As atividades modernas de pesquisa de metamateriais foram estimuladas pelo trabalho teórico de Veselago [17], e mais tarde pela realização de tais estruturas por Pendry [15]. Entretanto, a comprovação de que tais propriedades eram possíveis e de que havia uma forma de embuti-las em conjuntos estruturados se tornou um desafio que levou aproxima- damente 30 anos para ser superado. Em 1999, um esforço em conjunto de pesquisadores da Universidade Duke, nos EUA, e do Imperial College, na Inglaterra, levou à publica- ção de um trabalho, demonstrando a possibilidade de construção desses materiais, com propriedades ópticas e eletromagnéticas até então sem precedentes [21]. Eles denomina- ram sua descoberta de metamateriais e, desde então, esses compostos se tornaram um dos focos das pesquisas recentes em antenas.
Metamateriais são muitas vezes projetados pela organização de um conjunto de peque- nos dispersores (por exemplo, anéis metálicos e hastes, ou esféricas magneto-dielétricas) em um arranjo ao longo de uma região do espaço, obtendo-se assim algum comporta- mento eletromagnético desejável [11-20]. Este conceito pode ser estendido para um con- junto de dispersores em um padrão bidimensional, como uma superfície ou interface, recebendo o nome de metasurperfícies. Como mostrado na Figura 3.1.
Figura 3.1: Exemplo de metasurpefície.
Fonte: https://publishing.aip.org/publishing/journal-highlights/harvesting-energy- electromagnetic-waves.
Para muitas aplicações, as metasuperfícies podem ser usadas no lugar dos metama- teriais. As metasurperfícies tem como vantagem possuir menos espaço físico do que as estruturas tridimensionais dos metamateriais em 3D, consequentemente, as metasurperfí- cies oferecem a possibilidade de estruturas com menos perdas. O uso e aplicação de me- tasuperfícies desde de microondas até frequências ópticas alcançou grande popularidade nos últimos anos [22-28]. Além das aplicações acima mencionadas para metamateriais.
As metasurperfícies permitem desenvolver superfícies "inteligentes"controláveis, no- vas estruturas de guiamento de onda, absorvedores de grande angular, superfícies com adaptação de impedância, dispositivos biomédicos, além de várias aplicações em antenas
3.3
Metasurperfícies x FSS
Algumas informações são necessárias para entender a diferença entre uma metasuper- fície e uma superfície seletiva em frequência (FSS). Para este fim, é importante entender o comportamento eletromagnético de um material compósito em várias faixas de frequência ou em diferentes escalas de comprimento.
Materiais compósitos ou compostos são aqueles que possuem pelo menos dois com- ponentes ou duas fases, com propriedades físicas e químicas nitidamente distintas em sua composição. Separadamente, os constituintes do compósito mantêm suas características, porém, quando misturados, formam um composto com propriedades impossíveis de se obter com apenas um deles. Exemplos simples de compósitos são obtidos ao se fazer combinações entre metais, polímeros e cerâmica (metal + polímero, metal + cerâmica e polímero + cerâmica).
Desde tempos remotos pode-se mencionar a utilização de compósitos pelo homem, uma vez que antigas civilizações já obtinham tijolos pela mistura úmida de barro e palha. Na atualidade, a utilização de um compósito estende-se de nosso cotidiano até a indústria, como na aeroespacial, destacando-se a fabricação de aviões. Ainda no meio industrial, quando se utiliza um material compósito de modo a se buscar propriedades elétricas, magnéticas, térmicas ou ópticas desejadas, esse material recebe a denominação de um compósito funcional.
Os compósitos também podem ser de origem natural, como, por exemplo, o tecido ósseo dos vertebrados, composto por uma estrutura mineral à base de cálcio, na qual estão dispostas proteínas de colágeno.
As fases de um compósito, ou seja, os materiais que o constituem podem ser identi- ficados por material tipo matriz e material tipo reforço. O material tipo matriz é aquele responsável por conferir a estrutura do compósito, enquanto o material reforço é respon- sável por realçar alguma de suas propriedades desejadas. Desta forma, a matriz preenche
os espaços vazios que se estabelecem entre os materiais reforços, enquanto os materiais reforços irão garantir as propriedades químicas e físicas do compósito.
Como principais exemplos de materiais de matriz para compósitos, pode-se citar os metais, os polímeros e as cerâmicas. Como alguns exemplos de materiais de reforço para compósitos estão as fibras (de vidro, carbono, orgânicas, silício, entre outras), assim como a madeira, o grafite e alguns metais.
Alguns exemplos da aplicação dos compósitos estão no colete a prova de balas, no bastão utilizado no salto com varas, em alguns tipos de barcos de lazer, nas pranchas de surf, nas pás de um helicóptero, nas raquetes de tênis, entre outros. Assim, cada um dos materiais citados apresenta uma estrutura (matriz), composta por um metal, um polímero ou cerâmica, e um material de reforço, composto por uma ou mais materiais já citados.
O comportamento de materiais compósitos pode ser classificado em três regiões dis- tintas (ver Figura 3.2), com comportamentos distintos em cada região.
Figura 3.2: Escala de comportamento dos materiais compósitos. Fonte: Elaborada pelo autor.
A região 1 corresponde à região em que o comprimento de onda é muito maior do que o período da estrutura (isto é, a periodicidade dos dispersores que compõem o compósito). Estes dispersores poderiam induzir momentos dipolares, como é o caso dos átomos ou
moléculas de materiais clássicos. Desta forma os dispersores são dispostos em alguma forma genérica e colocados numa matriz hospedeira para obter um material composto sintético concebido para alcançar algum comportamento específico.
Nesta região, várias formas de misturas clássicas são realizadas para se conseguir propriedades específicas no compósito (permissividade (ε); permeabilidade (µ), etc.). A determinação das propriedades específicas e a modelagem da resposta eletromagnética das inclusões em um material hospedeiro é um problema com uma longa história que remonta a Maxwell e Rayleigh.
Quando o comprimento de onda se torna comparável à ou menor do que o período da estrutura, os campos não "veem"o composto. Isto corresponde a região 3 na Figura 3.2. A estas frequências, um comportamento de campo mais complicado existe, e técnicas mais elaborados para a análise da interação do campo EM com a estrutura periódica do compósito deve ser usada. A abordagem analítica clássica para isso é a expansão Floquet- Bloch [32-36], em que os campos são expandidos para uma soma infinita de ondas planas que se propagam em várias direções.
À medida que o comprimento de onda se aproxima do período, modos de ordem superior Floquet-Bloch devem ser considerados. Estes modos de ordem superior, em seguida, interferem com a propagação da onda fundamental através do composto. A superfície de frequência seletiva convencional [36] cai nesta terceira região.
Uma superfície seletiva em frequência (Frequency Selective Surface – FSS) é um ar- ranjo periódico de aberturas ou de elementos condutores. Como se pode observar na Figura 3.3, a FSS com elementos do tipo abertura trabalha como um filtro passa-faixa, ou seja, na medida em 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.
Por outro lado, a FSS com elementos condutores funciona como um filtro rejeita- faixa. Os elementos vão entrando em ressonância e, com isso, eles irradiam a potência
incidente na direção de reflexão, até que na frequência de ressonância da estrutura, ela se comporta como um condutor perfeito refletindo totalmente a onda incidente [25].
Figura 3.3: Tipos de elementos de FSS, (a) FSS tipo passa faixa, (b) FSS tipo rejeita faixa. Fonte: I.F. da Costa. “Antenas e superfícies seletivas de frequência reconfiguráveis para
sistemas de comunicação sem fio”. Dissertação de mestrado UFRN, 2009.
A região 2 na Figura 3.2 corresponde a uma região em que o período da estrutura é ainda pequeno em comparação com um comprimento de onda, mas os espalhadores individuais são concebidos de tal maneira (quer através da sua forma ou as suas propri- edades constitutivas) que os dispersores em si podem ressoar. Quando isso ocorre, uma nova classe de materiais sintéticos (metasurpefície) é realizado, possibilitando uma am- pla gama de comportamentos únicos que normalmente não são encontrados na natureza (materiais dupla negativa ou índice próximo a zero, por exemplo). Região 2, onde os dis- persores ressoam (mas não a estrutura, como é o caso na região 3), é onde nós chamamos o nosso meio de uma metasurpefície.
O método tradicional e mais conveniente modelar as metasurperfícies é com a teoria do meio efetivo [29-31]. Nessa abordagem, é realizada uma média dos campos elétricos e magnéticos durante um certo período em células que compõe a metasurpefície.
A partir destas médias, determina-se a permissividade e a permeabilidade efetivas (e, portanto, o índice de refração) das metasurperfícies. Deve-se enfatizar que a (também chamada homogeneização) é válida somente quando o comprimento de onda é "sufici- entemente grande"em comparação com a periodicidade da célula unitária que compõe a metasurpefície.
3.4
Conclusão
Nesse capítulo foram apresentados conceitos e aplicações sobre as metasuperfície. Além disso, houve a realização de uma abordagem sobre a diferença entre essas estruturas e outros materiais compósitos, com as superfícies seletivas em frequência (FSS).
Reconfiguração em Antenas
Esse capítulo aborda o conceito sobre reconfiguração em antenas, demostrando suas funcionalidades e alguns dos principais métodos para sua obtenção.
4.1
Introdução
Os sistemas de comunicação sem fio estão se desenvolvendo visando a multifuncio- nalidade e proporcionando aos usuários a opção de conectividade aos diversos serviços, a toda hora e em qualquer lugar. Para atender completamente esta expectativa, esses siste- mas de comunicação requerem não apenas sistemas eletrônicos rápidos e eficientes, mas também circuitos (e suas estruturas) com características variáveis (tais como: antenas e filtros), podendo mudar seus parâmetros em função dos objetivos a serem alcançados. Al- guns exemplos dessas aplicações são o rádio cognitivo e os sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), assim como os arranjos de alto desempenho [37-38].
4.2
Reconfiguração em antenas
As estruturas reconfiguráveis, tais como as antenas, podem ser utilizadas para reduzir a quantidade de ressoadores necessários para determinadas funcionalidades dos sistemas de comunicação. Elas também podem ser utilizadas como elementos de controle progra-
mável visando à redução de erros e ruídos, além de aumentar a segurança. Por exemplo, antenas reconfiguráveis em dispositivos portáteis sem fio podem auxiliar a melhorar uma conexão ruidosa ou redirecionar a potência transmitida para conservar o tempo de vida da bateria. Em arranjos, as antenas reconfiguráveis podem ser utilizadas para oferecer capacidades adicionais que podem resultar em maiores larguras de banda instantâneas e diagramas de radiação com mais distribuições de lóbulos laterais desejáveis [38].
Geralmente, as estruturas reconfiguráveis, tais como as antenas, devem alterar um ou mais dos seguintes parâmetros:
• Frequência de ressonância; • Largura de banda;
• Ganho; • Polarização;
• Diagrama de radiação.
Essas alterações devem ser controladas de maneira independente. Além disso, a alte- ração em um dos parâmetros deve resultar na modificação dos outros [36]-[39].
Dependendo das características dos circuitos (antenas e filtros), as técnicas de imple- mentação da reconfigurabilidade, [1], [39] podem ser divididas em duas categorias:
• Alterando a estrutura da antena; • Alterando sua linha de alimentação.
As antenas de microfita são candidatas naturais para aplicação em sistemas de comu- nicação sem fio, devido às suas características de peso reduzido, baixo custo, facilidade de fabricação e perfil aerodinâmico. Especificamente, para obtenção de sistemas reconfi- guráveis, essas antenas devem ser facilmente acopladas a circuitos contendo componentes de RF (concentrados ou distribuídos), podendo inclusive ser construídas no mesmo subs- trato [1], [39].
4.3
Frequência
As antenas reconfiguráveis em frequência (também conhecidas como antenas sintoni- záveis ou ajustáveis) podem ser classificadas em duas categorias: contínuas e chaveadas. As antenas ajustáveis em frequências contínuas permitem transições suaves dentro de uma determinada faixa de frequências. As antenas ajustáveis chaveadas, por outro lado, utilizam um tipo de mecanismo de chaveamento para operar em bandas de frequência distintas e bem definidas.
Ambos os tipos de antenas em geral compartilham uma teoria comum de operação e reconfiguração. A principal diferença está na mudança do comprimento efetivo do elemento radiante, que permite a operação em diferentes bandas de frequência, e nos dispositivos ou mecanismos utilizados para conseguir estas alterações [40].
Vários mecanismos podem ser utilizados para alterar o comprimento efetivo de an- tenas ressonantes, embora alguns desses sejam mais efetivos que outros em manter as características de radiação da configuração original.
A frequência de operação de uma antena, pode ser alterada adicionando ou removendo parte do comprimento da antena através de um meio eletrônico, óptico ou mecânico. Diferentes tipos de técnicas de chaveamento (como as chaves ópticas, diodos PIN, FETs e chaves RF-MEMS) têm sido utilizadas em antenas dipolo e monopolo sintonizáveis para várias faixas de frequência [41].
Alterações mecânicas ao invés de alterações elétricas na estrutura de antenas podem proporcionar maiores deslocamentos de frequência, quer seja em bandas ajustáveis de maneira chaveada quer seja de maneira contínua. Os principais desafios com essas antenas estão no projeto de suas dimensões físicas, no mecanismo de atuação e em manter as outras características em face das significativas mudanças estruturais.
Um exemplo de uma antena ajustável mecanicamente foi demonstrado em 1998, onde um sistema acionador piezo-elétrico foi utilizado para variar o espaçamento entre uma
antena de microfita e um radiador parasita para mudar a frequência de operação da antena [42-44].
O uso de metasurperfícies na reconfiguração mecânica em frequência é realizada em [46], uma antena reconfigurável em frequência é concebida por uma antena de microfita em formato circular simples e um MS com o mesmo diâmetro. A MS é colocada dire- tamente sobre o patch, tornando a antena compacta e de baixo perfil. O MS consiste em células unitárias em formato retangular colocadas periodicamente na vertical. A frequên- cia de operação é reconfigurada rotacionando mecanicamente a MS em torno do centro da antena. O MS colocado sobre o patch da antena funciona como um substrato dielétrico e a rotação do MS altera a permissividade relativa e, portanto, a frequência de operação da antena.
Em [45] Dois MS anisotrópicos e idênticos são postos no topo de um patch para alcançar a reconfigurabilidade mecanicamente. A camada MS é composta por um arranjo periódico de inclusões metálicas em forma de “I” colocadas tanto na direção vertical quanto na horizontal. As camadas MS são alimentadas por uma polarização linear. A frequência de funcionamento da antena é alterada por rotação física das duas camadas MS em relação ao centro da antena, alterando a permissividade relativa, e desta forma a frequência de operação.
Embora mudanças nos condutores predominem em projetos de antenas reconfigurá- veis, mudanças nas características do material também podem ser utilizadas para conse- guir a reconfiguração em frequência. Em particular, um campo elétrico estático pode ser utilizado para alterar a permissividade relativa de um material ferroelétrico. Estas mu- danças na permissividade relativa ou permeabilidade podem ser utilizadas para alterar o comprimento elétrico efetivo de antenas, mais uma vez resultando em deslocamentos na frequência de operação. Um exemplo de uma antena reconfigurável em frequência so- bre um substrato de ferrita é apresentado em [47], que apresentou uma faixa de ajuste contínuo de 40
4.4
Polarização
A reconfiguração da polarização em antenas pode ajudar a prover imunidade a sinais interferentes em diversos ambientes assim como prover um grau de liberdade adicional para melhorar a qualidade do link como uma forma de diversidade em antenas chaveadas [48].
A direção do fluxo de corrente em uma antena transforma-se diretamente na polari- zação do campo elétrico no campo distante da antena. Para obter a reconfigurabilidade da polarização, a estrutura da antena, as propriedades do material, e/ou a configuração da alimentação devem ser alterados de maneira que alterem o fluxo de corrente da antena.
Reconfigurações de polarização podem incluir, por exemplo, mudanças entre polari- zações circulares orientadas para direita ou para a esquerda ou entre polarizações linear e circular. Os mecanismos para obter essas modificações (por exemplo, chaves e mudanças estruturais) são em sua grande maioria as mesmas descritas anteriormente para a reconfi- guração em frequência, embora suas implementações sejam necessariamente diferentes. A principal dificuldade deste tipo de reconfigurabilidade é que ela deve ser obtida sem mudanças significativas em características como impedância e frequência de operação.
Várias antenas foram desenvolvidas para oferecer características de polarização re- configurável utilizando chaves. Um exemplo de tal antena reconfigurável é a antena de microfita com aberturas chaveadas, ou antena PASS (Patch Antenna with Switchable Slot) [42], que também foi utilizada para prover reconfigurabilidade em frequência [49].
Em geral, a antena PASS consiste de uma antena de microfita com uma ou mais aber- turas no patch de cobre. Uma chave é inserida no centro da abertura para controlar como se comportam as correntes no patch. Quando a chave está aberta, as correntes devem fluir ao redor da abertura. Quando a chave está fechada, as correntes podem fluir pelo caminho mais curto criado pela chave fechada. A reconfigurabilidade da polarização é obtida in- cluindo duas aberturas ortogonais na superfície do patch. A ativação alternada das chaves
leva às polarizações circulares orientadas para a direita ou para a esquerda.
O uso de metasuperfície (MS) para a realização da reconfiguração em polarização também é vista em [28] consistindo em uma MS planar colocada em cima e em contato direto com uma antena de microfita, tornando-o compacto e discreto. Girando o MS em torno do centro da antena, é realizada a reconfiguração.
4.5
Diagrama de Radiação
O arranjo das correntes, sejam elétricas ou magnéticas, em uma antena em grande parte determina a distribuição espacial da radiação da estrutura. A relação entre as cor- rentes e a radiação resultante torna a reconfigurabilidade em diagrama de radiação sem mudanças significativas na frequência de operação difícil de se obter.
Para desenvolver antenas com diagramas de radiação reconfiguráveis específicos, devem- se determinar quais os tipos de distribuição de corrente da fonte, incluindo informações de magnitude e fase. Uma vez determinada uma topologia para a distribuição de corrente um projeto da antena pode ser selecionado e alterado para obter a distribuição de corrente desejada.
Um dos métodos mais efetivos e difundidos para alterar os diagramas de radiação in- dependentemente do comportamento da frequência é a utilização de elementos parasitas chaveados ou ajustados eletricamente. Estes métodos possuem várias qualidades atrati- vas: isolação do elemento principal (alimentado) em relação aos elementos ajustáveis, largura de banda potencialmente larga e várias topologias e funcionalidades disponíveis. Fundamentalmente, o ajuste dos diagramas de radiação de uma antena desta maneira depende do acoplamento mútuo entre os elementos parasitas e o elemento principal, re- sultando em um comportamento efetivo de um arranjo a partir de um único ponto de alimentação. Portanto, alterações nos diagramas de radiação são obtidas através de mu- danças no acoplamento entre os elementos, que, desta forma, altera as correntes efetivas
nos elementos parasitas e no elemento principal.
Ferritas e materiais ferroelétricos, embora tipicamente aplicadas na reconfigurabili- dade em frequência, podem também ser utilizadas para reconfigurar diagramas de radia- ção. Nestes casos, as alterações nas características do material podem ser utilizadas para mudar as distribuições de corrente ressonante nos condutores, que desta forma resulta em mudanças no diagrama de radiação.
A reconfiguração mecânica também é vista em [50] uma antena reconfigurável em diagrama de radiação é projetada usando metasuperfície (MS). A antena é composta de uma MS planar semicircular colocada diretamente sobre uma antena também planar e circular ambas possuem diâmetro de 70 mm. Girando a MS em torno do centro da antena o diagrama de radiação pode ser alterado.
4.6
Conclusão
Neste capítulo foram apresentados conceitos sobre as antenas reconfiguráveis e de como elas podem ser uma ótima alternativa para o projeto de antenas por possuírem carac- terísticas ajustáveis. Foram apresentados alguns métodos de obtenção de reconfigurabili- dade em frequência, em polarização e em diagrama de radiação e um breve levantamento bibliográfico sobre alguns projetos de antenas sintonizáveis.
Antena reconfigurável em frequência
Nesse capítulo será realizado um projeto de uma antena reconfigurável em frequência acoplada a uma metasuperfície usando o auxílio da ferramenta computacional Ansoft HFSS, logo após os resultados são apresentados para sua validação.
5.1
Introdução
Uma nova antena reconfigurável em frequência é proposta nesse capítulo, construída