Projecto e Estudo de uma Antena em Cinto
D
ORA
C
ARINA
D
ELGADO
G
ASPAR
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
E
NGENHARIA
E
LECTROTÉCNICA E DE
C
OMPUTADORES
Júri
Presidente: Prof. José Manuel Bioucas Dias
Orientador: Prof. António Manuel Restani Graça Alves Moreira
Vogais:
Prof. António Luís Campos da Silva Topa
Agradecimentos
Agradec¸o em primeiro lugar ao Professor Ant ´onio Moreira que al ´em de mentor deste projecto foi sempre um orientador participativo e dispon´ıvel. Agradec¸o ao Sr Vasco Fred e ao Sr Carlos Brito, respons ´aveis pela construc¸ ˜ao do prot ´otipo, ao Sr Ant ´onio Almeida pela ajuda nas medic¸ ˜oes em laborat ´orio, e ao Jo ˜ao que se ”voluntariou” para cobaia. Agradec¸o tamb ´em `a Rita e ao Nuno pelas dicas relativas ao software de simulac¸ ˜ao.
Agradec¸o aos meus pais pela dedicac¸ ˜ao e apoio. Sem voc ˆes seria dif´ıcil estar aqui.
N ˜ao posso deixar de agradecer tamb ´em a todos os meus amigos, especialmente `a minha irm ˜a e ao Ricardo, que foram os que mais me apoiaram.
Resumo
As Body Area Networks (BAN) s ˜ao redes de telecomunicac¸ ˜oes que operam na proximidade do corpo humano. A proximidade aos tecidos biol ´ogicos pode originar dessintonias e alterac¸ ˜oes nos diagramas de radiac¸ ˜ao, pelo que este ´e um facto a ter em conta na fase de projecto. As wearable
antennas (WA) s ˜ao uma das pec¸as fundamentais da BAN e todas as suas caracter´ısticas t ˆem em
conta o cen ´ario onde operam.
Este trabalho tem por objectivo o projecto e teste de uma WA em cinto. A fivela ´e usada como elemento radiador, e a antena ´e alimentada por uma linha microstrip com substrato de cabedal. A estrutura da antena ´e optimizada para funcionar nas bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical ) dos 2.45GHz e dos 5.8GHz. Tendo em conta os poss´ıveis cen ´arios de uso desta antena efectuaram-se simulac¸ ˜oes da estrutura no ar e na proximidade de um modelo repreefectuaram-sentativo do corpo humano, para verificar quais os efeitos m ´utuos quando a antena est ´a em funcionamento. Efici ˆencia, direc-tividade, diagramas de radiac¸ ˜ao e medidas da taxa de absorc¸ ˜ao espec´ıfica (SAR) s ˜ao outras das caracter´ısticas da antena obtidas por simulac¸ ˜ao.
Os resultados obtidos em laborat ´orio indicam que para a antena no ar as bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz est ˜ao cobertas pelas bandas de funcionamento da antena, contudo quando opera na proximidade do corpo humano a antena perde sintonia na banda ISM dos 2.45GHz. Dos resultados obtidos para a SAR conclui-se que a 5.8GHz a antena cumpre a recomendac¸ ˜ao do Con-selho da Uni ˜ao Europeia.
Palavras Chave: Antena em cinto, wearable antennas,interacc¸ ˜ao com o utilizador, taxa espec´ıfica
Abstract
Body Area Networks (BANs) are telecommunications networks that operate in the vicinity of the human body. They have several applications but the proximity of the human body imposes a set of characteristics to be met. The wearable antennas (WA) are one of the elements of BANs and all its features take into account the scenario in which they operate.
This work aims to design and test a belt antenna. The buckle is used as a radiator, and the antenna is fed by a microstrip line with leather substrate. The antenna structure is optimized to operate in 2.45GHz and 5.8GHz Industrial, Scientific and Medical (ISM) bands. Given the possible scenarios of use and to check the mutual effects when the antenna is operating, the structure was simulated in the air and in the vicinity of a representative model of the human body. Efficiency, directivity, radiation patterns and Specific Absortion Rate (SAR) measures are other characteristics of the antenna obtained by simulation.
The results obtained in the laboratory indicate that the 2.45GHz and 5.8GHz ISM bands are cov-ered by the operating bands of the antenna when tested in the air, but loses tuning in the 2.45GHz ISM band when working in the vicinity of the human body. The results obtained for the SAR estimations at 5.8GHz are according with Council of the European Union recommendation.
Conte ´udo
Agradecimentos 1 Resumo 2 Abstract 3 Lista de Tabelas 6 Lista de Figuras 7Lista de Acr ´onimos 9
1 Introduc¸ ˜ao 10
1.1 Estado da Arte . . . 12
1.2 Objectivos e Contribuic¸ ˜oes . . . 13
1.3 Estrutura da Dissertac¸ ˜ao . . . 13
2 Wearable Antennas 14 2.1 Desafios das Wearable Antennas . . . 14
2.2 Aplicac¸ ˜oes das BAN . . . 15
2.3 Exemplos de Wearable Antennas . . . 16
2.3.1 PIFA de banda dupla . . . 16
2.3.2 Antena Planar adaptada ao ombro . . . 17
2.3.3 Antena de banda dupla com estrutura EBG . . . 17
2.3.4 Antena-Bot ˜ao . . . 18
2.3.5 Antena em cinto . . . 20
3 Projecto de uma Antena em Cinto 21 3.1 Requisitos e Desempenho . . . 21
3.2 Projecto da Antena . . . 21
3.3 Comportamento da Antena quando sujeita a alterac¸ ˜oes em alguns par ˆametros . . . 23
3.3.1 Efeito da Variac¸ ˜ao da Constante Diel ´ectrica Relativa da Amostra de Cabedal . . 23
3.3.2 Introduc¸ ˜ao de Perdas na Amostra de Cabedal . . . 24
3.3.3 Alterac¸ ˜ao da Largura da Linha Microstrip de Alimentac¸ ˜ao . . . 25
3.3.4 Comportamento da Antena com o Cinto Apertado . . . 26
3.4 Resultados . . . 26
3.4.1 M ´odulo do Coeficiente de Reflex ˜ao de Entrada da Antena . . . 27
3.4.3 Diagramas de Radiac¸ ˜ao . . . 31
3.5 Conclus ˜oes . . . 33
4 Estudo da Antena na Presenc¸a do Ser Humano 35 4.1 Simulac¸ ˜ao da Antena na Presenc¸a do Ser Humano . . . 35
4.1.1 Caracter´ısticas do Modelo . . . 35
4.1.2 Resultados . . . 37
4.2 Testes Laboratoriais . . . 40
4.2.1 Condic¸ ˜oes de Medidas . . . 41
4.2.2 M ´odulo do Coeficiente de Reflex ˜ao de Entrada . . . 42
4.2.3 Bandas de Funcionamento . . . 45
4.3 Taxa de Absorc¸ ˜ao Espec´ıfica (SAR) . . . 47
4.3.1 Limites de Exposic¸ ˜ao Electromagn ´etica . . . 47
4.3.2 Resultados de SAR . . . 47
4.4 Conclus ˜oes . . . 52
5 Conclus ˜oes 54 Bibliografia 57 Anexos 59 Anexo I - Determinac¸ ˜ao das Propriedades Diel ´ectricas do Cabedal . . . 60
Anexo II - Diagramas de Radiac¸ ˜ao 3D: Antena no Ar . . . 61
Lista de Tabelas
1.1 Comparac¸ ˜ao entre as BAN e outros standards IEEE 802. [Fonte: [3]] . . . 11 3.1 Bandas de funcionamento da antena considerando o crit ´erio de sintonia baseado nos
resultados obtidos para|S11|, com a antena (prot´otipo 1) no ar. (∗)Valor m ´aximo da
frequ ˆencia correspondente `as medidas efectuadas em laborat ´orio. . . 29 3.2 Bandas de funcionamento da antena considerando o crit ´erio de sintonia baseado nos
resultados obtidos para|S11|, com a antena (prot´otipo 2) no ar. (∗)Valor m ´aximo da frequ ˆencia correspondente `as medidas efectuadas em laborat ´orio. . . 29 4.1 Propriedades diel ´ectricas de alguns tecidos do corpo humano determinados
recor-rendo a [23]. . . 36 4.2 Resultados obtidos por simulac¸ ˜ao para a efici ˆencia, , e directividade, D, da antena no
ar. . . 40 4.3 Bandas de funcionamento da antena considerando o crit ´erio de sintonia do|S11|, com o
Utilizador 1 usar a antena (prot ´otipo 1).(∗)Valor m ´aximo da frequ ˆencia correspondente `as medidas efectuadas em laborat ´orio. . . 45 4.4 Bandas de funcionamento da antena considerando o crit ´erio de sintonia do|S11|, com o
Utilizador 1 usar a antena (prot ´otipo 2).(∗)Valor m ´aximo da frequ ˆencia correspondente `as medidas efectuadas em laborat ´orio. . . 45 4.5 Bandas de funcionamento da antena considerando o crit ´erio de sintonia do|S11|, com o
Utilizador 2 usar a antena (prot ´otipo 2).(∗)Valor m ´aximo da frequ ˆencia correspondente `as medidas efectuadas em laborat ´orio. . . 46 4.6 Resultados do valor eficaz da pot ˆencia m ´edia, do valor eficaz de SAR total e do valor
eficaz do m ´aximo de SAR (1g). . . 48 4.7 Resultados do valor eficaz da pot ˆencia m ´edia, do valor eficaz de SAR total e do valor
eficaz do m ´aximo de SAR (10g). . . 48 5.1 Propriedades diel ´ectricas do cabedal A obtidas em laborat ´orio para a frequ ˆencia de
9GHz. . . 60 5.2 Propriedades diel ´ectricas do cabedal B obtidas em laborat ´orio para a frequ ˆencia de
Lista de Figuras
2.1 Exemplo de ligac¸ ˜ao estabelecida no Nike + iPod Sport Kit. [Fonte: [2]] . . . 15
2.2 Exemplos de uma BAN que permite ajudar pessoas com defici ˆencias visuais. (a) [Fonte:[19]] (b) [Fonte: [3]] . . . 16
2.3 (a) Modelo simplificado da antena e a sua colocac¸ ˜ao junto ao corpo. (b) Resultados obtidos para o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada. [Fonte: [5]] . . . 17
2.4 (a) Estrutura da antena e ilustrac¸ ˜ao da sua colocac¸ ˜ao junto ao corpo.(b) Resultados obtidos para VSWR. [Fonte: [6]] . . . 18
2.5 (a) Modelo da antena. (b) Resultados obtidos para o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada. [Fonte: [20]] . . . 18
2.6 (a) Prot ´otipo implementado num casado de ganga. (b) Modelo da antena. [Fonte: [15]] 19 2.7 Resultados obtidos para o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao da antena por simulac ˜ao e medida com e sem o corpo na proximidade da antena. [Fonte: [15]] . . . 19
2.8 (a) Modelo da antena. (b) M ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena. [Fonte: [17]] . . . 20
3.1 Modelo de simulac¸ ˜ao da antena (unidades em mm). (a) Vista de frente; (b) Vista de tr ´as. 22 3.2 Prot ´otipo da antena. (a) Vista de frente; (b) Vista de tr ´as. . . 22
3.3 M ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena, para simulac¸ ˜oes nas quais se usam cabedais com propriedades diel ´ectricas diferentes, nomeadamente com a con-stante diel ´ectrica relativa, εr, diferente da do cabedal original. (a) εr = 2.95 (cabedal original); (b) εr= 3.3, (c) εr= 2.7 . . . 24
3.4 M ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena, obtido por simulac¸ ˜ao para estruturas onde se usa cabedal com perdas. Para todos os casos εr = 2.95: (a) tan δ = 0 (cabedal original); (b) tan δ = 0.16, para 2.45GHz, (c) tan δ = 0.16 para 5.8GHz. 25 3.5 M ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena obtido por simulac¸ ˜ao para estruturas com diferentes larguras, Lm, da linha microstrip de alimentac¸ ˜ao. (a) Lm= 8.53mm (estrutura original); (b) Lm = 6.82mm; (c) Lm = 10.23mm. . . 26
3.6 M ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena considerando o cinto: (a) desapertado; (b) apertado. . . 27
3.7 Montagem para as medidas ao prot ´otipo da antena. (a) Cinto desapertado; (b) cinto apertado. . . 27
3.8 M ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena no ar. Simulac¸ ˜oes: (a) Cinto apertado, (b) cinto desapertado. Medidas ao prot ´otipo 1: (c) Cinto apertado, (d) cinto desapertado. Medidas ao prot ´otipo 2: (e) Cinto apertado, (f) cinto desapertado. . . 28
3.9 Diagramas de Radiac¸ ˜ao da antena no ar para o Plano XY. (c) Modelo do cinto. . . 31
3.10 Diagramas de Radiac¸ ˜ao da antena no ar para o Plano XZ. (c) Modelo do cinto. . . 32
4.1 Modelos usados em simulac¸ ˜ao. (a) Simplificado; (b) Completo. . . 36
4.2 Resultados obtidos por simulac¸ ˜ao para o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena. (a) No ar; (b) Na proximidade do modelo simplificado. . . 37
4.3 Diagramas de Radiac¸ ˜ao da antena no ar para o Plano XY. (c) Modelo do cinto. . . 38
4.4 Diagramas de Radiac¸ ˜ao da antena no ar para o Plano XZ. (c) Modelo do cinto. . . 39
4.5 Diagramas de Radiac¸ ˜ao da antena no ar para o Plano YZ. (c) Modelo do cinto. . . 39
4.6 Utilizador 1 a usar a antena no cinto (prot ´otipo 1) para as medic¸ ˜oes em laborat ´orio no Cen ´ario 1. . . 41
4.7 Utilizadores 1 e 2 a usarem antena no cinto (prot ´otipo 2) para as medic¸ ˜oes em labo-rat ´orio nos diferentes cen ´arios. . . 42
4.8 (a) Simulac¸ ˜ao com o modelo simplificado. Medidas para o Cen ´ario 1: (b) Prot ´otipo 1, Utilizador 1; (c) Prot ´otipo 2, Utilizador 1; (d) Prot ´otipo 2, Utilizador 2; . . . 43
4.9 M ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena obtido em laborat ´orio. Prot ´otipo 1 - Utilizador 1: (a) Cen ´ario 1, (b) Cen ´ario 2. Prot ´otipo 2 - Utilizador 1: (c) Cen ´ario 1, (d) Cen ´ario 2; - Utilizador 2: (e) Cen ´ario 1, (f) Cen ´ario 2. . . 44
4.10 M ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena (prot ´otipo 2) obtido em labo-rat ´orio. (a) Cinto apertado no ar. Utilizador 1: (b) Cen ´ario 1, (c) Cen ´ario 3; Utilizador 2: (d) Cen ´ario 1;(e) Cen ´ario 3. . . 44
4.11 Restric¸ ˜oes b ´asicas para campos el ´ectricos, magn ´eticos e electromagn ´eticos (0Hz -300GHz) [24]. f representa a frequ ˆencia. . . 47
4.12 Taxa de absorc¸ ˜ao espec´ıfica obtida por simulac¸ ˜ao para o modelo do corpo simplificado, (a) e (b) para 2.45GHz, (c) e (d) para 5.8GHz. . . 49
4.13 Taxa de absorc¸ ˜ao espec´ıfica obtida por simulac¸ ˜ao para o modelo do corpo completo para 2.45GHz, (a) e (b) SAR(1g), (c) e (d) SAR(10g). . . 50
4.14 Taxa de absorc¸ ˜ao espec´ıfica obtida por simulac¸ ˜ao para o modelo do corpo completo para 5.8GHz, (a) e (b) SAR(1g), (c) e (d) SAR(10g). . . 51
5.1 Amostras de cabedal usadas em laborat ´orio para a determinac¸ ˜ao das propriedades diel ´ectricas do mesmo. A1 e A2 correspondem ao cabedal A, B1, B2 e B3 correspon-dem ao cabedal B. . . 60
5.2 Diagramas de Radiac¸ ˜ao da antena no ar para o cinto desapertado. . . 61
5.3 Diagramas de Radiac¸ ˜ao da antena no ar para o cinto apertado. . . 61
5.4 Diagramas de Radiac¸ ˜ao da antena no ar para o cinto apertado na proximidade do modelo representativo do corpo humano (modelo simplificado). . . 62
5.5 Diagramas de Radiac¸ ˜ao da antena no ar para o cinto apertado na proximidade do modelo representativo do corpo humano (modelo completo). . . 62
Lista de Acr ´onimos
BAN - Body Area Networks
CST - Computer Simulation Technology
EBG - Electromagnetic Band Gap
GSM - Global System for Mobile Communications
IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
ISM - Industrial, Scientific and Medical
LB - Largura de Banda
MAC - Media Access Control
MBAN - Medical Body Area Networks
PDA - Personal Digital Assistant
PIFA - Planar Inverted-F Antenna
QoS - Quality of Service
RL - Return Loss
SAR - Specific Absorption Rate
VSWR - Voltage Standing Wave Ratio
WA - Wearable Antenna(s)
Cap´ıtulo 1
Introduc¸ ˜ao
As wearable antennas (WA), antenas utilizadas em pec¸as de vestu ´ario ou acess ´orios do dia-a-dia, s ˜ao pec¸as fundamentais num conceito recente de redes de telecomunicac¸ ˜oes, as Body Area
Networks (BAN). Este tipo de conceito refere-se a um conjunto de elementos de uma rede de
telecomunicac¸ ˜oes desenhados para operar na proximidade, sobre, ou dentro do corpo humano. As aplicac¸ ˜oes s ˜ao diversas e v ˜ao desde aplicac¸ ˜oes focalizadas em quest ˜oes m ´edicas [1], sendo que neste caso podem ser tamb ´em designadas por Medical Body Area Networks (MBAN), a puro en-tretenimento [2].
A norma IEEE 802.15.6 [3] est ´a a ser criada para de alguma forma regulamentar as BAN, que apesar de serem soluc¸ ˜oes preferencialmente sem fios por uma quest ˜ao de mobilidade, apresentam algumas diferenc¸as face a outras normas IEEE para redes sem fios. Na Tabela 1.1 apresenta-se um conjunto de diferenc¸as entre os standards j ´a existentes nas normas IEEE 802.15 face ao que ´e proposto por uma comiss ˜ao respons ´avel por normalizar as BAN, e que apresenta alguns dos resultados que obteve at ´e `a data em [3]. Neste artigo faz-se tamb ´em uma distinc¸ ˜ao entre tr ˆes categorias diferentes das BAN, consoante a sua aplicac¸ ˜ao. Assim tem-se BAN para aplicac¸ ˜oes na ´area da sa ´ude direccionada para a an ´alise e monitorizac¸ ˜ao de sinais biom ´edicos, BAN que suportam a assist ˆencia a pessoas com dificuldades f´ısicas, e por ´ultimo BAN para entretenimento e interacc¸ ˜ao com o corpo.
Apesar do potencial de desenvolvimento e vantagens desta nova tecnologia, existe algum atrito por parte da comunidade em geral em relac¸ ˜ao ao uso de WA. Para que as WA sejam aceites pelas pessoas que as ir ˜ao usar ´e necess ´ario que cumpram alguns requisitos. Garantir que as WA n ˜ao s ˜ao prejudiciais `a sa ´ude das pessoas ´e s ´o uma das v ´arias caracter´ısticas que poder ˜ao fazer com que esta tecnologia seja aceite pela comunidade em geral. Para al ´em disso as WA t ˆem de ser pequenas e ter um aspecto atractivo e flex´ıvel, t ˆem de ser resistentes ao uso e n ˜ao podem exigir ao utilizador constantes trocas de baterias. A privacidade individual ´e tamb ´em um factor que pode influenciar o uso ou n ˜ao deste tipo de tecnologias.
Tal como referido anteriormente as WA s ˜ao desenhadas para funcionarem na proximidade, sobre, ou dentro do corpo humano e o raio de cobertura que garantem tem no m ´aximo 2m. No que toca a alimentac¸ ˜ao este tipo de soluc¸ ˜oes requer `a partida pot ˆencias baixas pelo que uma das soluc¸ ˜oes poss´ıveis consiste em eventualmente conseguir retirar a energia necess ´aria do pr ´oprio corpo [3]. As BAN s ˜ao muitas vezes compostas por v ´arios elementos que interagem em si. ´E necess ´ario garantir que estes elementos n ˜ao alteram as propriedades de funcionamento uns dos outros. No Cap´ıtulo 2 ´e
feita uma descric¸ ˜ao mais pormenorizada das caracter´ısticas que as BAN, e nomeadamente as WA, t ˆem de cumprir.
O trabalho aqui apresentado foca-se no desenho e teste de uma WA, que ´e inquestionavelmente uma pec¸a fundamental de uma BAN. As WA s ˜ao estruturas concebidas para uma aplicac¸ ˜ao numa pec¸a de vestu ´ario ou num objecto do dia-a-dia que al ´em da sua func¸ ˜ao normal desempenha tamb ´em a func¸ ˜ao de antena. S ˜ao desenhadas para uma ou v ´arias bandas de frequ ˆencias de funcionamento e no geral t ˆem de cumprir um determinado n ´umero de requisitos.
Tabela 1.1: Comparac¸ ˜ao entre as BAN e outros standards IEEE 802. [Fonte: [3]]
IEEE 802 standards BAN
Configurac¸ ˜ao 15.3, 15.4 MAC Cada componente tem um enderec¸o MAC distinto. Pot ˆencia Consumida Reduzida Extremamente baixa enquanto comunica, para
pro-teger os tecidos do corpo humano.
Fonte de Pot ˆencia Convencional Compat´ıvel com modos de operac¸ ˜ao que extraiam energia do corpo.
Requisitos (QoS) Fraca lat ˆencia Resposta assegurada e fi ´avel a est´ımulos externos. Bandas de Frequ ˆencia ISM Regulamentadas e/ou aprovadas pelas autoridades m ´edicas para comunicac¸ ˜oes dentro ou na proximi-dade do corpo humano.
Canais Ar Ar, na superf´ıcie do corpo humano, e dentro do corpo humano
Seguranc¸a do Corpo Humano Nenhuma Tem de ser assegurada (especificac¸ ˜oes de SAR)
Em [4] P. S. Hall apresenta alguns dos desafios que os projectistas deste tipo de antenas t ˆem de enfrentar. `A partida o seu desenho vai depender do modo operacional da antena que poder ´a pertencer a um dos seguintes grupos:
• Ligac¸ ˜oes off-body - Quando a ligac¸ ˜ao da WA ´e estabelecida com um elemento do exterior ao corpo, por exemplo um PDA, esta ligac¸ ˜ao designa-se por off-body.
• Canais on-body - Quando a ligac¸ ˜ao ´e feita entre duas partes distintas do corpo denonina-se o canal de comunicac¸ ˜ao estabelecido por on-body.
• Ligac¸ ˜oes in-body - Neste grupo englobam-se essenciamente as antenas contidas em implantes m ´edicos que suportam o que se designa por ligac¸ ˜ao in-body.
Tem-se ainda de garantir que nas ligac¸ ˜oes off-body o lobo principal de radiac¸ ˜ao est ´a orientado para fora do corpo, enquanto nos canais on-body a energia deve ser prioritamente radiada sob a superf´ıcie do corpo. De um modo geral exige-se a qualquer WA que seja compacta e resistente, isto ´e, n ˜ao pode condicionar os movimentos do seu utilizador e tem de resistir a poss´ıveis impactos. Tem ainda de ser resistente `a dessintonizac¸ ˜ao, especialmente nos casos em que a banda de frequ ˆencias de funcionamento ´e estreita ´e necess ´ario ter uma atenc¸ ˜ao redobrada com a variac¸ ˜ao dos par ˆametros dos tecidos do corpo na sua proximidade. As antenas usadas em implantes t ˆem de ser hermetica-mente isoladas por forma a n ˜ao interferir com o normal funcionamento do corpo.
Nas secc¸ ˜oes seguintes deste Cap´ıtulo s ˜ao apresentadas algumas das soluc¸ ˜oes j ´a existentes deste tipo de tecnologias, tentando focar os pontos fortes e fracos de cada uma. Faz-se ainda uma descric¸ ˜ao dos objectivos deste trabalho assim como as poss´ıveis contribuic¸ ˜oes para a comunidade cient´ıfica.
1.1
Estado da Arte
N ˜ao ´e trivial determinar quando comec¸ou efectivamente a investigac¸ ˜ao na ´area das WA. Em 1999 P. Salonen et al. [5], apresentam uma antena de banda dupla para funcionar na promixidade do corpo humano, e que pode ser usada para a banda GSM. Uma antena plana ajustada ao ombro foi desenhada e testada por K. Ogawa et al. [6] que funciona na banda dos 350MHz e cuja aplicac¸ ˜ao ´e suportar o servic¸o r ´adio de pol´ıcias e bombeiros. Esta estrutura pode ser colocada no interior de um casaco, na zona do ombro, o que lhe d ´a bastante mobilidade. A antena foi testada num ambiente que simula as condic¸ ˜oes reais de uso, e foram efectuadas medic¸ ˜oes em espac¸o livre e ainda com a antena colocada no ombro de um volunt ´ario. Em [7] P. J. Massey apresenta uma antena que funciona para a banda GSM900 e apresenta um pequeno estudo dos locais ideiais para a colocac¸ ˜ao da mesma junto do corpo. As restric¸ ˜oes na colocac¸ ˜ao da antena s ˜ao bastantes ´obvias, devendo esta ser colocada de forma a ter o menor impacto poss´ıvel da proximidade do ser humano, e ainda ´e necess ´ario garantir que a estrutura da antena n ˜ao sair ´a danificada devido ao local escolhido. No exemplo anterior [6] a antena ´e colocada num casaco na zona do ombro, o que n ˜ao afecta a mobilidade de quem a usa, contudo uma simples alsa de uma mala, ou at ´e algum tipo de equipamento que um bombeiro tenha de transportar ao ombro pode danificar a estrutura e alterar o desempenho da antena.
Com o intuito de produzir estruturas com elevada mobilidade muitos investigadores encontraram a soluc¸ ˜ao ideal nos t ˆexteis. Este tipo de antenas ´e muitas vezes apelidado na literatura por WA flex´ıveis. Existem v ´arias soluc¸ ˜oes nas quais se usam t ˆexteis como diel ´ecticos de suporte de patches condutores que variam no formato e nas dimens ˜oes. Em [8] M. Klemm et al. apresentam a primeira antena t ˆextil com polarizac¸ ˜ao circular. O m´ınimo das perdas de retorno atinge-se aos 2.32GHz, e a antena apresenta uma banda de funcionamento que vai desde os 2GHz aos 2.8GHz. Uma antena WLAN, tamb ´em t ˆextil, ´e apresentada por P. Salonen et al. em [9]. Esta antena foi testada na proximidade do corpo humano junto ao brac¸o e ao tronco. Verifica-se um aumento do m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada na frequ ˆencia de resson ˆancia, ultrapassando o limite dos -10dB, estabelecido como o m´ınimo indicativo da sintonia. L. Januszkiewicz et al. apresentam em [10] uma antena flex´ıvel desenhada para operar na banda ISM dos 2.45GHz. Neste estudo a antena foi colocada na proximidade de um phanton para obter os diagramas de radiac¸ ˜ao.
Apesar dos bons resultados obtidos com t ˆexteis alguns autores dedicaram-se a transformar ob-jectos do dia-a-dia em WA. Em v ´arias publicac¸ ˜oes [11]-[15] B. Sanz-Izquierdo et al. apresentam um bot ˜ao que funciona como WA, com caracter´ısticas de banda dupla, nas bandas dos 2.4GHz e 5.2GHz. Os resultados obtidos tendo em conta a influ ˆencia do corpo humano, e com a antena apli-cada num casaco, est ˜ao apresentados em [15]. Obt ˆem-se resultados semelhantes para o coeficiente de reflex ˜ao de entrada nas simulac¸ ˜oes e medidas com e sem corpo. O diagrama de radiac¸ ˜ao obtido ´e omni-direccional. Em [16] J. M. Floc’h et al. apresentam um estudo das propriedades radioel ´ectricas de tr ˆes bot ˜oes standard de jeans, de diferentes dimens ˜oes e formas. Neste estudo conclui-se que o di ˆametro do bot ˜ao e o comprimento do cilindro met ´alico usado para ligar o bot ˜ao `a linha microstrip de alimentac¸ ˜ao s ˜ao vari ´aveis importantes na sintonizac¸ ˜ao da antena. Uma outra soluc¸ ˜ao explorada por Sanz-Izquierdo et al. [17] ´e a de usar uma fivela de um cinto convenvional como antena. Os resultados obtidos demonstram que a antena projectada funciona nas bandas de frequ ˆencias WLAN dos 2.4GHz e dos 5GHz.
As WA s ˜ao usualmente projectadas para bandas de frequ ˆencia n ˜ao licenciadas. As mais atrac-tivas s ˜ao as bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz, e ainda algumas bandas r ´adio que servem principalmente servic¸os de pol´ıcia, bombeiros, protecc¸ ˜ao civil, etc.
1.2
Objectivos e Contribuic¸ ˜oes
Esta dissertac¸ ˜ao tem como objectivo principal o projecto e teste de uma WA. As WA t ˆem um papel essencial nas BAN, e devido `as in ´umeras caracter´ısticas que t ˆem de respeitar `a partida, s ˜ao um grande desafio para os investigadores.
A antena que aqui se prop ˜oe surge na sequ ˆencia de um trabalho de Sanz-Izquierdo et al. [17], no qual a fivela de um cinto ´e usada como WA. Um dos objectivos deste trabalho ´e projectar uma antena com uma banda de funcionamento que abrange as bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz. Por definic¸ ˜ao a banda ISM dos 2.45GHz ´e o intervalo de frequ ˆencias de 2.4GHz a 2.5GHz, e a banda ISM dos 5.8GHz ´e o intervalo de frequ ˆencias de 5.725GHz a 5.875GHz.
Usa-se o CST™ Microwave Studio no desenho da estrutura e nas v ´arias simulac¸ ˜oes da antena. Pretende-se que nas bandas de funcionamento desejadas o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena seja inferior a -10dB. Este valor indica que a antena garante uma pot ˆencia efecti-vamente radiada correspondente a 75% da pot ˆencia de entrada.
No CST™ Microwave Studio usa-se ainda um modelo representativo do corpo humano para simular qual o comportamento da antena em condic¸ ˜oes mais pr ´oximas das de uso real e tamb ´em para determinar a taxa de absorc¸ ˜ao espec´ıfica.
Pretende-se analisar a efici ˆencia, total e de radiac¸ ˜ao, a directividade e os diagramas de radiac¸ ˜ao obtidos por simulac¸ ˜ao para a antena no ar e quais as alterac¸ ˜oes que surgem quando a antena est ´a na proximidade do corpo humano.
Os primeiros resultados obtidos neste trabalho, em simulac¸ ˜oes e medic¸ ˜oes em laborat ´orio da antena no ar e na proximidade do corpo humano, foram publicados em artigo na confer ˆencia interna-cional AP-S/URSI International Symposium [18].
1.3
Estrutura da Dissertac¸ ˜ao
Este trabalho encontra-se dividido em mais quatro cap´ıtulos para al ´em do cap´ıtulo de Introdu-c¸ ˜ao. O Cap´ıtulo 2 re ´une o conjunto de especificaIntrodu-c¸ ˜oes gerais que uma WA deve garantir, e apresenta algumas aplicac¸ ˜oes das BAN. Apresenta-se ainda uma compilac¸ ˜ao de algumas soluc¸ ˜oes para WA desenhadas e testadas pelos investigadores. No Cap´ıtulo 3 apresenta-se o desenho e considerac¸ ˜oes que levaram `a estrutura final da antena em cinto que aqui se prop ˜oe. A antena ´e simulada e tes-tada em laborat ´orio considerando que est ´a no ar, e analisam alguns dos par ˆametros que permitem caracterizar a antena, nomeadamente o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena, o diagrama de radiac¸ ˜ao, efici ˆencia, directividade e as bandas de funcionamento. No Cap´ıtulo 4 faz-se o estudo do comportamento da antena quando funciona na proximidade do corpo humano. S ˜ao feitas simulac¸ ˜oes e testes em laborat ´orio e analisam-se alguns dos par ˆametros que permitem caracterizar a antena. Neste cap´ıtulo aborda-se o tema da absorc¸ ˜ao de radiac¸ ˜ao electromagn ´etica pelo corpo e faz-se a an ´alise da taxa de absorc¸ ˜ao espec´ıfica, ou Specific Absorption Rate (SAR), obtida por simulac¸ ˜ao quando a antena est ´a a operar na proximidade do corpo humano. O ´ultimo cap´ıtulo re ´une as conclus ˜oes e sugest ˜oes para trabalhos futuros.
Cap´ıtulo 2
Wearable Antennas
Neste Cap´ıtulo s ˜ao abordadas algumas soluc¸ ˜oes que se encontram na literatura para WA, procu-rando focar diferentes tipos de antenas com diferentes objectivos. Faz-se ainda uma descric¸ ˜ao das principais caracter´ısticas das WA e as condicionantes que os investigadores t ˆem de ter em conta no desenho e projecto deste tipo de antenas. Na ´ultima secc¸ ˜ao deste Cap´ıtulo s ˜ao apresentados alguns exemplos de aplicac¸ ˜ao real das WA.
2.1
Desafios das
Wearable Antennas
Tal como referido no Cap´ıtulo 1 as WA t ˆem obrigatoriamente de cumprir um determinado n ´umero de requisitos. As BAN s ˜ao caracterizadas essencialmente por1:
• Funcionarem na proximidade, no, ou dentro do corpo humano. • T ˆem alcance limitado, de 0.01 a 2m.
• A pot ˆencia consumida por cada elemento da rede deve situar-se entre 0.1 e 1mW. • Suportam d ´ebitos bin ´arios de 0.01 a 1000kbps, com a opc¸ ˜ao de 10Mbps.
• O modelo de canal deve incluir os efeitos do corpo humano (absorc¸ ˜ao, efeitos na sa ´ude). • As aplicac¸ ˜oes devem ser seguras, e devem garantir a privacidade individual.
• A rede tem de suportar v ´arios elementos a funcionarem simultaneamente.
• Todos os elementos (sensores, antenas, sistema de alimentac¸ ˜ao) t ˆem de ter dimens ˜ao re-duzida.
• O sistema de alimentac¸ ˜ao tem de ser eficiente. • A rede n ˜ao deve necessitar de manutenc¸ ˜ao.
Assim espera-se que uma WA seja uma estrutura pequena, flex´ıvel, resistente ao uso e com grande capacidade de autonomia energ ´etica. Por vezes s ˜ao desenhadas para operarem em mais do que uma banda, e uma vez que est ˜ao muito pr ´oximas do corpo humano ´e necess ´ario ter este factor em conta para evitar a dessintonia numa banda de funcionamento desejada.
Como normalmente s ˜ao colocadas numa pec¸a de vestu ´ario ou num acess ´orio do dia a dia, estas antenas quando vis´ıveis devem ter um aspecto atractivo para o utilizador.
Para al ´em disso, e esta ´e talvez a caracter´ıstica mais delicada, ´e necess ´ario garantir que a exposic¸ ˜ao do utilizador a radiac¸ ˜ao ´e m´ınima e que cumpre todas as normas estabelecidas. Posto isto, um estudo completo do funcionamento de uma WA deve incluir uma an ´alise da taxa de absorc¸ ˜ao espec´ıfica (SAR).
2.2
Aplicac¸ ˜oes das BAN
O Nike + iPod Sport Kit [2] ´e uma aplicac¸ ˜ao comercial que ´e um exemplo de uma BAN. Basica-mente coloca-se um sensor num dos t ´enis de corrida que comunica com o iPod dando-lhe informac¸ ˜ao dos passos que se d ´a e que permite ao iPod determinar alguns par ˆametros e estimar outros. No in´ıcio ´e possivel escolher qual o tipo de exerc´ıcio, tempo, dist ˆancia e por exemplo a quantidade de calorias que se quer queimar. Ao longo do exerc´ıcio pode consultar no seu iPod qual a dist ˆancia per-corrida, em quanto tempo, qual o seu ritmo e quantas calorias queimou. O tipo de ligac¸ ˜ao envolvida ilustra-se na Figura 2.1. Esta pode ser caracterizada como uma ligac¸ ˜ao on-body se considerarmos que ´e estabelecida entre o p ´e e o brac¸o, onde est ´a colocado o iPod. Contudo se o atleta estiver a fazer exerc´ıcio numa passadeira e colocar o iPod em cima de um m ´ovel esta ´e descrita como uma ligac¸ ˜ao off-body, entre o p ´e do atleta e o iPod que est ´a colocado a uma curta dist ˆancia, mas fora do corpo. Um outro exemplo de ligac¸ ˜oes off-body consiste usar um s ´o aparelho reprodutor de m ´usicas que comunica sem fios com auscultadores, o que permite que um grupo de pessoas tenham acesso a uma mesma lista de reproduc¸ ˜ao sem terem de recorrer a diferentes aparelhos.
Figura 2.1: Exemplo de ligac¸ ˜ao estabelecida no Nike + iPod Sport Kit. [Fonte: [2]]
No caso das ligac¸ ˜oes in-body estas est ˜ao usualmente ligadas a quest ˜oes de sa ´ude, uma vez que envolvem implantes m ´edicos. Dois exemplos que implicam um papel activo s ˜ao o controlo em malha fechada de um pacemaker ou um papel activo na func¸ ˜ao de regulac¸ ˜ao dos n´ıveis de insulina de um
paciente diab ´etico. No caso de exames m ´edicos h ´a um papel mais passivo, uma vez que a ´unica acc¸ ˜ao ´e a recolha de dados.
Na Figura 2.2 apresenta-se a possibilidade de uma BAN que assiste a uma pessoa com dificul-dades visuais. As BAN podem funcionar como guia, atrav ´es das c ˆameras que comunicam com o processador e que processa a informac¸ ˜ao de forma a orientar o utilizador, e colocando sensores nos objectos pessoais do utilizador permitem-lhe localiz ´a-los facilmente. Para que seja estabelecida a comunicac¸ ˜ao entre todos os objectos e o pr ´oprio receptor do processador t ˆem de ter antenas. Por funcionarem na proximidade do corpo humano e estarem inclu´ıdas em objectos do dia-a-dia este tipo de antenas pode ser designado genericamente de wearable antennas (WA).
(a) (b)
Figura 2.2: Exemplos de uma BAN que permite ajudar pessoas com defici ˆencias visuais. (a) [Fonte:[19]] (b) [Fonte: [3]]
2.3
Exemplos de
Wearable Antennas
Nesta secc¸ ˜ao apresenta-se algumas soluc¸ ˜oes que se encontram na literatura, e faz-se uma breve descric¸ ˜ao das considerac¸ ˜oes que levaram `a estrutura final, bem como dos resultados finais obtidos. Todas as figuras de estruturas e resultados apresentadas nesta secc¸ ˜ao s ˜ao extra´ıdas e adaptadas dos artigos a que correspondem.
2.3.1
PIFA de banda dupla
Uma antena que pode ser colocada no brac¸o, orientada para fora do corpo, foi a soluc¸ ˜ao escolhida por P. Salonen et al. em [5]. O desenho da estrutura da antena e a escolha do local onde se iria colocar a antena foram pensados de forma a garantir seguranc¸a a n´ıvel de sa ´ude do utilizador. A antena proposta ´e uma Planar Inverted-F Antenna (PIFA) com um slot em forma de U retirado do plano de radiac¸ ˜ao para lhe garantir caracter´ısticas dual band. Uma PIFA pode ser comparada com um monopolo de um quarto de onda dobrado de modo a ficar coplanar com o plano de terra e ao qual se deforma o fio condutor do monopolo para se formar um plano. A Figura 2.3 (a) ilustra a estrutura da antena e a forma como ´e colocada no ombro. A escolha do local para a colocac¸ ˜ao da antena ´e feita de modo a garantir uma menor influ ˆencia no corpo humano. Neste trabalho defende-se que o plano terra das antenas planares serve de ”escudo” `a radiac¸ ˜ao que poderia ter a direcc¸ ˜ao dos tecidos humanos.
A antena funciona nas bandas GSM900 e na banda onde funcionam servic¸os como Bluetooth. Estes resultados est ˜ao apresentados na Figura 2.3 (b).
(a) (b)
Figura 2.3: (a) Modelo simplificado da antena e a sua colocac¸ ˜ao junto ao corpo. (b) Resultados obtidos para o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada. [Fonte: [5]]
2.3.2
Antena Planar adaptada ao ombro
A soluc¸ ˜ao encontrada por K. Owaga et al. [6] reside numa antena planar tamb ´em do tipo PIFA, mas desta vez com uma estrutura que se ajusta ao ombro. O facto de as antenas do tipo PIFA terem a possibilidade de transmitir e receber ondas com polarizac¸ ˜ao horizontal ou vertical, ´e apontado como uma vantagem deste tipo de estrutura. A estrutura desenhada tem por base dois planos de terra colocados simetricamente num m ´odulo composto por um diel ´ectrico e um elemento condutor no qual s ˜ao feitas algumas fendas. ´E tamb ´em neste m ´odulo que est ´a inserida a alimentac¸ ˜ao da estrutura. Tal como no caso anterior os planos de terra podem ser vistos como ”escudo” `a radiac¸ ˜ao e garantem que a imped ˆancia de entrada se mantenha constante. As fendas no elemento condutor permitem a sintonia na frequ ˆencia desejada, caso contr ´ario, a frequ ˆencia de funcionamento seria de tal forma a que o per´ımetro do elemento condutor correspondia a meio comprimento de onda. Na Figura 2.4 (a) apresenta-se a estrutura da antena e o seu posicionamento no corpo.
A antena funciona na banda dos 350MHz, o que suporta, por exemplo, ligac¸ ˜oes r ´adio para pol´ıcias ou bombeiros. Os resultados obtidos para a relac¸ ˜ao de onda estacion ´aria, ou Voltage Standing
Wave Ratio (VSWR), encontram-se na Figura 2.4 (b). Verifica-se que face `as medic¸ ˜oes em espac¸o
livre, quando a antena est ´a sobre o ombro h ´a um desvio na frequ ˆencia de resson ˆancia de cerca de 0.5MHz.
2.3.3
Antena de banda dupla com estrutura EBG
Muitos investigadores encontram a soluc¸ ˜ao para WA nos t ˆexteis. Assim em [20] apresenta-se uma antena que usa materiais Electromagnetic Band Gap (EBG). A estrutura, que se apresenta na Figura 2.5 (a) ´e composta por v ´arias camada de materiais diferentes. O material EBG tem o comportamento de uma superf´ıcie de elevada imped ˆancia, o que permite reduzir a pot ˆencia reflectida e assim isolar a antena do corpo.
(a) (b)
Figura 2.4: (a) Estrutura da antena e ilustrac¸ ˜ao da sua colocac¸ ˜ao junto ao corpo.(b) Resultados obtidos para VSWR. [Fonte: [6]]
Esta ´e uma antena de banda dupla como ´e vis´ıvel pelos resultados obtidos para o m ´odulo do co-eficente de reflex ˜ao de entrada, ver Figura 2.5 (b). Tanto na banda dos 2.45GHz como na banda dos 5GHz verifica-se um ligeiro desvio da frequ ˆencia central entre os resultados obtidos por simulac¸ ˜ao e as medic¸ ˜oes ao prot ´otipo. A largura de banda percentual considerando o m ´odulo do coeficiente de entrada igual -10dB ´e de4% e 12.5% para as frequˆencia baixa e alta, respectivamente, nas medic¸˜oes efectuadas ao prot ´otipo.
(a) (b)
Figura 2.5: (a) Modelo da antena. (b) Resultados obtidos para o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada. [Fonte: [20]]
2.3.4
Antena-Bot ˜ao
Em [15] B. Sanz-Izquierdo e J.C. Batchelor apresentam um bot ˜ao que funciona como WA. Este trabalho surge no decorrer de v ´arios trabalhos dos mesmos autores [11]-[14] que cont ˆem soluc¸ ˜oes de antenas em bot ˜oes. No caso que aqui se apresenta o bot ˜ao ´e iserido num casaco de ganga convencional e testado tendo em conta a presenc¸a do ser humano, como se pode ver na Figura 2.6 (a).
de ganga convencional. A antena ´e constitu´ıda por tr ˆes componentes principais: uma estrutura em forma de bot ˜ao, um material diel ´ectrico (teflon) e um disco met ´alico colocado na parte inferior do bot ˜ao. Na Figura 2.6 (b) apresenta-se a estrutura da antena. A estrutura ´e alimentada por uma linha
microstrip sobre velcro, que ´e um substrato flex´ıvel mas resistente `a pr ´opria compress ˜ao.
A antena foi testada isolada e na proximidade do ser humano e apresenta caracter´ısticas de banda dupla nas bandas dos 2.4GHz e 5.2GHz, que permitem o seu funcionamento nas bandas de WLAN, Bluetooth e HiperLAN/2. A altura do bot ˜ao, hb, influencia a sintonia nas duas bandas, e o di ˆametro do bot ˜ao ´e um dos principais factores que influencia a dessintonizac¸ ˜ao na banda inferior (2.4GHz). A largura de banda percentual ´e9% e 41.3% para as medidas no ar a 2.4GHz e a 5.2GHz, respectivamente. Para o caso em que a antena est ´a a cerca de 1cm do corpo humano, obt ´em-se para os 2.4GHz uma largura de banda percentual de8.8%, e de 42.8% para os 5.2GHz. Na Figura 2.7 apresentam-se os resultados obtidos para o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada. Regista-se uma diagrama de radiac¸ ˜ao omni-direccional no plano XY.
(a) (b)
Figura 2.6: (a) Prot ´otipo implementado num casado de ganga. (b) Modelo da antena. [Fonte: [15]]
Figura 2.7: Resultados obtidos para o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao da antena por simulac ˜ao e medida com e sem o corpo na proximidade da antena. [Fonte: [15]]
2.3.5
Antena em cinto
Para al ´em da soluc¸ ˜ao antena-bot ˜ao B. Sanz-Izquierdo e J.C. Batchelor apresentam uma antena em cinto, ver [17]. A antena consiste na fivela de um cinto ligada a um pedac¸o de ganda atrav ´es de uma esp ´ecie de ”pinc¸a” met ´alica. Esta ”pinc¸a” est ´a ligada a uma linha microstrip que garante a alimentac¸ ˜ao da antena. O substrato do cinto, que ´e tamb ´em o diel ´ectrico de suporte `a linha microstrip ´e uma amostra j ´a caracterizada de ganga cuja constante el ´ectrica relativa, εr, ´e 1.4. De um dos lados
da ganga est ´a a linha microstrip e no lado oposto o plano terra. Apresenta-se a estrutura da antena na Figura 2.8 (a).
A antena obtida ´e de banda e opera nas bandas centrais em 2.45GHz e 5.25GHz, o que per-mite suportar standards IEEE802.11 e nomeadamente servic¸os como WLAN e Bluetooth. Para a frequ ˆencia mais baixa a largura de banda percentual medida para a antena no ar a considerando o m ´odulo do coeficiente de entrada igual a -10dB ´e de22.8% e para esta frequˆencia o ganho esper-ado ´e de 2.8dBi. Para a frequ ˆencia mais alta e para as mesmas condic¸ ˜oes de testes obt ´em-se uma largura de banda percentual de9.4% e um ganho esperado de 4.5dBi. Os resultados obtidos para o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada est ˜ao apresentados na Figura 2.8 (b).
Esta antena ´e a base do trabalho que se apresenta neste relat ´orio.
(a) (b)
Figura 2.8: (a) Modelo da antena. (b) M ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena. [Fonte: [17]]
Cap´ıtulo 3
Projecto de uma Antena em Cinto
Neste Cap´ıtulo apresenta-se a estrutura da antena desenvolvida, assim como os passos e considerac¸ ˜oes que influenciaram a escolha de materiais e respectivas dimens ˜oes. A estrutura inicial tem por base o trabalho desenvolvido por Sanz-Izquierdo et al. em [17]. Usa-se a ferramenta CST™
Microwave Studio para o projecto e simulac¸ ˜ao da antena.
3.1
Requisitos e Desempenho
O objectivo da antena que se pretente desenvolver ´e que a mesma funcione nas bandas ISM de 2.45GHz e 5.8GHz. Estas bandas n ˜ao s ˜ao licenciadas e ´e nelas que est ˜ao dispon´ıveis servic¸os como Bluetooth e WLAN. Tratando-se de uma WA a estrutura tem obviamente de respeitar certos requisitos, que est ˜ao descritos em mais detalhe na secc¸ ˜ao 2.1 do Cap´ıtulo 2.
No que toca especificamente `a antena no cinto h ´a propriedades fis´ıcas dos componentes que o formam que t ˆem de ser garantidas. O cinto tem de manter flexibilidade e dimens ˜oes que permitam o seu uso comum. O facto de se tratar de um cinto tem a vantagem de n ˜ao oferecer constrangimentos de mobilidade ao seu utilizador. Esta soluc¸ ˜ao tem `a partida a vantagem de ser port ´avel, isto ´e, n ˜ao est ´a restrita a por exemplo uma pec¸a de vestu ´ario como ´e o caso das antenas em t ˆexteis. ´E tamb ´em uma estrutura resistente, pelo que o seu uso n ˜ao requer cuidados adicionais.
Neste trabalho avalia-se o comportamento da antena no cinto em espac¸o livre e na presenc¸a do ser humano. A antena ´e caracterizada em termos de m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao, largura de banda percentual, directividade e efici ˆencia de radiac¸ ˜ao e total esperados, e nos respectivos diagramas de radiac¸ ˜ao. ´E ainda feito o estudo da taxa de absorc¸ ˜ao espec´ıfica (SAR) quando a antena est ´a a funcionar na proximidade do corpo humano.
3.2
Projecto da Antena
O cinto projectado ´e composto por cabedal e uma fivela de metal. O cabedal serve de diel ´ectrico de suporte `a linha microstrip que alimenta a antena. As propriedades diel ´ectricas do cabedal foram avaliadas em laborat ´orio recorrendo a m ´etodos convencionais, [21]. Tendo em conta os resultados obtidos em laborat ´orio (ver Anexo I), considera-se neste trabalho que a constante diel ´ectrica relativa,
Assume-se que o cabedal apreAssume-senta as mesmas caracter´ısticas diel ´ectricas qualquer que Assume-seja a frequ ˆencia. A estrutura ´e alimentada por uma linha microstrip dimensionada para 50Ω. Usa-se a ferramenta
Calculate analytical Line Impedance do CST™ Microwave Studio para determinar a largura da linha.
Na Figura 3.1 s ˜ao apresentadas v ´arias vistas do modelo usado na simulac¸ ˜ao, nas quais se in-cluem algumas das dimens ˜oes mais importantes do modelo. Na Figura 3.2 est ´a representado o prot ´otipo da antena projectada.
(a) (b)
Figura 3.1: Modelo de simulac¸ ˜ao da antena (unidades em mm). (a) Vista de frente; (b) Vista de tr ´as.
(a) (b)
Figura 3.2: Prot ´otipo da antena. (a) Vista de frente; (b) Vista de tr ´as.
Por simulac¸ ˜ao verifica-se que dimens ˜oes da fivela s ˜ao um factor determinante das bandas de funcionamento da antena. A dist ˆancia entre o plano terra e a fivela do cinto tamb ´em condiciona o funcionamento da antena, e usando uma dist ˆancia que corresponde a40% da dimens˜ao da fivela no mesmo eixo obt ˆem-se os resultados optimizados. Os valores optimizados para as dimens ˜oes da fivela e para a dist ˆancia entre o plano de terra e a fivela obt ˆem-se recorrendo `a ferramenta Optimize do CST™ Microwave Studio. Considera-se como crit ´erio de optimizac¸ ˜ao ter o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao inferior a -10dB nas bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz.
3.3
Comportamento da Antena quando sujeita a alterac¸ ˜oes em
alguns par ˆametros
A medida das propriedades diel ´ectricas do cabedal foi efectuada para uma frequ ˆencia ´unica e neste projecto considera-se que essas propriedades mant ˆem-se constantes em toda a banda de frequ ˆencias de teste. Nesta secc¸ ˜ao pretende-se avaliar quais os efeitos no funcionamento da an-tena quando se tem uma amostra de cabedal com espessura e propriedades diel ´ectricas diferentes da considerada no projecto da antena. Nesta secc¸ ˜ao para al ´em de se efectuar um conjunto de simulac¸ ˜oes que permitem testar este efeito, testa-se ainda quais as alterac¸ ˜oes que ocorrem no de-sempenho da antena se as dimens ˜oes da linha microstrip de alimentac¸ ˜ao do prot ´otipo forem difer-entes das projectadas, ou seja, se ap ´os a construc¸ ˜ao do prot ´otipo existir uma desadaptac¸ ˜ao na alimentac¸ ˜ao da estrutura. O projecto inicial ´e feito com o cinto desapertado, mas numa situac¸ ˜ao real de uso existe um pedac¸o de cabedal a cobrir grande parte da estrutura, pelo que nesta secc¸ ˜ao tamb ´em se estuda a influ ˆencia de o cinto estar apertado.
3.3.1
Efeito da Variac¸ ˜ao da Constante Diel ´ectrica Relativa da Amostra de
Cabe-dal
As propriedades el ´ectricas obtidas para o cabedal em laborat ´orio s ˜ao v ´alidas para a frequ ˆencia de 9GHz, embora se considerem constantes para toda a gama de frequ ˆencia. Nesta secc¸ ˜ao apresentam-se os resultados obtidos em simulac¸ ˜oes quando apresentam-se usa uma amostra de cabedal com propriedades diel ´ectricas diferentes da amostra original do projecto. Todo o projecto ´e executado considerando que o cabedal ´e um material sem perdas com constante diel ´ectrica relativa igual a 2.95. O que se pretende com estes testes ´e verificar qual o comportamento da antena quando o material que a con-stitui tem caracter´ısticas diferentes das esperadas. Na Figura 3.3 (a) apresenta-se o resultado que se obt ´em para o cabedal usado no projecto e que serve de termo comparativo `as outras simulac¸ ˜oes. Na Figura 3.3 apresentam-se os resultados obtidos para o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada considerando em cada simulac¸ ˜ao amostras de cabedal diferentes. Verifica-se que para as frequ ˆencias mais baixas o comportamento da antena n ˜ao varia significativamente, contudo para as frequ ˆencias mais elevadas h ´a desvios na frequ ˆencia do m´ınimo para frequ ˆencias mais baixas quando se aumenta a constante diel ´ectrica para 3.3, Figura 3.3 (b), e o comportamento inverso quando se diminui a constante diel ´ectrica para 2.7, Figura 3.3 (c).
Figura 3.3: M ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena, para simulac¸ ˜oes nas quais se usam cabedais com propriedades diel ´ectricas diferentes, nomeadamente com a constante diel ´ectrica relativa, εr, diferente da do cabedal original. (a) εr= 2.95 (cabedal original); (b) εr= 3.3, (c) εr= 2.7
3.3.2
Introduc¸ ˜ao de Perdas na Amostra de Cabedal
Nesta secc¸ ˜ao verifica-se qual o comportamento da antena quando se considera um cabedal com perdas diferentes de zero. Mais uma vez usa-se o resultado que se obt ´em com o cabedal usado no projecto como termo comparativo, Figura 3.4 (a).
Os resultados que se obt ˆem para amostras de cabedal com perdas apresentam-se na Figura 3.4 (b) e (c). Tal como no caso anterior para as frequ ˆencias mais baixas n ˜ao se verificam alterac¸ ˜oes significativas no comportamento da antena. Contudo em ambos os casos surge um m´ınimo entre os 4GHz e os 4.5GHz, e h ´a um desvio do m´ınino na frequ ˆencia superior.
Figura 3.4: M ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena, obtido por simulac¸ ˜ao para estruturas onde se usa cabedal com perdas. Para todos os casos εr = 2.95: (a) tan δ = 0 (cabedal original); (b)tan δ = 0.16, para 2.45GHz, (c) tan δ = 0.16 para 5.8GHz.
3.3.3
Alterac¸ ˜ao da Largura da Linha
Microstrip de Alimentac¸˜ao
Nesta secc¸ ˜ao verifica-se qual o efeito que uma desadaptac¸ ˜ao na linha microstrip de alimentac¸ ˜ao produz no comportamento da antena. Os resultados apresentam-se na Figura 3.5. Considerando uma reduc¸ ˜ao e um aumento de20% na largura da linha microstrip, Lm, verifica-se que na banda mais baixa a sintonizac¸ ˜ao da antena n ˜ao fica comprometida. Nas frequ ˆencias mais elevadas verifica-se um desvio do m´ınimo para frequ ˆencias mais elevadas quando Lm aumenta e para frequ ˆencias mais baixas quando Lm diminui.
Figura 3.5: M ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena obtido por simulac¸ ˜ao para estru-turas com diferentes larguras, Lm, da linha microstrip de alimentac¸ ˜ao. (a) Lm= 8.53mm (estrutura original); (b) Lm= 6.82mm; (c) Lm = 10.23mm.
3.3.4
Comportamento da Antena com o Cinto Apertado
Tendo em conta que o projecto desta antena ´e feito considerando que o cinto est ´a desapertado, nesta altura ´e necess ´ario simular quais as influ ˆencias que se produzem no comportamento da antena quando se aperta o cinto. Para tal usa-se uma tira de cabedal de 1.6mm de espessura para simular o cinto apertado. Os resultados s ˜ao apresentados na Figura 3.6. Tal como nos casos anteriores para as frequ ˆencias mais baixas n ˜ao se registam grandes diferenc¸as significativas, mas na frequ ˆencia mais alta h ´a um desvio do m´ınimo que compromete a sintonia da antena na banda ISM dos 5.8GHz.
3.4
Resultados
Nesta secc¸ ˜ao apresentam-se os resultados obtidos nas medic¸ ˜oes efectuadas em laborat ´orio con-frontados com os esperados por simulac¸ ˜ao. Foram constru´ıdos dois prot ´otipos que variam entre si nas dimens ˜oes da fivela e na espessura do fio usado. O prot ´otipo 1 tem uma fivela de (51× 51.7)mm
com o fio com uma espessura de 3mm, e o prot ´otipo 2 tem uma fivela de (50.05× 53)mm e o fio tem
3.2mm de espessura. As dimens ˜oes da fivela correspondem a (f x× fy)mm, ver Figura 3.1.
O modelo da Figura 3.1 ´e simulado no CST™ Microwave Studio sem e com o cinto apertado e nas secc¸ ˜oes seguintes apresentam-se os resultados obtidos para o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada, os diagramas de radiac¸ ˜ao, a directividade e a efici ˆencia total da antena. ´E importante realc¸ar que todos os resultados de simulac¸ ˜oes apresentados neste cap´ıtulo s ˜ao referentes `a antena isolada.
Figura 3.6: M ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena considerando o cinto: (a) de-sapertado; (b) apertado.
cinto apertado ´e o caso mais relevante uma vez que, em condic¸ ˜oes normais, esta WA ser ´a utilizada com o cinto apertado e n ˜ao desapertado. Usa-se um analisador vectorial HP 8720 para medir o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada dos prot ´otipos da antena. Na Figura 3.7 apresenta-se a montagem efectuada em laborat ´orio para medir o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada do prot ´otipo, sem e com o cinto apertado.
(a) (b)
Figura 3.7: Montagem para as medidas ao prot ´otipo da antena. (a) Cinto desapertado; (b) cinto apertado.
3.4.1
M ´odulo do Coeficiente de Reflex ˜ao de Entrada da Antena
os resultados medidos em laborat ´orio dos prot ´otipos 1 e 2. Tanto na simulac¸ ˜ao, como nas medidas em laborat ´orio, verifica-se qual o desempenho da antena no ar, considerando o cinto desapertado e apertado.
O m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada de uma antena ´e um dos par ˆametros que permite definir quais as bandas de sintonia de uma antena. Na secc¸ ˜ao 3.4.2 apresentam-se as bandas de funcionamento da antena obtidas nos diferentes casos.
Figura 3.8: M ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena no ar. Simulac¸ ˜oes: (a) Cinto apertado, (b) cinto desapertado. Medidas ao prot ´otipo 1: (c) Cinto apertado, (d) cinto desapertado. Medidas ao prot ´otipo 2: (e) Cinto apertado, (f) cinto desapertado.
3.4.2
Bandas de Funcionamento
Um dos crit ´erios de avaliac¸ ˜ao das bandas de funcionamento de uma antena baseia-se na relac¸ ˜ao entre a pot ˆencia de entrada, Pin, e reflectida, Pr, pela antena. A pot ˆencia que a antena efectivamente
radia, considerando que n ˜ao h ´a perdas, ´e a diferenc¸a entre a pot ˆencia de entrada e a pot ˆencia re-flectida. As perdas por retorno, ou Return Loss (RL) s ˜ao um par ˆametro que expressa a relac¸ ˜ao entre a pot ˆencia de entrada e a pot ˆencia reflectida pela antena (ver equac¸ ˜ao 3.1). Considera-se que a an-tena est ´a sintonizada numa determinada frequ ˆencia quando a pot ˆencia reflectida corresponde a10% da pot ˆencia incidente na antena o que leva a um RL de 10dB. Por outro lado considera-se satisfat ´orio ter uma antena que reflecte25%, ou menos, da potˆencia incidente na antena, o que corresponde a um RL de 6dB e a uma pot ˆencia efectivamente radiada pela antena de75% da potˆencia de entrada, considerando que n ˜ao h ´a perdas. Expressando este crit ´erio em termos de m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada,|S11|, considera-se que uma antena est´a sintonizada quando |S11| ´e menor
que -10dB, o que equivale a ter Prmenor que10% de Pin, supondo que n ˜ao h ´a perdas. Pode ainda
considerar-se que a antena est ´a sintonizada para|S11| menor que -6dB, o que corresponde a ter
uma antena que reflecte25%, ou menos, da potˆencia incidente. Neste trabalho usam-se estes dois crit ´erios que permitem definir as bandas de funcionamento da antena. Assim, e por uma quest ˜ao de simplicidade, considera-se neste documento que o 1º Crit ´erio de Sintonia corresponde a ter|S11| ´e
menor que -6dB e o 2º Crit ´erio de Sintonia corresponde a ter|S11| ´e menor que -10dB. Claramente o 2º Crit ´erio de Sintonia ´e mais restritivo uma vez que exige uma pot ˆencia reflectida menor.
Nas Tabelas 3.1 e 3.2 expressam-se os resultados das bandas de funcionamento considerando estes dois crit ´erios relativos ao|S11|, para os dois prot´otipos. A largura de banda, LB, pode ainda ser expressa em termos percentuais. Na equac¸ ˜ao 3.2 expressa-se esta relac¸ ˜ao, na qual fmine fmax correspondem ao limite inferior e superior da banda de frequ ˆencias de funcionamento, respectiva-mente. Esta definic¸ ˜ao consta de [22]. H ´a ainda que referir que esta definic¸ ˜ao ´e adequada para valores de largura de banda percentual pouco elevados, pelo que n ˜ao ´e apropriada para antenas de banda muito larga.
RL[dB]= −10log10 Pr Pin
(3.1)
LB[%]= 200 ×fmax− fmin
fmin+ fmax (3.2)
Tabela 3.1: Bandas de funcionamento da antena considerando o crit ´erio de sintonia baseado nos resultados obtidos para|S11|, com a antena (prot´otipo 1) no ar.(∗)Valor m ´aximo da frequ ˆencia
corre-spondente `as medidas efectuadas em laborat ´orio. Crit ´erio de Sintonia |S11| < −6dB |S11| < −10dB Cinto Desapertado fmin/GHz fmax/GHz LB /% 0.848 1.269 39.77 1.576 2.624 49.90 2.980 3.376 12.46 4.112 4.280 4.007 5.672 6.000(∗) 5.620 fmin/GHz fmax/GHz LB /% 0.948 1.080 13.02 1.760 2.544 36.43 3.040 3.168 4.124 5.768 5.960 3.274 Cinto Apertado fmin/GHz fmax/GHz LB /% 0.821 6.000(∗) -fmin/GHz fmax/GHz LB /% 1.577 2.482 44.59 2.993 3.859 25.28 4.501 4.965 9.804
Tabela 3.2: Bandas de funcionamento da antena considerando o crit ´erio de sintonia baseado nos resultados obtidos para|S11|, com a antena (prot´otipo 2) no ar.(∗)Valor m ´aximo da frequ ˆencia
corre-spondente `as medidas efectuadas em laborat ´orio. Crit ´erio de Sintonia |S11| < −6dB |S11| < −10dB Cinto Desapertado fmin/GHz fmax/GHz LB /% 0.760 0.850 11.18 1.085 6.000(∗) -fmin/GHz fmax/GHz LB /% 1.142 1.431 22.46 1.518 2.608 52.84 2.848 4.393 42.67 5.141 6.000(∗) 15.42 Cinto Apertado fmin/GHz fmax/GHz LB /% 0.962 6.000(∗) -fmin/GHz fmax/GHz LB /% 1.263 2.528 66.74 2.871 4.302 39.90 5.127 6.000 15.69
No cen ´ario de teste em que a antena est ´a isolada, com o cinto apertado e considerando o Crit ´erio de Sintonia|S11| < −6dB obtˆem-se bandas de funcionamento que v˜ao desde os 0.821GHz at´e 6GHz para o prot ´otipo 1 e dos 0.962GHz at ´e aos 6GHz para o prot ´otipo 2. Nestas bandas de funciona-mento est ˜ao cobertas as bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz e ainda as bandas GSM 1800
e UMTS. O prot ´otipo 1 abrange ainda a banda de funcionamento do GSM 900. No caso em que se considera o Crit ´erio de Sintonia |S11| < −10dB a antena, quer no prot´otipo 1 quer no 2, deixa
de ser de banda larga e apresenta interrupc¸ ˜oes na banda de funcionamento que n ˜ao existiam con-siderando o crit ´erio anterior. Contudo s ˜ao ainda cobertas as bandas ISM dos 2.45GHz, GSM 1800 e UMTS, para os dois prot ´otipos e ISM 5.8GHz para o prot ´otipo 2. Para o mesmo cen ´ario a largura de banda percentual varia entre os 44.59% e os 66.74%, sendo que estes valores correspondem `as bandas que abrangem os servic¸os referidos anteriormente. No caso em que o cinto est ´a desaper-tado nenhum dos prot ´otipos apresenta caracter´ısticas de banda larga para qualquer um dos crit ´erios de sintonizac¸ ˜ao. Para o 1º Crit ´erio de Sintonia os dois prot ´otipos abrangem as mesmas bandas de funcionamento que no caso em que o cinto est ´a apertado, e o mesmo se passa quando se considera o 2º Crit ´erio de Sintonia. Resumidamente, e de um modo geral, os dois prot ´otipos abrangem as ban-das de funcionamento dos seguintes servic¸os GSM 1800, UMTS e ainda as banban-das ISM 2.45GHz e 5.8GHz, sendo que esta ´ultima n ˜ao ´e totalmente coberta no prot ´otipo 1 para o 2º Crit ´erio de Sintonia.
3.4.3
Diagramas de Radiac¸ ˜ao
Os resultados apresentados nesta secc¸ ˜ao s ˜ao obtidos por simulac¸ ˜ao para o modelo da Figura 3.1 no ar, considerando o cinto apertado e desapertado. Os diagramas de radiac¸ ˜ao, efici ˆencia e directividade s ˜ao obtidos para as frequ ˆencias de 2.45GHz e 5.8GHz, que s ˜ao as frequ ˆencias centrais das bandas ISM.
Nas Figuras 3.9, 3.10 e 3.11 apresentam-se os diagramas de radiac¸ ˜ao nos planos XY, YZ e XZ, respectivamente. Em todas as figuras compara-se o resultado obtido com o cinto apertado e desapertado.
No Anexo II est ˜ao representados os diagramas de radiac¸ ˜ao a tr ˆes dimens ˜oes correspondentes `as simulac¸ ˜oes com o cinto desapertado e apertado.
No plano vertical XY, Figura 3.9, a 2.45GHz a antena apresenta um diagrama de radiac¸ ˜ao sim ´etrico relativamente ao eixo dos YY, apresentado dois m´ınimos nesta direcc¸ ˜ao sendo que o mais pronunci-ado se situa na zona da alimentac¸ ˜ao da antena. A 5.8GHz o diagrama de radiac¸ ˜ao apresenta uma maior irregularidade, contudo mant ´em a simetria relativamente ao eixo dos YY.
(a) 2.45GHz (b) 5.8GHz (c)
Figura 3.9: Diagramas de Radiac¸ ˜ao da antena no ar para o Plano XY. (c) Modelo do cinto. No plano vertical XZ, Figura 3.10, e tal como no caso anterior para 2.45GHz e 5.8GHz o diagrama de radiac¸ ˜ao apresenta simetria, sendo que neste caso ´e face ao eixo dos XX. Para o plano XZ o diagrama de radiac¸ ˜ao ´e praticamente omnidireccional. A simetria do diagrama de radiac¸ ˜ao nos planos XY e XZ est ´a relacionada com a simetria geom ´etrica que a estrutura apresenta relativamento ao eixo dos ZZ e dos XX, respectivamente.
(a) 2.45GHz (b) 5.8GHz (c)
Figura 3.10: Diagramas de Radiac¸ ˜ao da antena no ar para o Plano XZ. (c) Modelo do cinto. Para o plano horizontal YZ a estrutura da antena n ˜ao apresenta simetria, e tal como esperado para ambas as frequ ˆencias o diagrama de radiac¸ ˜ao obtido n ˜ao ´e sim ´etrico. A 2.45GHz obt ´em-se um diagrama de radic¸ ˜ao pr ´oximo ao de um flat monopolo com dois m´ınimos na direccc¸ ˜ao do eixo dos YY. Neste caso considerar o cinto apertado ou desapertado n ˜ao causa alterac¸ ˜oes significativas no diagrama de radiac¸ ˜ao. Contudo a 5.8GHz h ´a uma reduc¸ ˜ao do lobo de radiac¸ ˜ao considerando a estrutura com o cinto apertado, na direcc¸ ˜ao onde o cinto aperta. Nesta direcc¸ ˜ao ´e colocado um pedac¸o de cabedal com uma constante diel ´ectrica relativa de 2.95 o que leva que parte das ondas radiadas pelo cinto sejam absorvidas por este pedac¸o de cabedal.
(a) 2.45GHz (b) 5.8GHz (c)
3.5
Conclus ˜oes
Neste cap´ıtulo apresenta-se o projecto de uma WA em cinto composto por cabedal e uma fivela met ´alica. Esta antena foi optimizada para funcionar nas bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz considerando o crit ´erio de sintonia do m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao menor do que -10dB. As dimens ˜oes da fivela foram os par ˆametros sujeitos a optimizac¸ ˜ao considerando o crit ´erio anterior e recorrendo `a ferramenta Optimize do CST™ Microwave Studio.
Efectuaram-se algumas simulac¸ ˜oes para testar o comportamento da antena face a alterac¸ ˜oes ligeiras na sua estrutura ou da composic¸ ˜ao dos materiais que a constituem, nomeadamente o cabe-dal. Conclui-se que para as baixas frequ ˆencias uma variac¸ ˜ao positiva, ou negativa de aproximada-mente 10% na constante diel ´ectrica do cabedal n ˜ao produz alterac¸ ˜oes significativas no funciona-mento da antena. Contudo para as frequ ˆencias de teste mais elevadas h ´a um desvio do m´ınimo do m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena que compromete o seu funcionsmento na banda ISM dos 5.8GHz.
Em todo o projecto da antena considerou-se que o cabedal usado era um material sem perdas, e para verificar qual o efeito de um cabedal com perdas no funcionamento da antena efectuaram-se algumas simulac¸ ˜oes. Considerou-efectuaram-se efectuaram-separadamente umatan δ = 0.16 para as frequˆencias dos 2.45GHz e dos 5.8GHz. Nas bandas ISM dos 2.45GHz e dos 5.8GHz o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena mant ´em-se abaixo dos -6dB e surge um novo m´ınimo entre os 4GHz e os 4.5GHz.
A estrutura ´e alimentada por uma linha microstrip adaptada para50Ω. Verificou-se por simulac¸˜ao que uma reduc¸ ˜ao ou aumento de20% na largura da linha n˜ao produz influˆencias significativas nas bandas de funcionamento pretendidas.
Uma vez que a antena projectada consiste numa fivela de um cinto, elaborou-se uma nova es-trutura acrescentando um pedac¸o de cabedal para simular o cinto apertado. O comportamento da antena para as frequ ˆencias mais baixas da gama de teste ´e id ˆentico ao da estrutura desapertada, contudo para as frequ ˆencias mais elevadas o funcionamento na banda ISM dos 5.8GHz n ˜ao ´e garan-tido.
Contru´ıram-se dois prot ´otipos que diferem unicamente na dimens ˜ao da fivela, com dimens ˜oes aproximadas `as obtidas no processo de optimizac¸ ˜ao da antena. O prot ´otipo 1 apresenta uma fivela aproximadamente quadrada e o prot ´otipo 2 apresenta dimens ˜oes mais pr ´oximas do projectado. Para as frequ ˆencias mais baixas da banda de teste verifica-se que o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena apresenta caracter´ısticas semelhantes. Entre os 2.5GHz e os 6GHz os resultados obtidos por simulac¸ ˜ao e por medic¸ ˜ao dos dois prot ´otipos apresentam diferenc¸as not ´orias. Verifica-se que os resultados obtidos em laborat ´orio para os dois prot ´otipos n ˜ao apresentam alterac¸ ˜oes signi-ficativas com o cinto desapertado e apertado.
Face aos resultados obtidos conclui-se que a antena aqui proposta ´e de banda larga considerando o Crit ´erio de Sintonia|S11| < −6dB, sendo que para |S11| < −10dB apresenta algumas interrupc¸˜oes
na banda. O prot ´otipo 1 abrange as bandas de funcionamento do GSM 900 e 1800, UMTS e ISM 2.45GHz. As bandas de funcionamento do prot ´otipo 2 abrangem os servic¸os GSM 1800, UMTS e ISM 2.45GHz e 5.8GHz.
No que toca ao diagrama de radiac¸ ˜ao, tal como esperado nos planos verticais XY e XZ obt ´em-se um diagrama sim ´etrico uma vez que nestes planos h ´a simetria na estrutura. Quanto ao plano YZ, n ˜ao h ´a simetria na estrutura e os diagramas obtidos n ˜ao s ˜ao sim ´etricos. Os resultados obtidos para o diagrama de radiac¸ ˜ao da antena considerando o cinto apertado e desapertado s ˜ao semelhantes,
Cap´ıtulo 4
Estudo da Antena na Presenc¸a do
Ser Humano
Neste Cap´ıtulo estuda-se a influ ˆencia da presenc¸a do ser humano na antena, e as consequ ˆencias em termos de radiac¸ ˜ao absorvida pelo corpo humano quando a antena est ´a a funcionar na proxim-idade. Inicialmente fez-se um estudo computacional no qual se simula a antena a funcionar junto a um modelo representativo do corpo humano. Os prot ´otipos constru´ıdos s ˜ao testados na proximidade do corpo humano, com utilizadores diferentes e em diferentes posic¸ ˜oes. No final deste Cap´ıtulo ´e feita uma an ´alise da taxa de absorc¸ ˜ao espec´ıfica obtida por simulac¸ ˜ao, para os diferentes modelos. Em todas as simulac¸ ˜oes ´e usada a ferramenta CST™ Microwave Studio.
4.1
Simulac¸ ˜ao da Antena na Presenc¸a do Ser Humano
Uma descric¸ ˜ao do modelo usado no CST™ Microwave Studio assim como os resultados obti-dos em simulac¸ ˜oes com a antena a funcionar na proximidade deste modelo, s ˜ao apresentaobti-dos nas secc¸ ˜oes seguintes. Apresentam-se ainda os resultados obtidos para o do m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada, da largura de banda percentual, da efici ˆencia de radiac¸ ˜ao e total, e ainda da directividade.
4.1.1
Caracter´ısticas do Modelo
O corpo humano ´e uma estrutura complexa constitu´ıda por diferentes tecidos e ´org ˜aos com propriedades diel ´ectricas que variam consoante o tecido, e consoante a frequ ˆencia. Em [23] est ´a dispon´ıvel uma ferramenta que permite determinar as propriedades diel ´ectricas dos tecidos que con-stituem o corpo humano para frequ ˆencias entre os 10Hz e os 100GHz. Na Tabela 4.1 apresenta-se as propriedades diel ´ectricas de alguns tecidos para as frequ ˆencias centrais das bandas ISM dos 2.45GHz e 5.8GHz.
Nas simulac¸ ˜oes considera-se que o corpo humano ´e uma massa homog ´enea com densidade de 1000kg/m3, com constante diel ´ectrica relativa, εr, de 45.6 e a tangente do ˆangulo de perdas, tan δ de 0.23. Este valores obt ˆem-se recorrendo `a Tabela 4.1, e considerando que o modelo ´e composto por 85% de m ´usculo e 15% de gordura. Os valores usados no c ´alculo correspondem `a frequ ˆencia de 2.45GHz. Assume-se para efeitos de simulac¸ ˜ao que as propriedades diel ´ectricas do modelo s ˜ao constantes em toda a gama de frequ ˆencias de simulac¸ ˜ao.
Tabela 4.1: Propriedades diel ´ectricas de alguns tecidos do corpo humano determinados recorrendo a [23].
f/GHz Tecido Condutividade /S.m−1 εr tan δ
2.45 Gordura 0.10452 5.2801 0.14524 M ´usculo 1.7388 52.729 0.24194 Pele Seca 1.464 38.007 0.28262 5.8 Gordura 0.29313 4.9549 0.18335 M ´usculo 4.9615 48.485 0.31715 Pele Seca 3.717 35.114 0.32807
Com base em [25] optou-se por uma reduc¸ ˜ao do modelo do corpo, Figura 4.1 (a), para determi-nar o m ´odulo do coeficiente de reflex ˜ao de entrada da antena, enquanto que na determinac¸ ˜ao do diagrama de radiac¸ ˜ao do sistema se usa o modelo completo. A introduc¸ ˜ao de um modelo completo, Figura 4.1 (b), do corpo humano no CST™ Microwave Studio implica um aumento significativo do n ´umero de c ´elulas e consequentemente um aumento do tempo de simulac¸ ˜ao. Assim, no modelo completo, usa-se uma malha em escada, exclusivamente para o modelo do corpo. O modelo com-pleto usado na simulac¸ ˜ao tem aproximadamente 1.77m de altura e tem uma massa de cerca de 65kg, enquanto o modelo simplificado tem uma massa de cerca de 10kg. Estes modelos s ˜ao obtidos recorrendo `as ferramentas de modelac¸ ˜ao de objectos em tr ˆes dimens ˜oes, Poser e 3D Studio.
(a)
(b)
