que são divididos em sinal, sinal metalizado e dielétrico. No caso, para os
dipolos cruzados foi utilizado o tipo sinal e para as camadas de dielétricos e do ar, foi
utilizado o tipo dielétrico.
Para definir o material da camada resistiva utilizado no absorvedor, foi
solicitada a modificação das especificações de um material, no caso, o cobre, para
31
que o mesmo adquirisse propriedades resistivas. A propriedade modificada foi a
condutividade do cobre, medida em Siemens/m.
Sabendo que Rs = 100 Ω/, onde pode ser dado em 𝑚𝑚2, e a condutância
Cs é o inverso da resistência, tem-se:
𝐶𝑠 =1
𝑅𝑠=
1
100= 0,01 𝑆𝑖𝑒𝑚𝑒𝑛𝑠. 𝑚𝑚2
Em seguida, o volume da camada resistiva é calculado. O valor 0,0001 mm
corresponde à espessura do material resistivo e foi obtido a partir de arquivos
enviados por um fabricante de filme resistivo, a Ohmega® Technologies, Inc., sobre
um de seus produtos, o Ohmega-Ply®.
𝑉 = 0,001 𝑥 𝐴𝑎𝑛𝑒𝑙 = 0,00311 𝑚𝑚3
De posse da condutância Cs e do volume V, obtém-se o valor da Condutividade
de Massa (do inglês, Bulk Conductivity), parâmetro pedido pelo programa de
simulação fazendo a seguinte operação:
𝐶𝑏 =𝐶𝑠
𝑉=
0,01
0,00311= 3,2154 𝑆𝑖𝑒𝑚𝑒𝑛𝑠
𝑚𝑚⁄ = 3215,4 𝑆𝑖𝑒𝑚𝑒𝑛𝑠𝑚⁄
Ambos os projetos apresentados em [1] e [4] foram para a faixa de frequências
de 5 a 6 GHz. Assim, a ideia nesse trabalho é projetar e simular uma estrutura
absorvedora de micro-ondas, que emprega superfícies seletivas em frequência com
espira quadrada, para operar 2 a 3 GHz, outra faixa de frequências para aplicações
WLAN. A estrutura proposta tem capacidade de absorver a energia eletromagnética
em uma faixa de frequência de interesse, impedindo a reflexão/transmissão de ondas
eletromagnéticas, e é transparente para as demais frequências. Por não possuir plano
de terra, esse tipo de estrutura absorvedora não agrava os múltiplos percursos nas
vizinhanças nas quais são instaladas.
A estrutura proposta faz uso da geometria espira quadrada. Esse tipo de
geometria foi escolhido porque o mesmo apresenta estabilidade angular e
independência de polarização [26], o que é exigência, para aplicações envolvendo
absorvedores eletromagnéticos.
A configuração do absorvedor de micro-ondas proposto é ilustrada na Figura
4.3. Cada camada de FSS é impressa em uma placa de FR4, cuja constante dielétrica
é 4,4. O patch condutor da FSS possui a forma de espira quadrada, assim como a
32
camada resistiva. Entre as duas camadas existe uma camada de ar de 24 mm de
espessura, que respeita a especificação da distância de um quarto do comprimento
de onda utilizada num absorvedor de Salisbury convencional. A camada resistiva
possui uma resistência superficial que pode ser de 25 Ω/, 50 Ω/ ou 100 Ω/. A ideia
é projetar um absorvedor, para absorver a faixa de frequência entre 2GHz e 3GHz.
Figura 4.3: Absorvedor Espira Quadrada.
A condutividade de massa é uma medida que depende das dimensões da
espira quadrada (comprimento da espira e largura da fita), bem como da espessura
da camada de material resistivo, depositada sobre o dielétrico FR-4. Assim, essas
variáveis afetam fortemente a energia eletromagnética refletida do absorvedor. A
transmissão através da estrutura é fortemente afetada pelas dimensões da FSS
condutora. Além disso, o afastamento entre as duas estruturas, d, também influencia
a reflexão e a transmissão.
Para definir o material da camada resistiva utilizado no absorvedor, foi
solicitada a modificação das especificações de um material, no caso, o cobre, para
que o mesmo adquirisse propriedades resistivas. A propriedade modificada foi a
condutividade do cobre, medida em Siemens/m.
33
Sabendo que Rs = 50 Ω/, onde pode ser dado em 𝑚𝑚2, e a condutância Cs
é o inverso da resistência, tem-se:
𝐶𝑠 =1
𝑅𝑠=
1
50= 0,02 𝑆𝑖𝑒𝑚𝑒𝑛𝑠. 𝑚𝑚2
Em seguida, o volume da camada resistiva é calculado. O valor 0,0001 mm
corresponde à espessura do material resistivo e foi obtido a partir de arquivos
enviados por um fabricante de filme resistivo, a Ohmega® Technologies, Inc., sobre
um de seus produtos, o Ohmega-Ply®.
𝑉 = 0,001 𝑥 𝐴𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎 = 0,00329 𝑚𝑚3
De posse da condutância Cs e do volume V, obtém-se o valor da Condutividade
de Massa (do inglês, Bulk Conductivity), parâmetro pedido pelo programa de
simulação fazendo a seguinte operação:
𝐶𝑏 =𝐶𝑠
𝑉=
0,02
0,0329= 0,6079 𝑆𝑖𝑒𝑚𝑒𝑛𝑠
𝑚𝑚⁄ = 607,9 𝑆𝑖𝑒𝑚𝑒𝑛𝑠𝑚⁄
Feito isso, foi possível simular no software. No capítulo seguinte serão
mostrados os resultados obtidos com a estrutura projetada.
34
5 RESULTADOS
Nesse capítulo serão mostrados os resultados simulados, com o intuito de
avaliar a ferramenta computacional de análise e o desempenho dos absorvedores
analisados. Os resultados de simulações foram obtidos mediante implementação das
estruturas em um software comercial.
A primeira estrutura a ser simulada foi apenas a FSS condutora com dipolo
cruzado. Os resultados obtidos nessa simulação podem ser vistos na Figura 5.1.
Figura 5.1: Resultado das medições da camada de FSS condutiva com dipolo cruzado.
A largura de banda passante obtida foi de, aproximadamente, 600 MHz, e a
frequência de maior absorção da estrutura, ocorre em 5,20 GHz com um coeficiente
de - 28,74 dB. Os resultados simulados são comparados com resultados
experimentais obtidos pelos autores em [4]. Pode-se observar uma boa concordância
entre os resultados.
A segunda estrutura a ser simulada foi o absorvedor projetado com FSS com
dipolos cruzados. Observa-se na Figura 5.2 os resultados da simulação.
35
Figura 5.2: Resultados medidos da superfície mostrando a absorção
É possível perceber que o coeficiente de transmissão se assemelha bastante
ao da FSS, porém com uma largura de banda um pouco maior, de aproximadamente
900 MHz, e uma resposta de - 37,57 dB numa frequência de 5,15 GHz. Já o coeficiente
de reflexão possui uma resposta diferente, pois ao invés de refletir as ondas de
frequências próximas às do padrão IEEE 802.11a/n, ele demonstra um
comportamento de absorção. Mais uma vez, os resultados simulados foram
comparados com os resultados medidos em [4]. Pode-se observar que os resultados
apresentam boa convergência.
A terceira estrutura simulada foi a FSS condutora com espira circular, ou seja,
o anel referente a camada inferior da configuração da Figura 4.3. Os resultados
obtidos nessa primeira simulação podem ser vistos na Figura 5.3. Pode-se observar
que a largura da banda passante é de aproximadamente 1 GHz, e a frequência de
ressonância da estrutura é 5,13 GHz com um coeficiente de -30,30 dB. Nessa mesma
frequência, o coeficiente de reflexão atinge seu valor máximo, que é de - 0.1dB.
Essa simulação considerou uma polarização vertical (TE), para os ângulos de
incidência de 0º e 45º. Observa-se que as frequências de ressonância para os ângulos
de 0º e 45º foram respectivamente 5,13 GHz e 5 GHz. Para um ângulo de incidência
de 45º, obteve-se um coeficiente de reflexão máximo de -0,18 dB e um coeficiente de
transmissão mínimo de -29,94 dB.
36
Figura 5.3: Resultado da simulação da camada de FSS condutiva para polarização perpendicular (TE).
Foi simulado o desempenho da camada de FSS condutiva para uma
polarização horizontal (TM). Para os ângulos de incidência de 0º e 45º, como pode ser
visto na Figura 5.4, pode-se notar que a frequência de ressonância para ambos os
ângulos de incidência foi de 5,13 GHz. Para um ângulo de incidência de 45º, obteve-
se um coeficiente de reflexão máximo de -0,3 dB e um coeficiente de transmissão
mínimo de -25,68 dB.
Após simular a camada condutiva da estrutura, simulou-se a estrutura
completa. Foi obtido, uma largura de banda de aproximadamente 1,5 GHz, um
coeficiente de reflexão mínimo de 16,16 dB para a frequência de ressonância de 5,20
GHz, e um coeficiente de transmissão mínimo de -25,97 dB para a frequência de
ressonância de 5,10 GHz, como pode ser visto na Figura 5.5.
Foi simulado o desempenho desse absorvedor para o caso de uma onda
polarizada vertical (TE), com ângulos de incidência de 0° e 45º, para o ângulo de
incidência igual a 45º pode-se observar que o valor máximo do coeficiente de reflexão
foi de -2,22 dB quando a frequência é igual 3,70 GHz, e um valor mínimo de - 27,46
dB para o coeficiente de transmissão quando a frequência é igual a 5 GHz.
37
Figura 5.4: Resultado da simulação da camada de FSS condutiva para polarização paralela (TM).
Figura 5.5: Resultado da simulação do absorvedor para polarização perpendicular (TE) e ângulo de incidência de 0º e 45º.
Simulou-se também o absorvedor para um ângulo de incidência de 0º e 45º e
uma onda polarizada paralelamente (TM). Como pode ser visto na Figura 5.6, para o
ângulo de incidência de 45º foi obtido o valor máximo do coeficiente de reflexão de
valor igual a -3,12 dB quando a frequência é igual 4,50 GHz, e um valor mínimo de -
21,09 dB para o coeficiente de transmissão quando a frequência é igual a 5,10 GHz.
38
Figura 5.6: Resultado da simulação do absorvedor para polarização paralela (TM) e ângulo de incidência de 0º e 45º.
Estes foram os resultados obtidos através da simulação do absorvedor
projetado usando o software ANSYS HFSS.
Um amplo estudo paramétrico foi realizado, com o intuito de avaliar como as
variáveis de projeto influenciam na resposta em frequência do absorvedor de micro-
ondas, com espira quadrada, uma vez que essa geometria não foi proposta ainda para
projeto de absorvedores de micro-ondas. O estudo foi feito tanto do ponto de vista de
reflexão, quanto do ponto de vista de transmissão. A camada resistiva possui uma
resistência superficial de 50 Ω/. Os resultados simulados foram obtidos através do
ANSYS HFSS.
A primeira análise foi o efeito da distância de separação entre as duas FSS, d.
O valor desse parâmetro foi variado como: 20 mm, 24 mm e 28 mm, como pode ser
visto na Figura 5.7.
Para esse estudo paramétrico, a FSS resistiva teve as seguintes dimensões: T
= 30 mm, d1 = 27 mm, w1 = 3.5 mm e h1 = 1.054 mm. A FSS condutora teve as
seguintes dimensões: T = 30 mm, d2 = 27 mm, w2 = 3 mm e h2 = 2 mm. Percebe-se
uma grande influência do valor da distância, d, sobre a largura de banda e frequência
de ressonância do coeficiente de reflexão, ocorrendo uma diminuição de ambos,
enquanto que o coeficiente de transmissão permanece inalterado, como ilustrado na
Figura 5.7.
39
Figura 5.7: Parâmetro S para diferentes valores de d.
A segunda análise foi o efeito do comprimento da espira resistiva, d1. O valor
desse parâmetro foi variado como: 23 mm, 25 mm e 27 mm.
Para esse estudo paramétrico, a FSS resistiva teve as seguintes dimensões: T
= 30 mm, w1 = 3.5 mm e h1 = 1.054 mm. A FSS condutora teve as seguintes
dimensões: T = 30 mm, d2 = 27 mm, w2 = 3 mm e h2 = 2 mm. A separação entre as
duas FSS foi 24 mm. Percebe-se que a influência do comprimento da espira resistiva,
d1, sobre a largura de banda e frequência de ressonância do coeficiente de reflexão
ocorre, mas não é tão intensa quanto da avaliação passada. Ocorre uma diminuição
de ambos, enquanto que o coeficiente de transmissão permanece inalterado, como
ilustrado na Figura 5.8. Havendo um aumento de potência refletida.
A terceira análise foi o efeito da espessura da fita da espira resistiva, w1. O
valor desse parâmetro foi variado como: 2,5 mm, 3,5 mm e 4,5 mm.
Para esse estudo paramétrico, a FSS resistiva teve as seguintes dimensões: T
= 30 mm, d1 = 27 mm, h1 = 1.054 mm. A FSS condutora teve as seguintes dimensões:
T = 30 mm, d2 = 27 mm, w2 = 3 mm e h2 = 2 mm. A separação entre as duas FSS foi
24 mm. Percebe-se que a influência da largura da fita da espira resistiva, w1, sobre a
largura de banda e frequência de ressonância do coeficiente de reflexão ocorre de
forma semelhante à avaliação passada. Ocorre uma diminuição de ambos, enquanto
que o coeficiente de transmissão permanece inalterado, como ilustrado na Figura 5.9.
Havendo um aumento de potência refletida, em torno de 6 dB.
40
Figura 5.8: Parâmetro S para diferentes valores de d1
Figura 5.9: Parâmetro S para diferentes valores de 𝑤1.
A quarta análise foi o efeito da espessura do dielétrico da FSS resistiva, h1. O
valor desse parâmetro foi variado como: 0,8 mm, 1,054 mm e 1,2 mm.
Para esse estudo paramétrico, a FSS resistiva teve as seguintes dimensões: T
= 30 mm, d1 = 27 mm e w1 = 3.5 mm. A FSS condutora teve as seguintes dimensões:
T = 30 mm, d2 = 27 mm, w2 = 3 mm e h2 = 2 mm. A separação entre as duas FSS foi
24 mm. Percebe-se que a espessura do dielétrico da FSS resistiva é desprezível.
41
Pouca influência ocorre mesmo no coeficiente de reflexão, como ilustrado na Figura
5.10.
Figura 5.10: Parâmetro S para diferentes valores de ℎ1.
A quinta análise foi o efeito do comprimento da espira condutora, d2. O valor
desse parâmetro foi variado como: 23 mm, 25 mm e 27 mm.
Para esse estudo paramétrico, a FSS resistiva teve as seguintes dimensões: T
= 30 mm, d1 = 27 mm, w1 = 3.5 mm e h1 = 1.054 mm. A FSS condutora teve as
seguintes dimensões: T = 30 mm, w2 = 3 mm e h2 = 2 mm. A separação entre as duas
FSS foi de 24 mm. Percebe-se uma grande influência do comprimento da espira
condutora, d2, sobre a largura de banda e frequência de ressonância dos coeficientes
de reflexão e de transmissão, ocorrendo uma diminuição de ambos e um aumento da
potência refletida pela estrutura, como ilustrado na Figura 5.11.
A sexta análise foi o efeito da espessura da fita da espira condutora, w2. O valor
desse parâmetro foi variado como: 2 mm, 3 mm e 4 mm.
Para esse estudo paramétrico, a FSS resistiva teve as seguintes dimensões: T
= 30 mm, d1 = 27 mm, w1 = 3.5 mm e h1 = 1.054 mm. A FSS condutora teve as
seguintes dimensões: T = 30 mm, d2 = 27 mm e h2 = 2 mm. A separação entre as
duas FSS foi 24 mm. Percebe-se que a influência da largura da fita da espira resistiva,
w1, produz pouca variação no coeficiente de reflexão. Entretanto, o coeficiente de
transmissão é fortemente afetado pelo parâmetro w2, ocorrendo um aumento na
frequência de ressonância e na largura de banda, como ilustrado na Figura 5.12.
42
Figura 5.11: Parâmetro S para diferentes valores de 𝑑2.
Figura 5.12: Parâmetro S para diferentes valores de 𝑤2.
Por fim, a espessura do dielétrico da FSS condutora, h2, foi variado. O valor
desse parâmetro foi variado como: 1,2 mm, 1,6 mm e 2,0 mm.
Para esse estudo paramétrico, a FSS resistiva teve as seguintes dimensões: T
= 30 mm, d1 = 27 mm, w1 = 3.5 mm e h1 = 1.054 mm. A FSS condutora teve as
seguintes dimensões: T = 30 mm, d2 = 27 mm e w2 = 3 mm. A separação entre as
duas FSS foi 24 mm. Percebe-se que a espessura do dielétrico da FSS condutora não
43
influencia em nada no coeficiente de reflexão e que a mesma produz uma influência
moderada no coeficiente de transmissão, reduzindo a frequência de ressonância do
mesmo e produzindo uma variação desprezível na largura de banda, como ilustrado
em Figura 5.13.
Figura 5.13: Parâmetro S para diferentes valores de h2.
44
6 CONCLUSÕES
Neste trabalho, foi apresentado um estudo teórico sobre absorvedores de
ondas eletromagnéticas utilizando superfícies seletivas em frequência.
Foram obtidos resultados numéricos para o absorvedor que foi projetado neste
trabalho. Para obter esses resultados foi utilizado o software comercial de simulação
ANSYS HFSS.
Observou-se, na análise, que a utilização de superfícies seletivas em
frequência aplicada a absorvedores é muito interessante, pois sua utilização traz
benefícios, como é o caso da miniaturização de absorvedores, diminuição do custo de
fabricação, obtenção de melhores resultados quanto à largura de banda e coeficientes
de transmissão e reflexão melhores. Outro benefício obtido com esse uso, é a maior
flexibilidade de projeto, pois as superfícies seletivas em frequência possuem diversos
formatos e geometrias, podendo substituir o plano de terra em absorvedores de
Salisbury.
O absorvedor projetado com dipolo cruzado apresentou resultados
satisfatórios. Entre eles, pode-se citar a largura de banda de 1,5 GHz, que possibilita
seu uso para uma aplicação em WLAN (Wireless Local Area Network). Ao mesmo
tempo em que atenua sinais de WLAN, o absorvedor produz pouco efeito em sinais
de outras faixas de frequência, como sinais provenientes de serviços de telefonia
celular. Essa atenuação alcança o valor máximo de 27,46 dB para a frequência de
ressonância de 5 GHz.
Para o outro absorvedor proposto, utilizando a espira quadrada, foi realizado
um estudo paramétrico detalhado e extenso dos parâmetros físicos. A partir deste
estudo, pode-se observar quais parâmetros influenciam mais no projeto do absorvedor
e foi proposta uma metodologia de projeto. A análise mostrou que o projeto do
absorvedor deve ser iniciado pelo projeto da FSS condutora. A partir daí, pode-se usar
os parâmetros comprimento e largura da fita da FSS resistiva, bem como o
espaçamento entre as FSS, para fazer um ajuste fino. Alcançando a máxima reflexão
desejada.
A continuidade desse trabalho é válida, em função dos resultados mostrarem
que a utilização de superfícies seletivas em frequência aplicadas a absorvedores
proporcionarem resultados interessantes. Para continuação desse trabalho, pode-se
45
realizar o estudo de fractais e multifractais para aplicação juntamente com superfícies
seletivas em frequência, para obtenção de resultados melhores do ponto de vista de
largura de banda da faixa de rejeição, maior atenuação nessa faixa e redução das
dimensões do absorvedor.
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