4.1 – Introdução
Uma série de medições foram realizadas com o intuito de se obter o comportamento do acoplamento, de forma experimental, das estruturas apresentadas no capítulo anterior.
Neste capítulo serão apresentados o setup da realização experimental, e os resultados experimentais obtidos.
4.2 – Setup de Medição
As medições foram realizadas no laboratório do Grupo de Telecomunicações e Eletromagnetismo Aplicado – GTEMA do IFPB localizado em João Pessoa – PB e no Laboratório de Antenas, Propagação e Comunicações Móveis – LAPCOM da UFRN. Foram utilizados Analisadores de Redes das marcas Agilent®, modelo N5230A, duas antenas do tipo corneta padrão na banda X, e Rohde & Schwarz®, modelo ZVB14, em conjunto com duas antenas também do tipo corneta com uma faixa de trabalho que vai de 700 MHz até 18,0 GHz. O range de frequência para realização de algumas medições foi de 7,0 GHz até 12,0 GHz e em outros casos, de 1,0 GHz até 14 GHz, respeitando o range de operação do analisador utilizado. Para realizar o cascateamento das estruturas foram produzidos no laboratório de mecânica da UFRN parafusos, porcas e as separações, todos utilizando Teflon como material, conforme mostra a Figura 4.1.
Antes de realizar as medições para cada estrutura e para o cascateamento destas, foi retirada uma curva de referência, sem nenhuma estrutura posicionada entre as antenas transmissora e receptora, com intuito de corrigir as perdas nos conectores e a resposta das antenas nas diferentes frequências. A figura 4.2 mostra o setup de medição da curva de referência.
Figura 4.1 – Detalhes dos parafusos, porcas e separações.
Figura 4.2 – Setup para medição da curva de referência.
Após a realização deste procedimento, foram feitas as medições das estruturas para suas respectivas curvas de referência, após isso os valores obtidos na curva de referência foram subtraídos dos valores medidos para cada estrutura e para a estrutura cascateada. A Figura 4.3 mostra a curva de referência e as características de transmissão de uma estrutura , com elementos do tipo patch retangular operando em 9,5 GHz, com e sem a retirada da referência dos valores medidos, como exemplo.
As Figuras 4.4 à 4.7 mostram as estruturas no setup de medição e os detalhes da separação entre as estruturas na realização do cascateamento.
Figura 4.3 – Características de transmissão para a referência, e para os valores medidos com referência e após a retirada desta.
Figura 4.5 – Detalhe da separação entre as estruturas, realização do cascateamento.
4.3 – Resultados Medidos
As Figuras 4.7 à 4.11 mostram o comparativo das características de transmissão do cascateamento das estruturas E1 e E2, descritas no capítulo anterior, para diferentes alturas (espaçamentos entre as estruturas individuais) da camada de ar entre as placas.
Figura 4.7 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E1 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 0,0 mm.
Pode-se observar que para ambos os resultados na Figura acima, foi obtido uma característica de multi-banda em alguns casos banda dupla (dual-band).
A Figura 4.8 mostra os resultados obtidos quando há um aumento na separação das estruturas individuais, ou seja, para um aumento na espessura da camada de ar para 2,0 mm. É possível observar que a estrutura cascateada apresenta banda dupla para o caso medido e um aumento na largura de banda para este resultado.
Figura 4.8 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E1 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 2,0 mm.
Figura 4.9 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E1 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 5,0 mm.
Já na Figura 4.9, pode-se observar uma boa concordância com relação a largura de banda entre os resultados medidos e obtidos através do software comercial utilizado.
Figura 4.10 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E1 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 10,0 mm.
A característica de transmissão obtida com um aumento da separação entre as estruturas E1 e E2 para 10,0 mm pode ser observada na Figura 4.10, e esta mostra que a estrutura cascateada para este valor apresenta ainda uma boa concordância em termos de largura de banda entre os resultados medidos e simulados pelo Ansoft Designer.
A Figura 4.11 apresenta os resultados obtidos para uma separação de 0,0 mm entre as estruturas E3 e E4. Como se pode observar para este valor da espessura da camada de ar, a estrutura cascateada assim como no caso anterior apresenta também características multi-banda. E neste caso há uma boa concordância entre os valores medidos e os resultados obtidos pela técnica TME. O resultado obtido para o caso com separação de 5,0 mm entre as estruturas E3 e E4 é mostrado na Figura 4.12. Assim como no caso anterior houve um aumento na largura de banda da estrutura acoplada.
Já para um aumento na espessura da camada de ar entre as estruturas E3 e E4 é possível observar para ambos os resultados mostrados um incremento na largura de banda. A Figura 4.13 mostra o resultado para d igual a 10,0 mm.
Figura 4.11 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 0,0 mm.
Figura 4.12 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 5,0 mm.
Figura 4.13 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 10,0 mm.
O mesmo procedimento foi repetido para o cascateamento da estrutura E5 (Dipolo Cruzado com Espira Quadrada) com ela mesma separada por uma camada de ar. Conforme se pode observar nos resultados medidos houve um aumento da largura de banda para a estrutura acoplada, principalmente quando comparado com a mesma estrutura isolada. Pode-se dizer que a estrutura apresenta característica de um filtro rejeita-faixa na banda X.
As Figuras 4.14 à 4.17 mostram as características de transmissão e a comparação entre os resultados simulados obtidos pelo software comercial utilizado e medidos em laboratório, de duas estruturas E5 separadas por uma camada de ar, a qual tem sua espessura variada para valores entre 0,0 mm e 10,0 mm.
Figura 4.14 – Característica de transmissão medido para o cascateamento da estrutura E5 sem separação entre as estruturas.
Figura 4.15 – Característica de transmissão medido para o cascateamento da estrutura E5 com separação entre as estruturas de 2,0 mm.
Figura 4.16 – Característica de transmissão medido para o cascateamento da estrutura E5 com separação entre as estruturas de 6,0 mm.
Figura 4.17 – Característica de transmissão medido para o cascateamento da estrutura E5 com separação entre as estruturas de 10,0 mm.
4.4 – Conclusão
Neste capítulo foram apresentados os resultados medidos em laboratório das características de transmissão para as estruturas cascateadas apresentadas no capítulo anterior. A comparação entre os resultado simulados e medidos foi realizada.
Pode-se observar também que a solução de utilização de FSS multicamadas ou cascateadas é eficiente quanto à melhoria da resposta da estrutura em termos de largura de banda, tanto na operação em multi-banda quando na operação em banda larga.
Os resultados simulados e medidos apresentaram uma boa concordância com relação ao parâmetro largura de banda em vários casos.
Conclusão
Neste trabalho, foram apresentados os resultados simulados e medidos para as características de transmissão do cascateamento de superfícies seletivas em frequência usando elementos do tipo patch do tipo fractal de Dürer níveis 1 e 2, fractal de Minkowski níveis 1 e 2 e elementos obtidos a partir da combinação de um Dipolo em Cruz com uma Espira Quadrada, como células periódicas, montados sobre substratos dielétricos com permissividades elétrica diferentes para cada caso, separadas por uma camada de ar.
Na realização dos dois primeiros cascateamentos, usando elementos com formas dissimilares, é possível perceber que à medida que o espaçamento entre as estruturas individuais aumenta, ou seja, na medida em que a altura da camada de ar aumenta, o comportamento da característica de transmissão da FSS cascateada se modifica. Percebe-se que com pequenos valores de espaçamentos a estrutura cascateada apresenta uma característica multi-banda. Porém, com o aumento do espaçamento a característica de banda dupla desaparece para determinados valores de camada de ar, surgindo uma reposta em banda única com um consequente aumento da largura de banda. É perceptível ainda que na medida em que há um incremento (aumento) da altura da camada de ar, para este primeiro caso, há uma maior conformidade entre os valores medidos e simulados.
Com relação à técnica numérica usada para analisar a estrutura cascateada, pode- se dizer que ela apresenta bons resultados para pequenas distâncias em termos de comprimento de onda, contudo, para grandes valores de espaçamento os resultados apresentados apresentam uma boa concordância para frequências mais altas.
Na realização do terceiro cascateamento foram utilizados elementos com formas obtidas através de combinações de outros elementos com formas mais simples, tanto do ponto de vista de construção quanto da análise,. Para este caso, os comportamentos das características de transmissão sempre apresentaram resposta em banda larga para o parâmetro largura de banda. E neste caso a técnica TME não se mostrou satisfatória
As FSS, assim como uma antena de microfita, são estruturas leves e de fácil fabricação dependendo do elemento que será utilizado com célula unitária.
As comparações feitas entre resultados experimentais e resultados simulados através do uso do software comercial Ansoft DesignerTM
v3 serviram para validar tais resultados.
Pode-se concluir que variações na espessura da camada de ar entre as FSS, provocam alterações nas frequências de ressonância e na largura de banda da estrutura cascateada. Em alguns casos, a estrutura cascateada apresentou comportamento multi- banda, em outros um comportamento em banda-larga na medida em que tal espessura aumentava. Portanto, pode-se obter um filtro com largura de banda sintonizável a partir da combinação de estruturas simples separadas por camadas de ar, o ajuste da largura de banda irá depender do valor dado para separação entre as FSS, assim como das características individuais de cada estrutura que poderá ser acoplada.
Como continuidade do trabalho, sugere-se o estudo do cascateamento de estruturas com outras formas de elementos, tais como patch circular, cruz de Jerusalém, outros tipos de fractais, FSS ativas, dentre outros. Pode-se utilizar FSS com elementos de periodicidades diferentes, para diversos valores da espessura de separação entre as FSS, pode-se ainda variar o ângulo de incidência, utilizar outros tipos de substratos como separação entre as estruturas não apenas o ar, e verificar a aplicação destas estruturas em antenas de microfita com intuito de obter as características desejáveis utilizando estruturas de baixo perfil.
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