V´arios m´etodos tˆem sido utilizados para medir as propriedades de reflex˜ao e transmiss˜ao de superf´ıcies seletivas de freq¨uˆencia. O desempenho de transmiss˜ao pode ser medida em temperatura ambiente utilizando uma FSS de tamanho finito em uma cˆamara anec´oica. Usualmente para as medi¸c˜oes s˜ao utilizadas cornetas padr˜oes como antenas transmissoras e receptoras. Configurando as antenas cornetas para polariza¸c˜ao de vertical para horizontal, pode-se medir caracter´ısticas de transmiss˜ao TE e TM das superf´ıcies seletivas de freq¨uˆencia colocadas entre as duas cornetas. A princ´ıpio, com esta configura¸c˜ao ´e poss´ıvel medir a reflex˜ao causada pela FSS. No entanto dados errados ser˜ao obtidos devido a forte difra¸c˜ao causada pelas bordas da superf´ıcie medida. Essas difra¸c˜oes podem ser atribu´ıdas `as dimens˜oes da FSS que geralmente s˜ao significativamente menores que a largura de banda da cornetas. A Figura 3.3 ilustra uma configura¸c˜ao de equipamentos para a medi¸c˜ao de FSS. Para medi¸c˜oes de precis˜ao recomenda-se a utiliza¸c˜ao de lentes em conjunto com as cornetas, uma vez que devido ao efeito das lentes a superf´ıcie passa a ser iluminada por um feixe Gaussiano de menor largura, reduzindo significativamente os efeitos da difra¸c˜ao nas bordas [Wu, 1995].
3.6
T´ecnicas de An´alise
V´arios m´etodos tˆem sido usados em an´alises de FSS (FDTD, MoM, FEM entre outros). H´a na literatura, diversas f´ormulas aproximadas, desenvolvidas por alguns autores, para se determinar as caracter´ısticas de transmiss˜ao e de reflex˜ao para uma FSS usando patches, ou aberturas retangulares. Um m´etodo bastante simples e que produz resultados satisfat´orios ´e o modelo do circuito equivalente. Nesta an´alise os v´arios segmentos de fita que formam o elemento patch em um arranjo peri´odico s˜ao modelados como componentes indutivos, ou capacitivos, em uma linha de transmis- s˜ao. Da solu¸c˜ao deste circuito, s˜ao encontradas as caracter´ısticas de transmiss˜ao e reflex˜ao da FSS. Esta t´ecnica usa uma aproxima¸c˜ao quase-est´atica para calcular as componentes do circuito e permite uma r´apida resposta computacional. Outra t´ec- nica de an´alise empregada ´e o m´etodo da expans˜ao modal, que permite uma an´alise
Divisor 3 dB Analisador de Rede Gerador de Sinais RF Acoplador Direcional Acoplador Direcional Corneta
Transmissora CornetaReceptora
FSS
Referência
Figura 3.3: Exemplo de sistema de medi¸c˜ao de FSS.
capaz de fornecer detalhes das repostas em freq¨uˆencia e da polariza¸c˜ao, junto com o entendimento f´ısico da sua opera¸c˜ao. Quanto ao uso do m´etodo dos momentos no dom´ınio espectral pela t´ecnica anterior, ´e verificado um grande esfor¸co computaci- onal, sendo desaconselh´avel para a an´alise de FSS com elementos mais complexos, como por exemplo espiras quadradas duplas [Campos, 1999].
Em [Campos, 1999] ´e feita uma an´alise de onda completa de FSS do tipo patch sobre um substrato di´eletrico utilizado o m´etodo dos momentos em conjuto com o m´etodo da linha de transmiss˜ao. ´E com base nesse trabalho que ser˜ao criados os conjuntos de treinamento para a utiliza¸c˜ao em redes neurais artificias com ob- jetivo de desenvolver um modelo que alie a precis˜ao do MoM com a velocidade de processsamento das RNAs para a an´alise de superf´ıcies seletivas de freq¨uˆencia.
3.7
Aplica¸c˜oes
Mais recentemente, as aplica¸c˜oes das FSS tˆem crescido bastante atrav´es da adi- ¸c˜ao de dispositivos ativos encaixados na c´elula unit´aria das estruturas peri´odicas, FSS sobre substratos ferrimagn´eticos e sobre substratos l´ıquidos. A incorpora¸c˜ao de dispositivos que fornecem ganho ou n˜ao-linearidade em uma FSS permite o desen- volvimento de arranjos com aplica¸c˜oes adicionais, incluindo-se as fun¸c˜oes de ampli-
fica¸c˜ao, oscila¸c˜ao e multiplexa¸c˜ao [Campos, 1999] [Munk, 2000].
Arranjos de grades ativas podem ser, no futuro, usadas em sistemas de radar, de radiodifus˜ao e de comunica¸c˜oes em estado s´olido, de baixo custo e alta potˆencia. V´arios arranjos de grades ativas tˆem sido desenvolvidos com detetores, defasado- res, multiplicadores, osciladores, amplificadores e chaveadores. Nestes arranjos de grades a potˆencia ´e proporcional `a ´area sendo a impedˆancia do circuito equivalente determinada pelas dimens˜oes da c´elula unit´aria.
Banda X
Banda Ku
FSS
Figura 3.4: Exemplo de uma aplica¸c˜ao de Superf´ıcies Seletivas de Freq¨uˆencias As superf´ıcies seletivas de freq¨uˆencia tem sido muito usadas como sub-refletores para comunica¸c˜oes via sat´elite, onde apenas um sub-refletor principal pode separar diferentes bandas de freq¨uˆencia. Para melhorar as capacidades do sub-refletor FSS que operam em multifrequˆencias s˜ao usadas [Ohira et al., 2004], como ilustrado na Figura 3.4. Superf´ıcies seletivas de freq¨uˆencia tamb´em s˜ao utilizadas para aumentar ou diminuir a largura de banda de um arranjo de antenas [Gerini and Zappelli, 2005]. A aplica¸c˜ao mais conhecida ´e o anteparo da porta do forno de microondas dom´estico, que possui a caracter´ıstica de um filtro passa-faixa, deixando passar a freq¨uˆencia de luz vis´ıvel e rejeitando a faixa de microondas [Campos, 1999].
3.8
Conclus˜ao
Este cap´ıtulo apresenta o primeiro grupo de estruturas de microondas estudadas nesta disserta¸c˜ao, as Superf´ıcies Seletivas de Freq¨uˆencias (FSS), mostrando suas principais caracter´ısticas, configura¸c˜oes, comportamento eletromagn´etico, elementos
tip´ıcos e compara¸c˜oes entre arranjos passivos e ativos.
Explica¸c˜oes sobre as t´ecnicas de an´alise e medi¸c˜ao de FSS foram inclu´ıdas de forma a criar bases de compara¸c˜oes para os modelos neurais desenvolvidos para a an´alise dessas estruturas.
Aplica¸c˜oes de FSS foram apresentadas de forma a situar a importˆancia dessas e estruturas e do desenvolvimento de t´ecnicas de an´alises como a Rede Neural Artifi- cial.
Antenas de Microfita
4.1
Introdu¸c˜ao
Uma antena de microfita consiste de uma fina camada met´alica, que atua como elemento radiador, separada de seu plano terra por uma camada composta de um substrato diel´etrico. Sua alimenta¸c˜ao pode ser feita de v´arias maneiras sendo as mais comuns por cabo coaxial, por linha de microfita e por acoplamento eletromagn´etico. Apesar das antenas de microfita terem surgidos h´a mais de meio s´eculo, esses disposi- tivos apenas come¸caram a ganhar aten¸c˜ao no d´ecada de 70 [Carver and Mink, 1981]. Freq¨uentemente, as antenas de microfita s˜ao denominadas, tamb´em, como antenas patch. O elemento irradiante da antena de microfita pode ser quadrado, retangular, em forma de fita (dipolo), circular, el´ıptico, triangular dentre outros. A Figura 4.1 apresenta um exemplo comum de antena de microfita com patch retangular.
Substrato
Patch Condutor
Plano Terra
Figura 4.1: Antena de Microfita com patch retangular. 30
Antenas de microfita possuem v´arias vantagens comparadas com antenas de mi- croondas convencionais e, conseq¨uentemente, muitas aplica¸c˜oes se enquadram nas faixas de freq¨uˆencias de utiliza¸c˜ao dessas antenas, que ´e de aproximadamente 100 MHz a 50 GHz. Algumas das principais vantagens das antenas de microfita compa- radas `as antenas comuns de microondas s˜ao [Bhartia et al., 2001]:
• Peso reduzido, pequeno volume, perfil fino.
• Baixo custo de fabrica¸c˜ao, viabilizando a produ¸c˜ao em larga escala.
• Possibilidade de polariza¸c˜ao linear e circular com uma simples linha de ali- menta¸c˜ao.
• Polariza¸c˜ao dupla e freq¨uˆencia dupla de ressonˆancia podem ser facilmente ob- tidas.
• N˜ao h´a necessidade de algum tipo de cavidade protetora.
• Podem facilmente ser projetadas para operar em conjunto com circuitos inte- grados de microondas.
• Linhas de alimenta¸c˜ao e redes de casamento podem ser fabricadas simultane- amente com a estrutura da antena.
Contudo, antenas de microfita tamb´em possuem algumas limita¸c˜oes em rela¸c˜ao `as outras antenas [Bhartia et al., 2001]:
• Largura de banda estreita e problemas de tolerˆancia associados. • Baixo ganho.
• Grande perda por impedˆancia em estruturas de arranjos. • Maioria das antenas de microfita irradiam em meio plano.
• Complexas estruturas de alimenta¸c˜ao s˜ao necess´arias para arranjos de alto- desempenho.
• Polariza¸c˜ao pura ´e dif´ıcil de alcan¸car. • Fraca radia¸c˜ao end-fire.
• Radia¸c˜ao extra das linhas de alimenta¸c˜ao e jun¸c˜oes. • Excita¸c˜ao de ondas de superf´ıcie.
• Antenas de microfita fabricadas em substrato com constante diel´etrica de alto valor s˜ao recomendados para integra¸c˜ao com outros circuitos. No entanto, o uso de uma alta constante diel´etrica causa baixa eficiˆencia e estreita largura de banda.
Existem meios de minimizar os efeitos de algumas dessas limita¸c˜oes. Como, por exemplo, o baixo ganho pode ser superado atrav´es de configura¸c˜oes de arranjos
de antenas. As ondas de superf´ıcie associadas com a baixa eficiˆencia, aumento do acoplamento m´utuo, ganho reduzido e degrada¸c˜ao do padr˜ao de radia¸c˜ao podem ser reduzidas com a utiliza¸c˜ao de estruturas de banda eletromagn´etica proibida (EBG - eletromagnetic bandgap) [Bhartia et al., 2001].
Sistemas de antenas de microfita s˜ao empregados em grande n´umero nas comu- nica¸c˜oes sem fio, pois eles se adaptam bem a qualquer superf´ıcie, s˜ao de pequenas dimens˜oes e podem fornecer igual, ou melhor performance el´etrica do que as arqui- teturas cl´assicas. Al´em disso, antenas integradas diretamente nos equipamentos de comunica¸c˜ao, tendem a ser mais confi´aveis e possuem um custo de instala¸c˜ao muito menor. Desta forma, ´e extremamente importante o desenvolvimento de estudos a respeito desta tecnologia, tendo em vista a importˆancia para as comunica¸c˜oes sem fio, as aplica¸c˜oes militares e na ´area de telefonia.
4.2
Configura¸c˜oes de Patches
Ao longo dos anos v´arias configura¸c˜oes da camada condutora de antenas de mi- crofita tem sido propostas e investigadas. A Figura 4.2 apresenta alguns do formatos mais utilizados e uma pequena descri¸c˜ao de suas vantagens e desvantagens [Godara, 2002].
(a) (b)
(d) (e)
(c)
Figura 4.2: Exemplos dos patches condutores mais comuns.
1. Antenas com patches retangulares, como ilustrado na Figura 4.2a, s˜ao prova- velmente as geometrias mais utilizadas. Os condutores retangulares tendem a
possuir uma maior impedˆancia, simplesmente por que s˜ao geralmente maiores que os outros formatos. Os patches quadrados tamb´em s˜ao utilizados para gerar polariza¸c˜oes circulares.
2. Os patches com formatos el´ıpticos, Figura 4.2b, s˜ao tamb´em muito utilizadas, logo ap´os os retangulares. As antenas com essas configura¸c˜oes possuem dimen- s˜oes ligeiramente menores que as correspondentes retangulares, resultando em baixo ganho e menor largura de banda. Uma das principais raz˜oes para que esse tipo de estrutura tenha sido intensivamente investigado ´e a sua sime- tria inerente, permitindo que an´alises a partir de m´etodos de onda-completa no dom´ınio espectral fossem computacionalmente mais eficientes do que para configura¸c˜oes retangulares.
3. As geometrias triangulares e de setor de disco, como apresentadas nas Figuras 4.2c e 4.2d, s˜ao menores que as equivalentes retangulares, mas com largura de banda e ganho menores. Patches triangulares tamb´em tendem, em geral a apresentar altos n´ıveis de polariza¸c˜ao cruzada, por causa da sua falta de simetria. Antenas com dupla polariza¸c˜ao podem ser desenvolvidas usando essas formas de condutores. No entanto, tipicamente, apresentam uma largura de banda pequena.
4. Antenas de microfita com condutores em forma de an´eis concˆentricos, Figura 4.2e, s˜ao as que apresentam as menores dimens˜oes e ,novamente, um fun¸c˜ao de perdas em largura de banda e ganho. Um dos problemas associados com an´eis concˆentricos ´e que n˜ao ´e um processo simples a alimenta¸c˜ao em modos de ordem menor obtendo um bom casamento de impedˆancia na freq¨uˆencia de ressonˆancia. Formas de excita¸c˜ao sem contato s˜ao tipicamente prefer´ıveis [Godara, 2002]. L W (Xf,Yf) Ps Ws Ls
Figura 4.3: Geometria de um patch E-Shaped.
Foram enumeradas as principais e as mais comuns geometrias utilizadas para confec¸c˜ao de antenas de microfita. Uma varia¸c˜ao interessante ´e a inser¸c˜ao de duas
fendas em um patch retangular, como ilustrado na Figura 4.3. Antenas constru´ıdas com elemento radiador com este formato apresentam um comportamento de du- pla freq¨uˆencia (dual-frequency), e a Figura 4.4 apresenta a geometria de um patch retangular modificado para apresentar um aumento na largura de banda.
Figura 4.4: Geometria de um patch afilado.
4.3
Arranjo de Antenas
Geralmente uma antena possui um diagrama de radia¸c˜ao amplo e baixos valores de diretividade. Em determinadas aplica¸c˜oes s˜ao necess´arias projetos de antenas com alta diretividade para satisfazer a demanda de comunica¸c˜oes de longa distˆancia e isto s´o ´e poss´ıvel aumentando o comprimento el´etrico da antena. Aumentar as dimens˜oes de um elemento irradiador na maioria dos casos leva ao ganho de caracter´ısticas mais diretivas. Outra forma de aumentar o tamanho da antena, sem necessariamente modificar um elemento individual, ´e formar um conjunto de elementos irradiantes em configura¸c˜oes geom´etricas. Essa nova antena, formada por multielementos, ´e conhecida como arranjo, ou array.
Em v´arios casos, os elementos do arranjo s˜ao idˆenticos, isso n˜ao ´e regra, mas ´e geralmente mais conveniente, simples e mais pr´atico. Os elementos individuais do arranjo podem ter diversas formas como dipolos, aberturas e patches de microfita dentre outros.
O campo total do array ´e determinado pela soma vetorial dos campos radia- dos por cada elemento. Para gerar padr˜oes diretivos, ´e necess´ario que os campos dos elementos do arranjo interfiram construtivamente na dire¸c˜ao desejada e destru- tivamente (cancelando um ao outro) no restante do espa¸co, o que ´e teoricamente modelado, mas apenas aproximado na pr´atica [Balanis, 1997].
Em um arranjo de elementos idˆenticos, existem cinco parˆametros importantes de projeto:
1. A configura¸c˜ao geom´etrica do arranjo (linear, circular, retangular, esf´erica, etc.)
2. A rela¸c˜ao de deslocamento entre os elementos individuais. 3. A amplitude de excita¸c˜ao dos elementos individuais. 4. A excita¸c˜ao de fase dos elementos individuais. 5. O padr˜ao relativo dos elementos individuais.
Antenas de fendas afiladas s˜ao bastante ´uteis para serem integradas em arranjos de antenas, principalmente os que requerem uma largura de banda maior e a necessi- dade de um arranjo de fase de alta performance [Chio and Schaubert, 2000] [Schau- bert et al., 1994]. A Figura 4.5 ilustra um arranjo composto de antenas de fendas, tamb´em conhecido como Tapered Slot Array-TSA.
z Cavidade y tx a t x Hastes de Fixação Metálicas
Figura 4.5: Exemplo de um arranjo TSA. Os elementos s˜ao separados por hastes met´alicas e o arranjo ´e suportado por um plano terra em z = -t.
4.4
M´etodos de Alimenta¸c˜ao
As antenas de microfita possuem um elemento irradiante em um dos lados de um substrato diel´etrico, e os primeiros m´etodos de alimenta¸c˜ao foram por linhas de mi- crofita ou por uma ponta de prova introduzida pelo plano terra. Outras t´ecnicas tˆem
sido desenvolvidas, entre elas as de alimenta¸c˜ao por acoplamento eletromagn´etico, e de acoplamento por abertura.
A sele¸c˜ao da t´ecnica de alimenta¸c˜ao ´e governada por v´arios fatores, sendo que a considera¸c˜ao mais importante ´e a eficiˆencia na transferˆencia de potˆencia entre a estrutura radiante e alimenta¸c˜ao, ou seja, o casamento de impedˆancias entre as duas estruturas. A radia¸c˜ao indesejada pode aumentar o n´ıvel dos l´obulos laterais e a amplitude de polariza¸c˜ao cruzada do diagrama de radia¸c˜ao. Minimizar a radia¸c˜ao esp´uria e seus efeitos no diagrama de radia¸c˜ao ´e um dos importantes fatores na escolha do m´etodo de alimenta¸c˜ao [Bhartia et al., 2001]. Na a Figura 4.6 pode- se visualizar o m´etodo mais comum de alimenta¸c˜ao de antenas de microfita, feito atrav´es de uma linha de microfita.
L
W
h
er Substrato
Figura 4.6: Alimenta¸c˜ao atrav´es de uma linha de microfita.
As conex˜oes de alimenta¸c˜ao coaxiais, nas quais o condutor interno de um cabo ´e conectado diretamente ao patch e o condutor externo conectado ao plano terra, tamb´em s˜ao muito utilizadas. Esse tipo de alimenta¸c˜ao ´e de f´acil constru¸c˜ao e casamento de impedˆancias, criando pouca radia¸c˜ao indesejada. No entanto, tamb´em possui uma largura de banda estreita e ´e de dif´ıcil modelagem principalmente em substratos espessos. A Figura 4.7 apresenta um exemplo de alimenta¸c˜ao atrav´es de conex˜ao coaxial.
A alimenta¸c˜ao atrav´es de acoplamento por abertura ´e a mais complicada de se construir. No entanto, ´e f´acil de modelar e causa pouca radia¸c˜ao esp´uria. O acoplamento por abertura consiste de dois substratos diel´etricos separados por um plano terra. No lado inferior do substrato, mais abaixo, h´a uma linha de microfita que tem sua energia acoplada ao patch atrav´es da abertura que existe no plano terra que separa os dois substratos. Esse tipo de configura¸c˜ao permite uma otimiza¸c˜ao independente do mecanismo de alimenta¸c˜ao e do elemento irradiante. Na Figura 4.8, ´e poss´ıvel visualizar um exemplo de alimenta¸c˜ao por acoplamento por abertura. Dentre os modelos de alimenta¸c˜ao descritos, o acoplamento eletromagn´etico por
Substrato Dielétrico Patch Circular
Plano Terra Conector Coaxial
Figura 4.7: Alimenta¸c˜ao utilizando cabo coaxial.
er1 er2 Patch Abertura Linha de Microfita
Figura 4.8: Alimenta¸c˜ao utilizando acoplamento por abertura.
proximidade ´e o que possibilita alcan¸car a maior largura de banda, cria pouca radi- a¸c˜ao esp´uria e, de certa forma o mais f´acil de modelar. No entanto, sua fabrica¸c˜ao ´e mais complicada, onde o comprimento da linha e a largura do patch podem ser utilizadas para controlar o casamento de impedˆancias [Balanis, 1997]. A Figura 4.9 exemplifica a alimenta¸c˜ao por proximidade eletromagn´etica.
4.5
Conclus˜ao
O cap´ıtulo apresenta as antenas de microfita, o segundo tipo de estrutura estu- dada, definindo seus conceitos, as diferentes configura¸c˜oes que podem ser alcan¸cadas devido a flexibilidade de constru¸c˜ao, suas principais vantagens sobre outros tipos de antenas, configura¸c˜oes em arranjo de antenas e m´etodos de alimenta¸c˜ao.
O estudo dessas estruturas atrav´es de RNAs ´e ent˜ao fundamentado, uma vez, que como apresentado em cap´ıtulos anteriores modelos neurais s˜ao mais flex´ıveis, simples de implementar e mais velozes que a maioria dos m´etodos tradicionais de an´alise de antenas como MoM, FDTD e outros.
er1 er2
Patch
Linha de Microfita
Resultados Experimentais
5.1
Introdu¸c˜ao
Baseado nos conceitos discutidos nos cap´ıtulos anteriores, foram realizadas im- plementa¸c˜oes referentes `as Redes Neurais Artificiais MLP e RBF, e aos algoritmos de treinamento Backpropagation, Rprop e o de sele¸c˜ao auto-organizada para as redes RBF, todos desenvolvidos utilizando o ambiente matem´atico MATLABc. Os resul- tados foram gerados em um computador com Pentiumc M 1.4 GHz e 512 Mb de mem´oria RAM. As estruturas modeladas s˜ao superf´ıcies seletivas de freq¨uˆencia com c´elulas tipo patch, antena de microfita com fendas paralelas inseridas no patches, antena planar de patch afilado e arranjo de antenas slot - TSA.