A estrutura básica de uma antena de microfita com patch condutor em anel, de raio interno r1 e raio externo r2, está ilustrada na Fig. 3.1. O patch está impresso sobre uma
camada ferrimagnética (camada 2), de altura d2, apoiada sobre um plano de terra. Para esse
tipo de estrutura, os resultados foram obtidos convergindo-se, numericamente, a altura da camada 3 (Fig. 2.1) para um valor infinitesimal.
Fig. 3.1 – Seção transversal de uma antena de microfita com patch em anel sobre substrato ferrimagnético.
Para validação desta análise, foram obtidos resultados considerando o caso particular em que o raio interno do anel, r1, tende a zero (r1 = 10-6 cm), simulando um patch
circular (VASCONCELOS, 2008), como mostra a Fig. 3.2. O substrato ferimagnético tem altura d2 = 0,127 cm, permissividade elétrica relativa εr2 = 15, magnetização de saturação
4πMs = 650 G e razão giromagnética γ = 2,85 MHz/Oe. Os resultados obtidos para a
freqüência de ressonância são comparados, através da equivalência das áreas, com os resultados obtidos para uma antena de microfita com patch quadrado (POZAR, 1992), fazendo-se r1 = 0, r2 =L/
π
cm, verificando-se uma boa concordância.d2 2 ε r2 , µ z y 1 r2 r1
FERRIMAGNÉTICOS
Fig. 3.2 - Curva da freqüência de ressonância em função do campo magnético estático externo.
A Fig. 3.3 mostra os resultados obtidos para uma antena de microfita com patch em anel sobre substrato ferrimagnético magnetizado (d2 = 0,130 cm), permissividade elétrica
εr2 = 15, magnetização de saturação 4πMs = 650 G e razão giromagnética γ = 2,85 MHz/Oe.
Nessa segunda validação da análise, também foram obtidos resultados para uma antena com patch circular, fazendo-se numericamente r1 tender a zero (r1 = 10-6 cm). A
comparação com os resultados obtidos para patch circular (POZAR, 1992) mostraram uma boa concordância.
Na Fig. 3.4, o comportamento da freqüência de ressonância de uma antena patch em anel sobre ferrita é mostrado em função da intensidade do campo magnético DC normalizado, (H0/4πMs), para diferentes dimensões de patch em anel. A magnetização de
saturação 4πMs é igual a 650 Gauss, enquanto H0 é variado de modo que H0/4πMs assuma
valores entre 2,5 e 8,5. Observa-se que a freqüência de ressonância aumenta à medida que as dimensões do patch diminuem.
Fig. 3.3 - Curva da freqüência de ressonância em função do campo magnético estático externo.
Fig. 3.4 - Curva da freqüência de ressonância em função da intensidade de campo magnético DC normalizado, para diferentes dimensões de anel.
FERRIMAGNÉTICOS
A dependência da freqüência de ressonância com a intensidade do campo magnético DC normalizado é ilustrada na Fig. 3.5. O campo magnético de polarização varia de modo que H0/4πMs assuma valores entre 0,25 e 2,75. As curvas foram traçadas para dois valores
de magnetização de saturação 4πMs (1200 Gauss e 650 Gauss) e duas dimensões de raios
do patch em anel (patch 1: r2 = 0,2 cm e r1 = 0,1 cm; patch 2: r2 = 0,15 cm e r1 = 0,075 cm).
Verifica-se que a freqüência de ressonância aumenta com a magnetização de saturação e é inversamente proporcional à dimensão do anel. Assim, é possível observar a aplicação da antena de microfita em anel sobre ferrita em freqüências elevadas.
Fig. 3.5 - Curva da freqüência de ressonância em função da intensidade de campo magnético DC normalizado.
Na Fig. 3.6, a freqüência de ressonância é calculada em função do campo
magnetizado H0, para dois valores de magnetização. A freqüência de ressonância aumenta
quando H0 muda de 1200 G para 1780 G. Para um caso particular, H0 = 2000 Oe e 4πMs =
1780 G, os resultados obtidos usando o método de Galerkin e a simulação com o Ansoft HFSS são comparados e apresentam uma boa convergência. A perda de retorno
correspondente para H0 igual a 2000 Oe é apresentada na Fig. 3.7. A curva indica que a
freqüência de ressonância da antena proposta para ressoar em 12,7 GHz apresenta uma perda de retorno de -34,37 dB e pode alcançar uma largura de banda de aproximadamente 550 MHz.
Fig. 3.6 - Curva da freqüência de ressonância em função do campo magnético estático externo.
A Fig. 3.8 mostra a variação da perda de retorno com a freqüência de ressonância para dois diferentes valores de largura de linha (linewidth), ∆H. Simulações numéricas usando Ansoft HFSS® são obtidas para antena de microfita com patch em anel impresso sobre ferrita com H0 = 5000 Oe e 4πMs = 1780 G. Os resultados simulados indicam que
existem três possíveis freqüências de ressonância para a estrutura considerada. Essas freqüências de ressonância correspondentes a 8,25 GHz, 8,75 GHz, e 11,1 GHz estão
associadas a perdas de retorno de -42 dB, -25 dB, e -21,44 dB, para ∆H = 10 Oe, e -25,5
FERRIMAGNÉTICOS
Fig. 3.7 – Perda de retorno para 12,7 GHz para a antena de microfita com patch em anel sobre ferrita.
A Fig. 3.9 mostra o comportamento da freqüência de ressonância em função da razão r2/r1 (r1 = 0,35 cm e r2 variando), para diferentes valores de H0. É possível observar
que a freqüência de ressonância da antena projetada aumenta à medida que o campo magnético de polarização aplicado aumenta, aproximando-se do caso isotrópico. Para um valor particular da freqüência, verifica-se que a freqüência de ressonância aumenta com a redução das dimensões de anel.
Fig. 3.9 - Curva da freqüência de ressonância em função da razão dos raios do anel.
Como forma de investigar a precisão das equações obtidas neste trabalho e considerando a falta de resultados para confrontação na literatura, mais uma vez é utilizada a relação da equivalência das áreas dos patches. Assim, na Fig. 3.10, os resultados obtidos para o patch quadrado (VITTORIA et al., 1994) são comparados com os resultados obtidos
para o patch circular simulados neste trabalho, fazendo-se numericamente r1 0,
observando-se uma boa concordância. Os resultados foram obtidos para antenas de
microfita com patch em anel sobre substrato ferrimagnético magnetizado (d2 = 0,03 cm). A
ferrita tem permissividade elétrica εr2 = 11,41, magnetização de saturação 4πMs = 985 G e
FERRIMAGNÉTICOS
Fig. 3.10 - Curva da freqüência de ressonância em função da intensidade do campo magnético DC.
Considerando, ainda, a mesma ferrita utilizada na Fig. 3.10, o comportamento da freqüência de ressonância em função da intensidade do campo magnético DC, H0, é
observada na Fig. 3.11. Os resultados são simulados para dois valores de altura d2 do
substrato ferrimagnético (0,03 cm e 0,13 cm) e para duas dimensões do patch em anel (patch 1: r2 = 0,2 cm e r1 = 0,1 cm; patch 2: r2 = 0,15 cm e r1 = 0,075 cm). Com a
diminuição do patch e da altura do substrato ferrimagnético, a freqüência de ressonância aumenta, favorecendo, com isso, a miniaturização da estrutura.
Fig. 3.11 - Curva da freqüência de ressonância em função da intensidade do campo magnético DC.
A Fig. 3.12 mostra o comportamento da freqüência de ressonância em função da razão dos raios do anel (r1 = 0,35 cm) para diferentes valores de campo magnético estático
de polarização aplicado. Observa-se que, à medida que a intensidade de H0 aumenta, as
curvas se aproximam daquela do caso isotrópico. Os resultados mostram que a freqüência de ressonância cresce quando a intensidade do campo DC de polarização aumenta, permitindo uma sintonia externa da antena.
FERRIMAGNÉTICOS
Fig. 3.12 - Curva da freqüência de ressonância em função da razão dos raios do anel.
Todos os resultados numéricos apresentados e discutidos até então, foram obtidos considerando ferritas comerciais que tiveram um bom desempenho, alcançando altas faixas de freqüências. No entanto, também existem ferritas comerciais com especificações adequadas para aplicações na faixa de ondas milimétricas. As Figs. 3.13 e 3.14 apresentam o comportamento da freqüência de ressonância em função da intensidade do campo
magnético DC aplicação, H0, variando de 250 Oe a 1250 Oe na Fig. 3.14, e de 250 Oe a
1000 Oe na Fig. 3.15. São consideradas duas dimensões de patches (patch 1: r2 = 0,2 cm e
r1 = 0,1 cm; patch 2: r2 = 0,15 cm e r1 = 0,075 cm). O substrato ferrimagnético magnetizado
tem espessura d2 = 0,13 cm, permissividade elétrica εr2 = 12,5, magnetização de saturação
Fig. 3.13 - Curva da freqüência de ressonância em função da intensidade do campo magnético DC.
Fig. 3.14 - Curva da freqüência de ressonância em função da intensidade do campo magnético DC.
FERRIMAGNÉTICOS