estudo do acoplamento entre superfícies seletivas de frequência
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO ESTUDO DO ACOPLAMENTO ENTRE SUPERFÍCIES SELETIVAS DE FREQUÊNCIA ASSIMÉTRICAS EM ESTRUTURAS DE MULTICAMADAS ROBSON HEBRAICO CIPRIANO MANIÇOBA Tese de Doutorado submetida ao corpo docente da Coordenação do Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de DOUTOR EM ENGENHARIA ELÉTRICA. Orientador: Prof. Dr. Adaildo Gomes d’Assunção – UFRN – CT – DCO. Co-Orientador: Prof. Dr. Antonio Luiz Pereira de Siqueira Campos – UFRN – CT – DCO. NATAL – RN 2012 Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / SISBI / Biblioteca Setorial Especializada do Centro de Ciências Exatas e da Terra – CCET. Maniçoba, Robson Hebraico Cipriano. Estudo do acoplamento entre superfícies seletivas de frequência assimétricas em estruturas de multicamadas / Robson Hebraico Cipriano Maniçoba. – Natal, RN, 2012. 63 f. : il. Orientador : Prof. Dr. Adaildo Gomes d’Assunção. Co-orientador : Prof. Dr. Antonio Luiz Pereira de Siqueira Campos. Tese (Doutorado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação. 1. Telecomunicações – Tese. 2. Superfícies seletivas em frequência – Tese. 3. Fractal de Dürer - Tese. 4. Fractal de Minkowski - Tese. I. d’Assunção, Adaildo Gomes. II. Campos, Antonio Luiz Pereira de Siqueira. III. Título. RN/UF/BSE-CCET CDU 621.39 ESTUDO DO ACOPLAMENTO ENTRE SUPERFÍCIES SELETIVAS DE FREQUÊNCIA ASSIMÉTRICAS EM ESTRUTURAS DE MULTICAMADAS ROBSON HEBRAICO CIPRIANO MANIÇOBA Tese de Doutorado em Engenharia Elétrica, aprovada no dia 20 de junho de 2012, pela Banca Examinadora, composta pelos seguintes membros: Prof. Dr. Adaildo Gomes d’Assunção (Orientador) .................. DCO/UFRN Prof. Dr. Antonio Luiz P. de S. Campos (Co-orientador) ......... DCO/UFRN Prof. Dr. José de Ribamar Silva Oliveira ............................................. IFRN Prof. Dr. Laércio Martins de Mendonça ................................... DCO/UFRN Prof. Dr. Gervásio Protásio dos Santos Cavalcante ............................ UFPA Natal – RN 2012 ii A todos aqueles que eu amo, com carinho. iii AGRADECIMENTOS A Deus, pela minha saúde e por mais esta vitória, enfim por tudo. À minha mãe, Maria Rita, e ao meu pai, Gilberto Cipriano, por tudo que sou hoje. À minha esposa Ana Lúcia pelo carinho, paciência, incentivo, e estímulo. Ao Prof. Adaildo Gomes d’Assunção, por tudo o que ele representa como Educador, Pesquisador, Professor, Orientador e Amigo. Ao Prof. Antonio Luiz Pereira de Siqueira Campos, pela amizade, estímulo e incentivo durante a orientação deste trabalho. Às minhas irmãs, Sabrina e Cecília, pelo carinho, paciência e estímulo. Ao Prof. Alfrêdo Gomes Neto do GTEMA – IFPB, pela grande ajuda na obtenção dos resultados experimentais e nas discussões e sugestões. Aos Professores: Ronaldo Martins, Laércio Mendonça, Sandro Gonçalves e Ranilson Carneiro, pelo incentivo e estímulo durante a realização deste trabalho. Aos amigos: Gustavo, Ricardo, Valdez, Hertz Wilton, Wellington Candeia, Edwin Luize e em especial aos amigos Lincoln Machado e Davi Bibiano, pela presença constante e ajuda incondicional durante a realização deste trabalho. Aos demais professores, funcionários e amigos do Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e da Computação – PPgEEC e do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Comunicações sem Fio – INCT-CSF. Ao CNPq pelo suporte financeiro. iv RESUMO Este trabalho apresenta o desenvolvimento de novas estruturas de micro-ondas, filtros multi-banda ou banda larga, através do cascateamento de superfícies seletivas em frequência, que usa patches fractais de Dürer pentagonal e Minkowski como elementos, além de um elemento obtido a partir da combinação de outros dois mais simples que são o dipolo em cruz e a espira quadrada. Superfícies seletivas em frequência (FSS) abrangem uma grande área das Telecomunicações e têm sido largamente utilizadas devido a seu baixo custo, peso reduzido e possibilidade de se integrar com outros circuitos de micro-ondas. Elas são especialmente importantes em diversas aplicações, como aviões, sistemas de antenas, radomes, foguetes, mísseis, etc. Aplicações de FSS em faixas de frequência elevadas têm sido investigadas, assim como aplicações destas estruturas em cascata ou multicamadas, FSS ativas. Nesse trabalho, são apresentados resultados simulados e medidos para as características de transmissão de estruturas cascateadas (multicamadas), com intuito de investigar o comportamento do funcionamento em termos de largura de banda, um dos grandes problemas apresentados por superfícies seletivas em frequência. São feitas comparações entre resultados simulados, obtidos utilizando software comercial como Ansoft DesignerTM v3 e resultados medidos em laboratório. São apresentadas, ainda, sugestões de continuidade do trabalho. PALAVRAS-CHAVE: FSS, fractal de Minkowski, fractal de Dürer, FSS dissimilares acopladas, FSS de multicamadas. v ABSTRACT This work presents the development of new microwaves structures, filters and high gain antenna, through the cascading of frequency selective surfaces, which uses fractals Dürer and Minkowski patches as elements, addition of an element obtained from the combination of the other two simple the cross dipole and the square spiral. Frequency selective surfaces (FSS) includes a large area of Telecommunications and have been widely used due to its low cost, low weight and ability to integrate with others microwaves circuits. They’re especially important in several applications, such as airplane, antennas systems, radomes, rockets, missiles, etc. FSS applications in high frequency ranges have been investigated, as well as applications of cascading structures or multi-layer, and active FSS. In this work, we present results for simulated and measured transmission characteristics of cascaded structures (multilayer), aiming to investigate the behavior of the operation in terms of bandwidth, one of the major problems presented by frequency selective surfaces. Comparisons are made with simulated results, obtained using commercial software such as Ansoft DesignerTM v3 and measured results in the laboratory. Finally, some suggestions are presented for future works on this subject. KEY-WORDS: FSS, Minkowski fractal, Koch fractal, coupled dissimilar FSS, multilayer FSS. vi SUMÁRIO Capítulo 1 – Introdução 12 Capítulo 2 – Fundamentação Teórica das Estruturas Periódicas 15 2.1 – Introdução 15 2.2 – Arranjos passivos e arranjos ativos 16 2.3 – Definições de FSS 17 2.4 – Formas dos elementos de uma FSS 19 2.5 – Dimensões dos elementos 20 2.6 – Técnicas de análises 21 2.7 – Técnicas de medição 22 2.8 – Aplicações 24 2.9 – Conclusão 29 Capítulo 3 – Superfícies Seletivas em Frequência Multicamada 30 3.1 – Introdução 30 3.2 – Técnica da Matriz de Espalhamento - TME 31 3.3 – Estruturas Multicamadas 33 3.4 – Resultados Simulados 36 3.5 – Conclusão 43 Capítulo 4 – Resultados Experimentais 44 4.1 – Introdução 44 4.2 – Setup de Medição 44 4.3 – Resultados Medidos 48 4.4 – Conclusão 54 Capítulo 5 – Conclusão 55 Referências Bibliográficas 57 vii LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 – Geometria de uma estrutura periódica. 14 Figura 2.2 – Arranjo periódico: Caso passivo e Caso ativo. 16 Figura 2.3 – Tipos de elementos de uma FSS. 17 (a) Elementos do tipo abertura. (b) Elementos do tipo patch condutor. Figura 2.4 – Formas dos elementos de uma FSS. 18 Figura 2.5 – Elemento formado por uma espira quadrada e um dipolo em cruz. 19 Figura 2.6 – Exemplo de elemento para uma FSS. 19 Figura 2.7 – Medição em câmara anecóica. 22 Figura 2.8 – Sistema para medição em uma FSS. 22 Figura 2.9 – Medidor de precisão de FSS. 23 Figura 2.10 – Antena refletora de alto ganho usado na nave Voyager. 24 Figura 2.11 – Antena refletora composta, com uma FSS. 25 Figura 2.12 – Escaneador espacial de freqüência. 25 Figura 2.13 – FSS ativa. 26 Figura 2.14 – Exemplo de FSS em cascata. 27 Figura 2.15 – Aplicação de FSS em janelas eficientes. 28 Figura 3.1 – Cascateamento de N FSSs. 31 Figura 3.2 – Forma do elemento fractal de Dürer Pentagonal. (a) Nível 1. (b) Nível 2. 33 Figura 3.3 – Forma do elemento fractal de Minkowski. 33 (a) Nível 1. (b) Nível 2. Figura 3.4 – Forma do elemento obtido através da combinação Dipolo em Cruz e Espira Quadrada. 34 Figura 3.5 – Estruturas cascateadas. 34 Figura 3.6 – Característica de transmissão para a estrutura E1. Figura 3.7 – Característica de transmissão para a estrutura E2. Figura 3.8 – Característica de transmissão para as estruturas E3 e E4. Figura 3.9 – Característica de transmissão para a estrutura E5. Figura 3.10 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas E1 35 36 36 37 37 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 0 mm. Figura 3.11 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas E1 38 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 2,0 mm. viii Figura 3.12 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas E1 39 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 5,0 mm. Figura 3.13 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas E1 39 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 10,0 mm. Figura 3.14 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas E3 40 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 0,0 mm. Figura 3.15 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas E3 40 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 2,0 mm. Figura 3.16 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 5,0 mm. Figura 3.17 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 10,0 mm. Figura 3.18 – Característica de transmissão para o cascateamento da estrutura E5 com diferentes valores para a espessura da camada de ar usando a técnica TME. Figura 3.19 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas 1 e 41 42 42 43 2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 6,0 mm. Figura 4.1 – Detalhes dos parafusos, porcas e separações. Figura 4.2 – Setup para medição da curva de referência. Figura 4.3 – Características de transmissão para a referência, e para os valores medidos com referência e após a retirada desta. Figura 4.4 – Setup para medição das estruturas. Figura 4.5 – Detalhe da separação entre as estruturas, realização do cascateamento. Figura 4.6 – Medição do cascateamento das estruturas E3 e E4. Figura 4.7 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E1 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 0,0 mm. Figura 4.8 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E1 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 2,0 mm. Figura 4.9 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E1 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 5,0 mm. Figura 4.10 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E1 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 10,0 mm. Figura 4.11 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 0,0 mm. Figura 4.12 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 5,0 mm. Figura 4.13 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 10,0 mm. Figura 4.14 – Característica de transmissão medido para o cascateamento da estrutura E5 sem separação entre as estruturas. Figura 4.15 – Característica de transmissão medido para o cascateamento da estrutura E5 com separação entre as estruturas de 2,0 mm. Figura 4.16 – Característica de transmissão medido para o cascateamento da estrutura E5 com separação entre as estruturas de 6,0 mm. 45 45 46 46 47 47 48 49 49 50 51 51 52 53 53 54 ix Figura 4.17 – Característica de transmissão medido para o cascateamento da 54 estrutura E5 com separação entre as estruturas de 10,0 mm. x LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS FSS Frequency selective surface (Superfície seletiva de frequência) RF Radiofrequência Ei Onda plana incidente Er Onda plana refletida Et Onda plana transmitida λ0 Comprimento de Onda no Espaço Livre WLAN Wireless Local Area Network (Redes locais sem fio) MPCE Elemento Combinado com Multiperiodicidade FDTD Finite-Difference Time-Domain WCIP Wave Concept Interactive Procedure (Método das Ondas) TE Transversal Elétrico (a) TM Transversal Magnético (a) ERB Estação Rádio Base εr Permissividade elétrica relativa W Largura do patch L Comprimento do patch h Espessura do substrato dielétrico d Espessura da camada de ar Tx , Ty Períodicidade da célula na direção x e y HIS High-Impedance Surface (Superfície de Alta Impedância) a Periodicidade da Célula Unitária Quadrada da HIS b Lado do Patch Quadrado do Elemento da HIS r Raio do fio metálico l Lado do Elemento Ressonador S11 Parâmetro Perda de Retorno C R, Γ Coeficiente de Reflexão CT, τ Coeficiente de Transmissão Sn Matriz de Espalhamento xi CAPÍTULO 1 Introdução Com o avanço tecnológico ocorrido nos últimos anos houve uma necessidade crescente de implementação de dispositivos, com dimensões e peso cada vez menores, para aplicações diversas, tal como na atividade aeroespacial. Uma atenção especial tem sido dedicada ao estudo de superfícies seletivas de frequência (Frequency Selective Surface – FSS), principalmente no que diz respeito a aplicações que exigem características multi-bandas ou banda larga para estas estruturas. As estruturas de FSS são formadas por elementos do tipo patch ou por elementos do tipo abertura, ou ainda, uma combinação dos dois tipos de elementos. Estruturas de FSS com elementos do tipo abertura podem ser usadas para fornecer características passa-faixa. Em outras palavras, para a frequência de operação da antena o sinal passa através da estrutura com um mínimo de perdas de inserção. Consequentemente, para frequências fora da banda o sinal é refletido, já as estruturas de FSS com elementos do tipo patch condutor podem ser usadas para fornecer características rejeita-faixa, ou seja, para a frequência de operação da antena o sinal é totalmente refletido. As estruturas periódicas têm um grande número de aplicações e têm contribuído significativamente para melhorar o desempenho dos circuitos de comunicações. A questão da largura de banda tem sido um dos problemas na teoria de FSS, uma das soluções encontrada para resolver este problema é uso de estruturas em cascata, ou estruturas multicamadas. As estruturas em cascata além de uma solução para a questão da largura de banda apresentam, em alguns casos, estabilidade angular e em frequência e características multi-banda ou banda larga. Muitas aplicações de FSS multicamadas, ou seja, em cascata têm sido encontradas na literatura, como por exemplo, o cascateamento de estruturas com a finalidade de bloquear sinais de comunicação ou a utilização dessas estruturas como superstrato em antenas com a finalidade de aumentar o ganho e a diretividade, um dos problemas encontrados em antenas de microfita tradicionais. 12 Introdução Neste trabalho, são apresentadas superfícies seletivas em frequência de dupla camada, separadas por uma camada de ar, utilizando cinco formas de elementos diferentes. Em um primeiro momento foram utilizados, para realizar a construção de ambas as estruturas individuais, elementos com formas dissimilares, estes elementos são do tipo patch fractal de Dürer e Minkowski níveis 1 e 2. Já em uma segunda etapa foram utilizados elementos com formatos similares, ou seja, com formas idênticas. Neste caso foi utilizado um elemento combinado a partir de um Dipolo em Cruz e uma Espira Quadrada. A análise das estruturas cascateadas (ou multicamadas) apresenta uma alta complexidade devido ao acoplamento mútuo entre os campos em ambas as estruturas, vários pesquisadores tem apresentado interesse em analisar este tipo de estrutura e muitos deles têm apresentado trabalhos utilizando métodos chamados híbridos [1]. Ou seja, utilizando métodos de onda completa para analisar as estruturas individuais em conjunto com técnicas aproximadas, porém, eficientes e com um baixo esforço computacional. Aplicações de Superfícies Seletivas em Frequência acopladas a antenas de microfita, fazendo papel de superstratos, tem sido alvo de investigações nos últimos anos devido a uma propriedade bastante sugestiva de melhoria do ganho e da diretividade, parâmetros importantes e que geralmente são pontos cruciais para avaliar as características e desempenho de antenas do tipo microfita [2]. No Capítulo 2, é apresentada uma descrição das superfícies seletivas em frequência, mostrando-se um breve histórico, definição de estruturas periódicas, os tipos e as formas de elementos mais usados, técnicas de medições e aplicações, dentre outros aspectos. No Capítulo 3, é apresentado o cascateamento de superfícies seletivas em frequências, através de estruturas obtidas com diferentes formas de elementos. No Capítulo 4, são apresentados os resultados experimentais medidos em laboratório assim como a técnica e o setup de medição utilizado. Finalmente, no Capítulo 5, são apresentadas as conclusões dos principais aspectos abordados neste trabalho e encaminhadas sugestões para a sua continuidade. 13 CAPÍTULO 2 Fundamentação Teórica das Estruturas Periódicas 2.1 – Introdução Estruturas periódicas planares bidimensionais, Figura 2.1, tem atraído uma grande parte da atenção devido à propriedade sugestiva de filtragem de frequência [3]. Figura 2.1 – Geometria de uma estrutura periódica. Uma superfície periódica é basicamente um conjunto de elementos idênticos dispostos bidimensionalmente formando um arranjo infinito [4]. Um arranjo periódico formado por patches condutores ou elementos de abertura é conhecido como uma Superfície Seletiva de Frequência (Frequency Selective Surface FSS). Similares aos filtros de frequência utilizados nos tradicionais circuitos de radiofrequência (Radio Frequency – RF), as FSS podem apresentar comportamento espectral de filtros passa-baixa ou filtros passa-faixa, dependendo do tipo de elemento arranjado (isto é, patch ou abertura). 14 Fundamentação Teórica das Estruturas Periódicas Mais recentemente, a capacidade de uma FSS tem sido aumentada pela adição de dispositivos ativos embutidos na célula unitária da estrutura periódica. A incorporação de dispositivos que forneçam ganho ou a não linearidade em uma FSS permite o desenvolvimento de arranjos com numerosas capacidades adicionais, incluindo oscilação, amplificação, e multiplexação. Os arranjos ativos caracterizam-se por ser uma FSS planar simples com alguns elementos ativos (um ou dois), embutidos na célula unitária da FSS, operando mais como um feixe de propagação não confinado do que como um sinal de RF propagando-se em uma estrutura de onda guiada (guia de onda, microfita ou linha de fita). Muitos parâmetros e princípios de projeto são associados às estruturas periódicas, tais como, tipo e forma do elemento, dimensões da célula unitária, tipos de materiais dielétricos e as espessuras dos substratos empregados, lóbulos de gradeamento, anomalias de Wood, etc. [3]. As FSS, que encontram difundidas aplicações como filtros para microondas e sinais ópticos, tem sido o assunto de extensivos estudos [5]. 2.2 – Arranjos passivos e arranjos ativos Fundamentalmente, qualquer arranjo periódico pode ser excitado de duas maneiras: por uma onda plana incidente E i , ou por geradores de tensão individuais conectados a cada elemento. No último caso, os geradores devem ter a mesma amplitude e variações lineares de fase ao longo do arranjo ativo, para que haja a caracterização da estrutura como uma superfície periódica. No caso de arranjos passivos, a onda plana incidente será parte transmitida através da estrutura E t , e parte refletida E r . Sob condições ressonantes, a amplitude do sinal ressonante pode ser igual a E i enquanto E t = 0 . É usual definir o coeficiente de reflexão como [4]: Γ= Er , Ei (2.1) 15 Fundamentação Teórica das Estruturas Periódicas Onde E r e E i em geral estão referenciados ao plano do arranjo. De forma semelhante o coeficiente de transmissão é definido como [4]: τ= Et , Ei (2.2) A Figura 2.2, abaixo, ilustra os dois casos descritos. Figura 2.2 – Arranjo periódico: Caso passivo e Caso ativo. 2.3 – Definições de FSS Uma FSS é um arranjo periódico formado por elementos do tipo abertura ou do tipo patch condutor. Como ilustrado na Figura 2.3, uma FSS com elementos do tipo abertura reflete a baixas frequências e transmite a altas frequências, funcionando como um filtro passa-faixa, enquanto que uma FSS com elementos do tipo patch condutor transmite a baixas frequências e reflete a altas frequências, funcionando como um filtro rejeita-faixa [3]. 16 Fundamentação Teórica das Estruturas Periódicas Figura 2.3 – Tipos de elementos de uma FSS. (a) Elementos do tipo abertura. (b) Elementos do tipo patch condutor. Em uma FSS com elementos do tipo abertura, a medida em que os elementos entram em ressonância, a estrutura vai se tornando “transparente” para a onda incidente, até que na frequência de ressonância da estrutura, a onda é transmitida totalmente. Já em uma FSS com elementos do tipo patch condutor, os elementos entram em ressonância e, dessa forma, eles radiam a potência incidente na direção de reflexão, até que na frequência de ressonância da estrutura, a onda é refletida totalmente, comportando-se como um condutor perfeito [6]. Uma FSS pode ainda ser definida como um anteparo, anteparo-fino ou anteparoespesso, dependendo da espessura do elemento. O termo FSS anteparo-fino, usualmente, refere-se a um anteparo com elementos do tipo circuito impresso, isto é, elementos tipo pacth ou abertura, que possuem espessura menor que 0,001λ0, onde λ0 é o comprimento de onda para a frequência de ressonância do anteparo. Em geral, a FSS anteparo-fino é leve, apresenta um pequeno volume e pode ser fabricada com baixo custo, através da tecnologia convencional de fabricação de circuito impresso. Por outro lado, uma FSS anteparo-espesso, muito usada em aplicações passa-faixa (elementos do tipo abertura), é um arranjo periódico pesado e sua fabricação requer o manuseio, caro e preciso, de um bloco de metal espesso. A vantagem das FSS anteparo-espesso é que a razão entre a frequência transmitida e a frequência refletida, ou banda de separação, pode ser reduzida para 1,15, o que é necessário para antenas de satélites para comunicações multifrequenciais avançadas [3]. 17 Fundamentação Teórica das Estruturas Periódicas 2.4 – Formas dos elementos de uma FSS Pode-se encontrar na literatura uma grande quantidade de pesquisas que utilizam as mais variadas formas de elementos, onde as mais comuns são a retangular e a circular. A Figura 2.4 ilustra algumas formas de elementos utilizados em uma FSS: patch retangular [7], [8], patch circular [5], [9], [10], patch hexagonal [4], cruz de Jerusalém [11], dipolo em cruz [11], [12], espira quadrada com grade [13], espira quadrada [14], [15], espira quadrada dupla [16], espiras duplas concêntricas [17], dipolo fino [3], [18], tripolo [5], fractal [19]. Figura 2.4 – Formas dos elementos de uma FSS. 18 Fundamentação Teórica das Estruturas Periódicas Os elementos de uma FSS podem ainda ser formados a partir de uma modificação ou combinação dos elementos típicos, por exemplo, em [20] os autores propõe um novo tipo de elemento obtido a partir da combinação de uma espira quadrada e um dipolo em cruz visando aplicações em ultra banda larga como pode ser visto na Figura 2.5. Figura 2.5 – Elemento formado por uma espira quadrada e um dipolo em cruz. Um novo tipo de elemento é proposto em [21] chamado elemento combinado com multiperiodicidade (MPCE), onde os elementos que compõe a FSS são formados a partir da inserção da redução do elemento principal ou formador no interior deste. A Figura 2.6 ilustra um exemplo de elemento para uma FSS sintonizável usando anéis com capacitâncias acopladas [22]. Figura 2.6 – Exemplo de elemento para uma FSS. 2.5 – Dimensões dos elementos Quando um elemento de dipolo é alimentado por uma fonte de RF, e o comprimento do dipolo é um múltiplo de meio comprimento de onda, o dipolo ressonará e irá radiar energia. Quando muitos dipolos são dispostos como um arranjo, a 19 Fundamentação Teórica das Estruturas Periódicas energia radiada de todos os elementos será direcionada coerentemente como se uma reflexão estivesse ocorrendo, onde o ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência. Isto é verdade porque a corrente induzida na superfície de cada elemento tem um atraso relativo de fase com relação aos elementos vizinhos. Para elementos na forma de espiras quadradas e espiras circulares, a ressonância ocorre quando o comprimento de cada meia espira é um múltiplo de meio comprimento de onda. O comprimento da espira inteira, precisa ser então um múltiplo de um comprimento de onda. Para evitar um nulo no diagrama de radiação, o comprimento da espira deve ser de um comprimento de onda, ao invés de ser um múltiplo de um comprimento de onda. No caso de uma espira circular, a medida da circunferência, para aplicações em FSS deve ter um comprimento de onda. Para uma espira circular impressa em substrato dielétrico, o comprimento elétrico da circunferência deve ser de um comprimento de onda efetivo, e a dimensão da circunferência será então menor que um comprimento de onda no espaço livre, esta exigência é resultado do efeito de carga do dielétrico. Finalizando, quando a dimensão do elemento é completamente diferente das dimensões de ressonância , a onda incidente sobre a FSS passará como se a mesma estivesse transparente [3]. 2.6 – Técnicas de análises Um grande número de métodos tem sido usado em análises de FSS. Encontra-se na literatura, fórmulas aproximadas, desenvolvidas por alguns autores e pesquisadores, para determinar as características de transmissão e reflexão em uma FSS usando elementos do tipo patch condutores ou aberturas retangulares [23]. Um dos métodos mais simples é o modelo do circuito equivalente, nesta análise vários segmentos de fita que formam o elemento patch em um arranjo periódico são modelados como componentes indutivos e capacitivos em uma linha de transmissão. Da solução deste circuito, os coeficientes de reflexão e transmissão da FSS são encontrados. Esta técnica usa uma aproximação quasi-estática para calcular as componentes do circuito e permite uma rápida resposta computacional [24]. Um novo método do circuito equivalente 20 Fundamentação Teórica das Estruturas Periódicas usando decomposição modal é proposto em [25] e é usado na análise de FSS multicamadas. Outro método que pode ser empregado na análise de uma FSS é o método da expansão modal (ou equação integral) [5], [10], [26], [27], [28], este tem sido o mais bem-sucedido na predição do desempenho de uma estrutura periódica [3]. O método dos momentos [10] ou a técnica do gradiente conjugado [5] é usado no método da expansão modal, e é verificado um grande esforço computacional, sendo desaconselhável para a análise de FSS com elementos mais complexos, como por exemplo, espiras quadradas duplas [29]. Em [30] pode-se encontrar a análise de FSS utilizando o método do vetor potencial de Hertz. Além das já descritas acima, uma técnica bastante difundida é técnica das diferenças finitas no domínio do tempo (Finite-Difference Time-Domain – FDTD), esta técnica possibilita a análise de qualquer tipo de elemento, bem como a análise de perdas dielétricas e/ou magnéticas e a análise de estruturas não homogêneas [31]. O Método das Ondas (Wave Concept Interactive Procedure – WCIP), ou WCIP, trata-se de outro método usado na análise de FSS, que apresenta uma reduzida necessidade de esforço computacional e flexibilidade quanto à forma da estrutura planar [32], [33]. Em conjunto com esses métodos, pode-se utilizar técnicas de inteligência artificial, como algoritmos genéticos [34], [35], [36], [37], redes neurais [38], [39], na análise e/ou síntese de FSS. Uma análise de onda completa, empregando o método da linha de transmissão equivalente em conjunto com o método de Galerkin, foi feita pelos professores Antonio Luiz P. S. Campos, Adaildo G. d’Assunção e Marcos A. B. Melo [40], [41]. 2.7 - Técnicas de medição Vários métodos têm sido usados para medir as propriedades de transmissão e reflexão de uma FSS. O desempenho de transmissão pode ser testado em uma câmara anecóica, Figura 2.7, os absorvedores eliminam as reflexões [3]. 21 Fundamentação Teórica das Estruturas Periódicas Figura 2.7 – Medição em câmara anecóica. A Figura 2.8 mostra um medidor que usa cornetas de ganhos padrões como antena transmissora e receptora. É possível medir as características de transmissão TE e TM do painel em teste posicionado entre as duas antenas cornetas, através da alteração da polarização das antenas de vertical para horizontal. Em princípio, este medidor deve ser capaz de medir as características de reflexão da FSS, entretanto, dados errados poderão ser obtidos devido às difrações ocasionadas pela espessura das bordas do painel de teste. Essas difrações podem ser atribuídas a grande largura de feixe das antenas cornetas e ao pequeno tamanho da FSS [27]. Figura 2.8 – Sistema para medição em uma FSS. 22 Fundamentação Teórica das Estruturas Periódicas A técnica de simulação do guia de ondas, usada regularmente em testes de casamento de impedância em arranjos de antenas, fornece uma alternativa para medições do desempenho de transmissão/reflexão. Entretanto, é uma técnica que produz erros, e é limitada para polarização TE [42]. Finalmente, o medidor de precisão, com antenas cornetas e lentes, mostrado na Figura 2.9, pode ser usado para medições, que exigem uma maior precisão, do desempenho de transmissão e reflexão com polarizações TE e TM. Desde que um estreito feixe Gaussiano das lentes incida sobre a FSS, o efeito de difração nas bordas é reduzido significativamente [43]. Figura 2.9 – Medidor de precisão de FSS. 2.8 – Aplicações As FSS possuem inúmeras aplicações e tem contribuído significativamente para melhorar nossos padrões de vida. Um bom exemplo e talvez a aplicação mais conhecida de FSS seja o anteparo da porta do forno de microondas, consistindo de um arranjo periódico de orifícios metálicos, projetado para refletir energia na frequência de 2.45 GHz, e permitir a passagem da luz [3]. Ou seja, este anteparo funciona como um filtro passa-faixa que deixa passar a faixa de frequência da luz visível e rejeita a faixa de microondas. 23 Fundamentação Teórica das Estruturas Periódicas Em um sistema de antenas com refletor duplo, uma FSS pode ser usada como subrefletor. Alimentadores com frequências diferentes são utilizados independentemente e colocados no foco real e virtual do subrefletor. Consequentemente, apenas um refletor principal é necessário para operação multifreqüencial. Por exemplo, o subrefletor formado por uma FSS utilizado na antena de alto ganho da nave espacial americana Voyager, Figura 2.10, foi projetado para desmultiplexar as bandas X e S [44]. O alimentador da banda S é colocado no foco do refletor principal e o alimentador da banda X é colocado no ponto focal do refletor de Cassegrain. Note que, apenas um refletor principal é necessário para esta operação em duas bandas. Desta forma, são conseguidas reduções consideráveis na massa, volume e, o mais importante, custo da antena com o subrefletor FSS. Figura 2.10 – Antena refletora de alto ganho usado na nave Voyager. Para uma antena refletora multifuncional, são necessárias FSS de alto desempenho para desmultiplexar duas faixas próximas separadas, ou para multiplexar três ou quatro faixas. Desta forma, uma antena refletora composta, foi desenvolvida colocando-se uma FSS passa-faixa à margem do refletor sólido, como mostrado na Figura 2.11 [45]. Randomes FSS com elementos do tipo abertura podem ser projetadas para produzir características passa-faixa. Em outras palavras, o sinal passa através da antena 24 Fundamentação Teórica das Estruturas Periódicas com um mínimo de perda de inserção. A randome pode ser projetada para combinar com a superfície do veículo tal que um espalhamento mínimo seja conseguido [46]. A viabilidade da varredura de frequência através de estruturas periódicas tem sido demonstrada por diversos pesquisadores [3]. A idéia é projetar FSS de maneira tal que a onda difratada de primeira ordem se propague e sirva como um feixe varredor de frequência, enquanto o feixe refletido é anulado, este tipo de aplicação é mostrado na Figura 2.12. Figura 2.11 – Antena refletora composta, com uma FSS. Figura 2.12 – Escaneador espacial de frequência. 25 Fundamentação Teórica das Estruturas Periódicas FSS com elementos do tipo abertura, na forma retangular ou circular, tem sido projetada para trabalhar acoplada com células coletoras de energia solar. Este tipo de FSS é um anteparo passa-faixa que é essencialmente transparente na faixa de frequência onde as células solares são mais eficientes e reflete as frequências fora desta faixa [47]. Estudos de FSS ativas [48] têm sido desenvolvidos, principalmente para aplicações que requerem alta potência e baixo custo. Nestes arranjos periódicos, as propriedades da frequência podem ser variadas no tempo por meio do controle de dispositivos semicondutores incorporados aos elementos impressos ou depositando esses elementos em substratos nos quais suas propriedades possam ser ajustadas, como por exemplo, substratos de ferrita. A Figura 2.13 mostra uma FSS ativa [49]. Figura 2.13 – FSS ativa. Como mencionado anteriormente, existem inúmeras aplicações para FSS tais como: filtros, FSS usadas como subrefletores, randomes FSS, etc. Nos últimos anos, com o uso difundido dos telefones celulares, o ruído gerado pelo uso destes aparelhos em prédios públicos, bibliotecas, salas de concertos, etc. se tornou uma questão social em alguns países, como por exemplo, a Korea. Para resolver este problema, ondas eletromagnéticas ou sinais podem ser bloqueados entre a ERB e o telefone celular nestes ambientes através do uso de FSS, funcionando como filtros rejeita-faixa, colocadas sobre paredes, janelas, ou outras aberturas [50]. 26 Fundamentação Teórica das Estruturas Periódicas Muitas aplicações de FSS multicamadas [51] têm sido encontradas na literatura, como, por exemplo, o cascateamento de estruturas para bloqueio de sinais de comunicação. A Figura 2.14 mostra um exemplo de estrutura cascateada utilizada em bloqueio de sinais de redes sem fio WLAN (Wireless Local Area Network), a função da FSS com elementos do tipo dipolo em cruz condutivo é atuar como um refletor dos sinais WLAN e permitindo a passagem de sinais de telefonia celular, a característica de absorção é alcançada colocando a segunda FSS com elementos do tipo dipolo em cruz resistivo a frente da primeira FSS [52]. Figura 2.14 – Exemplo de FSS em cascata. Aplicações com FSS multi-banda tem sido investigada por muitos pesquisadores [53], pode-se encontrar na literatura aplicações de FSS com plasma sendo utilizado para substituir a parte metálica nestas estruturas [54]. Outra aplicação bastante interessante é o uso de FSS como janelas eficientes, a aplicação de uma camada metálica muito fina em projetos de janelas modernas é um modo extremamente efetivo para economizar energia. Atuando como um filtro, a camada bloqueia a radiação eletromagnética na região do infravermelho e é completamente transparente a parte visível do espectro, assim rejeita a transferência de calor de fora para dentro do ambiente no verão e vice-versa no inverno [55]. A Figura 2.15 ilustra esta aplicação. 27 Fundamentação Teórica das Estruturas Periódicas Figura 2.15 – Aplicação de FSS em janelas eficientes. 2.9 – Conclusão Neste capítulo, foi apresentada a fundamentação teórica das FSS, abordando aspectos importantes como tipos e formas dos elementos, técnicas de análise, assim como técnicas utilizadas para realizar medições, foram mostradas ainda diversas aplicações práticas de FSS. 28 CAPÍTULO 3 Cascateamento de Superfícies Seletivas em Frequência 3.1 – Introdução Com o passar das décadas, as FSS tem encontrado numerosas aplicações em ambos os setores Comercial e Militar. Além disso, para uma variedade de aplicações destas estruturas, as exigências colocadas nas especificações de projeto tornaram-se muito rigorosas. Foi encontrado que, em um sistema composto de duas ou mais FSS dispostas em camadas, é preciso frequentemente prover os graus de liberdade necessários para o projeto e permitir o engenheiro satisfazer as rigorosas exigências do mesmo. Um dos problemas mais importantes relacionados a teoria de FSS é a questão da operação em largura de banda. Um exame mais detalhado de uma FSS simples com apenas uma camada, por exemplo, mostra que é muito difícil melhorar o comportamento da largura de banda. Como pode ser visto em [56] para aplicações em ondas milimétricas utilizando uma FSS simples com elementos fractais, a largura de banda pode apresentar um comportamento de banda estreita. Em outras aplicações, tais como separação de faixas de frequência, as FSS são obrigadas a apresentar comportamentos de transmissão ou reflexão em banda larga. Para resolver esse problema, é necessária a utilização de elementos com geometrias muito complexas ou o uso de estruturas multicamadas (em cascata). A primeira opção normalmente leva a soluções do tipo multi-banda, e muitas vezes diminui a largura de banda. A segunda opção é preferível em termos do aumento da largura de banda [25]. A análise do cascateamento de FSS pode ser dividida em duas categorias gerais, chamadas: Método exato e Método aproximado. O método exato usa tipicamente a técnica do método dos momentos de onda completa para determinar as distribuições de correntes desconhecidas na FSS. Essas correntes dependem fortemente da geometria dos elementos da FSS. Se N1, N2,..., Nn são os números de distribuições de correntes desconhecidas nas FSS, a solução pelo método dos momentos envolverá a inversão de uma matriz com (N1+N2+...+Nn)2 elementos. O tamanho dessa matriz seria o fator 29 Cascateamento de Superfícies Seletivas em Frequência limitante que impede o uso do método exato, particularmente ao usar elementos com geometrias complexas. Um modo para superar estas dificuldades é empregar o método aproximado, também conhecido como Técnica da Matriz de Espalhamento ou Matriz de Espalhamento Generalizada, a qual permite representar a solução da análise de uma FSS em termos dos parâmetros de espalhamento [1], [57]. Uma vantagem associada a este método é que ele permite a análise do cascateamento de FSS incluindo geometrias complexas e diferentes [1]. A análise e o desenvolvimento matemático através do método dos momentos para análise de FSS, com elementos do tipo patch quadrado, com duas camadas separadas por uma camada de ar é mostrada em [58]. Neste capítulo serão apresentados três tipos de filtros (FSS) multicamadas, mais precisamente duas FSS dispostas sobre camadas dielétricas separadas por uma camada de ar, com intuito de mostrar o comportamento do acoplamento em termos de largura de banda. Para realizar as simulações das estruturas foram utilizados: o software comercial Ansoft DesignerTM v3 e uma técnica de cascateamento apresentada a seguir. 3.2 – Técnica da Matriz de Espalhamento - TME Em aplicações práticas, frequentemente cascateia-se FSS em ordem para obter as características de transmissão desejadas. Como mostra a Figura 3.2, assume-se que existem N estruturas em cascata. Para uma típica n-ésima FSS, seu plano de referência é localizado em z = d1 + d 2 + ... + d n −1 , e seus coeficientes de transmissão e reflexão são denotados por Tn, Rn, respectivamente [23]. 30 Cascateamento de Superfícies Seletivas em Frequência Figura 3.1 – Cascateamento de N FSSs. A interação entre as N FSS pode ser descrita através do uso das matrizes de espalhamento. Para ser exato, as matrizes são de ordem infinita. Aqui, será usada a interação denominada “interação em modo único”, ou seja, isto significa que somente o lóbulo principal e não os lóbulos de gradeamento, é usado no cálculo da interação. Esta aproximação é válida quando as distâncias entre as FSS (d1, d2,..., dn-1) são grandes em termos de comprimento de onda. Usando a interação em modo único, o resultado final para os coeficientes de transmissão e reflexão para a estrutura cascateada, ou seja, os coeficientes de transmissão e reflexão totais após o cascateamento das FSS são [23]: CT = A − ( BC / D), (3.1) CR = −(C / D), (3.2) Os termos (A, B, C, D) são calculados através dos passos seguintes. Primeiro, para cada FSS, determina-se uma matriz de espalhamento S n de ordem 2 x 2, onde [23]: 31 Cascateamento de Superfícies Seletivas em Frequência Rn2 Tn 1 − 2 Tn Sn = R − j 2 kl − n e n Tn Rn j 2 kln e Tn , 1 Tn ln = d1 + d 2 + ... + d n −1 , n = 1, 2,..., N (3.3) (3.4) Então, logo em seguida os termos são encontrados como [23]: A B C D = S N S N −1...S3 S 2 S1 , (3.5) Para o caso especial em que N = 2, isto é, o cascateamento de duas FSS, as equações (3.1) e (3.2) são simplificadas e se tornam [23]: CT = CR = R1 + T1T2 , 1 − R1 R2 e( − j 2 kd1 ) T12 R2 e( − j 2 kd1 ) , 1 − R1 R2 e( − j 2 kd1 ) (3.6) (3.7) Com relação à aproximação da interação em modo único, o resultado final em (3.1) e (3.2) é independente da posição horizontal relativa das FSS. Em outras palavras, contanto que os espaçamentos entre as FSS sejam mantidos, as equações (3.1) e (3.2) continuam válidas mesmo quando as FSS são deslizadas ou rotacionadas em seus respectivos planos horizontais [23]. Em aplicações práticas, deslizamento ou rotação pode ser usado para supressão de harmônicos espaciais de ordem superior e/ou polarização cruzada [23]. A técnica descrita é válida somente para incidência normal [23]. 3.3 – Estruturas Multicamadas Foram utilizadas duas FSS assimétricas com elementos do tipo patch fractal pentagonal de Dürer com níveis 1 e 2, ou seja, elementos com formas dissimilares, o 32 Cascateamento de Superfícies Seletivas em Frequência procedimento para obtenção dos elementos pode ser visto em [59]. A primeira, nível 1, apresenta frequências de ressonância em 8,0 GHz e 9,77 GHz, a segunda, nível 2, apresentando frequências de ressonância em 7,02 GHz e 8,63 GHz., ambas utilizando substrato de fibra de vidro com permissividade elétrica ε r = 4,4 , altura h de 1,5 mm, e periodicidade Tx = Ty = 16,5 mm. Duas FSS com elementos do tipo patch fractal de Minkowski níveis 1 e 2 [60], ambas com substrato RT-Duroid 3010 com permissividade elétrica ε r = 10, 2 e altura h de 1,27 mm, periodicidade Tx = Ty = 15,2 mm, apresentando frequências de ressonância em 9,8 GHz e 9,0 GHz, respectivamente. A Figura 3.2 e 3.3 mostram as formas dos elementos fractais utilizados nas estruturas para o primeiro e segundo cascateamento, respectivamente. Figura 3.2 – Forma do elemento fractal de Dürer Pentagonal. (a) Nível 1. (b) Nível 2. Figura 3.3 – Forma do elemento fractal de Minkowski. (a) Nível 1. (b) Nível 2. 33 Cascateamento de Superfícies Seletivas em Frequência Finalmente, a última estrutura utilizada é formada por elementos combinados, estes elementos foram obtidos através da combinação de outros dois elementos simples, bastante difundidos na literatura, que são a o Dipolo em Cruz e a Espira Quadrada. A figura 3.4 mostra o tipo de elemento utilizado, com D1 = 12mm, D2 = 0,9 mm, periodicidade Tx = Ty = 15 mm, utilizando fibra de vidro, com ε r = 4,4 e altura de 1,5 mm. Figura 3.4 – Forma do elemento obtido através da combinação Dipolo em Cruz e Espira Quadrada. As estruturas cascateadas foram obtidas através do cascateamento da estrutura E1 seguida por uma camada de ar e esta pela estrutura E2, do cascateamento da estrutura E3 seguida por uma camada de ar e esta pela estrutura E4, e finalmente, do cascateamento da estrutura E5 seguida por uma camada de ar e esta pela mesma estrutura E5, ou seja, neste último cascateamento foram utilizadas estruturas similares (com as mesmas formas de elemento). Os resultados que serão apresentados foram obtidos para valores diferentes de separação entre as estruturas, ou seja, valores diferentes para a espessura da camada de ar, parâmetro chamado de “d” conforme segue na Figura 3.5. Figura 3.5 – Estruturas cascateadas. 34 Cascateamento de Superfícies Seletivas em Frequência A Tabela 1 identifica cada estrutura utilizada: Tabela 1 – Identificação das estruturas utilizadas. Estrutura Tipo do elemento E1 Fractal Dürer nível 1 E2 Fractal Dürer nível 2 E3 Fractal Minkowski nível 1 E4 Fractal Minkowski nível 2 E5 Dipolo em Cruz com Espira Quadrada 3.4 – Resultados Simulados Nesta seção serão apresentados os resultados numéricos simulados obtidos neste trabalho através da técnica usando a matriz de espalhamento e o software comercial Ansoft DesignerTM v3, foram feitas comparações com entre estes resultados. No capítulo seguinte serão apresentadas comparações com resultados experimentais medidos em laboratório. As Figuras 3.6, 3.7, 3.8 e 3.9 mostram as características de transmissão para cada uma das estruturas individuais utilizadas. Figura 3.6 – Característica de transmissão para a estrutura E1. 35 Cascateamento de Superfícies Seletivas em Frequência Figura 3.7 – Característica de transmissão para a estrutura E2. Figura 3.8 – Característica de transmissão para as estruturas E3 e E4. 36 Cascateamento de Superfícies Seletivas em Frequência Figura 3.9 – Característica de transmissão para a estrutura E5. A Figura 3.10 mostra a característica de transmissão para o cascateamento entre as estruturas 1 e 2 separadas por uma camada de ar com espessura d igual à 0,0 mm. Conforme se pode observar, foi obtida uma estrutura com característica multi-banda para os resultados usando TME [60], [61], e um filtro multi-banda com pequena banda de rejeição no início da faixa para os resultados apresentados pelo software comercial. Figura 3.10 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas E1 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 0 mm. 37 Cascateamento de Superfícies Seletivas em Frequência As curvas foram traçadas para uma onda plana TE normalmente incidente. A Figura 3.11 mostra a característica de transmissão para os resultados obtidos para o cascateamento das estruturas 1 e 2 aumentando a espessura da camada de ar entre elas para um valor igual à 2,0 mm. Observa-se um aumento na largura de banda para ambos resultados com relação ao resultado obtido anteriormente, porém a técnica TME apresenta uma maior atenuação o que pode ser explicado pela não consideração na técnica de lóbulos laterais assim como o acoplamento mútuo entre as estruturas. Figura 3.11 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas E1 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 2,0 mm. A Figura 3.12 mostra a característica de transmissão quando do cascateamento entre as estruturas 1 e 2 separadas por uma camada de ar com espessura de 5,0 mm. Pode-se observar, através dos resultados simulados, que há um aumento na largura de banda em ambos os casos, porém a estrutura ainda continua apresentando um comportamento multi-banda, o aumento da banda de rejeição é evidenciado para a primeira banda. Pode-se dizer que a estrutura acoplada se comporta como um filtro multi-banda, onde a primeira banda apresenta característica de um filtro passa-alta, atenuando frequências na faixa de 7,0 GHz à 9,0 GHz aproximadamente. Um comportamento semelhante é apresentado quando há um aumento na espessura da camada de ar para 10,0 mm, esse resultado é observado na Figura 3.13. 38 Cascateamento de Superfícies Seletivas em Frequência Figura 3.12 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas E1 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 5,0 mm. Figura 3.13 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas E1 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 10,0 mm. A Figura 3.14 mostra a característica de transmissão quando do cascateamento entre as estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura de 0,0 mm. 39 Cascateamento de Superfícies Seletivas em Frequência Pode-se observar, através dos resultados simulados, que há um comportamento multi-banda, porém para o resultado obtido através da técnica TME para esta distância entre as estruturas praticamente não houve mudança nas frequências de ressonância apresentadas pelas mesmas individualmente. Figura 3.14 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 0,0 mm. Figura 3.15 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 2,0 mm. 40 Cascateamento de Superfícies Seletivas em Frequência A Figura 3.15 mostra a característica de transmissão quando do cascateamento entre as estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura de 2,0 mm. É possível perceber que para o resultado usando a técnica TME não houve modificações com relação às ressonâncias, porém houve um aumento significativo com relação a largura de banda quando comparado ao resultado obtido sem espaçamento entre as estruturas. O acoplamento entre as estruturas é perceptível observando o resultado obtido através do software comercial, onde há agora um comportamento com banda única de rejeição, ou seja, para este resultado um comportamento de filtro rejeita-faixa. Quando do aumento da espessura da camada de ar entre as estruturas E3 e E4 para um valor igual a 5,0 mm, observa-se um incremento na largura de banda em ambos os resultados, porém o acoplamento entre as estruturas é mais evidente observando o resultado obtido pelo software comercial. Os resultados obtidos nesse caso são mostrados na Figura 3.16. Figura 3.16 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 5,0 mm. A Figura 3.17 mostra a característica de transmissão quando do cascateamento entre as estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura de 10,0 mm. Percebe-se que os resultado são bastante semelhantes com relação ao comportamento apresentado. Para o resultado obtido com o software comercial houve uma aumento na largura de banda quando comparado aos casos anteriores. A Figura 3.18 mostra os resultados obtidos através da técnica TME para o último cascateado, o acoplamento 41 Cascateamento de Superfícies Seletivas em Frequência entre estruturas com elementos idênticos, E5 uma camada de ar e novamente a mesma estrutura E5. Pode-se observar que para esta técnica não fica evidente que existem estruturas acopladas, isto se deve ao caso de se está utilizando estruturas idênticas com a mesma resposta em frequência. A figura 3.19 mostra o resultado simulado obtido com o software comercial. Figura 3.17 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 10,0 mm. Figura 3.18 – Característica de transmissão para o cascateamento da estrutura E5 com diferentes valores para a espessura da camada de ar usando a técnica TME. 42 Cascateamento de Superfícies Seletivas em Frequência Figura 3.19 – Característica de transmissão para o cascateamento das estruturas 1 e 2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 6,0 mm. Na Figura 3.19 é possível perceber um aumento na largura de banda e esse aumento se torna mais evidente quando comparado ao resultado obtido para apenas uma FSS simples com os mesmos elementos, como foi possível observar na Figura 3.9. 3.5 – Conclusão Neste capítulo foram apresentados os resultados simulados obtidos para a característica de transmissão do cascateamento de superfícies seletivas de frequência. Foram realizados três cascateamentos entre estruturas separadas por uma camada de ar, o primeiro utilizando as estruturas E1 e E2, que são FSS formadas por elementos do tipo patch fractal Dürer níveis 1 e 2, o segundo entre as estruturas E3 e E4, que são FSS formadas por elementos com geometrias fractal de Minkowski níveis 1 e 2. Por fim, foi realizado o cascateamento da estrutura E5, nesse caso foi utilizado estruturas com elementos idênticos, porém o resultado simulado mostrou que há um aumento bem definido com relação a estrutura isolada. Foram feitas ainda comparações entre os resultados obtidos simulados. 43 CAPÍTULO 4 Resultados Experimentais 4.1 – Introdução Uma série de medições foram realizadas com o intuito de se obter o comportamento do acoplamento, de forma experimental, das estruturas apresentadas no capítulo anterior. Neste capítulo serão apresentados o setup da realização experimental, e os resultados experimentais obtidos. 4.2 – Setup de Medição As medições foram realizadas no laboratório do Grupo de Telecomunicações e Eletromagnetismo Aplicado – GTEMA do IFPB localizado em João Pessoa – PB e no Laboratório de Antenas, Propagação e Comunicações Móveis – LAPCOM da UFRN. Foram utilizados Analisadores de Redes das marcas Agilent®, modelo N5230A, duas antenas do tipo corneta padrão na banda X, e Rohde & Schwarz®, modelo ZVB14, em conjunto com duas antenas também do tipo corneta com uma faixa de trabalho que vai de 700 MHz até 18,0 GHz. O range de frequência para realização de algumas medições foi de 7,0 GHz até 12,0 GHz e em outros casos, de 1,0 GHz até 14 GHz, respeitando o range de operação do analisador utilizado. Para realizar o cascateamento das estruturas foram produzidos no laboratório de mecânica da UFRN parafusos, porcas e as separações, todos utilizando Teflon como material, conforme mostra a Figura 4.1. Antes de realizar as medições para cada estrutura e para o cascateamento destas, foi retirada uma curva de referência, sem nenhuma estrutura posicionada entre as antenas transmissora e receptora, com intuito de corrigir as perdas nos conectores e a resposta das antenas nas diferentes frequências. A figura 4.2 mostra o setup de medição da curva de referência. 44 Resultados Experimentais Figura 4.1 – Detalhes dos parafusos, porcas e separações. Figura 4.2 – Setup para medição da curva de referência. Após a realização deste procedimento, foram feitas as medições das estruturas para suas respectivas curvas de referência, após isso os valores obtidos na curva de referência foram subtraídos dos valores medidos para cada estrutura e para a estrutura cascateada. A Figura 4.3 mostra a curva de referência e as características de transmissão de uma estrutura , com elementos do tipo patch retangular operando em 9,5 GHz, com e sem a retirada da referência dos valores medidos, como exemplo. 45 Resultados Experimentais As Figuras 4.4 à 4.7 mostram as estruturas no setup de medição e os detalhes da separação entre as estruturas na realização do cascateamento. Figura 4.3 – Características de transmissão para a referência, e para os valores medidos com referência e após a retirada desta. Figura 4.4 – Setup para medição das estruturas. 46 Resultados Experimentais Figura 4.5 – Detalhe da separação entre as estruturas, realização do cascateamento. Figura 4.6 – Medição do cascateamento das estruturas E3 e E4. 47 Resultados Experimentais 4.3 – Resultados Medidos As Figuras 4.7 à 4.11 mostram o comparativo das características de transmissão do cascateamento das estruturas E1 e E2, descritas no capítulo anterior, para diferentes alturas (espaçamentos entre as estruturas individuais) da camada de ar entre as placas. Figura 4.7 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E1 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 0,0 mm. Pode-se observar que para ambos os resultados na Figura acima, foi obtido uma característica de multi-banda em alguns casos banda dupla (dual-band). A Figura 4.8 mostra os resultados obtidos quando há um aumento na separação das estruturas individuais, ou seja, para um aumento na espessura da camada de ar para 2,0 mm. É possível observar que a estrutura cascateada apresenta banda dupla para o caso medido e um aumento na largura de banda para este resultado. 48 Resultados Experimentais Figura 4.8 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E1 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 2,0 mm. Figura 4.9 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E1 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 5,0 mm. Já na Figura 4.9, pode-se observar uma boa concordância com relação a largura de banda entre os resultados medidos e obtidos através do software comercial utilizado. 49 Resultados Experimentais Figura 4.10 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E1 e E2 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 10,0 mm. A característica de transmissão obtida com um aumento da separação entre as estruturas E1 e E2 para 10,0 mm pode ser observada na Figura 4.10, e esta mostra que a estrutura cascateada para este valor apresenta ainda uma boa concordância em termos de largura de banda entre os resultados medidos e simulados pelo Ansoft Designer. A Figura 4.11 apresenta os resultados obtidos para uma separação de 0,0 mm entre as estruturas E3 e E4. Como se pode observar para este valor da espessura da camada de ar, a estrutura cascateada assim como no caso anterior apresenta também características multi-banda. E neste caso há uma boa concordância entre os valores medidos e os resultados obtidos pela técnica TME. O resultado obtido para o caso com separação de 5,0 mm entre as estruturas E3 e E4 é mostrado na Figura 4.12. Assim como no caso anterior houve um aumento na largura de banda da estrutura acoplada. Já para um aumento na espessura da camada de ar entre as estruturas E3 e E4 é possível observar para ambos os resultados mostrados um incremento na largura de banda. A Figura 4.13 mostra o resultado para d igual a 10,0 mm. 50 Resultados Experimentais Figura 4.11 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 0,0 mm. Figura 4.12 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 5,0 mm. 51 Resultados Experimentais Figura 4.13 – Característica de transmissão medido para o cascateamento das estruturas E3 e E4 separadas por uma camada de ar com espessura igual à 10,0 mm. O mesmo procedimento foi repetido para o cascateamento da estrutura E5 (Dipolo Cruzado com Espira Quadrada) com ela mesma separada por uma camada de ar. Conforme se pode observar nos resultados medidos houve um aumento da largura de banda para a estrutura acoplada, principalmente quando comparado com a mesma estrutura isolada. Pode-se dizer que a estrutura apresenta característica de um filtro rejeita-faixa na banda X. As Figuras 4.14 à 4.17 mostram as características de transmissão e a comparação entre os resultados simulados obtidos pelo software comercial utilizado e medidos em laboratório, de duas estruturas E5 separadas por uma camada de ar, a qual tem sua espessura variada para valores entre 0,0 mm e 10,0 mm. 52 Resultados Experimentais Figura 4.14 – Característica de transmissão medido para o cascateamento da estrutura E5 sem separação entre as estruturas. Figura 4.15 – Característica de transmissão medido para o cascateamento da estrutura E5 com separação entre as estruturas de 2,0 mm. 53 Resultados Experimentais Figura 4.16 – Característica de transmissão medido para o cascateamento da estrutura E5 com separação entre as estruturas de 6,0 mm. Figura 4.17 – Característica de transmissão medido para o cascateamento da estrutura E5 com separação entre as estruturas de 10,0 mm. 54 Resultados Experimentais 4.4 – Conclusão Neste capítulo foram apresentados os resultados medidos em laboratório das características de transmissão para as estruturas cascateadas apresentadas no capítulo anterior. A comparação entre os resultado simulados e medidos foi realizada. Pode-se observar também que a solução de utilização de FSS multicamadas ou cascateadas é eficiente quanto à melhoria da resposta da estrutura em termos de largura de banda, tanto na operação em multi-banda quando na operação em banda larga. Os resultados simulados e medidos apresentaram uma boa concordância com relação ao parâmetro largura de banda em vários casos. 55 CAPÍTULO 5 Conclusão Neste trabalho, foram apresentados os resultados simulados e medidos para as características de transmissão do cascateamento de superfícies seletivas em frequência usando elementos do tipo patch do tipo fractal de Dürer níveis 1 e 2, fractal de Minkowski níveis 1 e 2 e elementos obtidos a partir da combinação de um Dipolo em Cruz com uma Espira Quadrada, como células periódicas, montados sobre substratos dielétricos com permissividades elétrica diferentes para cada caso, separadas por uma camada de ar. Na realização dos dois primeiros cascateamentos, usando elementos com formas dissimilares, é possível perceber que à medida que o espaçamento entre as estruturas individuais aumenta, ou seja, na medida em que a altura da camada de ar aumenta, o comportamento da característica de transmissão da FSS cascateada se modifica. Percebe-se que com pequenos valores de espaçamentos a estrutura cascateada apresenta uma característica multi-banda. Porém, com o aumento do espaçamento a característica de banda dupla desaparece para determinados valores de camada de ar, surgindo uma reposta em banda única com um consequente aumento da largura de banda. É perceptível ainda que na medida em que há um incremento (aumento) da altura da camada de ar, para este primeiro caso, há uma maior conformidade entre os valores medidos e simulados. Com relação à técnica numérica usada para analisar a estrutura cascateada, podese dizer que ela apresenta bons resultados para pequenas distâncias em termos de comprimento de onda, contudo, para grandes valores de espaçamento os resultados apresentados apresentam uma boa concordância para frequências mais altas. Na realização do terceiro cascateamento foram utilizados elementos com formas obtidas através de combinações de outros elementos com formas mais simples, tanto do ponto de vista de construção quanto da análise,. Para este caso, os comportamentos das características de transmissão sempre apresentaram resposta em banda larga para o parâmetro largura de banda. E neste caso a técnica TME não se mostrou satisfatória quanto à predição da característica de transmissão. 56 Conclusão As FSS, assim como uma antena de microfita, são estruturas leves e de fácil fabricação dependendo do elemento que será utilizado com célula unitária. As comparações feitas entre resultados experimentais e resultados simulados através do uso do software comercial Ansoft DesignerTM v3 serviram para validar tais resultados. Pode-se concluir que variações na espessura da camada de ar entre as FSS, provocam alterações nas frequências de ressonância e na largura de banda da estrutura cascateada. Em alguns casos, a estrutura cascateada apresentou comportamento multibanda, em outros um comportamento em banda-larga na medida em que tal espessura aumentava. Portanto, pode-se obter um filtro com largura de banda sintonizável a partir da combinação de estruturas simples separadas por camadas de ar, o ajuste da largura de banda irá depender do valor dado para separação entre as FSS, assim como das características individuais de cada estrutura que poderá ser acoplada. Como continuidade do trabalho, sugere-se o estudo do cascateamento de estruturas com outras formas de elementos, tais como patch circular, cruz de Jerusalém, outros tipos de fractais, FSS ativas, dentre outros. Pode-se utilizar FSS com elementos de periodicidades diferentes, para diversos valores da espessura de separação entre as FSS, pode-se ainda variar o ângulo de incidência, utilizar outros tipos de substratos como separação entre as estruturas não apenas o ar, e verificar a aplicação destas estruturas em antenas de microfita com intuito de obter as características desejáveis utilizando estruturas de baixo perfil. 57 Referências Bibliográficas [1] K. ElMahgoub, F. Yang e A. Z. Elsherbeni, “Analysis of Multilayer Periodic Structures with Different Periodicities using a Hybrid FDTD/GSM Method”, Microwave Symposium Digest (MTT) 2011 IEEE MTT-S International, 1 – 4, 2011. [2] A. Pirhadi, H. Bahrami e J. Nasri, “Wideband High Directive Aperture Coupled Microstrip Antenna Designe by Using a FSS Superstrate Layer”, IEEE Trans. On Antennas and Propagation, 60 (4), 2101 – 2106 (2012). [3] T. K. Wu, “Frequency selective surface and grid array”, Jonh Wiley & Sons, New York, E.U.A., 1995. [4] B. A. 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