Resultados e discussão - Simulação de antenas tipo Loop

ESPAÇO LIVRE

3.5.1 Simulação de antenas tipo Loop

3.5.1.3 Resultados e discussão

Na figura 3.19 (A) e (B) encontram-se representados, para os modelos de antenas 1 e 2, o coeficiente de reflexão da porta de entrada (𝑆11) e o coeficiente de transmissão direta(𝑆21), respetivamente. Os modelos, como se pode verificar na tabela 3.2, diferem apenas no tamanho das antenas.

(A) (B)

Figura 3.19 – Comparação do (A) Coeficiente de reflexão da porta de entrada e (B) Coeficiente de transmissão direta em função da frequência para dois modelos de antenas loop com diferentes

tamanhos.

Como já era esperado, os resultados expostos anteriormente mostram o compromisso existente entre o tamanho físico das antenas e a frequência de ressonância do sistema, para antenas com menor tamanho (modelo 2) há um aumento na frequência de ressonância,

65 enquanto para antenas maiores a frequência de ressonância localiza-se numa banda de frequência menor. Neste caso específico, obteve-se uma frequência de ressonância para a antena maior na faixa dos 900 MHz enquanto para a antena menor a frequência de ressonância foi obtida na faixa dos 1500 MHz. Sendo que a antena menor tem um coeficiente de reflexão da porta de entrada (𝑆11) inferior a -10 dB, o que não se verifica para a antena com menores dimensões. O coeficiente de transmissão direta (𝑆21), que descreve as perdas de percurso, permite analisar a relação de acoplamento entre as antenas, segundo os resultados registados na figura 3.19 (B) conclui-se que existe um melhor acoplamento no caso das antenas com maiores dimensões, ou seja, existem menos perdas de percurso associadas.

Contudo, como já mencionado várias vezes anteriormente, para redes WBAN, principalmente para dispositivos IMD a situação ideal passaria pela utilização de pequenas antenas com baixas frequência de operação, além da solicitação de altas taxas de dados. Assim, algumas das soluções referidas na literatura, para a comunicação com IMD, mencionam a utilização de uma antena maior externamente ao corpo e uma menor no seu interior, de forma a miniaturizar o dispositivo interno, mas utilizando uma menor taxa de frequência de operação. Pois, por exemplo, no caso da transferência de energia a antena primária é a responsável por essa transferência. De modo a verificar esta premissa implementou-se o modelo 3 e 4, descritos na tabela 3.3. Em ambos os modelos reduziu-se o diâmetro da antena interna relativamente ao da antena externa; no modelo 3 a antena externa tinha as mesmas dimensões e características das antenas utilizadas no modelo 1, enquanto a interna possuía as dimensões e características das antenas utilizadas no modelo 2; a antena externa do modelo 4 era em tudo igual às utilizadas no modelo 2, sendo que a antena interna foi reduzida relativamente à externa. Os resultados obtidos para o modelo 3 e 4 foram de encontro à premissa inicial, pois para a frequência de ressonância foram semelhantes aos obtidos, no caso anterior, para o caso 1 e 2, respetivamente.

A partir do modelo 2, tal como se ilustra no esquema da figura 3.18, foram efetuadas algumas alterações ao design do modelo de modo a tentar melhorar o acoplamento entre as antenas e ao mesmo tempo reduzir a frequência de ressonância.

Assim, começou-se por analisar a influência da distância de separação da antena emissora (primária) e recetora (secundária) nos parâmetros 𝑆11 e 𝑆21. Foi realizada a simulação para três diferentes distâncias: 0,16; 0,018; 0,025 m. A primeira corresponde à distância utilizada no modelo 2; a segunda representa metade do diâmetro da antena, pois há referência na literatura a que o acoplamento ótimo ocorre para uma distância que corresponde a metade do

diâmetro da antena; a distância de 0,025 m foi considerada como a distância mínima entre a antena primária e secundária para dispositivos colocados externamente à cabeça humana que pretendam comunicar com IMD colocados na periferia da zona cerebral. Os resultados conseguidos encontram-se representados na figura 3.20. Estes, tal como já era previsto a

priori, revelam que o acoplamento entre as antenas melhora com a diminuição da distância,

embora para a frequência de operação os resultados obtidos para a distância de 0,018 e 0,025 m sejam próximos. Sendo que, a frequência de operação se mantem na mesma faixa de frequências independentemente da distância considerada.

(A) (B)

Figura 3.20 – Comparação do efeito da distância de separação das antenas no (A) coeficiente de reflexão da porta de entrada e no (B) coeficiente de transmissão direta em função da frequência.

Utilizando o modelo cuja distância entre as antenas corresponde a 0,025 m alterou-se o substrato para analisar a influência deste no desempenho das antenas. Foram utilizados cinco substratos diferentes, nomeadamente com diferente permitividade relativa (𝜀𝑟), sendo que todos os substratos foram considerados como condutores perfeitos. Dos resultados, ilustrados na figura 3.21, conclui-se que os substratos com maior 𝜀𝑟 permitem diminuir a frequência de ressonância do modelo das antenas. O substratoutilizado nas simulações anteriores (PTFE, conhecido como teflon) possui uma menor 𝜀𝑟 e apresenta frequência de ressonância na faixa dos 1500 MHz; o silicone comparativamente a esse possui uma maior permitividade relativa (𝜀𝑟 = 7,1) e por conseguinte uma frequência de ressonância menor (1100 MHz); a frequência de operação de uma antena em substrato de Rogers RO3210 (𝜀𝑟 = 10,2) é próxima da verificada para o substrato de silicone; a zircónia (𝜀𝑟 = 29), surge na literatura como um bom substrato devido às suas características de biocompatibilidade e é também, nos casos simulados, o substrato que apresenta uma menor frequência de ressonância, em volta dos 750 MHz. Da figura 3.21 (A), conclui-se ainda que à medida que a permitividade relativa

67 aumenta o coeficiente de reflexão da porta de entrada também aumenta, apresentando valores muito distantes de -10 dB. O acoplamento das antenas é mais eficiente para o substrato de zircónia, seguindo-se o modelo com substrato de PTFE e por último, com valores muito próximos, encontram-se os substratos de silicone e Rogers RO3210, como se pode averiguar na figura 3.21 (B).

(A) (B)

Figura 3.21 – Efeito do substrato das antenas no (A) coeficiente de reflexão da porta de entrada e no (B) coeficiente de transmissão direta em função da frequência.

Os desalinhamentos, lateriais e angulares, entre as antenas são mencionados como fatores prejudiciais para a função de acoplamento, sendo que a bobina primária se encontra mais suceptivel a estes deslocamentos que a secundária, devido por exemplo a movimentos do indivíduo. Assim, foram analisados individualmente pequenos desalinhamentos laterais (0 a 0,015 m) e angulares (0 a 15º) da antena primária relativamente à secundária, sendo que para estas pequenas variações não foram observados resultados relevantes comparativamente aos já observados para modelos devidamente alinhados, quer na lateralmente quer a nivel angular.

Por fim, foi ainda analisada a influência da indutância e da tensão de entrada nos fatores que se têm vindo a avaliar. Dessa análise conluiu-se que quanto maior for o valor da indutância menor será o acoplamneto entre as antenas. Relativamente ao valor da tensão de entrada, este não provova nenhum efeito visível no coeficiente 𝑆11.

Note-se que, das simulaçoes realizadas para cada uma das antenas apenas foi tida em conta uma espira, de forma a melhorar o acoplamento entre as antenas pode-se, por exemplo, aumentar o número de espiras metálicas, tal como analisado anteriormente.

3.5.2 Simulação da antena tipo Patch

As antenas tipo patch (plana) funcionando por campo radiativo são referidas como uma das opções para o melhoramento da transferência de dados em aplicações WBAN. Este tipo de antenas apresentarem um bom desempenho especialmente em aplicações on-body, graças ao seu substrato que reflete o efeito do corpo, permitindo aumentar o ganho (Alrawashdeh, et

al.). Acrescenta-se, ainda o facto de o design de antenas patch implantáveis ter atraído

interesse científico para cumprir os requisitos de biocompatibilidade, miniaturização e alta qualidade de comunicação com equipamentos exteriores, como mencionado em Kiourti & Nikita (2012). Porém, em Alrawashdeh, et al.(s.d.), as antenas loop, para comunicações on-

in body, são referidas como sendo mais eficientes em relação às antenas patch. Além de que

as antenas patch não são adequadas para a transferência de energia.

Neste caso, pretende-se simular o funcionamento no espaço livre da antena patch de modo a analisar o seu desempenho funcional.

3.5.2.1 Descrição do modelo físico

Considerou-se uma antena tipo patch, como a ilustrada na figura 3.22, construída sobre um substrato. As dimensões e o tipo de substrato foram alterados de modo a avaliar a influência destes no desempenho da antena. É atribuída uma porta, com determinada impedância, como especificado a seguir. Na antena primária é aplicada uma tensão de entrada 𝑉0= 45,5 𝑉.

Figura 3.22 – Modelo antena tipo patch.plana

Porta distribuída Patch

69 À semelhança do caso anterior e pelos mesmos motivos, a estrutura da antena foi truncada pela camada PML, como ilustrado na figura 3.23.

Figura 3.23 – Modelo da antena tipo patch truncado pelas camadas PML.

Tal como no caso anterior também foram considerados dois modelos com diferentes tamanhos, devidamente descritos na tabela 3.4.

Tabela 3.4 – Características físicas de dois modelos tipo patch utilizados na simulação numérica. Modelo 1 Modelo 2

Substrato _{0,1x0,1x0,002 m} 0,05x0,05x0,002 m

Patch 0,08x0,08 m 0,04x0,04 m

Tensão de entrada 𝑉0= 45,5 𝑉 𝑉0= 45,5 𝑉

Impedância 𝑍𝑟𝑒𝑓= 50 Ω 𝑍𝑟𝑒𝑓 = 50 Ω

Posteriormente, partindo do modelo 2, foi analisada a influência do substrato no desempenho deste tipo de antenas, devido ao facto do substrato ser mencionado como uma das vantagens na utilização destas antenas. Foi ainda analisado o efeito da tensão de entrada e da impedância, como esquematizado na figura 3.24.

Figura 3.24 – Esquematização das alterações efetuadas ao modelo 2 para a análise da influência de vários parâmetros no desempenho da antena tipo patch.

3.5.2.2 Descrição dos métodos de cálculo

Tal como para o caso da antena tipo loop, a propagação eletromagnética de ondas no caso da antena tipo patch, tridimensionalmente, também foi realizado utilizando as equações de Maxwell, sob uma forma simplificada (equação 3.28). E manteve-se a suposição de que o espaço livre é limitado pelas camadas PML.

A antena patch atua, aproximadamente, como uma cavidade cujas faces são assumidas como condutoras elétricas perfeitas, de acordo com a equação 3.29. Enquanto o espaço livre, possui condições de contorno dispersantes calculadas pela equação 3.30

3.5.2.3 Resultados e discussão

À semelhança do que foi verificado na simulação das antenas anteriores (antenas tipo loop) e do que já era previsto segundo a literatura, a diminuição do tamanho físico da antena implica um aumento da frequência de ressonância. Assim, como ilustrado na figura 3.25, para a banda de frequências simuladas a antena maior tem a primeira frequência de ressonância a 800

Modelo 2

Substrato

Tipo Espessura

Tensão de entrada 45,5 V

71 MHz e a segunda a 1600 MHz, por sua vez a antena menor possui a sua primeira frequência de ressonância a 1600 MHz. Ambos os modelos apresentam um coeficiente 𝑆11 > −10 dB, pelo que não são eficientes para aplicações WBAN.

Figura 3.25 – Coeficiente de reflexão da porta de entrada para dois modelos de antena patch com diferentes tamanhos.

Relativamente à análise do efeito do substrato no desempenho das antenas tipo patch, foram simulados vários substratos com uma espessura de 0,002 m e com diferentes permitividades relativas (𝜀𝑟), assumidos como condutores perfeitos. Os resultados obtidos para o coeficiente de reflexão na porta de entrada encontram-se registados na figura 3.26. Pela análise da figura pode concluir-se que com o aumento da permitividade relativa do substrato a frequência de ressonância da antena diminui porém o coeficiente de reflexão da antena aumenta.

Figura 3. 26 – Comparação da influência da permitividade relativa do substrato no desempenho da antena patch.

Além do tipo de substrato, nomeadamente da permitividade relativa deste, também foi analisado o efeito da espessura do substrato no desempenho da antena. Assim foi feita a simulação da antena tipo patch num substrato (𝜀𝑟 = 5,23) com uma espessura de 0,002, 0,003 e 0,004 m. Desta simulação conclui-se que o incremento da espessura do substrato minimiza o valor de 𝑆11. A frequência de ressonância diminui ligeiramente, embora essa diminuição não seja significativa, como se pode verificar na figura 3.27.

Figura 3.27 – Influência da espessura do substrato no desempenho da antena patch.

Quanto à tensão de entrada, analogamente ao que se verificou para a simulação das antenas

CAPÍTULO 4

No documento Modelização de antenas de comunicações sem fio na área do corpo e desenvolvimento de uma aplicação para engenharia de reabilitação (páginas 94-103)