UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMIDEPARTAMENTO

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI

DEPARTAMENTO

STEFANY KARINY DOS SANTOS DE SOUZA QUEIROZ

ANTENA DE MICROFITA COM SOBRECAMADA DE CERA DE CARNAÚBA UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO – UFERSA

CENTRO DE ENGENHARIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E TECNOLOGIA ENGENHARIA ELÉTRICA

ANTENA DE MICROFITA COM SOBRECAMADA DE CERA DE CARNAÚBA

MOSSORÓ – RN 2019

UFERSA

DE ENGENHARIA E TECNOLOGIA

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MOSSORÓ – RN 2019

Trabalho de Conclusão de Curso apresentada ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título em Bacharel em Engenharia Elétrica.

Orientador: Idalmir de Souza Queiroz Júnior, Prof. Dr.

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Defendida em: 22 de Março de 2019.

Trabalho de Conclusão de Curso apresentada ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título em Bacharel em Engenharia Elétrica.

Orientador: Idalmir de Souza Queiroz Júnior, Prof. Dr.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus, em primeiro lugar, por ter me dado forças para enfrentar todos os problemas pessoais que surgiram durante a minha graduação e por permitir realizar esse sonho.

Agradeço a minha mãe Ana Karina e irmãos Thifany e Daniel, que sempre estiveram comigo e sempre me apoiaram, me dando forças e coragem.

Agradeço ao meu noivo e melhor amigo Pedro, por todo incentivo e carinho.

Agradeço ao meu Orientador e pai Idalmir, por ter me motivado, por toda ajuda e apoio.

Agradeço ao colega Carlos Eduardo por ter compartilhado comigo seu conhecimento e doado material para este trabalho.

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“Não importa o que aconteça, continue a nadar.”

Graham Walters, Procurando Nemo, 2003.

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RESUMO

O crescente desenvolvimento das telecomunicações, particularmente a de dispositivos móveis, têm estimulado as pesquisas relacionadas as antenas de microfita nos últimos anos, visto que são os elementos fundamentais na cadeia de transmissão e recepção de sinais. Estas antenas são vantajosas por serem discretas, moldáveis a superfícies variadas, simples de serem construídas, de baixo custo, mecanicamente compatíveis com projetos de circuito integrado monolítico de micro-ondas (MMIC), além da versatilidade de projeto. O estudo de novos materiais como ferrita, filmes finos, metamateriais, entre outros, para aplicações diversas, sejam elas através de dopagem, de misturas de compósitos ou uso de multicamadas em antenas, é uma vertente que vem crescendo. Considerando a abundância da cera de carnaúba, que é proveniente de uma espécie de palmácea, e por possuir relevância social, econômica e cultural no cenário do semiárido nordestino, este trabalho aborda a aplicação da cera de carnaúba como sobrecamada (ou superestrato) para antenas retangulares de microfita. O interesse do trabalho é compreender o comportamento eletromagnético da multicamada em antenas de microfita. A cera de carnaúba utilizada no projeto já havia sido previamente caracterizada em outro trabalho. Seu uso em deposição sobre a antena exige uma técnica de derretimento e resfriamento lento, sendo este um pronto crítico. Neste trabalho, inicialmente foi projetada uma antena de microfita retangular padrão pelo método de linha de transmissão, após isso a antena foi simulada no Ansoft HFSS (High FrequencyStructural Simulator): a antena padrão e a antena projetada com sobrecamada de cera de carnaúba, para o estudo de interesse. Com a simulação foi possível obter os diagramas de radiação (2D e 3D), perda de retorno, carta de Smith e ganho para ambas as antenas, para que fosse possível compará-las, e por fim, foram confeccionadas para que se pudesse testá-las e poder validar os dados do projeto e das simulações. Os resultados simulados das antenas foram realizados para ressoar na frequência de 2,45 GHz. Posteriormente a simulação e aos testes das antenas observou-se que houve uma boa concordância dos resultados simulados e medidos, observados através do diagrama perda de retorno e da carta de Smith. Outro ponto importante que foi observado foi um significativo aumento na perda de retorno da antena com a sobrecamada de cera quando comparada a antena padrão.

Palavras-chaves: Antena de Microfita. Cera de carnaúba. Material orgânico.

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ABSTRACT

The growing development of telecommunications, particularly mobile devices, has stimulated research related to microfite antennas in recent years, since they are the key elements in the signal transmission and reception chain. These antennas are advantageous because they are discrete, mountable to a variety of surfaces, simple to construct, inexpensive, mechanically compatible with monolithic microwave integrated circuit (MMIC) designs, and design versatility. The study of new materials such as ferrite, thin films, metamaterials, among others, for various applications, whether through doping, composite blends or the use of multilayers in antennas, is a growing aspect. Considering the abundance of carnauba wax, which comes from a palmaceous species, and because it has social, economic and cultural relevance in the northeastern semiarid scenario, this work deals with the application of carnauba wax as an overlay (or super layer) for rectangular antennas of microfita. The interest of the work is to understand the electromagnetic behavior of the multilayer in microfite antennas. The carnauba wax used in the project had previously been characterized in another work. Its use in deposition on the antenna requires a technique of melting and slow cooling, this being a ready critic. In this work, a standard rectangular microfita antenna was initially designed by the transmission line method, after which the antenna was simulated in Ansoft HFSS (High FrequencyStructural Simulator): the standard antenna and the projected antenna with carnauba wax overlay, for the study of interest. With the simulation, it was possible to obtain the radiation diagrams (2D and 3D), loss of return, Smith chart and gain for both antennas, so that it was possible to compare them, and finally they were made so that it could be tested, and validate the design and simulation data. The simulated results of the antennas were performed to resonate at the 2.45 GHz frequency. Subsequently the simulation and antenna tests showed a good agreement of the simulated and measured results, observed through the return loss diagram and the Smith. Another important point that was observed was a significant increase in the return loss of the antenna with the wax overlay when compared to the standard antenna.

Key-words: Microfita antenna. Carnauba wax. Organic material.

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LISTA DE TABELAS

Tabela 01 - Classificação da cera de carnaúba pela Instrução Normativa

SARC N° 10 (11 de dezembro 2002) 39

Tabela 02 – Dimensões projetadas da Antena 46

Tabela 03 – Constantes da cera de carnaúba 47

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LISTA DE FIGURAS

Figura 01 – Etapas da radiação na antena 18

Figura 02 – Antenas Filamentares 20

Figura 03 – Antenas de Abertura 21

Figura 04 – Antena de Microfita 22

Figura 05 – Antenas Refletoras 22

Figura 06 – Representação tridimensional e bidimensional do Diagrama de

Radiação 23

Figura 07 – Polarização Linear, Circular e Elíptica 25

Figura 08 – Antena de Microfita 26

Figura 09 – Geometria dos Patch de Microfita 27

Figura 10 – Alimentação por Linha de Microfita 29

Figura 11 – Alimentação por Sonda Coaxial 30

Figura 12 – Alimentação por meio de Acoplamento por Abertura 30 Figura 13 – Alimentação via Acoplamento por Proximidade 31

Figura 14 – Dimensões da Antena de Microfita 33

Figura 15 – Inset feed na antena 34

Figura 16 – Variação da constante dielétrica e fator de perda dielétrica para a

cera de carnaúba 40

Figura 17 - Dados da constante dielétrica e fator de perda dielétrica para a

cera de carnaúba 41

Figura 18 – Cera da Carnaúba 43

Figura 19 – Pó cerífero derretido 44

Figura 20 – Mini VNA 45

Figura 21 – Desenho da antena no HFSS 47

Figura 22 – Antena antes (foto da esquerda) e depois (foto da direita) da

deposição da sobrecamada 48

Figura 23 – Simulação de S(1,1) (dB) da antena de microfita padrão e com

sobrecamada 49

Figura 24 – Simulação do diagrama de radiação 2D da (a) antena de microfita padrão, e da (b) antena de microfita com sobrecamada 50 Figura 25 – Simulação do diagrama de radiação 3D da (a) antena de

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microfita padrão, e da (b) antena de microfita com sobrecamada 51 Figura 26 – Perda de retorno medida para a antena de microfita retangular sem sobrecamada (antena padrão) e com sobrecamada 52 Figura 27 – Medida da impedância da Antena de microfita sobre substrato de FR4 sem sobrecamada e com sobrecamada de cera de carnaúba em

gráfico retangular. 53

Figura 28 – Medida da impedância da Antena de microfita sobre substrato de FR4 sem sobrecamada e com sobrecamada de cera de carnaúba na carta

de Smith. 54

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NOMENCLATURA

Letras Latinas

BW – Largura de banda da antena c – velocidade da luz

D – Diretividade E – Campo elétrico;

finf – Frequência inferior

fr – Frequência de ressonância ou central fsup – Frequência superior

G – Ganho da antena

H– Intensidade de campo magnético;

h – Espessura do substrato J – Densidade de corrente;

k0 – Número de onda no espaço livre

kx, ky e kz – Número de onda nas direções x, y e z, repectivamente.

L – Comprimento do patch

L0 – Comprimento da linha de microfita Pin – Potência total fornecida

Ploss – Potência dissipada (perdas ôhmicas) Pmed – Densidade de potência

Prad – Potência total radiada RA – Resistência da antena RL – Perda de retorno;

S11 – Coeficiente de reflexão da tensão no acesso 1 do quadripolo;

S12 – Isolação do quadripolo;

S21 – Ganho de tensão direta do quadripolo;

S22 – Coeficiente de reflexão da tensão no acesso 2 do quadripolo;

U(θ,φ) – Intensidade de radiação numa dada direção Umáx – Intensidade de radiação máxima

Umed – Intensidade de radiação média W – Largura do patch

W0 – Largura da linha de microfita y0 – Comprimento do inset feed

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yw – Largura do inset feed Z – Impedância de carga

Z0 – Impedância característica da linha de transmissão ZA – Impedância da antena

Zin – Impedância de entrada da antena

Letras Gregas

tanδ – Tangente de perdas Γ – Coeficiente de reflexão

ε – Permissividade elétrica complexa ε’ – Constante dielétrica

ε” – Fator de Perdas

ε0 – Permissividade elétrica do vácuo

εr – Permissividade elétrica relativa do material εref – Constante dielétrica efetiva

ηrad – Eficiência de radiação ηref – Eficiência de reflexão ηtotal – Eficiência total λ – Comprimento de onda µ – permeabilidade magnética σ – Condutividade do material ω – Frequência angular

Siglas

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas

FDTD – Finite Difference Time Domain (Diferenças Finitas no Domínio do Tempo).

FEM – Finite Element Method (Métodos dos Elementos Finitos)

MMICs – Monolithic Microwave Integrated Circuit (Circuitos Integrados Monolíticos de Micro-ondas)

MoM – Method of Moments (Método dos Momentos) TEM – Transversal Eletromagnético

TLM – Transmission Line Method (Modelo de Linha de Transmissão) TM – Transversal Magnético

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO 16

1.1 Justificativa 17

1.2Objetivo geral 17

1.3 Objetivos específicos 17

2 REFERÊNCIAL TEÓRICO 18

2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DAS ANTENAS 18

2.2 APLICAÇÕES 19

2.3 TIPOS DE ANTENAS 20

2.3.1 Antenas Filamentares 20

2.3.2 Antenas de Abertura 21

2.3.3 Antenas de Microfita 21

2.3.4 Antenas Refletoras 22

2.4 PARÂMETROS DE ANTENAS 22

2.4.1 Diagrama de Radiação 23

2.4.2 Diretividade 23

2.4.3 Ganho 24

2.4.4 Largura de Banda 24

2.4.5 Polarização 25

2.4.6 Impedância de Entrada 25

2.4.7 Perda de Retorno 25

2.5 ESTRUTURA DA ANTENA DE MICROFITA 26

2.5.1 Frequência de Ressonância 27

2.5.2 Casamento de Impedância 27

2.6 MÉTODOS DE ALIMENTAÇÃO 28

2.6.1 Alimentação por Linha de Microfita 29

2.6.2 Alimentação por Sonda Coaxial 29

2.6.3 Acoplamento por Abertura 30

2.6.4 Acoplamento por Proximidade 31

2.7 MÉTODOS DE ANÁLISE 31

2.7.1 Modelos Aproximados 32

2.7.2 Modelos de Onda Completa 35

2.8 MATERIAIS USADOS NO SUBSTRATO DE ANTENAS DE MICROFITA 36

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3 CERA DE CARNAÚBA 38

3.1 TIPOS E CARACTERÍSTICAS 38

3.2 PROPRIEDADES ELÉTRICAS 39

4 MATERIAIS E MÉTODOS 42

4.1 PROJETO DA ANTENA DE MICROFITA 42

4.2 SIMULAÇÃO DA ANTENA 42

4.3 CONSTRUÇÃO DA ANTENA 43

4.4 TÉC. DE PRODUÇÃO DA SOBRECAMADA DA CERA DE CARNAÚBA 43 4.5 MEDIÇÃO DAS PROPRIEDADES DA ANTENA DE MICROFITA 44

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES 46

5.1 PROJETO DAS ANTENAS 46

5.2 SIMULAÇÃO E CONSTRUÇÃO DAS ANTENAS 46

5.3 SIMULAÇÃO NO HFSS E MEDIDAS NO MINIVNA 48

6 CONCLUSÃO 55

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 57

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1 INTRODUÇÃO

A área de Telecomunicações no Brasil e no mundo tem mudado a maneira de viver, produzir e de se relacionar da população nas últimas duas décadas. A crescente evolução nos sistemas de informação, acabou fazendo com que mais investimentos fossem realizados no setor das Telecomunicações.

Segundo a Associação Brasileira de Telecomunicação (2014), a receita bruta deste setor foi de aproximadamente R$ 240,0 bilhões em 2014, foi o valor mais alto da história do setor de telecomunicações e equivaleu a 4,2% do PIB. Já em 2018, ainda segundo a Associação Brasileira de Telecomunicações, nos noves primeiros meses de 2018 as prestadoras de serviços de telecomunicações investiram R$ 20,5 bilhões na expansão, modernização e melhoria da qualidade de serviços. Os investimentos corresponderam a 2,6% da Formação Bruta do Capital Fixo e a 0,41% do PIB no período. Em decorrência desse progresso é necessário que cada vez mais esse setor se desenvolva e receba investimentos.

As antenas de microfita, a princípio, foram propostas por G. A. Deschamps no ano de 1953, mas tornaram-se populares na década de 70, quando um grupo de pesquisadores incluindo Robert E. Munsonas desenvolveram quando utilizaram um substrato de baixa perda (MEHTA, 2015). Consiste basicamente em duas placas condutoras, que são separadas por um material dielétrico, o substrato. São bastante utilizadas em aparelhos portáteis e móveis. Sua utilização não é uma novidade no mundo das comunicações. Atualmente, desempenham um papel importante nas telecomunicações, sendo disponíveis em diversas configurações.

Recentemente, novos materiais vêm sendo utilizados na confecção de antenas, com intuito de melhorar algum parâmetro, seja através de dopagem, de misturas de compósitos ou uso de multicamadas. Esses novos materiais apresentam uma promissora área de pesquisa que promete trazer importantes avanços científicos em várias áreas, como nas telecomunicações, microeletrônica e até mesmo área médica.

Neste trabalho, será utilizada a cera de carnaúba, que é um material regional com grande valor cultural, social e econômico. Pretende-se estudar o comportamento desse material quando utilizado sobre uma antena de microfita.

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1.1 JUSTIFICATIVA

A ascensão tanto da utilização das antenas nas telecomunicações como também de novos materiais incorporados a sua fabricação, vem se tornando uma realidade cada vez mais presente na sociedade. Neste aspecto, a carnaúba se mostra uma opção muito interessante para se desenvolver estudo e aplicações em antenas, uma vez que, existem poucos trabalhos referentes a este material, mais especificamente, à cera de carnaúba aplicada à área de antenas. Alguns estudos foram realizados na década de 50, onde foi medida a permissividade para uma faixa de frequência de algumas dezenas de Hz a poucas centenas de kHz, porém, ainda é um material pouco explorado na área de telecomunicações. O Nordeste do Brasil tem na carnaúba uma fonte de renda, no qual, muitas famílias das zonas rurais da região nordeste se mantêm economicamente através de sua exploração. Dessa forma, a abundância e importância desse material faz com que ele seja, provavelmente, um material promissor para o desenvolvimento de tecnologia relacionado a área de antenas.

1.2OBJETIVO GERAL

Este trabalho tem como objetivo estudar e desenvolver antenas de microfita utilizando o FR4 como substrato e uma sobrecamada (ou superestrato) de cera de carnaúba na antena, mostrando os procedimentos e materiais utilizados desde o dimensionamento até os testes.

1.3OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Projetar uma antena de microfita retangular padrão;

• Simular a antena de microfita retangular padrão e uma antena de microfita retangular com sobrecamada de cera de carnaúba;

• Confeccionar e testar as antenas;

• Comparar as antenas e analisar os resultados experimentais e os simulados.

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2 REFERÊNCIAL TEÓRICO

Neste tópico serão apresentados os principais conceitos utilizados no desenvolvimento e análise deste trabalho.

2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DAS ANTENAS

Atualmente, as antenas são estruturas importantes nas comunicações e para o desenvolvimento tecnológico humano. Segundo Balanis (V. 1, 2005), uma antena é a estrutura intermediária entre o espaço livre e a linha de transmissão, que é utilizada para transportar a energia eletromagnética.

De forma simplificada, o mecanismo de radiação de uma antena pode ser entendido como uma fonte que gera campos eletromagnéticos que são confinados e guiados pela linha de transmissão e antena, e por fim, quando essa perturbação se aproxima da abertura da antena é formada uma onda no espaço livre (BALANIS,V. 1, 2005). A Figura 01 demonstra por meio de uma ilustração o processo de radiação.

Figura 01 – Etapas da radiação na antena

Fonte: Balanis (2005)

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Segundo Aquino (2008), a radiação da antena pode ser entendida a partir do fenômeno da radiação eletromagnética, partindo das equações de Maxwell, a Lei de Gauss (Equação 1), Lei de Faraday (Equação 2) e Lei de Ampére (Equação 3).

∇ ∙ = (Eq. 1)

∇ ∙ = 0 (Eq. 2)

∇ × = − (Eq. 3)

∇ × = + (Eq. 4)

Partindo da Equação 1 e Equação 3 e considerando uma fonte conectada a uma estrutura geométrica irradiante eletricamente condutora, é estabelecido uma tensão ( ) = (2 ). Em consequência de V(t) surgem correntes da forma ( ) =

(2 + ), que fluem pela estrutura irradiante com densidade superficial ( , !, ", ) #_%^$_&'. Esse fluxo movimenta cargas elétricas no interior da estrutura, com densidade volumétrica ( , !, ", ) #_%⁽₎'.

Como resultado da Eq.1 é gerado um campo elétrico _ρ( , !, ", ) em razão da densidade volumétrica de cargas. Devido a Eq.4, um campo magnético _*( , !, ", ) é estabelecido em razão da densidade superficial de corrente. A Eq. 3 origina ₊ = ( , !, ", ) devido a variação do campo magnético no tempo. Somando-se _ρ( , !, ", ) e

+( , !, ", ) chega-se ao campo elétrico total ( , !, ", ), que irá dar origem a densidade de corrente de deslocamento _,( , !, ", ). Por fim, da Eq. 4 _,( , !, ", ) surge devido a densidade de corrente de deslocamento. Para que a radiação seja estabelecida, é necessário que se mantenha a fonte de tensão para que esse processo descrito ocorra de forma cíclica.

2.2 APLICAÇÕES

Inicialmente, as antenas encontravam aplicações em foguetes, satélites, aeronaves e mais alguns sistemas militares (LACERDA e SANTOS, 2008, apud GARG,BRAHTIA e ITTIPIBOON, 2008). Contudo, devido ao aumento das pesquisas e desenvolvimento de novas tecnologias, atualmente, pode-se observar antenas sendo utilizadas no setor comercial e em comunicação pessoal. Segundo Lacerda e Santos

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(2008, apud GARG,BRAHTIA e ITTIPIBOON, 2008), dentre essas aplicações podemos destacar: comunicação via satélite, serviços de radiodifusão, Doppler, sensoriamento remoto, radiadores biomédicos, controle e comandos de sistemas, instrumentação ambiental, comunicação pessoal, entre outros.

2.3 TIPOS DE ANTENAS

Nesta seção serão apresentadas de forma sucinta alguns tipos de antenas mais conhecidas e utilizadas.

2.3.1 Antenas Filamentares

As antenas filamentares são bastante familiares, devido a sua grande aplicabilidade. Segundo o Balanis (V. 1, 2005), são utilizadas em automóveis, prédios, navios, aviões, naves espaciais, etc. Dentre as antenas filamentares, podemos destacar: a de dipolo, de quadro e helicoidal, como pode ser observado na Figura 02.

Figura 02 – Antenas Filamentares

Fonte: Balanis (V.1, 2005)

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2.3.2 Antenas de Abertura

São muito utilizadas para aplicações aeronáuticas e espaciais, devido ao fato de se ter a possibilidade de montá-las na fuselagem do avião, nave espacial, etc (BALANIS, V.1, 2005). Sua crescente utilização é pela razão de poder utilizar frequências mais elevadas. Na Figura 03 pode ser observados algumas antenas de abertura.

Figura 03 – Antenas de Abertura

2.3.3 Antenas de Microfita

Atualmente, desempenham um papel importante em telecomunicações. Segundo Lacerda e Santos (2008), ao longo dos anos suas propriedades e estrutura foram sendo melhoradas, com isso, propriedades como baixo custo, baixo volume, formato ajustável e compatibilidade com circuitos integrados têm justificado a grande utilização dessas antenas. Com isso, são facilmente aplicáveis à comunicações móveis e aeroespaciais.

Na Figura 04 pode se observar uma antena de Microfita. Esta antena pertence a uma classe de antenas, chamada de antena planar. Usadas em diversas aplicações onde o perfil fino e o baixo peso são importantes.

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Figura 04 – Antena de Microfita

Fonte: Adaptado de Silveira e Silva (2016)

2.3.4 Antenas Refletoras

O ganho desse tipo de antena é elevado, consequentemente possui pequeno ângulo de abertura. São utilizadas para enlaces de grandes distâncias ou que necessitem de um alto desempenho do diagrama de irradiação. Os feixes são estreitos devido à alta diretividade da antena (TSM ANTENAS, 2019). A Figura 05 mostra dois tipos de antenas refletoras, a primeira um refletor parabólico e a segunda um refletor de canto.

Figura 05 – Antena Refletoras

Fonte: TSM Antenas (2019)

2.4 PARÂMETROS DE ANTENAS

Nesta seção são apresentados alguns parâmetros relacionados às antenas, que são características necessárias para descrever o seu desempenho.

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2.4.1 Diagrama de Radiação

O Diagrama de Radiação é um dos parâmetros principais para a análise do funcionamento de uma antena, algumas características, que serão abordadas mais adiante, como diretividade, ganho e polarização podem ser analisadas a partir desse diagrama. Segundo o Balanis (V.1, 2005), o diagrama da antena pode ser definido como uma representação gráfica das propriedades de radiação da antena em função de coordenadas espaciais.

Outro fator que demonstra a importância desse parâmetro para a análise do desempenho da antena é o fato de existirem direções de máximo e mínimo de radiação.

Conhecendo esses pontos, a partir do diagrama, pode-se determinar a melhor posição para se fixar a antena para que se tenha uma melhor transmissão ou recepção. Lacerda e Santos (2008) afirmam que a posição na qual a antena é fixada vai interferir de forma direta no desempenho da transmissão e recepção, uma vez que, a distribuição da potência radiada se dá, em muitos casos, de forma desigual no espaço. Na Figura 06 pode-se observar o Diagrama de Radiação de uma antena.

Figura 06 – Representação tridimensional e bidimensional do Diagrama de Radiação

Fonte: TSM Antenas 2.4.2 Diretividade

A Diretividade é um parâmetro que mede a capacidade de concentrar a potência irradiada na direção de máxima propagação (AQUINO, 2008), ou seja, mede o quão

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direcional é o padrão de radiação da antena. Matematicamente pode ser escrita como descrito na Equação 4:

- =4 / 0₁₂₃

(Eq. 4)

Onde:

U = Intensidade de radiação (W/ unidade de ângulo sólido) 0₁₂₃ = Potência radiada total (W)

2.4.3 Ganho

O ganho de uma antena também relacionado à diretividade, porém, levando em consideração tanto a eficiência como as propriedades direcionais da antena (BALANIS, V. 1, 2005). Com o auxílio da Equação 5, uma importante relação entre diretividade e ganho pode ser expressa como:

4 = ƞ- (Eq. 5)

Quantitativamente, pode ser definido como a intensidade da radiação obtida com relação à intensidade que seria obtida caso a potência aceita pela antena fosse radiada isotopicamente (BALANIS, V. 1, 2005). Outra definição é expressa na Equação 6.

4 =4 /(6, ) 0₇₈

(Eq. 6)

2.4.4 Largura de Banda

A Largura de Banda pode ser definida como a faixa de frequência na qual a antena opera e atende determinado limite especificado (AQUINO, 2008). Dependendo da necessidade e do tipo de aplicação, esses limites são estabelecidos levando em consideração cada caso específico.

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2.4.5 Polarização

Segundo Aquino (2008 apud FERNANDES e FRANCO, 2002), a polarização da antena é definida como a direção do vetor campo elétrico com relação a um plano de referência. A polarização pode ser classificada como linear, circular ou elíptica, sendo a mais a geral a polarização elíptica. Na Figura 07 pode-se observar os três tipos de polarização.

Figura 07 – Polarização Linear, Circular e Elíptica

2.4.6 Impedância de Entrada

A impedância de entrada apresentada pela antena pode ser determinada como a razão entre a tensão e a corrente nos seus terminais, sendo composta por uma parte resistiva e uma parte reativa (TSM ANTENAS).

Quando não se consegue casar a impedância da antena com a linha de transmissão o sistema degrada devido à potência refletida (LACERDA e SANTOS, 2008), ou seja, isso ocasiona perdas por descasamento de impedância.

2.4.7 Perda de Retorno

É um dos parâmetros mais importantes para se analisar o funcionamento de uma antena. Segundo Araújo (2011), pode ser definida como a razão entre potência incidente e a potência refletida da antena.

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Uma perda de retorno baixa significa uma boa transferência de potência para a carga. Matematicamente, esse parâmetro pode ser traduzido como é expresso na Equação 7.

9: = 10 <=>_? 0₁

0₇ (@A) (Eq. 7)

2.5 ESTRUTURA DA ANTENA DE MICROFITA

De forma simplificada, a antena de microfita consiste em uma placa metálica, comumente conhecida como patch, colocada sobre um substrato (dielétrico) que por sua vez está sobre um plano de terra, uma camada metálica fina, como mostra a Figura 08.

Figura 08 – Antena de Microfita

Fonte: Adaptado do Balanis (2005)

O patch pode ter diversas geometrias, pode ser: quadrado, retangular, circular, elíptico, triangular, etc. Na Figura 09 podem ser observados alguns tipos de formatos.

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Figura 09 – Geometria dos Patch de Microfita

O material e forma do patch são elementos que influenciam diretamente no desempenho da antena. Geralmente, o patch é fabricado de cobre ou ouro e sua geometria pode assumir diversas formas diferentes (COHEN, 1997 apud OLIVEIRA et al., 2014).

2.5.1 Frequência de Ressonância

De forma geral, pode-se dizer que a ressonância é um fenômeno que ocorre em uma determinada frequência onde temos uma transferência de energia máxima possível.

A maioria das antenas são utilizadas em sua frequência de ressonância, pois é a melhor faixa de frequência para antena operar.

Normalmente, as antenas são utilizadas em seu ponto de ressonância, ou seja, só existe uma largura reduzida de banda em que se pode operá-las de maneira eficiente.

Fora dessa faixa de ressonância, os níveis de reatâncias dão lugar a parâmetros que podem ser demasiado fora para o seu funcionamento satisfatório (LEITHOLD, 1979).

2.5.2 Casamento de Impedância

É necessário, para melhorar a eficiência de irradiação da antena, o casamento de impedâncias, para que assim minimize as reflexões (SADIKU, 2004), e

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consequentemente, melhorando sua eficácia. Segundo o Balanis (V.2, 2005), a impedância característica da linha de transmissão normalmente é real, enquanto a impedância da antena é complexa. Além disso, a variação de cada uma em função da frequência não é a mesma. Como a operação da antena não depende apenas dela e sim das características da frequência da antena e da linha de transmissão, há a necessidade de que se faça o casamento de impedância entre a antena e a linha. Dessa forma, se tenta casar as características de ambos os elementos dentro da faixa de frequência que se deseja operar.

Dentre os vários métodos utilizados para fazer o casamento de impedâncias, será abordado neste tópico o transformador de quarto de onda e a técnica de inset feed, uma vez que, são as técnicas mais usadas quando utilizadas com linhas de transmissão de microfita.

Utilizando o transformador, se a impedância da antena for real, o transformador pode ser conectado diretamente à carga. Porém, normalmente, a impedância da antena é complexa, sendo assim, o transformador deve ser posicionado a certa distância da antena. Essa distância deve ser escolhida de modo que a impedância de entrada na direção da carga em seja real (BALANIS, V.2, 2005). Neste caso, o transformador funciona como outra linha de transmissão, porém, com a impedância característica que melhor se adeque ao sistema.

Na técnica de inset feed, a linha de microfita penetra no elemento irradiador, em busca de um ponto de melhor casamento de impedância entre a linha e o elemento irradiador (SILVA, 2014 apud BARRA, 2007). Ou seja, o inset feed promove inserções no elemento irradiante afim de melhorar o casamento de impedância.

2.6 MÉTODOS DE ALIMENTAÇÃO

Existem vários tipo de configurações que podem ser utilizadas para alimentar as antenas, dentre eles os mais conhecidos são: Linha de Microfita, Sonda Coaxial, Acoplamento por Abertura e Acoplamento por Proximidade.

Os mecanismos de alimentação exercem papel importante no projeto de antenas de antenas de microfita. Tanto a alimentação por cabo coaxial como por linha de microfita, a posição do cabo ou o comprimento da fenda de inserção da linha de alimentação (inset feed) determinam a impedância de entrada (RAMESH, 2003 apud SILVA, 2014).

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2.6.1 Alimentação por Linha de Microfita

Consiste em uma fita conduta, normalmente com largura menor que a plaqueta (patch). Esse método é de fácil fabricação e de casamento de impedância simples, porém, quando se aumenta a espessura do substrato limita a largura de banda, normalmente 2-5% (BALANIS, V.2, 2005). Na Figura 10 é possível observar esse método de alimentação.

Figura 10 – Alimentação por Linha de Microfita

Fonte: Aquino (2008)

2.6.2 Alimentação por Sonda Coaxial

O condutor interno do conector coaxial transpõe o dielétrico e é soldado ao patch enquanto o condutor externo é soldado ao plano terra (AQUINO, 2008). Essa forma de alimentação é ilustrada na Figura 11. Esse método, juntamente com a alimentação por linha da microfita, são largamente utilizados. Segundo o Balanis (V. 2, 2005), esse método é de fácil construção e casamento de impedância, porém, tem pequena largura de banda.

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Figura 11 – Alimentação por Sonda Coaxial

Fonte: Adaptado do Balanis (V. 2, 2005)

2.6.3 Acoplamento por Abertura

Segundo Geraldo (2018), nesse método utiliza dois substratos separados por um plano terra em comum. Sendo que a linha de microfita de um dos substratos é eletromagneticamente acoplada ao patch por meio de uma fenda no plano de terra. A Figura 12 ilustra o método de alimentação apresentado.

Figura 12 – Alimentação por meio de Acoplamento por Abertura

Fonte: Bevelacqua (apud GERALDO, 2018)

Normalmente, o substrato inferior consiste em um material com constate dielétrica alta e o superior com uma constate dielétrica baixa. Esse método permite a

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otimização do mecanismo de alimentação e do elemento radiante (BALANIS, V.2, 2005).

2.6.4 Acoplamento por Proximidade

Esse método é semelhante ao método de Acoplamento por Abertura, tendo como diferença a não existência da fenda no plano de terra. Segundo o Balanis (V.2, 2008), essa configuração apresenta a maior largura de banda, de até 13%, porém, apresenta uma fabricação mais difícil. A Figura 13 ilustra esse método.

Figura 13 – Alimentação via Acoplamento por Proximidade

Fonte: Nahian (2016 apud GERALDO, 2018)

2.7 MÉTODOS DE ANÁLISE

Existem diversos métodos pra se analisar uma antena de Microfita. Nesta seção serão abordados dois modelos, o Modelo Aproximado, sendo o de linha de transmissão e o da cavidade os modelos mais reportados na literatura e o Modelo de Onda Completa, onde serão mencionados o Método dos Elementos Finitos (MEF) e o Método das Diferenças Finitas no domínio do tempo (FDTD).

(32)

2.7.1 Modelos Aproximados

Comparando-se os dois métodos, pode-se dizer que o da cavidade é mais preciso que o da linha de transmissão, porém, o de linha de transmissão é mais simples.

O Modelo da linha de transmissão, que será o método utilizado neste trabalho, leva em consideração os efeitos de borda causados pelo fato do patch possuir dimensões finitas, o que leva a um efeito de franjeamento, onde a quantidade será função das dimensões do patch e do substrato.

Segundo o Balanis (V.2, 2005), para determinar os parâmetros necessários para a antena de microfita através do método da linha de transmissão, é necessário calcular: a largura do elemento, o verdadeiro comprimento, o comprimento efetivo e a frequência de ressonância, que são dadas pelas seguintes equações:

a) A largura W do elemento radiador é dada pela Equação 8

(Eq. 8)

Sendo a constante dielétrica efetiva da antena é determinada pela Equação 9.

(Eq. 9)

b) Após determinar o valor de W, determina-se a partir da Equação 10 a extensão de comprimento gerada pelos campos de bordas.

(Eq. 10)

c) O comprimento verdadeiro da antena é dado pela Equação 11.

(Eq. 11)

d) O comprimento efetivo da antena é calculado pela Equação 12.

(Eq. 12) e) A frequência de ressonância é expressa pela Equação 13.

(33)

(Eq. 13)

Onde temos que:

W – largura do patch;

L – comprimento do patch;

∆L – variação de comprimento da antena;

fr– frequência de ressonância;

ɛ_ref – constante dielétrica efetiva;

B – velocidade das ondas eletromagnéticas no espaço livre;

ɛ_r – constante dielétrica;

h – espessura do substrato;

Determinando esses parâmetros é possível dimensionar a antena, como pode ser observado na Figura 14.

Figura 14 – Dimensões da Antena de Microfita

Para o inset feed, os seguintes parâmetros precisam ser calculados, ! em mm e

!_C em mm. Onde o ! pode ser encontrado utilizando a Equação 14 e o !_C pode ser considerado com a mesma largura da linha de transmissão, ou a metade, dependendo de alguns autores. Na Figura 15 pode ser observado o inset feed na antena.

(Eq. 14)

(34)

Para a linha de transmissão, é necessário calcular a largura D_E, que pode ser encontrada pela equação 15 ou 16, fazendo-se a impedância da linha de microfita igual a 50Ω.

(Eq. 15)

(Eq. 16)

Figura 15 – Inset feed na antena

Fonte: Silva (2014)

Segundo Balanis (V.2, 2005), O Modelo da Cavidade pode ser utilizado para qualquer forma de patch, porém, o modelo matemático para um patch retangular é mais simples. Então, basicamente, para um patch retangular, os campos normalizados no

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interior do substrato dielétrico podem ser determinados com mais precisão se tratar essa região como uma cavidade limitada por condutores e por paredes magnéticas ao longo da plaqueta. Com essas considerações podem ser calculadas as características de radiação da antena.

Segundo Balanis (V.2, 2005), Os campos na antena são expandidos em termos de modo ressonante na cavidade, onde cada modo tem a sua frequência de ressonância dada pela Equação17, onde os índices m, n, p representam os modos de propagação.

(Eq. 17)

2.7.2 Modelos de Onda Completa

O modo de propagação da antena de microfita é modificado devido à interface dielétrico-ar. Desta forma, o método de análise deve considerar a natureza híbrida dos modos de propagação, com isso, esses métodos são chamados Método de onda completa.

Os mais relatados na literatura são: o Método da Linha de Transmissão Equivalente, o Método dos Potenciais Vetoriais de Hertz, Método da Linha de Transmissão Transversa – LTT, além dos métodos numéricos: Método dos Elementos Finitos (MEF) e Método das Diferenças Finitas no domínio do tempo (FDTD).

Segundo Feitoza (2005), esses métodos numéricos necessitam de um maior esforço computacional, ou se forem os modelos de onda completa, necessitam de um grande esforço analítico, porém, os resultados são mais precisos e também são validos para frequências mais altas.

O Método dos Elementos Finitos (MEF) (em inglês: Finite Element Method - FEM) é um procedimento numérico para determinar soluções aproximadas de problemas de valores sobre o contorno de equações diferenciais. O MEF subdivide o domínio de um problema em partes menores, denominadas elementos finitos para poder realizar cálculos e calcular os campos eletromagnéticos em cada ponto da malha. O método dos momentos é usado na resolução de equações integrais de Maxwell. É um método poderoso que faz uso de expansões em funções-base para aproximar os campos eletromagnéticos reais de forma numérica. Esta expansão faz uso de funções-peso que podem representar as densidades de corrente na estrutura em estudo, um caso particular

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ocorre quando as funções-base e as funções-peso são iguais. Neste caso o método recebe o nome método de Galerkin.

O Método das Diferenças Finitas no domínio do tempo (FDTD - Finite- difference time-domain) ou método de Yee é uma técnica de análise numérica usada para modelagem computacional, ou seja, encontrar soluções aproximadas para o sistema de equações diferenciais relacionados aos campos eletromagnéticos (LACERDA e SANTOS, 2008). Como é um método no domínio do tempo, as soluções FDTD podem abranger uma ampla faixa de freqüência com uma única simulação e tratar as propriedades de materiais não-lineares de maneira natural. É uma evolução do método das diferenças finitas. As equações de Maxwell dependentes do tempo (na forma diferencial parcial) são discretizadas usando aproximações de diferença central para as derivadas parciais de espaço e tempo. As equações de diferenças finitas resultantes são resolvidas via cálculo numérico para um volume de espaço em um determinado instante no tempo. O processo é repetido até que o comportamento do campo eletromagnético seja estacionário.

2.8 MATERIAIS USADOS NO SUBSTRATO DE ANTENAS DE MICROFITA

A utilização das antenas de microfita veio crescendo ao longo dos anos. Com isso, foram se intensificando os estudos e progressos tecnológicos relacionados a esse tipo de antena. Alguns desses estudos relatam a respeito dos substratos que melhor se adequam a esse tipo de antena, oferecendo à antena um melhor desempenho. Segundo Khan e Nema (2012), os substratos mais utilizados são Bakelite, FR4, RO4003, Taconic TLC e RT Duroid.

Ainda segundo os mesmos autores, a Bakelite é uma resina formada a partir da reação entre o fenol com o formaldeído e possui uma considerável resistência mecânica.

O FR4 é um compósito de fibra de vidro com resina epóxi, sendo um termoplástico bastante versátil e mais comumente utilizado como isolante elétrico.Os Circuitos de Alta Freqüência da Série RO4003 são de vidro laminados de hidrocarbonetos/

cerâmicos reforçados. É um material de baixa perda que pode ser fabricado usando processos padrão epóxi / vidro (FR4).O Taconic TLC exibe excelente estabilidade mecânica e térmica. O RT Duroid é PTFE reforçado com microfibra de vidro composto de politetrafluoroetileno. Esse substrato possui tangente de baixa perda, excelente resistência química, incluindo solvente e reagentes usados na impressão e revestimento.

(37)

Normalmente, as constantes dielétricas dos materiais utilizados como substrato assumem ordens de 2,2≤ ₁≤12 e afetam o desempenho da antena. O substrato que possui uma constante dielétrica de valor baixo possui melhores radiações no espaço do que o substrato que tem um alto valor da constante dielétrica (BALANIS, V. 2, 2005).

Segundo Silveira (2015), com valor de permissividade mais alta, pode-se diminuir a dimensão do patch e da extensão dos campos de franja. Com isso, a radiação é devido a um estreito anel de corrente magnética em torno da superfície do patch, que normalmente proporciona modelos de radiação assimétricos. Já com substratos mais grossos, não é necessário reduzir muito o tamanho da plaqueta, mas estende-se a zona dos campos de franja, resultando assim em uma amplo anel de radiação.

(38)

3 CERA DE CARNAÚBA

A cera de carnaúba é um produto natural que é extraído de uma palmeira. Possui aplicabilidade em diversos processos de industrialização de produtos que trazem benefícios a sociedade (NASCIMENTO et al., 2018). Segundo o IBGE (2012), Os principais estados produtores são: Piauí, Ceará, Rio Grande do Norte e o Maranhão. A cera da carnaúba é o principal produto da carnaubeira, sendo utilizada em diversos produtos no dia-a-dia, como por exemplo: batom, verniz, tintas térmicas etc.

A cera da carnaúba é obtida a partir das folhas da planta, uma vez que as folhas são revestidas por uma cobertura cerífera (SBRT, 2013). Mais especificamente, a cera é obtida do pó da palha da carnaúba, podendo ser produzida de forma industrial ou artesanal. Após a palha ser cortada, ocorre a secagem ao sol da palha e então se extrai o pó cerífero. Após a obtenção do pó, ocorre a produção da cera bruta, onde a água é utilizada como solvente, com isso, clareia-se o pó com peróxido de hidrogênio. Segundo Cavalcante (2019), o pó possui colorações diferentes, quando extraído da extensão das folhas possui cor amarela alaranjada ou preta, já quando é extraída da parte central das folhas, tem a cor amarelo ouro.

Segundo a SBRT (2012 apud ALVES e COELHO, 2006), “o beneficiamento artesanal tem como base do seu processo a mistura do pó extraído da palha à água na caldeira, para ser cozido e, deste, ser extraída parte da cera”. Já para o processo industrial existem três formas de transformação do pó em cera: refinando a cera bruta obtida em processo artesanal, refinando o pó para depois produzir a cera e pelo processamento da borra da cera de carnaúba originária do processamento artesanal e industrial. Em geral são necessárias duas etapas para a transformação do pó em cera:

destilação e refinação.

Do Nascimento et al. (2013 apud CAVALCANTE, 2019) afirma que devido ao fato de planta precisar se adaptar ao clima do Nordeste do Brasil, observa-se a presença de cera nas folhas da carnaúba para que não ocorra a perda de água por transpiração e proteja da planta contra o ataque de fungos.

3.1 TIPOS E CARACTERÍSTICAS

A Instrução Normativa SARC N° 10 (11 de dezembro de 2002), classifica a cera pela coloração e qualidade, como pode ser observado na Tabela 1.

(39)

Tabela 01 - Classificação da cera de carnaúba pela Instrução Normativa SARC N° 10 (11 de dezembro 2002)

Fonte: Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (2004)

Segundo Nascimento et al. (2018), a cera produzida de forma artesanal é chamada de cera de origem e classificada em três tipos: amarela ou cera olho, arenosa e gorda. A cera arenosa, de cor verde- acinzentada, contém 6% de água em média; a cera gorda, de cor negro-esverdeada, difere da arenosa por não conter água em sua composição.

Do Nascimento et al. (2013 apud CAVALCANTE, 2019) afirma que as ceras do tipo 1 e 2, são as ceras com maior grau de pureza. Isso leva a serem mais utilizadas pelas indústrias química, farmacêutica, alimentícia, informática e cosmética.

3.2 PROPRIEDADES ELÉTRICAS

Basicamente, serão mencionadas duas propriedades específicas que são consideradas importantes para um material dielétrico, sendo eles a constante dielétrica e o fator de perda dielétrica, ou a permissividade elétrica e a tangente de perdas.

Utilizando a técnica da eletroscopia dielétrica é possível estabelecer a estrutura molecular da cera da carnaúba e sugerir como se comportam em determinadas circunstâncias, podendo determinar a constante dielétrica e o fator de perda dielétrica.

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Segundo o estudo desenvolvido por Callinan e Parks (1959), em temperaturas muito baixas a constante dielétrica da cera de carnaúba também é baixa, entre 2,16-2,29 e difere ligeiramente em diferentes frequências. A medida em que a temperatura vai aumentando a constante dielétrica também aumenta, porém, inicialmente aumenta lentamente e depois de maneira mais rápida até que a constante atinja seu ponto máximo e comece a diminuir, mesmo que se continua a aumentar sua temperatura. Já para o fator de perda dielétrica, seus pontos de máximo são distintos em diferentes temperaturas, pois dependem da frequência. Em baixas frequências se obtém valores de máximo maiores, enquanto em frequências mais altas se atinge o valor de máximo e depois tende a cair. Nas Figuras 16 e 17 podem ser observadas a tabela e o gráfico, respectivamente, retirados do trabalho de Callinan e Parks que mostram o comportamento da constante dielétrica e do fator de perda levando em consideração a frequência e a temperatura em uma faixa de frequência que varia de 0,1 kHz a 100 kHz.

Figura 16 – Variação da constante dielétrica e fator de perda dielétrica para a cera de carnaúba

Fonte: Callinan e Parks (1960)

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Figura 17 - Dados da constante dielétrica e fator de perda dielétrica para a cera de carnaúba

Fonte: Callinan e Parks (1960)

O que se pode perceber com os dados da Figura 16 e 17 é que a constante dielétrica possui uma grande dependência com a temperatura.

Segundo Callister (2000), a permissividade elétrica é importante no estudo de materiais dielétricos, pois representa o aumento na capacidade de armazenamento de cargas pela inclusão do meio dielétrico, normalmente, entre duas placas. Sendo assim, a permissividade elétrica relativa é a razão entre a quantidade de energia armazenada em um determinado material e a contida no vácuo (8,85x10^-12 F/m). Um aspecto importante nesta propriedade é que o valor de permissividade é dependente da frequência de trabalho.

A tangente de perdas, segundo Pozar (1998), pode ser definida como a relação entre a parte imaginária efetiva da permissividade e a sua parte real. De forma geral, espera-se que a tangente de perdas seja baixa na freqüência de operação do dispositivo, isso faz com que ocorra uma baixa perda por inserção.

Segundo Cavalcante (2019), a cera da carnaúba caracterizada em seu trabalho apresentou uma permissividade elétrica relativa aproximadamente igual a 2,35 e tangente de perdas aproximadamente igual a 0,0714, para uma frequência de 2,45 GHz.

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4 MATERIAIS E MÉTODOS

Neste tópico serão descritos os materiais e métodos que foram empregados para a realização de todo o projeto - desde o projeto da antena até as simulações da antena com a sobrecamada de cera de carnaúba e da antena padrão sem a sobrecamada.

4.1 PROJETO DA ANTENA DE MICROFITA

Na etapa inicial do projeto, foi definido qual método seria utilizado para projetar as antenas de Microfita. Optou-se por utilizar um dos métodos apresentado pelo Balanis (V. 2, 2005), o método da linha da transmissão, que já foi mencionado no Referencial Teórico. Dessa forma, foram levados em consideração os seguintes dados: altura da antena h = 1,58 mm, velocidade da luz G = 2,99863 × 10^Lm/s, _1MNO= 4,40,

= 8,85 × 10^Q?RF/m, = 4π × 10^QT, _1UV12 = 2,35, W X = 0,0714, frequência de ressonância de 2,45 GHz e o modo de ressonância de TM010 e utilizando as equações já descritas, foram calculados os seguintes parâmetros: a largura W, a constante dielétrica efetiva _1VZ, ∆: e o comprimento verdadeiro L. Para o inset feed foram calculados: ! , D e . Essas medidas foram utilizadas tanto para a antena padrão como para a antena com o sobrecamada de cera de carnaúba.

4.2 SIMULAÇÃO DA ANTENA

De posse das dimensões projetadas, as antenas foram modeladas e simuladas na frequência de 2,45 GHz. Foram simuladas utilizando o software Ansys HFSS® (High Frequency Structural Simulator) para a obtenção dos principais parâmetros de operação da antena: o coeficiente de reflexão, ganho e a carta de Smith. Para a simulação, foi criado no HFSS um novo material com as propriedades elétricas encontradas na caracterização do material feito por Cavalcante (2019). O desenho no software, não é exatamente igual ao substrato construído devido à dificuldades técnicas inerentes à produção do material da sobrecamada, porém possui dimensões suficientes para uma boa aproximação com a realidade, quando considerado a cera da carnaúba depositada na antena de microfita.

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4.3 CONSTRUÇÃO DA ANTENA

Após a etapa do projeto e simulação, ocorreu a fabricação dos protótipos com as dimensões já projetadas. Para o plano de terra e o patch, parte condutora da antena foi utilizado o cobre, cuja condutividade é de 5,8 × 10^T S/m e a espessura é de 0,05 mm. O substrato foi utilizado o FR4, que é um material de baixa perda e possui permissividade relativa de 4,44.

Posteriormente, um conector SMA-KE fêmea reverso de cobre banhado a ouro com impedância de 50 Ω e faixa de operação de 0 a 6 GHz, foi soldado à linha de transmissão e ao plano de terra, para permitir a alimentação e os testes que serão feitos na antena.

4.4 TÉCNICA DE PRODUÇÃO DA SOBRECAMADA DA CERA DE CARNAÚBA

Estudou-se a possibilidade de utilizar a cera de carnaúba como superstrato para antenas de microfita, pois ela possui funcionalidade como dielétrico. Sendo assim, foi utilizada a cera de carnaúba do tipo 1, observada na Figura 18.

Figura 18 – Cera da Carnaúba

Fonte: Autoria Própria (2019)

A cera da carnaúba já havia sido previamente caracterizada no trabalho de Cavalcante (2019), onde para a caracterização elétrica do material foi necessário determinar a permissividade elétrica, que foi de 2,35, e a tangente de perdas de 0,0714.

Para a produção do superstrato foi utilizado um agitador magnético com aquecimento, disponibilizado pelo Laboratório de Processos Químicos da UFERSA.

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Com isso, o pó da cera de carnaúba foi aquecido até seu ponto de fusão, que é de aproximadamente 74°C e mediu-se essa temperatura com o auxílio de um termostato, também cedido pelo laboratório da UFERSA. Na Figura 19 pode ser observado o pó cerífero derretido. Após seu aquecimento, o pó derretido foi deposito em cima da antena de microfita e por fim, resfriado até a temperatura ambiente em uma estufa, para que o resfriamento ocorresse de forma lenta e gradativa evitando possíveis rachaduras no superstrato de cera.

Figura 19 – Pó cerífero derretido

4.5 MEDIÇÃO DAS PROPRIEDADES DA ANTENA DE MICROFITA

Após a etapa de confecção a antena padrão e antena com o superstrato foram testadas com um equipamento de medição denominado MiniVNA Tiny – 1MHz a 3GHz, que é um analisador de redes vetoriais utilizado para medir a perda de retorno e impedância de entrada das antenas. Na Figura 20 pode ser observado o Mini VNA .

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Figura 20 – Mini VNA

A partir da medição nas duas antenas, foi possível obter parâmetros tais como a perda de retorno e a carta de Smith com a impedância de entrada de ambas as antenas.

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5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Nesta seção serão apresentados e analisados os principais resultados referentes as etapas de projeto, simulação e teste das antenas, comparando e avaliando os valores teóricos com os valores reais da antena padrão e da antena com a sobrecamada de cera de carnaúba.

5.1 PROJETO DAS ANTENAS

A Tabela 02 apresenta os valores das dimensões das antenas padrão e com a sobrecamada de cera de carnaúba. É importante ressaltar que as antenas trabalhadas só ressoaram na frequência de 2,45 GHz ao fazer uso da técnica de casamento de impedância, inset feed e melhorando o parâmetro de perda de retorno. Para ambas as antenas foi utilizado o mesmo projeto, com as mesmas dimensões.

Tabela 02 – Dimensões projetadas da Antena

Patch Linha de

Transmissão

Inset feed Substrato

W (mm) L (mm) D (mm) ! (mm) !_C(mm) h (mm)

37,243 38,824 3,318 8,853 3,318 1,58

Fonte: Autoria própria (2019)

5.2 SIMULAÇÃO E CONSTRUÇÃO DAS ANTENAS

Após o desenho das antenas no HFSS, foram simuladas e obtidos os seguintes resultados: o gráfico de Perda de Retorno e o diagrama de radiação 2D e 3D. Na Figura 21 pode se observar o desenho da antena no HFSS com sobrecamada transparente. Na Figura 21 observa-se que há um substrato entre o patch e o plano de terra de FR4, o plano de terra e o patch são de lâminas de cobre, e há uma sobrecamada de cera de carnaúba, representada com uma cor transparente para permitir a visualização da antena de microfita. Observa-se também a presença da linha de alimentação e do inset feed realizando o casamento de impedância da antena com a linha de transmissão de 50 Ω.

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Figura 21 – Desenho da antena no HFSS com sobrecamada transparente

Para a simulação da antena com sobrecamada, foram levados em consideração os seguintes dados para a cera de carnaúba, retirados do trabalho de Cavalcante (2019).

Tabela 03 – Constantes da cera de carnaúba

Permissividade Tangente de perdas

2,35 0,0714

Após a simulação, as antenas foram construídas e medidas. A Figura 22 contém uma ilustração da antena antes da deposição da cera na antena (foto da esquerda) e uma ilustração da antena após a deposição do superstrato (foto da direita), bem como a figura da antena de microfita com sobrecamada conectada ao miniVNA.

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Figura 22 – Antena antes (a) e depois (b) da deposição da sobrecamada e a antena conectada ao minivna (c)

5.3 SIMULAÇÃO NO HFSS E MEDIDAS NO MINIVNA

A partir das simulações foi possível obter dados para a construção do gráfico da perda de retorno das duas antenas. Como é possível observar na Figura 23, foram plotados os dados da simulação da antena padrão e da antena com a sobrecamada, a fim de que se possa comparar os dois resultados obtidos. Na Figura 23 se observa a perda de retorno da antena padrão com os símbolos em forma de losango, e a perda de retorno da antena com sobrecamada com os símbolos quadrados. A linha passando pelo valor de - 10dB indica a largura de banda de cada antena, e o ponto mais baixo da curva indica a frequência de ressonância da antena simulada.

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Figura 23 – Simulação de S(1,1) (dB) da antena de microfita padrão e com sobrecamada

Na figura 23 percebe-se que ambas as antenas ressoam próximo da frequência de projeto, porém o casamento de impedância não ficou adequado. A frequência de ressonância da antena sem sobrecamada é de 2,43GHz, com largura de banda de 60MHz, enquanto que a frequência de ressonância com sobrecamada caiu para 2,4GHz com largura de banda de 40MHz.

Na figura 24 são apresentados as simulações dos diagramas de radiação 2D das antenas padrão e com sobrecamada. Percebe-se que a sobrecamada não tem muita influência sobre o diagrama de radiação. Percebe-se que há mudanças muito sutis entre os dois diagramas da Figura 24. Ambas possuem aproximadamente a mesma intensidade de radiação à 0º, dificultando a diferenciação visual. Isso pode ser pela espessura da sobrecamada, ou pela baixa permissividade elétrica relativa da cera de carnaúba. O mesmo ocorre na Figura 25 para ao diagrama de radiação 3D. Não tem mudanças muito significativas entre os diagramas sem e com sobrecamada, porém a

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intensidade máxima de radiação tem uma pequena diferença observada na barra de cores do ganho em dB.

Figura 24 – Simulação do diagrama de radiação 2D da (a) antena de microfita padrão, e da (b) antena de microfita com sobrecamada

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Figura 25 – Simulação do diagrama de radiação 3D da (a) antena de microfita padrão, e da (b) antena de microfita com sobrecamada

Na Figura 26 são apresentadas as medidas das perdas de retorno para a antena padrão e com sobrecamada de cera de carnaúba. Observa-se que a cera de carnaúba,

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desloca a frequência um valor menor que a antena padrão, aumenta a largura de banda e melhora o casamento de impedância. A antena padrão ressoa em 2,4GHz, com largura de banda de 52,3MHz, próxima da simulação, enquanto que a antena com sobrecamada ressoa em 2,37GHz com largura de banda de 80,2MHz.

Figura 26 – Perda de retorno medida para a antena de microfita retangular sem sobrecamada (antena padrão) e com sobrecamada

Comparando os resultados obtidos, percebe-se que houve uma melhora significativa na perda de retorno quando se acrescentou à antena a camada de cera de carnaúba, consequentemente, também ocorreu um aumento no coeficiente de reflexão da antena com a sobrecamada. Também pode ser observado que ocorreu um pequeno deslocamento frequência de ressonância e aumento na largura de banda.

Na Figura 27 é apresentada a medida impedância de entrada da antena em um gráfico retangular e na carta de Smith, para as frequências de ressonância de cada antena, padrão e com a sobrecamada. Percebe-se que a antena com sobrecamada possui um melhor casamento de impedância, mostrando que além de proteger o cobre da

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antena de microfita retangular, a sobre camada realiza uma melhoria no casamento de impedância. É apresentada a impedância para a frequência de ressonância de cada antena indicada em uma linha vertical tracejada, onde se vê claramente que a parte imaginária das impedâncias é menor na antena com sobrecamada, enquanto que a parte real é mais próxima de 50Ω para a antena com sobrecamada.

Figura 27 – Medida da impedância da Antena de microfita sobre substrato de FR4 sem sobrecamada e com sobrecamada de cera de carnaúba em gráfico retangular.

O mesmo efeito observado na Figura 27, onde é observado na carta de Smith medida para as duas antenas e apresentada na Figura 28. A impedância da antena com sobrecamada, indicada na Figura 28 por um círculo, é mais próxima do ponto central do que a impedância da antena sem sobrecamada, indicada por um quadrado. Isso indica que o casamento de impedância é melhor na antena com sobrecamada.

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Figura 28 – Medida da impedância da Antena de microfita sobre substrato de FR4 sem sobrecamada e com sobrecamada de cera de carnaúba na carta de Smith.

Conforme observado nas figuras anteriores a sobrecamada não só serve como proteção contra oxidação do patch metálico, como serve de proteção mecânica, melhora o casamento de impedância, aumenta a largura de banda e reduz as dimensões da antena.

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6 CONCLUSÃO

Com o objetivo de aplicar a cera de carnaúba aos modernos sistemas de comunicação na banda S (faixa de frequência de 2 GHz e 4 GHz), foi realizado um estudo com aplicação prática na construção de antena de microfita com sobrecamada. A antena de microfita com sobrecamada se mostrou simples, moldáveis, de baixo custo, mecanicamente estável, além de melhorar propriedades da antena. O estudo de novos materiais para aplicações na banda S é diversificado, e a cera de carnaúba se mostrou muito promissora. No decorrer do trabalho foi possível obter da literatura científica os parâmetros elétricos necessários ao projeto da antena de microfita. Porém, os parâmetros elétricos da cera de carnaúba não são conhecidos pela literatura científica para frequências na faixa de GHz, mas sim para baixas frequências. Para tanto, usou-se o trabalho de Cavalcante (2019), que não apenas caracterizou a cera de carnaúba na banda S, como também realizou caracterização mecânica, química e elétrica. Sendo assim possível realizar a simulação da antena com sobrecamada de cera de carnaúba.

O interesse do trabalho foi compreender o comportamento eletromagnético da multicamada de cera de carnaúba em antenas de microfita, sendo este objetivo alcançado e mostrado sua viabilidade. O uso da cera de carnaúba exige uma técnica de derretimento e resfriamento lento, sendo este um pronto crítico, provavelmente a parte mais difícil deste trabalho. Foi projetada a antena de microfita retangular padrão, a mesma foi simulada, construída e medida, ficando seu comportamento próximo do simulado. Para que a antena tivesse um comportamento melhor seria necessário melhorar o casamento de impedância. O passo seguinte foi acrescentar uma sobrecamada de cera de carnaúba, para o estudo de interesse. Para esta antena foi realizada a simulação, construção e medida dos parâmetros da antena para que fosse possível compará-la com a antena padrão. Os resultados simulados e medidos das duas antenas foram comparados. Os resultados simulados não se mostraram tão interessantes, exceto pelo fato de que a frequência de ressonância foi deslocada para a esquerda, mostrando que o uso da sobrecamada permite uma redução nas dimensões da antena. A comparação dos resultados medidos se mostraram satisfatórios na antena com sobrecamada, não apenas confirmou o deslocamento da frequência apresentado nas simulações, mas mostrou uma melhoria na perda de retorno, largura de banda e no casamento de impedância.

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Para trabalho futuro se sugere que o estudo das características da cera se aprofunde, e se faça uso de alguma técnica para aumentar a temperatura de fusão e da resistência mecânica.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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