INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E
TECNOLOGIA DA PARAÍBA – CAMPUS JOÃO PESSOA
DISSERTAÇÃO
PROJETO DE ANTENAS BIOINSPIRADAS EM PLANTAS PARA
SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO
Aluno: Paulo Fernandes da Silva Júnior
Professor Orientador: Prof. Paulo Henrique da Fonseca Silva, Dr.
Professor Coorientador: Prof. Jefferson Costa e Silva, Dr.
João Pessoa – PB
Junho – 2015
PROJETO DE ANTENAS BIOINSPIRADAS EM PLANTAS PARA
SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO
Paulo Fernandes da Silva Júnior
Dissertação submetida à Coordenação do Programa de PósGraduação em Engenharia Elétrica do Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba, como requisito
necessário à obtenção do grau de Mestre em Ciências no
domínio da Engenharia Elétrica.
Área de Concentração: Eletromagnetismo Aplicado
Paulo Henrique da Fonseca Silva, Dr.
(Orientador)
Jefferson Costa e Silva, Dr.
(Coorientador)
João Pessoa – PB, Junho de 2015.
i
ii
Paulo Fernandes da Silva Júnior
PROJETO DE ANTENAS BIOINSPIRADAS EM PLANTAS PARA
SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO SEM FIO
Dissertação submetida à Coordenação do Programa de PósGraduação em Engenharia Elétrica do Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba, como requisito
necessário à obtenção do grau de Mestre em Ciências no
domínio da Engenharia Elétrica.
BANDA EXAMINADORA
______________________________________________________
Prof. Paulo Henrique da Fonseca Silva, Dr. – IFPB
(Orientador)
______________________________________________________
Prof. Jefferson Costa e Silva, Dr. – IFPB
(Coorientador)
______________________________________________________
Prof. Joabson Nogueira de Carvalho, Dr. – IFPB
(Examinador Interno)
______________________________________________________
Prof. Alfrêdo Gomes Neto, Dr. – IFPB
(Examinador Interno)
______________________________________________________
Prof. Alexandre Jean René Serres, Dr. – UFCG
(Examinador Externo)
João Pessoa – PB, Junho de 2015.
iii
AGRADECIMENTOS
Ao Senhor Jesus pela força, ânimo, cuidado diário e por colocar em minha vida
pessoas que, a cada dia, impulsiona-me a melhorar como ser humano.
À minha esposa, Janaína Muniz e filhas, Jayne e Gabrielle, que com toda a
paciência têm suportado e dividido o resumido tempo com os meus estudos; sem elas eu
não teria chegado a lugar algum.
Ao professor Paulo Henrique, meu orientador, um exemplo de pessoa e
profissional, que com alegria indicou o caminho da pesquisa deste trabalho, com muita
paciência disponibilizou o seu precioso tempo neste projeto e ainda atuou como revisor
do texto em sua forma e conteúdo; sem ele esta Dissertação não poderia ser realizada.
Ao professor Jefferson Costa, coorientador e coordenador da Pós-Graduação em
Engenharia Elétrica do IFPB, que, com carinho e atenção, apoiou na revisão do texto e
sempre esteve disposto a ajudar na conclusão desta Dissertação.
A todos os professores do IFPB, em especial aos professores Neilor César e
Edgard Santos, que têm promovido um ambiente agradável e favorável à pesquisa
acadêmica.
Aos meus colegas do Mestrado, em especial a Alexandre Santos, pelo apoio,
divisão de experiência e multiplicação de forças, ao professor João Batista pelos
conselhos e a disponibilidade em ajudar nos momentos necessários, a Evandson pela
boa vontade e disposição em apoiar este trabalho, a Maria do Carmo Frazão,
Nieremberg Ramos e todos que de forma direta e indireta contribuíram com esta
Dissertação.
Aos meus pais, Paulo Fernandes e Odete Carneiro, pelo empenho na minha
educação, fazendo tudo o que estava ao seu alcance para ofertar o melhor possível.
Ao IFPB, pelo suporte financeiro para o desenvolvimento desta Dissertação.
iv
RESUMO
As soluções biologicamente inspiradas têm despertado o interesse de
pesquisadores para soluções de problemas em várias tecnologias. A partir da inspiração
na natureza, observação do comportamento e funções realizadas pelos seres vivos (que
usam os recursos naturais de forma sustentável e otimizada ao longo de milhões de anos
de evolução), várias instituições de renome mundial têm financiado centros de pesquisa
para o desenvolvimento da engenharia biologicamente inspirada. Nos últimos anos os
conceitos bioinspirados também têm sido usados em projetos de dispositivos de microondas
inovadores.
A
proposta
desta
pesquisa
é
verificar
o
uso
de
geometrias bioinspiradas em plantas (folhas e flores) para o desenvolvimento de antenas
tipo patch e monopolo impresso para aplicação em sistemas de comunicação de quarta
geração e de banda ultralarga . As antenas são fabricadas com materiais de baixo custo:
laminados de fibra de vidro e tecido jeans. As propriedades ressonantes e de irradiação
das antenas bioinspiradas propostas são caracterizadas através de análises numéricas e
experimentais. Os resultados obtidos são comparados com aqueles apresentados por
antenas patch e monopolo impresso convencionais. Os softwares comerciais Ansoft
DesignerTM e HFSS foram usados nas simulações das antenas. Os resultados
experimentais foram obtidos através de medição dos protótipos fabricados nos
laboratórios do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba,
utilizando um analisador de redes vetorial, modelo N5230A-Agilent Technologies. Para
as antenas tipo monopolo impresso, o uso da geometria bioinspirada possibilitou um
projeto mais compacto com a redução das dimensões das antenas.
v
ABSTRACT
Biologically inspired solutions have attracted the interest of researchers for
solutions in various technologies. With inspiration from nature, behaviour observation
and functions performed by living things (that use natural resources in a sustainable
manner and optimized and optimally over millions of years of evolution), several worldrenowned institutions have funded research centres for the development of biologically
inspired engineering. At the last years, bio-inspired concepts also have been used to
design innovative microwave devices. The purpose of this research is to verify the
applications of bio-inspired geometries in plants (leaves and flowers) in the
development of patch and printed monopole antennas for applications in fourthgeneration and ultra-wideband communication systems. Built antennas are fabricated
with low-cost materials: fiberglass laminates and jeans fabric. Resonant and radiation
properties of proposed bio-inspired antennas are characterized by numerical and
experimental analysis. The obtained results are compared with those presented by
conventional patch and printed monopole antennas. Ansoft DesignerTM and HFSS
commercial software were used for antenna simulations. The experimental results were
obtained through measures of fabricated prototypes in laboratory of the Federal Institute
of the Paraíba, with the use of a vector network analyser, model N5230A Agilent
Technologies. For printed monopole antennas the use of bio-inspired geometry
promoted a compact design, with reduction of antennas dimensions.
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1
Diferentes tecnologias e suas frequências de operação..................................
26
Figura 2.2
Pulso gaussiano, monociclo e pulso duplo gaussiano....................................
30
Figura 2.3
Pulso gaussiano, monociclo e pulso duplo gaussiano sobre a máscara
espectral FCC.................................................................................................
Figura 2.4
30
a) Pulso UWB transmitido no tempo; b) Espectro do pulso UWB
transmitido e máscara espectral FCC.............................................................
32
Figura 3.1
Antenas tipo monopolo impresso, [18]..........................................................
36
Figura 3.2
Geometria de uma antena monopolo impresso retangular.............................
37
Figura 3.3
Antena do tipo patch retangular.....................................................................
39
Figura 3.4
Antenas bioinspiradas em plantas: a) maple-leaf [18]; b) leaf-shaped
bowtie [52]; c) leaf vintena [62]; d) four-leaf clover [20]; e) leaf-shaped
bowtie UWB [53]; f) four leaf [60]; g) tulip antena [57]; h) leaf-shaped
bowtie [54], i) rose leaf [56]; j) patch Fibonacci [14]; k) árvore com
transmissor [51]; l) leaf PMA [61].................................................................
Figura 3.5
44
Antenas bioinspiradas em animais: a) Buttlerfly PMA [46]; b) cockroach
vintena [67]; c) antena de inseto [55]; d) vascular patch [66]; e) monopolo
vintenavi [65].................................................................................................
45
Figura 3.6
Partes das folhas: a) margens; b) bases; c) ápice...........................................
47
Figura 3.7
Classificação das formas mais comuns de folhas...........................................
48
Figura 3.8
Partes de uma flor completa......................................................................
48
Figura 3.9
Ilustrações de alguns tipos de corolas de flores.............................................
49
Figura 3.10
Formação do número de ouro: a) pelo pentágono e b) por retângulos ..........
50
Figura 3.11
Exemplos do número de ouro na natureza [73-74]: a) no corpo humano; b)
nos galhos, pétalas de uma rosa e na disposição das folhas de uma
espirradeira ....................................................................................................
Figura 3.12
Exemplos de geometrias fractais: a) nos galhos das árvores [78]; b) na
samambaia [79]; c) na flor de um girassol.....................................................
Figura 3.13
Figura 3.14
51
53
Ilustrações de árvores fractais gerados pelo sistema-L: a) 4,8 e 32
iterações; b) 16, 32 e 64 iterações.........................................................
54
Sistema de coordenadas polares.....................................................................
54
vii
Figura 3.15
Gráficos em coordenadas polares para algumas funções: Gráficos em
coordenadas polares para algumas funções: a) borboleta; b) borboleta com
antenas; c) cardioide; d) rosácea de 4 pétalas; e) 2 asas de borboleta; f)
libélula............................................................................................................
Figura 3.16
Geometrias geradas pela superfórmula de Gielis: a) naturais [83]; b)
geradas pela superfórmula [82].................................................................
Figura 3.17
55
57
Exemplos de antenas camufladas: Aplicações em antenas: a) Palmeira
[93]; b) Cactos [94]; c) shark viintena [87]; d) camuflada pela pintura [95];
e) washable wearable antena [89]...............................................................
Figura 4.1
59
Geometrias bioinspiradas propostas para tecnologia 4G: a) planta de canade-açúcar; b) geometria simulada da cana-de-açúcar; c) folha elíptica de
oliveira; d) folha elíptica simulada; e) flor de tulipa; f) flor de tulipa
simulada..........................................................................................................
Figura 4.2
62
Geometria bioinspirada propostas para tecnologia UWB: a) flor da tulipa;
b) modelo simulado da tulipa; c) folha de oliveira; d) antena folha de
oliveira simulada; e) flor de jasmim; f) flor de jasmim simulada; g)
orquídea; h) antena pétala de orquídea simulada...........................................
62
Figura 4.3
Dimensões de projeto da PMA quadrada......................................................
65
Figura 4.4
Antena cana-de-açúcar de 4 folhas e PMA quadrada: a) dimensões da
antena cana-de-açúcar 4 folhas simulada, b) antena com refletor, c)
comparação das antenas cana-de-açúcar 4 folhas e PMA quadrada..............
Figura 4.5
Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA quadrada com
refletor............................................................................................................
Figura 4.6
69
Impedâncias sobre as cartas de Smith das PMA com refletor: a) cana-deaçúcar de 4 folhas; b) quadrada......................................................................
Figura 4.9
68
Comparação do parâmetro |S11| medido das antenas cana-de-açúcar de 4
folhas e PMA quadrada com refletor......................................................
Figura 4.8
68
Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da antena cana-deaçúcar de 4 folhas sem refletor ......................................................................
Figura 4.7
67
70
Diagrama de irradiação da PMA quadrada com refletor em 700 MHz: a)
ganho, 3-D; b) 2-D plano-E e plano-H; c) campo distante; d) densidade de
corrente de superfície ....................................................................................
71
viii
Figura 4.10
Diagrama de irradiação da antena cana-de-açúcar de 4 folhas com refletor
em 700 MHz: a) ganho, 3-D; b) 2-D plano-E e plano-H; c) campo distante;
d) densidade de corrente de superfície ..........................................................
Figura 4.11
73
Dimensões da antena cana-de-açúcar de 3 folhas com refletor: b) antena
cana-de-açúcar 3 folhas com refletor medida, c) comparação antena canade-açúcar 3 folhas e PMA quadrada medida.............................................
Figura 4.12
Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da antena cana-deaçúcar de 3 folhas com refletor......................................................................
Figura 4.13
74
75
Diagrama de irradiação da antena cana-de-açúcar de 3 folhas com refletor
em 751 MHz: a) ganho, 3-D; b) 2-D plano-E e plano-H; c) campo distante;
d) densidade de corrente de superfície ..........................................................
Figura 4.14
Impedância sobre a carta de Smith da antena cana-de-açúcar de 3 folhas
com refletor ...................................................................................................
Figura 4.15
77
77
Dimensões de projeto da antena folha elíptica para 2,5 GHz: a) dimensões
da antena com abertura, b) dimensão da folha com aplicação do número de
ouro, c) antena com refletor, d) comparação entre a estrutura da antena
bioinspirada e PMA quadrada...................................................................
Figura 4.16
Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA quadrada com
refletor............................................................................................................
Figura 4.17
82
Impedâncias sobre as cartas de Smith das PMA com refletor: a) folha
elíptica; b) quadrado.......................................................................................
Figura 4.20
82
Comparação do parâmetro |S11| medido das antenas de folha elíptica e
PMA quadrada com refletor...........................................................................
Figura 4.19
81
Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da antena de folha
elíptica com refletor........................................................................................
Figura 4.18
81
83
Diagrama de irradiação da PMA quadrada com refletor em 2,55 GHz: a)
ganho, 3-D; b) 2-D plano-E e plano-H; c) campo distante; d) densidade de
corrente de superfície ....................................................................................
Figura 4.21
84
Diagrama de irradiação da antena de folha elíptica com refletor em 2,40
GHz: a) ganho, 3-D; b) 2-D plano-E e plano-H; c) campo distante; d)
densidade de corrente de superfície ..............................................................
Figura 4.22
85
Antenas do tipo patch: a) medidas; b) dimensões da antena quadrada; c)
dimensões da flor de tulipa..................................................................
87
ix
Figura 4.23
Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da antena do tipo patch
quadrada ........................................................................................................
Figura 4.24
Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da antena patch flor de
tulipa ..............................................................................................................
Figura 4.25
90
Diagrama de irradiação 3-D da antena patch flor de tulipa em 2,56 GHz: a)
ganho, 3-D; b) 2-D plano-E e plano-H...........................................................
Figura 4.29
89
Diagrama de irradiação 3-D da antena patch quadrada em 2,6 GHz: a)
ganho, 3-D; b) 2-D plano-E e plano-H...........................................................
Figura 4.28
88
Impedâncias sobre as cartas de Smith das antenas do tipo patch: a) flor de
tulipa; b) quadrada..........................................................................................
Figura 4.27
88
Comparação do parâmetro |S11| medido das antenas do tipo patch flor de
tulipa e quadrada ...........................................................................................
Figura 4.26
87
91
PMA: a) geometria circular e b) protótipo; c) geometria flor de jasmim (8
mm) e d) protótipo; e) geometria flor de jasmim (2 mm); f) protótipo..........
93
Figura 4.30
Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA circular...........
94
Figura 4.31
Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA flor de jasmim
(8 mm) ...........................................................................................................
Figura 4.32
Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA flor de jasmim
(2 mm) ...........................................................................................................
Figura 4.33
97
Diagrama de irradiação da PMA flor de jasmim (8 mm) em 7,60 GHz: a)
3-D com ganho; b) campo distante; c) 2-D plano-E e plano-H......................
Figura 4.38
96
Diagrama de irradiação da PMA circular em 7,13 GHz: a) 3-D com ganho;
b) campo distante; c) 2-D plano-E e plano-H.................................................
Figura 4.37
96
Impedâncias sobre as cartas de Smith da PMA: a) circular; flor de jasmim
(8 mm); c) flor de jasmim (2 mm) .................................................................
Figura 4.36
95
Comparação do parâmetro VSWR medido da PMA circular, flor de
jasmim (8 mm) e flor de jasmim (2 mm) ......................................................
Figura 4.35
95
Comparação do parâmetro |S11| medido da PMA circular, flor de jasmim (8
mm) e flor de jasmim (2 mm) ...................................................................
Figura 4.34
94
98
Diagrama de irradiação da PMA flor de jasmim (2 mm) em 9,25 GHz: a)
3-D com ganho; b) campo distante; c) 2-D plano-E e plano-H......................
99
Figura 4.39
Geometria da PMA flor de tulipa: a) dimensões, b) protótipo.......................
100
Figura 4.40
Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA flor de tulipa...
101
x
Figura 4.41
Impedância sobre a carta de Smith da PMA flor de tulipa ..........................
Figura 4.42
Diagrama de irradiação 3-D da PMA flor de tulipa em 5,7 GHz: a) ganho;
b) campo distante............................................................................................
Figura 4.43
102
102
Diagrama de irradiação 3-D da PMA flor de tulipa em 8,6 GHz: a) ganho;
b) campo distante............................................................................................
103
Figura 4.44
Geometria da PMA folhas de oliveira: a) dimensões; b) protótipo................
104
Figura 4.45
Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA folhas de
oliveira............................................................................................................
Figura 4.46
104
Comparação do parâmetro VSWR medido e simulado da PMA folhas de
oliveira............................................................................................................
105
Figura 4.47
Impedância sobre a carta de Smith da PMA folhas de oliveira .................
106
Figura 4.48
Diagrama de irradiação 3-D da PMA folhas de oliveira em 5,19 GHz: a) 3D com ganho; b) campo distante....................................................................
Figura 4.49
106
Diagrama de irradiação 3-D da PMA folhas de oliveira em 8,88 GHz: a) 3D com ganho; b) campo distante....................................................................
106
Figura 4.50
Geometria da PMA pétala de orquídea: a) dimensões; b) protótipo..............
107
Figura 4.51
Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA pétala de
orquídea..........................................................................................................
Figura 4.52
108
Comparação do parâmetro VSWR medido e simulado da PMA pétala de
orquídea..........................................................................................................
109
Figura 4.53
Carta de Smith da PMA pétala de orquídea...................................................
109
Figura 4.54
Diagrama de irradiação 3-D da antena pétala de orquídea em 3,45 GHz: a)
3-D com ganho; b) campo distante.................................................................
Figura 4.55
Diagrama de irradiação 3-D da antena pétala de orquídea em 9,21 GHz: a)
3-D com ganho; b) campo distante.................................................................
Figura 4.56
110
PMA têxtil gynkgo biloba: a) folha da planta gynkgo biloba; b) geometria
proposta, protótipo c) vista superior e d) vista inferior..................................
Figura 4.57
110
113
Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA têxtil gynkgo
biloba..............................................................................................................
113
Figura 4.58
Impedância sobre a carta de Smith da PMA têxtil gynkgo biloba ................
114
Figura 4.59
Diagrama de irradiação da PMA têxtil gynkgo biloba em 2,12 GHz: a)
ganho, 3-D; b) campo distante; c) 2-D, plano-E e plano-H...........................
115
xi
Figura 4.60
Antena do tipo patch têxtil árvore fractal: a) árvore fractal, sistema-L; b)
geometria proposta; protótipo c) vista superior e d) vista inferior.................
Figura 4.61
Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da antena do tipo patch
têxtil árvore fractal ........................................................................................
Figura 4.62
117
Impedância sobre a carta de Smith da antena do tipo patch têxtil árvore
fractal .............................................................................................................
Figura 4.63
116
118
Diagrama de irradiação da antena do tipo patch têxtil árvore fractal em
7,62 GHz: a) ganho, 3-D; b) campo distante; c) 2-D, plano-E e plano-H......
119
xii
LISTA DE TABELAS
TABELA 2.1
Subfaixas da tecnologia 4G (2,5 GHz a 2,69 GHz) ............................
24
TABELA 2.2
Parâmetros do sistema-LTE.................................................................
25
TABELA 2.3
DEP de alguns sistemas sem fio.........................................................
27
TABELA 2.4
Taxa de transmissão de bits de alguns padrões de comunicação........
27
TABELA 3.1
Aplicações médicas e não médicas de antenas para uso junto ao
corpo....................................................................................................
59
TABELA 4.1
Dimensões (mm) da PMA quadrada para 700 MHz...........................
65
TABELA 4.2
Dimensões (mm) da antena cana-de-açúcar de 4 folhas para 700
MHz.....................................................................................................
TABELA 4.3
66
Valores medidos de largura de banda e frequência de ressonância da
antena cana-de-açúcar com refletor de 4 folhas e PMA quadrada
com refletor..........................................................................................
TABELA 4.4
Dimensões (mm) da antena cana-de-açúcar de 3 folhas para 700
MHz.....................................................................................................
TABELA 4.5
69
74
Valores medidos e simulados de largura de banda e frequência de
ressonância da antena cana-de-açúcar de 3 folhas com refletor..........
75
TABELA 4.6
Dimensões (mm) da PMA quadrada para 2,5 GHz ............................
78
TABELA 4.7
Valores medidos e simulados de largura de banda e frequência de
ressonância da PMA quadrada com refletor........................................
78
TABELA 4.8
Dimensões (mm) da antena folha elíptica para 2,5 GHz ....................
80
TABELA 4.9
Valores medidos e simulados de largura de banda e frequência de
ressonância da antena folha elíptica com refletor e PMA quadrada
com refletor..........................................................................................
82
TABELA 4.10 Dimensões (mm) da PMA circular......................................................
92
TABELA 4.11 Valores medidos e simulados de largura de banda e frequência de
ressonância da PMA: circular, flor de jasmim (8 mm) e (2 mm) ......
TABELA 4.12 Dimensões (mm) da PMA flor de tulipa..............................................
95
100
TABELA 4.13 Valores medidos e simulados de largura de banda e frequência de
ressonância da PMA flor de tulipa.......................................................
101
TABELA 4.14 Dimensões (mm) da PMA folhas de oliveira......................................
103
xiii
TABELA 4.15 Valores medidos e simulados de largura de banda e frequência de
ressonância da PMA folhas de oliveira...............................................
105
TABELA 4.16 Dimensões (mm) da PMA pétala de orquídea ....................................
107
TABELA 4.17 Valores medidos e simulados de largura de banda e frequência de
ressonância da PMA pétala de orquídea..............................................
108
TABELA 4.18 Dimensões (mm) da PMA têxtil gynkgo biloba .................................
112
TABELA 4.19 Valores medidos e simulados de largura de banda e frequência de
ressonância da PMA têxtil gynkgo biloba...........................................
114
TABELA 4.20 Valores medidos e simulados de largura de banda e frequência de
ressonância da antena do tipo patch têxtil árvore fractal.....................
117
xiv
LISTA DE SIGLAS
2G
Sistema de comunicação móvel de segunda geração
3G
Sistema de comunicação móvel de terceira geração
3GP
Third-Generation Partnership Project (Projeto terceira geração)
4G
Sistema de comunicação móvel de quarta geração
ANATEL
Agência Nacional de Telecomunicações
BAN
Body Area Network (Rede próxima ao corpo)
BW
Bandwidth – largura de banda
DEP
Densidade espectral de potência
EIRP
Effective isotropically radiated Power (Potência isotrópica efetivamente irradiada)
ERB
Estação rádio base
FCC
Federal Communications Commission (Comissão federal de comunicação)
FR4
Flame Resistant 4 (Resistente ao Fogo)
GSM
Global System for Mobile Communications (Sistema de posicionamento global móvel)
IEC
International Eletrotechnical Commission (Comissão internacional de eletrotécnica)
IEEE
Institute of Electric and Electronic Engineers (Instituto de Engenharia Elétrica e Eletrônica)
IFPB
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba
ISSO
International Organization for Standardization (Organização internacional de padronização)
LTE
Long Term Evolution (Evolução de longo prazo)
MAC
Media Access Control (Mídia de acesso de controle)
MIT
Massachusetts Institute of Technology (Instituto de tecnologia de Massachusetts)
NASA
National Aeronautics and Space Administration (Administração nacional do espaço e da
aeronáutica)
PMA
Printed Monopole Antenna (Antena monopolo impressa)
PPM
Pulse Position Modulation (Modulação por posição de pulso)
PHY
Physical Layer (Camada física)
xv
RF
Radiofrequência
RFID
Radio-Frequency Identification (Identificação por radiofrequência)
UHF
Ultra High Frequency (Frequência ultra alta)
UWB
Ultra-wideband (Banda ultralarga)
VSWR
Voltage Stading Wave Ratio (Tensão de onda estacionária)
WBAN
Wireless Body Area Network (Rede sem fio próxima ao corpo)
WLAN
Wireless Local Area Network (Rede sem fio local)
WPAN
Wireless Personal Area Network (Rede sem fio pessoal)
xvi
LISTA DE SÍMBOLOS
A
Perdas
Bf
Largura de banda fracionária
C
Capacidade máxima de canal
E
Conjunto do espaço euclidiano
e
Distorção do pulso UWB
f1
Frequência inferior
f0
Frequência central
f2
Frequência superior
fr
Frequência de ressonância
G(t)
Função gaussiana
GTx
Ganho da antena transmissora
L
Comprimento do patch
LLT
Comprimento da linha de transmissão
LPT
Comprimento do plano de terra
LS
Comprimento do slit
N
Número de iterações
O
Coordenada polar
p
Perímetro
P
Potência transmitida
P
Ponto em coordenadas polares
PTx
Potência de saída do transmissor
r
Coordenadas polar (raio)
R
Raio do monopolo circular
xvii
S/N
Relação sinal/ruído
t
Tempo
W
Largura do patch
WLT
Largura da linha de transmissão
WPT
Largura do plano de terra
WS
Largura do slit
y g1 (t )
Primeira derivada do pulso Gaussiano
yg 2 (t )
Segunda derivada do pulso Gaussiano
yg 3 (t )
Terceira derivada do pulso Gaussiano
yg 5 (t )
Quinta derivada do pulso Gaussiano
yrec
Sinal recebido no tempo
ytrans
Sinal transmitido no tempo
Yrec
Sinal recebido em frequência
Ytrans
Sinal transmitido em frequência
εr
Permissividade elétrica relativa
εref
Permissividade elétrica relativa efetiva
Φ
Número de ouro
σ2
Variância
|S11|
Módulo do coeficiente de reflexão
|S21|
Módulo do coeficiente de transmissão
θ
Coordenadas polares (ângulo)
xviii
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO ......................................................................................................
20
2
TECNOLOGIAS SEM FIO UWB E 4G ..............................................................
23
2.1
Tecnologia 4G no Brasil ...............................................................................
23
2.2
Tecnologia UWB ...........................................................................................
25
2.2.1
3
Pulsos e Espectro UWB ...........................................................................
27
2.3
Requisitos de Projeto para Antenas UWB .................................................
32
2.4
Aplicações da Tecnologia UWB ...................................................................
33
2.4.1
Comunicações e Sensores ........................................................................
33
2.4.2
Localização e Rastreamento ....................................................................
34
ANTENAS BIOINSPIRADAS ..............................................................................
35
3.1
35
3.1.1
Antenas do Tipo Monopolo Impresso .....................................................
35
3.1.2
Antenas do Tipo Patch ............................................................................
38
3.2
Antenas BioinspiradasEstado da Arte ..................................................
40
3.3
Geometrias Bioinspiradas e Modelos Matemáticos .................................
46
3.3.1
Formas e Geometria das Plantas (Classificação de Folhas e Flores) ......
46
3.3.2
A Sequência de Fibonacci e o Número de Ouro ......................................
49
3.3.3
FractaisSistema-L ................................................................................
52
3.3.4
Funções PolaresSuperfórmula de Gielis ..............................................
54
Aplicações de Antenas Bioinspiradas .........................................................
57
ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB ........................
61
4.1
Geometrias Utilizadas ..................................................................................
61
4.2
Antenas para Sistemas 4G ...........................................................................
64
3.4
4
Antenas AbordadasCaracterísticas e Síntese Aproximada
xix
4.2.1
Antenas com Refletor para Faixa de 700 MHz........................................
4.2.1.1
Antena Monopolo Impressa Bioinspirada na Planta de Cana-deAçúcar de 4 Folhas ................................................................................
4.2.1.1
65
Antena Monopolo Impressa Bioinspirada na Planta de Cana-deaçúcar de 3 folhas ..................................................................................
73
Antenas com Refletor para Faixa de 2,5 GHz ............................................
78
4.2.2.1
Antena de Folha Elíptica com Refletor para Faixa de 2,5 GHz.............
79
4.2.2.2
Antenas do Tipo Patch Quadrada e Flor de Tulipa para 2,5 GHz .......
86
4.2.2
4.3
Antenas para Sistemas UWB .......................................................................
92
4.3.1
Antena Bioinspirada em uma Flor de Jasmim .........................................
92
4.3.2
Antena Bioinspirada na Flor de Tulipa ....................................................
100
4.3.3
Antena Bioinspirada nas Folhas de Oliveira ............................................
103
4.3.4
Antena Bioinspirada em uma Pétala de Orquídea ...................................
107
Antenas Têxteis Bioinspiradas......................................................................
111
4.4
5
64
4.4.1
Antena Têxtil Bioinspirada na Folha do Gynkgo Biloba ........................
112
4.4.2
Antena Têxtil do Tipo Patch Bioinspirada em uma Árvore Fractal ........
116
CONCLUSÕES ......................................................................................................
120
APÊNDICE I ...........................................................................................................
133
Capítulo 1- INTRODUÇÃO
20
1. INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas, as soluções biologicamente inspiradas (bioinspiradas) têm
despertado o interesse de engenheiros e pesquisadores com aplicações em diversas áreas
da ciência e tecnologia. Com inspiração na natureza, na observação do comportamento e
funções realizadas pelos seres vivos (que usam os recursos naturais de forma sustentável
e otimizada ao longo de milhões de anos de evolução), diversas instituições de renome
mundial têm financiado centros de pesquisa para o desenvolvimento da engenharia
bioinspirada.
Instituições como a NASA, o Colégio Imperial de Londres, o MIT, a USP de
São Carlos, e o Instituto Wyss da Universidade de Harvard têm patrocinado e criado
laboratórios com o objetivo de buscar compreender as formas, funções e
comportamentos dos seres vivos, suas adaptações aos habitats de maneira sustentável
em relação ao uso dos recursos naturais e ótima do ponto de vista energético. O objetivo
é a aplicação dos modelos derivados da observação do mundo natural para a resolução
de problemas de engenharia com o uso de tecnologias bioinspiradas.
A engenharia bioinspirada é um campo de pesquisa interdisciplinar, que inclui
áreas específicas, tais como: biologia, engenharia, ciências físicas, biomimética,
biomímica, biônica, entre outras. A biomimética abrange o estudo e imitação dos
métodos, mecanismos e processos naturais [1]; a biônica usa protótipos biológicos para
o projeto de sistemas sintéticos criados pelo homem, principalmente para aplicações
biomédicas [2]; a biomímica se inspira nos modelos observados na natureza para
resolver problemas humanos de forma sustentável [3].
A adequação de modelos bioinspirados para a solução de problemas de
engenharia é feita por meio de hardware e/ou software. Algumas áreas de aplicação da
engenharia bioinspirada incluem [4]: inteligência computacional, mecanismos
biologicamente inspirados, estruturas e ferramentas biologicamente inspiradas,
materiais biológicos, biossensores, etc. Recentemente, os conceitos da engenharia
bioinspirada também têm sido aplicados para a solução de problemas encontrados na
área de eletromagnetismo aplicado.
Para que os modelos biológicos sejam utilizados na área de engenharia, faz-se
necessário um processo de adequação. Neste caso, três passos são necessários [5]:
identificação de analogia (estruturas e métodos que parecem ser semelhantes);
entendimento (detalhamento realista e modelagem do comportamento biológico);
Capítulo 1- INTRODUÇÃO
21
engenharia (modelagem simplificada e ajuste para aplicação técnica).
A proposta desta pesquisa é verificar as aplicações da engenharia bioinspirada na
área de eletromagnetismo aplicado, em particular, para o desenvolvimento de antenas
para sistemas de comunicação sem fio.
Os aparelhos de comunicação modernos são cada vez menores e dispõem de
diversas aplicações sem fio, operando em faixas de frequência diferentes. Na maioria
dos aparelhos portáteis, as antenas estão embutidas e as restrições quanto ao seu
tamanho, localização e desempenho impõem desafios aos engenheiros projetistas.
Nestes aparelhos, diversos tipos de redes sem fio são utilizados, das quais se destacam o
Wi-Fi, o WiMAX, e as tecnologias de redes domésticas sem fio (WPAN), tais como o
Bluetooth, Z-Wave, ZigBee, Ultra-Wideband (UWB) para operação entre dispositivos
próximos [6-7], bem como a de redes próximas ao corpo (WBAN), com aplicações
médicas e não médicas [8-9].
As antenas para os dispositivos de comunicação modernos tendem a ser mais
compactas, com características multibanda, ou de banda larga, exigindo soluções de
baixo custo, mais eficientes e que se adaptem às necessidades de um dado aparelho ou
sistema de comunicação sem fio. Estas soluções devem ser otimizadas, adaptáveis aos
diversos sistemas utilizados na transmissão e/ou recepção de vários tipos de sistemas,
desde a detecção de fenômenos naturais, como abalos sísmicos e mudanças climáticas,
comunicação terrestre, via satélite, subaquática, controle de robôs, chegando até as
aplicações médicas [10-11].
Por sua vez, a série de Fibonacci, que é a sequência da soma sucessiva dos
números naturais com seus antecessores [12], pode ser encontrada em diversas plantas,
como a rosa, o lírio e a açucena. A partir da sequência de Fibonacci é possível encontrar
o número de ouro ou razão áurea, que vale aproximadamente 1,618. Este número é
observado em partes do corpo humano, plantas, construções, obras de arte, sempre
como uma indicação de harmonia e perfeição [13]. Em [14] foi desenvolvido um arranjo
de antenas tipo patch para faixa de frequência de 2,45 GHz bioinspirado na sequência
de Fibonacci observada nas folhas de uma árvore, apresentando ganho de 15,8 dBi.
Nas aplicações em antenas, as geometrias encontradas nas plantas oferecem uma
fonte de pesquisa promissora, pois utilizam a faixa de frequência da luz visível para
transformar a energia luminosa em energia química a partir do cloroplasto presente em
suas folhas e caules, atuando assim como uma antena receptora de ondas
eletromagnéticas, com comprimentos entre 400 – 700nm [15-16]. Os organismos
Capítulo 1- INTRODUÇÃO
22
fotossintéticos apresentam uma variedade de formas de captura e de conversão de
energia luminosa em energia química, dividindo-se duas partes básicas: o complexo de
captação de luz, ou seja, as antenas; e os centros de reação [17]. Além disto, as
estruturas geométricas das plantas são otimizadas por milhares de gerações para realizar
a máxima captação de energia luminosa, com a menor dimensão possível. Elas são
análogas aos refletores parabólicos em cujo foco são coletadas as ondas
eletromagnética. A geometria das folhas tem sido utilizada para o desenvolvimento de
dispositivos eletromagnéticos como conversor de energia solar [17], antenas [18], entre
outros.
Nesta Dissertação, procura-se analisar as geometrias bioinspiradas em plantas
com aplicações voltadas para os sistemas de comunicação 4G e UWB, apresentando
métodos de aproximação de valores de projeto de antenas tipo monopolo impresso
(Printed Monopole Antenna – PMA), simulação das PMA nos softwares comerciais
Ansoft DesingerTM e HFSS e uma nova técnica de fabricação de antenas têxteis em
jeans com uso de cobre laminado para cabo flexível. No Capítulo 2, são apresentados os
principais aspectos e conceitos relacionados às tecnologias UWB e 4G utilizadas no
Brasil. No Capítulo 3 são abordadas as antenas monopolo impressas e as bioinspiradas
bem como algumas aplicações de antenas. A partir de uma revisão na literatura
especializada, procura-se descrever o estado da arte sobre os tipos e aplicações destas
antenas. No Capítulo 4, os projetos das antenas propostas são descritos e apresentados
os resultados numéricos e experimentais. No Capítulo 5 são apresentadas as
considerações finais.
Capítulo 2. TECNOLOGIA UWB E 4G
23
2. TECNOLOGIAS UWB E 4G
As tecnologias sem fio têm se popularizado com o uso de dispositivos de
comunicação, equipamentos biomédicos, de rastreamento e localização, entre outros.
Dentre elas, o sistema UWB é o principal candidato para ser utilizado em controle de
periféricos, posicionamento, localização e radar [8]. Por sua vez o sistema de
comunicações 4G tem atraído a atenção da indústria de telecomunicações pela
possibilidade de transmissão de diversas mídias e maior velocidade conexão.
Neste capítulo são apresentados os conceitos da comunicação de quarta geração
(4G) conforme as Resoluções da Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL)
[21-22], bem como as principais características da tecnologia UWB e suas aplicações.
2.1
Tecnologia 4G no Brasil
O padrão de sistema de comunicação móvel de quarta geração (4G), licitado
para ser utilizado no Brasil é o Long Term Evolution (LTE) Release 10, que também é
utilizado em países como Japão e Estados Unidos e opera em duas faixas de
frequências:
A faixa de 700 MHz, que compreende as frequências de 698 ~ 806 MHz, com
108 MHz de largura de banda dividida em duas bandas de 45 MHz. Cada canal utiliza
um par de frequências: uma para a transmissão do móvel para a estação base (frequência
da banda mais baixa) e outra para a transmissão da estação base para o móvel
(frequência da banda mais alta). O sistema dispõe de uma faixa central de 10
MHz separando as duas bandas anteriores e duas bandas de guarda, uma de 5 MHz no
início da banda inferior e outra de 3 MHz no final da banda superior [21];
A faixa de 2,5 GHz, que compreende as frequências de 2,5 a 2,69 GHz, com
169 MHz de largura de banda [22]. A Tabela 2.1 apresenta as subfaixas da faixa de 2,5
GHz.
Capítulo 2. TECNOLOGIA UWB E 4G
24
Tabela 2.1 – Subfaixas da tecnologia 4G (2,5 ~ 2,69 GHz)
Subfaixas
Largura de banda (MHz)
Estação Móvel (GHz)
ERB (GHz)
P
10 + 10 = 20
2,5 a 2,51
2,62 a 2,63
W
20 + 20 = 40
2,51 a 2,53
2,63 a 2,65
V
20 + 20 = 40
2,53 a 2,55
2,65 a 2,67
X
20 + 20 = 40
2,55 a 2,7
2,67 a 2,69
T
15
2,7 a 2,585
U
35
2,62 a 2,85
O padrão LTE foi desenvolvido pelo 3GP (Third-Generation Partnership
Project), que é a empresa que abrange o padrão de comunicações móveis do Global
System for Mobile Communications (GSM), conhecida como o sistema de comunicação
móvel de segunda geração (2G) e dos sistemas de terceira geração (3G) [23-24]. Os
parâmetros do sistema-LTE são apresentados na Tabela 2.2 [24-26].
Até o presente momento, as faixas indicadas pela Resolução 625 são utilizadas
para transmissão do sinal de TV aberta (canais de 51 a 69). A própria Resolução,
baseada no art. 10 do Decreto nº 5.820, de 29 de junho de 2006, prevê o fim do uso
desta faixa para 2016. Até lá as operadoras e fabricantes de TVs devem se adaptar às
novas regras. Em setembro de 2014 foi realizado o primeiro leilão para os três primeiros
lotes nacionais de Internet 4G na faixa de 700 MHz, com arrecadação de 5,821 bilhões
de reais. Ainda serão realizados outros leilões para mais três lotes em datas ainda a
serem organizadas pela Agência Nacional de Telecomunicações. Por isso, torna-se
necessário o desenvolvimento de equipamentos e antenas que venham trabalhar de
maneira ótima, com dimensões reduzidas e baixo custo.
O uso da faixa de frequências de 700 MHz proporciona vantagem e pelo menos
uma limitação. Como vantagens têm-se: uma maior penetração que a faixa utilizada
para 2,5 GHz, faixas de frequências mais baixas conseguem melhor alcance em
ambientes fechados, com uma melhor propagação do sinal e a redução do número de
estações rádio base (ERB); o ingresso no Brasil de muitos dispositivos fabricados para
esta faixa de frequências, tais como smartphones e tablets, sem a necessidade de um
modelo específico para ser comercializado no país.
Capítulo 2. TECNOLOGIA UWB E 4G
25
Tabela 2.2 – Parâmetros do sistema-LTE
Requisitos do LTE
Parâmetros
Valores
Taxa de downlink
100 Mbps
Taxa de uplink
50 Mbps
Largura de banda
1.4 MHz a 20 MHz.
Protocolos de operação
FDD, TDD e IP
Protocolo de voz
VOIP
Frequências
700 MHz, 2,5 GHz
Modulação adaptativa
QPSK, 16 QAM e 64 QAM
Múltiplas antenas
SIMO e MIMO 2x2 e 4x4
Eficiência espectral
2 ~ 4 vezes maior que a tecnologia
precedente.
Latência
< 10ms
Mobilidade
até 350 Km/h
Talvez a limitação mais significativa do uso da faixa de frequências de 700 MHz
é a redução do número de usuários na rede, não sendo indicada para locais com alta
concentração de pessoas, podendo ser utilizada nas cidades de menor porte.
2.2
Tecnologia UWB
A tecnologia UWB foi estabelecida por Sommerfeld há mais de um século
(1901), quando ele observou a difração de um pulso no domínio do tempo por um
condutor perfeito [27]. As primeiras pesquisas e patentes registradas para sistemas
UWB surgiram na década de 1940.
Todavia, um impulso significativo nas suas
aplicações foi dado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América [28].
Em relação às tecnologias de comunicação de banda estreita, os sistemas UWB
apresentam as seguintes vantagens [29]:
Maior capacidade do canal e, por conseguinte, maior taxa de transmissão de
dados. Este fato pode ser verificado diretamente aplicando-se o teorema de HartleyShannon, que é expresso em (2.1). A capacidade máxima de canal, C (bits/s), aumenta
com o aumento da relação sinal-ruído (S/N). Com uma relação sinal-ruído pequena e
uma banda ultralarga, há um aumento da capacidade máxima do canal, permitindo
inclusive o uso de sinais com potência reduzida [30];
Capítulo 2. TECNOLOGIA UWB E 4G
26
C = BW log2 ( 1+ S N )
(2.1)
Baixa densidade espectral de potência (DEP), dada a largura de banda do
sistema e a potência reduzida dos pulsos UWB. Conforme (2.2), define-se a densidade
espectral de potência como a relação entre a potência transmitida (P) e a largura de
banda (BW – bandwidth).
DEP =
P
( W/MHz )
BW
(2.2)
O compartilhamento do espectro de frequências com outros sistemas sem fio,
dada à reduzida DEP dos sinais de um sistema UWB;
̶ A baixa interferência eletromagnética decorrente do uso da banda larga. Devido
à pequena densidade espectral de potência, os sinais UWB causam pouca interferência
em sistemas de rádio de banda estreita, o que permite o uso da tecnologia mesmo sobre
faixas de frequências existentes. A Figura 2.1 apresenta diferentes tecnologias e suas
frequências de operação. Como o espectro UWB possui uma DEP menor, as tecnologias
Densidade Espectral de Potência
podem compartilhar a mesma faixa de frequências sem que haja interferência [31-32].
WLAN IEEE 802.11a
-10 dBm/MHz
Linha de Ruído
1
2
3,1
5,0
10,6
Frequência (GHz)
Figura 2.1 - Diferentes tecnologias e suas frequências de operação, [32].
Na Tabela 2.3 é listada a DEP de alguns sistemas sem fio, com a potência de
Capítulo 2. TECNOLOGIA UWB E 4G
27
transmissão (P) e a largura de banda [29].
Tabela 2.3 – DEP de alguns sistemas sem fio.
Sistema
P
Rádio
Televisão
IEEE 802.11ª
UWB
50 kW
100 kW
1W
1 mW
DEP (W/MHz)
666,6000
16,7000
0,0500
0,0013
BW
75 kHz
6 MHz
20 MHz
7,5 GHz
̶ A máxima EIRP (Effective Isotropically Radiated Power) de -41,3 dBm;
̶ A robustez contra detecção e interceptação do sinal, pela banda larga e pequena
DEP, o que permite a detecção dos sinais mesmo em ambientes com elevada
interferência eletromagnética;
̶ O alto desempenho em canais multi-percurso;
̶ Penetração em diferentes tipos de materiais, como portas e paredes;
̶ O uso de transceptores simples, de baixo custo e baixo consumo de energia;
̶ A taxa de transmissão de até 1024 Mbit/s. A Tabela 2.4 apresenta as taxas de
bits de alguns padrões de comunicação cabeados e sem fio [29];
̶ Baixa complexidade e custo de equipamentos na execução do projeto [33].
Tabela 2.4 – Taxa de bits de alguns padrões de comunicação.
Padrões
UWB, USB 2.0
Fast Ethernet
IEEE 802.11ª
IEEE 802.11g
IEEE 802.11b
Ethernet
Bluetooth
Taxa (Mbits/s)
480
90
54
20
11
10
1
2.2.1 O Pulso e Espectro UWB
No sistema UWB, pulsos retangulares são gerados por chaveamento e
apresentam duração da ordem de nanosegundos ou picosegundos. As antenas
Capítulo 2. TECNOLOGIA UWB E 4G
28
transmissora e receptora utilizadas no sistema funcionam como filtros, que alteram a
forma do pulso, fazendo com que o pulso recebido tenha a forma aproximada de uma
função gaussiana dada por (2.3), com média nula e variância σ2. Um pulso gaussiano
pode ser expresso por (2.4), [30].
G (t ) =
t2
1
2
2
yg1 (t ) = K1 e
(2.3)
2 2
e
t
2
(2.4)
em que, -∞ < t < ∞, τ e K1 são constantes relacionadas à variância. Outras formas de
onda podem ser geradas com a passagem do pulso gaussiano por um filtro passa alta.
Por exemplo, o pulso chamado de monociclo é gerado pela primeira derivada do pulso
gaussiano (2.5).
y g2 (t ) = K 2
2t
2
e
t
2
(2.5)
O monociclo tem apenas um único cruzamento por zero. A aplicação de outras
derivadas pode produzir cruzamentos por zero adicionais, com um zero adicional para
cada derivada. Se o valor de τ for fixo, com uma derivada adicional, a largura de banda
fracionária diminui, enquanto a frequência central aumenta. A aplicação da segunda
derivada em (2.4) é conhecido como pulso duplo gaussiano, como definido em (2.6).
t
2t 2t 2
y g3 (t ) = K 3 2 1 2 e
2
(2.6)
Algumas instituições têm proposto padrões para o uso da tecnologia UWB, entre
elas pode-se citar: O Institute of Electric and Electronic Engineers (IEEE), que propôs
dois protocolos para transmissão de dados, o IEEE 802.15.3a, para altas taxas de
transmissão de dados, e o IEEE 802.15.4a, para baixas taxas de dados [29]. O
International Organization for Standardization (ISO) e o International Eletrotechnical
Commission (IEC) lançaram o ISO/IEC 26908:2009, que normaliza o uso da Physical
Layer (PHY) e da camada Media Access Control (MAC), que são as camadas de
transceptores sem fio para altas taxas da tecnologia UWB [35].
Na região, que compreendem a China, o Japão, a Coréia e Singapura, a
Capítulo 2. TECNOLOGIA UWB E 4G
29
instituição responsável pela regulação e coordenação do uso do espectro
eletromagnético na faixa de UWB é o Asia-Pacific Telecommunity que designa o
espectro UWB desta região em duas bandas: a banda baixa (3,4 ~ 4,8 GHz); e a banda
alta (7,25 ~ 10,25 GHz), utilizada apenas para dispositivos indoor. O limite de EIRP é
de -41,3 dBm, com largura de banda mínima de 450 MHz e banda fracionária de 20%
[36].
Um padrão bastante referenciado pela comunidade acadêmica para a tecnologia
UWB é o FCC (Federal Communications Commission) [16], [29], [33-34]. Em 2002, o
FCC apresentou seu último relatório com os parâmetros requeridos para a tecnologia
UWB. Dentre estes parâmetros, destacam-se: largura de banda de 7,5 GHz, com
máscara espectral entre 3,1 ~ 10,6 GHz; largura de banda fracionária (Bf) superior a
20% da frequência central (f0) [31]; EIRP de -41,3 dBm. Como uma faixa ampla do
espectro eletromagnético alocada aos sistemas UWB, este pode interferir no
funcionamento de outros sistemas sem fio. A fim de minimizar a interferência entre
sistemas sem fio, uma máscara espectral é especificada, limitando-se a potência
transmitida em frequências específicas.
A largura de banda (BW) de uma antena é calculada pela diferença entre as
frequências superior ( f 2 ) e inferior ( f1 ), através de (2.7). Por outro lado, o cálculo da
largura de banda fracionária (Bf) é feito através de (2.8), [37].
BW = f 2 f1
Bf =
f f
BW
100 2 1 100
f0
( f1 + f 2 ) / 2
(2.7)
(2.8)
O parâmetro EIRP, potência efetivamente radiada por uma antena isotrópica,
serve como referência para o estabelecimento de limites em diversas aplicações. A
EIRP pode ser encontrada por (2.9).
EIRP = PTx A GTx
(2.9)
em que: PTxs é a potência de saída do transmissor; A é a perda decorrente dos cabos,
conectores, e outros componentes do sistema de transmissão; GTxs é o ganho da antena
Capítulo 2. TECNOLOGIA UWB E 4G
30
transmissora.
A Figura 2.2 apresenta as formas de onda do pulso gaussiano, do monociclo e do
pulso duplo gaussiano, yg1(t), yg2(t) e yg3(t), respectivamente. Os espectros destes pulsos
(Yg1(f), Yg2(f) e Yg3(f)) são apresentados sobre a máscara espectral FCC na Figura 2.3.
Verifica-se que o pulso duplo gaussiano é o que mais se aproxima da máscara espectral
FCC, porém é necessário um tratamento do sinal para que satisfaça os parâmetros
requeridos [31].
5
1.5
x 10
1
Amplitude
0.5
0
-0.5
yg1(t)
yg2(t)
yg3(t)
-1
-1.5
-250
-200
-150
-100
-50
0
Tempo (ps)
50
100
150
200
250
Figura 2.2 – Pulso gaussiano, monociclo e pulso duplo gaussiano.
0
DEP Normalizada
-5
-10
-15
-20
Máscara FCC
Yg1(f)
Yg2(f)
Yg3(f)
-25
-30
-35
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Frequência (GHz)
9
10
11
12
13
14
15
Figura 2.3 – Pulso Gaussiano, monociclo e pulso duplo gaussiano sobre a máscara espectral FCC.
Uma proposta para taxas de transmissão do pulso UWB a uma distância de até
Capítulo 2. TECNOLOGIA UWB E 4G
31
10 m, que satisfaz a máscara espectral do FCC é apresentada em [38], que utiliza a
quinta derivada do pulso gaussiano (2.10).
d 5G
yg 5 (t ) 5
dx
(2.10)
Na Figura 2.4(a) é apresentada a forma de um pulso UWB correspondente à
quinta derivada do pulso gaussiano. Na Figura 2.4(b) é possível observar que o espectro
deste pulso satisfaz os requisitos da máscara espectral do FCC [38].
A distorção do pulso UWB pode ser obtida mediante a multiplicação do espectro
do pulso transmitido pelo coeficiente de transmissão total medido, que leva em conta as
antenas e o meio de propagação, (2.11).
Yrec ( f ) Ytrans ( f )S21 ( f )
(2.11)
Para representação do pulso no tempo em (2.8) é obtida pela aplicação da
transformada discreta inversa de Fourier (DFT Inversa), (2.12).
y rec (t ) DFT 1 Yrec ( f )
(2.12)
A diferença entre os pulsos transmitido e recebido no tempo indica a distorção
do pulso UWB que é dada em (2.13).
e(t ) ytrans (t ) yrec (t )
(2.13)
Na seção 4.3.3.1 é descrito o estudo experimental realizado e os resultados
obtidos sobre a medição da distorção do pulso UWB utilizando duas antenas projetadas.
Capítulo 2. TECNOLOGIA UWB E 4G
32
1
0.8
Amplitude Normalizada
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
Yg5(t)
-0.8
-1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Tempo (ns)
(a)
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0
DEP Normalizada
-5
-10
-15
-20
-25
-30
;0
-35
Máscara FCC
Fórmula Analítica (Yg5(f))
1
2
3
4
5
6
7
Frequência, GHz
8
9
10
11
12
(b)
Figura 2.4 – a) Pulso UWB transmitido no tempo; b) Espectro do pulso UWB transmitido e máscara espectral FCC.
2.3
Requisitos de Projeto para Antenas UWB
Os parâmetros fundamentais de uma antena como largura de banda, diagrama de
irradiação, diretividade, eficiência, polarização e ganho também são válidos para as
antenas UWB. Entretanto estes parâmetros não são suficientes para aplicações na
tecnologia UWB, sendo necessárias características complementares. Assim, as antenas
Capítulo 2. TECNOLOGIA UWB E 4G
33
projetadas para sistemas de comunicação UWB devem apresentar as seguintes
características [39-40]:
- Largura de banda 7,5 GHz, com frequências de operação de 3,1 GHz a 10,6
GHz;
- Eficiência de radiação alta, maior que 70% com S11 < -10 dB em toda banda
de operação;
- Fase linear entre faixa de frequências e atraso de grupo constante. O atraso
de grupo pode ser entendido como o atraso de tempo que um sinal é submetido ao
trafegar pelo sistema, que indica a natureza de dispersão do sistema, como um atraso do
tempo em função da frequência do sinal que resulta em pulsos distorcidos [41];
- Diagrama de irradiação quase omnidirecional, implica em maximizar a
largura de feixe de meia potência e minimizar a diretividade e consequentemente o
ganho da antena;
- Largura de feixe grande > 60º;
- Materiais com baixas perdas dielétricas e de conexões, como a DEP é muito
baixa, perdas causadas pelos conectores, condutores e dielétricos devem ser
minimizadas a fim de maximizar a eficiência da radiação;
- Antena compacta, de preferência plana com espessura muito menor que o
comprimento de onda (λ), pois as antenas UWB são geralmente utilizadas em
dispositivos com pequenas dimensões.
2.4
Aplicações da Tecnologia UWB
As pesquisas em sistemas UWB tem se expandido para diversos campos. A
baixa densidade espectral de potência e extensa largura de banda torna a tecnologia
UWB como primeira candidata para diversas aplicações [8]. As principais categorias de
aplicações para UWB são apresentadas a seguir.
2.4.1 Comunicações e Sensores
O sistema de comunicação e sensores da tecnologia UWB são geralmente
utilizados em três aplicações:
Aplicações com baixa taxa de dados – A baixa densidade espectral de potência
da tecnologia UWB, possibilita a conexão sem fio de diversos periféricos
Capítulo 2. TECNOLOGIA UWB E 4G
34
simultaneamente num mesmo ambiente. Esta tecnologia suporta uma variedade de
aplicações em WBAN (Wireless Body Area Network), promovendo o uso de sensores
biomédicos,
como
eletrocardiógrafos,
sensores
para
controle
de
oxigênio,
eletromiógrafos e outros [8-9], [42].
Aplicações com altas taxas de dados – os serviços de transferência, ou
compartilhamento multimídia sem fio para dispositivos próximos podem se beneficiar
com a tecnologia UWB. A baixa DEP está relacionada diretamente com o baixo
consumo de energia, tornando-se uma excelente candidata para ser usada em
dispositivos móveis como PDA e smartphones. Tranferência de vídeo e áudio de alta
resolução de um smartphone para uma smart TV sem fio é um exemplo de aplicação da
tecnologia UWB, tanto para uso doméstico como médico [43].
Aplicações de redes domésticas – a conectividade de equipamentos domésticos
sem fio é importante na remoção de cabos e fio, o que pode evitar curtos e descargas
eletricas não intensionais. O IEEE 1394 é uma tentativa de integrar entretenimento,
disposivos eletrônicos de consumo e de computação num ambiente familiar o que pode
ser utilizado sobre a rede UWB de comunicação [8].
2.4.2 Localização e Rastreamento
O uso de identificação por radiofrequência (Radio-Frequency Identification RFID) na localização e posicionamento de pessoas e objetos é largamente utilizado em
hospitais, na localização de pacientes, supermercados, lojas, no posicionamento de
mercadorias, ou em um shopping center no rastreamento de veículos [44]. A tecnologia
UWB utiliza milhões de pulsos por segundo, possuindo a capacidade de penetração
elevada numa ampla gama de materiais, tais como paredes, plásticos e madeira. Isto
possibilita seu uso em radares, com uma maior precisão na medição e resolução do
alcance, reconhecimentos de destino, aumento na probabilidade de detecção de alvos,
estejam eles, parados ou em movimento lento, sendo candidata ao uso nas aplicações
em micro veículos aéreo [8].
Este capítulo abordou os conceitos das tecnologias 4G e UWB com algumas de
suas aplicações. O capítulo seguinte apresenta conceitos, fórmulas de projeto e
aplicações de antenas tipo monopolo impresso e patch utilizadas neste trabalho,
algumas geometrias bioinspiradas e o estado da arte das antenas bioinspiradas.
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
35
3 ANTENAS BIOINSPIRADAS
As antenas impressas são estruturas que empregam radiadores em lamina, com
espessura muito inferior ao comprimento de onda de operação. As antenas planas ou de
superfície curva e suas variações, com pelo menos uma alimentação, são denominadas
antenas planares [45]. Nas aplicações para sistemas de comunicação sem fio, entre as
antenas planares mais usadas, destaca-se: as antenas do tipo patch (impressas em
microfita); as antenas de fenda; as antenas com elementos suspensos; L invertido e F
invertido; os monopolos e os dipolos. Estas antenas têm como características: estrutura
simples, baixo custo, dimensões reduzidas, relativa facilidade de fabricação e banda
larga ou estreita dependendo do tipo de antena [11], [45].
3.1
Antenas Abordadas – Características e Síntese Aproximada
Inicialmente, neste capítulo, descrevem-se as principais características das
antenas do tipo monopolo impressas e do tipo patch. São detalhados os modelos e
fórmulas empíricas aproximadas, que foram usadas para a síntese inicial destas antenas.
Uma abordagem sobre as geometrias bioinspiradas, o estado da arte de antenas
bioinspiradas em plantas e animais e algumas aplicações de antenas bioinspiradas.
3.1.1 Antenas do Tipo Monopolo Impresso
As antenas do tipo monopolo impressas (Figura 3.1) são fabricadas em laminados
cobreados, apresentam uma estrutura simples com um elemento radiante e um plano de
terra truncado. Algumas características destas antenas são apropriadas para aplicações
em sistemas UWB, tais como: banda larga, tamanho reduzido e diagrama de irradiação
omnidirecional [18]. Destaca-se a introdução de fendas no plano de terra truncada que
altera a impedância de entrada da antena, possibilitando o casamento de impedâncias
entre a antena e a linha de alimentação.
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
36
Figura 3.1 – Antena do tipo monopolo impresso, [18].
Como indicado por [18], a distribuição de corrente é mais concentrada nas
extremidades do que no centro de um monopolo impresso. Com o aumento do perímetro
da antena, p (mm), a corrente de superfície é distribuída ao longo de um percurso maior.
Como consequência do aumento do comprimento equivalente de um monopolo, há uma
redução de sua frequência de ressonância, fr, cujo valor aproximado é obtido a partir de
(3.1).
f r (GHz ) =
300
p εref
(3.1)
De acordo com [11], a permissividade relativa efetiva do dielétrico (εref) para
linha de transmissão e antenas do tipo patch, numa relação de que W/h < 1 pode ser
calculada conforme (3.2).
(ε +1 ) (ε r 1 )
h
1 12
ε ref r
2
2
W
1
2
(3.2)
Para uma relação em que W/h > 1, tem-se (3.3):
εref
(εr + 1 ) (εr 1 )
h
1 12
2
2
W
1
2
2
W
0,041 1
h
(3.3)
Para os monopolo impressos a equação usada é reduzida para (3.4) [18], [46]:
ε ref
(ε r + 1)
2
(3.4)
Na Figura 3.2 é apresentada o monopolo impresso retangular com suas partes.
As dimensões aproximadas para um projeto inicial são indicadas em termos do
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
37
comprimento de onda (λ) para primeira ressonância [18]. Em que: W é a largura do
patch; L é o comprimento do patch; WPT é a largura da antena; LPT é o comprimento do
plano de terra; WLT é a largura da linha de microfita; g é a distância entre o patch e o
plano de terra; h é a espessura do dielétrico.
WLT
Figura 3.2 – Geometria de uma antena monopolo impresso retangular.
O casamento de impedâncias de um monopolo impresso pode ser realizado por
diversas técnicas. A técnica apresentada em [47] propõe uma abertura retangular no
plano de terra (slit), com comprimento (Ls) e largura (WS).
Para a geometria circular, uma primeira aproximação para o raio da antena é λ/8
[18]. Uma melhor aproximação pode ser encontrada em [48-49], cujo raio do círculo é
obtido por (3.5), em que o comprimento do monopolo radiante (mm) é função da
frequência de ressonância central (fr) (GHz) e da permissividade relativa do dielétrico
(εr).
R
87,94
fr r
(3.5)
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
38
3.1.2 Antenas do Tipo Patch
As antenas em microfita consistem em uma fina camada metálica (patch) de
espessura, muito menor que o comprimento de onda, λ, separada do plano de terra por
um dielétrico, com espessura, h, correspondente a uma pequena fração do comprimento
de onda (usualmente 0,003λ ≤ h ≤ 0,005λ) [11].
Este tipo de antena apresenta vantagens e limitações para seu uso. Como
vantagens podem ser citadas: o baixo custo, a dimensão e peso reduzidos, o alto
desempenho, a facilidade de instalação, a facilidade de fabricação, a facilidade de
assumir diversas geometrias, a polarização linear ou circular, versáteis em relação à
frequência de ressonância, entre outros. Além das características mencionadas, as
antenas tipo patch apresentam as seguintes limitações: baixa eficiência de irradiação se
construídas em substratos com constantes dielétricas elevadas; possibilidade de excitação
por ondas de superfície; irradiação em apenas um hemisfério e ganho de
aproximadamente 6 dB.
As vantagens tornam este tipo de antenas uma boa candidata para aplicações
comerciais e governamentais em: comunicação via satélite; aeronaves; navios; veículos
terrestres; radares; antenas inteligentes; aplicações biomédicas, dentre outros.
Os materiais utilizados como substratos geralmente são dielétricos isotrópicos,
anisotrópicos e ferrimagnéticos, com permissividade na faixa de 2 ≤ εr ≤ 10. Projetos
com finas espessuras e valores elevados de permissividade dielétrica proporcionam
dimensões menores das antenas, no entanto apresentam maiores perdas, pois as linhas de
campo se concentram mais no dielétrico que no ar [50].
A forma de alimentação de antenas patch pode ser efetuada por: linha de
transmissão, cabo coaxial, acoplamento eletromagnético ou acoplamento de fenda. Em
todos os casos deve haver o casamento das impedâncias entre as formas de alimentação e
a antena.
Na Figura 3.3 está ilustrada uma antena do tipo patch retangular com casamento
de impedâncias pelo método do transformador de um quarto de onda, com suas
dimensões indicadas, em que: W é a largura do patch; L é o comprimento do patch da
antena; Wq é a largura da linha do transformador de ¼ de onda; Lq é o comprimento do
transformador de ¼ de onda; W50 é a largura da linha para 50Ω do transformador de ¼ de
onda; L50 é o comprimento da linha para 50Ω do transformador de ¼ de onda; h é a
espessura do dielétrico e εr é a permissividade relativa do dielétrico.
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
39
Plano de Terra
Figura 3.3– Antena do tipo patch retangular.
O comprimento L para o patch retangular no modo fundamental (TM010) é menor
que comprimento de onda no dielétrico, λg, apresentado em (3.6):
g
r
ef
(3.6)
Em que εref é a constante dielétrica relativa efetiva, apresentada em (3.2), para
uma relação de W/h > 1. Ao se aumentar a largura W ou a espessura h, o εr diminui,
ocasionando um maior acoplamento de energia por ondas de superfície [11].
A alimentação via linha transmissão utilizada neste trabalho utiliza um
transformador de um ¼ de onda para o casamento das impedâncias. Neste para os
comprimentos Lq e L50 da linha de transmissão têm valores iniciais de λ/4, sendo
modificados com a necessidade do casamento das impedâncias do projeto.
A largura W da linha de transmissão pode ser obtida por (3.7).
W
2
c
2 fr r 1
(3.7)
O comprimento L pode ser obtido por (3.8)
L
2L
2 r
ef
(3.8)
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
40
Em que ΔL é dado por (3.9).
ref 0,3 W 0,262
h
L h 0,412
ref 0,258 W 0,8
h
(3.9)
Para o caso do elemento quadrado os cálculos devem ser realizados substituindo
o valor de L pelo de W logo após a primeira iteração, e repetir até que os valores se
igualem.
A seguir são apresentados alguns conceitos e geometrias bioinspiradas bem como
suas aplicações em antenas.
3.2
Antenas Bioinspiradas – Estado da Arte
As antenas bioinspiradas já encontram aplicações em diversas faixas de
frequências. As plantas são organismos fotossintéticos que utilizam sistemas de antenas
nos centros de captação da luz, transferindo a energia captada para os centros de reação,
local onde ocorre o processo fotoquímico. Esta função é análoga às antenas com
refletores parabólicos, em cujo foco são captadas as ondas eletromagnéticas. As
geometrias das plantas são estruturas eficientes, otimizadas por milhares de gerações
para absorver a maior quantidade energia luminosa em seu ambiente e assim perpetuar
sua espécie [17].
Nesta seção faz-se uma descrição do estado da arte das aplicações das antenas
bioinspiradas encontradas na literatura especializada, nas quais são usadas várias formas
geométricas encontradas em animais e plantas.
Um modelo que utiliza uma árvore como antena foi patenteado na Inglaterra em
1919, em que se propõe o uso de um circuito transmissor ligado diretamente no caule de
uma árvore, neste caso a árvore seria utilizada como uma antena [51].
As antenas bowtie têm sido utilizadas com geometrias de plantas para a faixa de
UWB. Em [52] é proposto um arranjo com duas antenas em forma de folhas e um
elemento refletor em alumínio. A antena apresentou ganhos de 10,3 a 13,3 dBi, com
faixas de operação de 4,0 ~ 11,0 GHz. Outro arranjo de antenas com duas folhas e um
refletor foi proposto em [53]. A estrutura apresenta as folhas no monopolo radiante e no
plano de terra com faixa de operação de 22 ~ 29 GHz. Em [54] é proposto uma antena
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
41
com geometria de folhas e um refletor EBG (Electromagnetic Band Gap) para faixa de
UWB com característica unidirecional com frequência de operação de 3,5 a 10,8 GHz.
Em [55] é descrita uma antena tipo slot com duas folhas, resposta em frequência de 7 ~
10 GHz e BW > 4 GHz.
Em [56] foi projetada uma antena de microfita que utiliza a geometria de uma
flor de quatro pétalas, sua estrutura tem alimentação por cabo coaxial, com 10 cm de
afastamento entre o elemento radiante e o plano de terra. Seu projeto se propõe a atuação
na faixa de UWB, tendo resultados entre 4,3 ~ 8,12 GHz.
Em [19], uma PMA inspirada na folha do acero canadense (maple-leaf) foi
proposta para a faixa de 3 a 14 GHz. A partir desta estrutura, os autores projetaram outra
antena para faixa de WLAN (5 ~ 6 GHz). Eles realizaram cortes na estrutura da antena
para separação das folhas, o que promoveu a alteração da resposta em frequência da
antena, operando apenas na faixa de WLAN.
A flor de tulipa tem sido utilizada como inspiração para o desenvolvimento de
antenas UWB. Em [57], um monopolo impresso com largura de banda superior a 5 GHz
foi proposta; em [58], uma antena do tipo CPW foi projetada para a banda-X, com 44%
de banda fracionária e frequências de operação de 6,0 ~ 14,5 GHz; em [59] é apresentada
uma antena CPW com refletor para a banda-X com 86% de banda fracionária e faixa de
operação de 6,5 ~ 14,5 GHz.
Em [60] é proposto uma antena com quatro folhas dobradas e alimentação
separada para cada folha. A alimentação de cada uma das folhas promove a
reconfiguração do diagrama de irradiação em até quatro feixes, a antena foi avaliada na
faixa de frequência de 3,5 ~ 6,0 GHz.
Outro trabalho é o de [61], que propõe uma antena com geometria de folha
apresentando área de 16 cm2 e largura de banda de 10,25 GHz. Em [14] foi utilizado a
sequência de Fibonacci encontrada em uma árvore para desenvolver um arranjo de
antenas do tipo patch com alimentação via cabo coaxial para faixa de frequências de 2,45
GHz com ganho de 15,8 dBi.
O Instituto de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba (IFPB) têm promovido
o desenvolvimento de pesquisas de antenas bioinspiradas em plantas com antenas tipo
monopolo impressos, podendo ser citados os seguintes: o trabalho de [20] que utilizou a
geometria de trevo de quatro folhas para o desenvolvimento de um monopolo impresso
fabricada em microfita, cuja largura de banda (2,18~14,5 GHz) excede a definida para a
faixa UWB; o projeto realizado por [62] que a partir da geometria bioinspirada na planta
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
42
de cana-de-açúcar, desenvolveu-se um monopolo impresso para a faixa de frequências
específica do sistema 4G em 700 MHz.
As antenas bioinspiradas em plantas reportadas na literatura são antenas de banda
ultralarga com BW > 2 GHz, sendo resumido o número de antenas para aplicações em
banda estreita ou multibanda.
No mercado já é possível encontrar antenas comerciais com geometrias
bioinspiradas em plantas com aplicações em WLAN e TV [63-64], indicando que no
futuro as geometrias bioinspiradas em plantas podem ser aplicadas em diversas
tecnologias.
A Figura 3.4 apresenta algumas antenas bioinspiradas em plantas para diversas
faixas de frequências.
(a)
(c)
(b)
(d)
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
43
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
(k)
44
(l)
Figura 3.4 – Antenas bioinspiradas em plantas: a) maple-leaf [18]; b) leaf-shaped bowtie [52]; c) antena de folha
[62]; d) four-leaf clover [20]; e) leaf-shaped bowtie UWB [53]; f) four leaf [60]; g) tulip antenna [57]; h) leaf-shaped
bowtie [54], i) rose leaf [56]; j) patch [14]; k) árvore com transmissor [51]; l) leaf PMA [61].
As geometrias bioinspiradas em animais também têm servido como motivos para
o desenvolvimento de antenas para sistemas de comunicação sem fio. Algumas
aplicações para as geometrias bioinspiradas em animais podem ser citados os trabalhos a
seguir.
Em [65] é proposto um monopolo com plano de terra e geometria bioinspirada
em uma orelha de morcego. A antena apresentou características tribanda, operando nas
faixas de 2,6 GHz, 5,8 GHz e 7,8 GHz e ganho máximo de 14,5 dBi.
Em [46] foi utilizada a geometria de uma borboleta para desenvolver um
monopolo impresso em microfita para a faixa de 3,0 a 10,8 GHz. A partir desta antena
foram projetadas aberturas circulares nas asas da borboleta, o que promoveu a alteração
da faixa de operação para WLAN.
Uma antena tipo patch retangular, com alimentação via cabo coaxial,
reconfigurável bioinspirada no sistema de fluido vascular e transporte de dispersão
coloidal humano é descrito por [66]. A antena apresenta três linhas de transmissão em
duas bordas, quando uma destas linhas é energizada a antena varia sua resposta em
frequência, com faixa de operação entre as faixas de frequências de 2.6 a 3 GHz.
Em [67] é descrita uma antena tipo patch bioinspirada nas antenas de uma barata,
com alimentação por cabo coaxial. Com a alteração da altura do elemento radiante da
antena foram obtidas variações na largura de banda fracionária, que apresentou
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
45
resultados de 38,2% a 118%.
Em [68] é proposta uma antena bioinspirada em de antenas de insetos como
borboletas e abelhas para desenvolvimento de uma antena tipo CPW com frequência de
operação de 2,4 GHz, e largura de banda de 220 MHz. A Figura 3.5 apresenta antenas
bioinspiradas em animais para diversas faixas.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Figura 3.5 – Antenas bioinspiradas em animais: a) buttlerfly PMA [46]; b) cockroach antenna [67]; c) inset antenna
[55]; d) vascular patch [66]; e) monopolo bat ear [65].
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
46
Conforme observado as geometrias bioinspiradas podem ser utilizadas das formas
mais diversas e as respostas têm demonstrado resultados promissores, com faixas de
frequências variadas e aplicações diversificadas.
3.3
Geometrias Bioinspiradas e Modelos Matemáticos
As geometrias bioinspiradas são baseadas em formas e padrões encontrados na
natureza. Os sistemas naturais possuem harmonia e regularidade em suas partes e
configurações, cuja organização pode ser transformada em linguagem matemática. O
homem ao longo dos séculos observa a natureza e dela obtém soluções para os seus
problemas cotidianos e aplicações práticas. Entre as tentativas realizadas na busca de
modelar as geometrias encontradas na natureza destacam-se: o número de ouro, a série
de Fibonacci, os fractais, a superfórmula de Gielis, entre outras, como as geometrias
geradas pelo sistema de Lindenmayer, as diversas curvas geradas pelas equações
polares, etc.
As folhas como parte integrante da natureza, têm sua geometria otimizada
através de um processo evolutivo por milhares de gerações. Uma de suas funções é a
captação da luz do Sol, no espectro visível, para a produção de energia química através
do processo de fotossíntese. Elas apresentam também harmonia e funcionalidade em
suas diversas formas, promovendo a eficiência de um sistema que sempre procura estar
em equilíbrio. Por este motivo, o estudo das geometrias das folhas no desenvolvimento
de antenas pode originar uma base de pesquisa que venha unir a funcionalidade e
eficiência de uma planta em diversas aplicações práticas.
Em seguida serão descritos alguns aspectos principais de algumas geometrias
encontradas na natureza e a sua tentativa da tradução em linguagem matemática destes
entes.
3.3.1 Formas e Geometria das Plantas (Classificação de Folhas e
Flores)
As plantas são seres encontrados em quase todos os lugares da terra, podendo ser
aquáticas, terrestres ou aéreas. Elas se adaptam ao seu ao habitat, como qualquer ser
vivo, com o propósito de perpetuar a existência de sua espécie. Neste processo de
adaptação elas otimizam sua estrutura. Assim, numa região onde há escassez de água, as
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
47
plantas desenvolvem meios de sobreviver com o mínimo de água, tornando seu uso
mais eficiente, por exemplo, produzindo seções internas de armazenamento. De forma
semelhante, numa região com pouca luminosidade, as plantas podem modificar a
geometria de suas folhas, flores e caule para melhor captação da energia luminosa
disponível.
A botânica é a ciência que estuda a fisiologia e morfologia das plantas, dos
fungos e das algas, aborda, entre as suas diversas áreas, a morfologia e fisiologia
vegetal, as quais estudam as geometrias das diversas partes das plantas [69].
Nesta Dissertação são utilizadas duas partes da estrutura das plantas como fonte
de inspiração para o projeto de antenas: as folhas e as flores.
As folhas, cuja estrutura pode ser dividida em três partes: o ápice, que é a parte
superior e a margem (ou bordas) e a base, que possui ligação direta com o caule [69-70].
A Figura 3.6 apresenta as partes das folhas encontradas na natureza. A organização do
ápice, margem e base, Figura 3.6, proporciona a criação das diversas formas das folhas.
Alguns exemplos de folhas são ilustrados na Figura 3.7 com a classificação das formas
mais comuns de folhas.
(a)
(b)
(c)
Figura 3.6 – Partes das folhas: a) margens; b) bases; c) ápice.
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
48
Acicular
Cordiforme
Deltóide
Elíptica
Hastada
Lanceolada
Linear
Obcordada
Obovada
Romboidal
Obcular
Runcinada
Ovada
Espatulada
Obdeltóide
Oval
Peltada
Facilforme
Oblonga
Rendiforme
Sagitada
Figura 3.7 – Classificação das formas mais comuns de folhas.
As flores são produzidas por plantas denominadas antófitas. Elas são
essencialmente um ramo folioso com entrenós curtos, desprovida de gomos auxiliares e
com crescimento limitado. Uma característica marcante das plantas com flores é que
suas folhas têm experimentado transformações e diferenciações sucessivas [69].
Numa flor completa podem ser identificadas duas partes no mesmo receptáculo,
o pistilo, com o cálice, a sépala e no seu interior o tubo polínico, o óvulo e o ovário, na
parte superior tem-se as pétalas formadoras da corola, o estigma e o estilete e o estame,
com o filete. A Figura 3.8 apresenta as partes de uma flor completa.
Figura 3.8 – Partes de uma flor completa.
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
49
Devido à grande diversidade, as flores são classificadas de várias maneiras:
conforme suas partes constituintes, sua simetria, quanto ao aspecto do cálice e da corola,
pelo número de sépalas e pétalas e pelo número de estames e pétalas. Alguns tipos de
corola de flores são ilustrados na Figura 3.9.
Ligular
composta
Infudibuliforme
campanilas
Tubular
Estramonio
Papilonada Alfalfa
Campanulada
Labiada
Salvia
Cruciforme
crucíferas
Aclavelada Clavel
Figura 3.9 – Ilustrações de alguns tipos de corola de flores.
As geometrias das plantas, com suas devidas adequações podem torna-se uma
fonte interessante de pesquisa para uso em antenas pela sua forma decorativa, de baixo
impacto visual.
3.3.2 A Sequência de Fibonacci e o Número de Ouro
O matemático Leonardo Fibonacci (1175 – 1250) identificou o número de ouro
numa sequência chamada de Sequência de Fibonacci, verificada nas linhas que
interligam os vértices internos de um pentágono e na manipulação de retângulos (Figura
3.10) [12].
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
50
(a)
(b)
Figura 3.10 – Formação do número de ouro: a) pelo pentágono e b) por retângulos.
Tomando como ponto de partida um casal de coelhos que se reproduziam com
novos casais todo mês, com a suposição de que não existia morte de animais no
processo, Fibonacci desenvolveu uma sequência que demonstra o crescimento destes
seres, representada por [12]: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13,... podendo ser expressa por (3.11):
Fn+1 = Fn-1 + Fn
(3.11)
O número de ouro (Φ) pode ser obtido a partir da sequência de Fibonacci. Esta
sequência possui um fator interessante, se forem utilizados os divisores de cada termo
pelo seu antecessor, obtemos outra sequência numérica cujo termo geral é dado por
(3.12):
U ( n)
F (n 1)
F ( n)
(3.12)
Podendo ser obtida a sequência: 1÷1=1; 2÷1=2; 3÷2=1,5; 5÷3=1,66...; 8÷5=1,6;
13÷8=1,625; 21÷13=1,615; 34÷21=1,619.... Desta forma as razões vão se aproximando
do número de ouro quando n tende a infinito, onde o limite é exatamente Φ [71], [75].
Outra forma de apresentação do número de ouro é pela divisão sucessiva de um
retângulo com lado de 2 cm. A Figura 3.10 apresenta o pentágono com os vértices
conectados e o retângulo da formação do número de ouro. O próprio corpo humano
apresenta a razão de ouro como forma de harmonia e complemento entre as partes. A
Figura 3.11 ilustra o exemplo do número de outro na natureza.
Para o caso das plantas, pode-se observar na Figura 3.11(b), o número de ouro
na disposição das pétalas e das folhas. As pétalas estão organizadas de forma compacta
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
51
e possibilitam a maximização na captação da energia luminosa. Os exemplos a seguir
apresentam as flores que possuem pétalas com a sequência de Fibonacci, ou com
variações próximas:
3 pétalas: lírio, açucena, íris, trandescância;
5 pétalas: botão de ouro, rosa selvagem, columbine, esporas, capuchinha;
8 pétalas: delphiniums, anémona;
13 pétalas: malmequer, cineraria, ragwort;
21 pétalas: áster, olhado preto, susana, chicória;
34 pétalas: tanchagem, píretro, dália;
55 e 89 pétalas: margaridas (várias), a família Asteraceae.
(a)
(b)
Figura 3.11 – Exemplos do número de ouro na natureza [73-74]: a) no corpo humano; b) nos galhos, pétalas de uma
rosa e na disposição das folhas de uma espirradeira.
Os arranjos das folhas de algumas plantas em torno do caule também
representam números de Fibonacci. A partir deste arranjo, todas as folhas conseguem
captar a energia dos raios solares de igual forma. Com esta apresentação geométrica o
escoamento da água torna-se também mais fácil, fazendo com que a planta não seja
danificada mesmo com uma grande precipitação.
Hípaso de Metaponto (470 – 400 a.C.) verificou que ao unir os pontos de um
pentágono regular em seus vértices é gerada uma estrela e no seu interior pode ser
observado outro pentágono de dimensão inferior ao inicial, Figura 3.3. A partir da
manipulação das médias dos segmentos de reta é possível encontrar a razão,
1+ 5
= 1,61880339
2
, que ficou conhecida por razão áurea, sendo encontrada em diversas
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
52
formas na natureza e nas construções antigas.
3.3.3 Os Fractais – Sistema-L
Outra geometria encontrada com frequência na natureza são os fractais,
estruturas que apresentam invariância mesmo quando alterado sua escala de medida,
mantendo assim sua estrutura idêntica à original [76].
Várias tentativas matemáticas têm sido feitas para definir precisamente um
fractal, mas todas as definições foram insatisfatórias ou incompletas. Considera-se que
um conjunto E do espaço Euclidiano é fractal se apresentar a maioria das seguintes
características [77]:
- Tem uma estrutura fina, com detalhes irregulares em escalas arbitrariamente
pequenas. Consiste em um detalhamento infinito. Sucessivas ampliações de um fractal
levam a mais e mais detalhes;
- Não é descrito de maneira simples por função analítica ou em linguagem
geométrica tradicional, pois são construídas através de processos iterativos;
- É muito irregular para ser descrito pelo cálculo ou pela geometria tradicional,
de forma local ou global;
- Em geral, tem algum caráter de autossimilaridade ou auto-afinidade, talvez
num sentido estatístico ou aproximado;
- A ‘dimensão fractal’ (dimensão de Hausdorff) de E é estritamente maior que
sua dimensão topológica;
- Em muitos casos de interesse, E tem uma definição muito simples, talvez
recursiva;
- Em geral, E tem uma aparência ‘natural’;
A geometria fractal é o estudo de conjuntos que apresentam estas propriedades.
Na geometria das plantas podem ser encontrados elementos fractais na
formação dos galhos, folhas e flores. A Figura 3.12 ilustra alguns exemplos de
geometrias fractais. Essas geometrias não ocorrem por acaso. Cada planta apresenta sua
própria geometria para seu melhor desenvolvimento, capacidade de adaptação e
sobrevivência. O que significa que cada espécie tem sua própria forma de sobreviver,
podendo haver variações de acordo com os locais de sua adaptação.
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
(a)
53
(b)
(c)
Figura 3.12 – Exemplos de geometrias fractais: a) nos galhos das árvores [78]; b) na samambaia [79]; c) na flor de
um girassol.
Como representação dos fractais tem-se os sistemas L, que foram introduzidos
originalmente para modelar o crescimento de organismos filamentosos, porém seu uso
foi ampliado sendo utilizado para representação de estruturas de ramificações mais
complexas, e até para geração de composições musicais [80]. O sistema-L procura
emular o desenvolvimento de um autômato celular, ou seja, um ser que cresce por si
mesmo obedecendo a um conjunto de regras pré-determinadas [50].
Um autômato celular é composto por três elementos: uma matriz, formado por
um conjunto simples de células; um conjunto de regras formativas; um limite de
evolução.
Pelo sistema-L é possível representar árvores axiais, cujas arestas são etiquetas
que se iniciam na base (raiz, ou vértice inicial), com sentido definido. Assim a árvore é
formada por uma sequência de segmentos
A Figura 3.13 apresenta sistema-L ramificado pela formação de árvores fractais.
Os gráficos foram gerados no ambiente MuPAD do Matlab®.
(a)
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
54
(b)
Figura 3.13 – Ilustrações de árvores fractais gerados pelo sistema-L: a) 4, 8, 16 e 32 iterações; b) 16, 32 e 64
iterações.
3.3.4 Funções Polares – Superfórmula de Gielis
O sistema de coordenadas polares, embora publicada primeiramente por Jakob
Bernoulli, foi mais uma das invenções de Isaac Newton, o qual procurava representar o
movimento dos planetas [81].
O sistema de coordenadas polares utiliza um par coordenado (r, θ), para
identificar a posição de objeto em relação ao seu ponto de origem, chamado de polo (O).
A identificação de um objeto neste sistema de coordenadas dá-se da seguinte forma:
Partindo do polo (O), traça-se um raio inicial (eixo polar) horizontal e apontado para
direita. Supondo que um determinado ponto (P ) esteja a uma distância (r) do eixo polar
(O) pode-se determinar sua posição com o ângulo (θ) orientado do raio inicial ao eixo
OP. A Figura 3.14 ilustra o sistema de coordenadas polares.
P (r, θ)
r
Origem (polo)
θ
x
O
Raio inicial
Figura 3.14 – Sistema de coordenadas polares.
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
55
O uso de diversas funções no sistema de coordenadas polares possibilita a
geração de estruturas em formas variadas e que se assemelham a geometrias de folhas,
flores e animais. A Figura 3.15 apresenta gráficos em coordenadas polares de algumas
funções implementadas no software Matlab®. Os gráficos foram gerados a partir da
variação de funções senos e cossenos, com “θ” variando de “0” a “2π” com passos de
“π/100”.
90
90
90
6
60
120
4
120
2
120
60
60
150
150
30
150
30
30
180
180
180
0
0
0
210
210
330
330
210
330
300
240
240
cos 2 sin2 4 sin4
2
b) sin4 sin2
90
90
120
270
270
270
a)
300
240
300
90
2
120
1
c) 2 (2 sin )
120
60
1
60
60
150
150
150
30
30
30
180
180
0
180
0
0
210
330
210
330
330
210
240
240
300
300
240
300
270
270
270
d)
cos 2
e) cos 2 sin2
2
f)
cos7 cos4
Figura 3.15 – Gráficos em coordenadas polares para algumas funções: a) borboleta; b) borboleta com antenas; c)
cardioide; d) rosácea de 4 pétalas; e) 2 asas de borboleta; f) libélula.
Gielis, em 2003, numa tentativa de representar matematicamente a formação de
geometrias euclidianas e não euclidianas de formas de plantas e de outros seres
encontrados na natureza, desenvolveu uma singular e simples equação geométrica
denominada de superfórmula (3.13) [82].
n
n
1
1
m 3
m 2
r ( ) cos
sin
b
4
4
1
n
1
(3.13)
Segundo [82] as formas circulares, quadrados, elipses e retângulos são membros
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
56
do grupo de superelipses as quais tem como desvantagem a simetria limitada. O uso da
coordenada polar r f ( ) , pela substituição de x r cos( ) e y r sin( ) , e a inserção
do argumento m/4 do ângulo introduz uma simetria rotacional específica. Os
argumentos ni e m ao conjunto dos números reais e α e b são números reais diferentes de
zero.
A superfórmula pode ser utilizada pela multiplicação por uma função f ( ) ,
formando uma equação genérica geradora de uma larga classe de super e subformas,
incluindo o super e o subcírculo como caso especial. A Figura 3.16 apresenta exemplos
de geometrias geradas pela superfórmula de Gielis.
(a)
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
Simetria
Rotacional
m
57
m n2 n3 1 n1 1000n2 n3 n1 n2 n3 1 / 2
n1 30
n2 n3 15
n1 80
n2 n3
ni como coluna 3
α =2
(b)
Figura 3.16 – Geometrias geradas pela superfórmula de Gielis: a) naturais [83]; b) geradas pela superfórmula [82].
Apesar de recente, alguns trabalhos apresentam aplicações com geometrias
bioinspiradas, desenvolvendo antenas para diversas faixas de frequência. A seguir são
apresentadas algumas aplicações com antenas bioinspiradas.
3.4 Aplicações de Antenas Bioinspiradas
Antenas camufladas – são utilizadas diversas técnicas para camuflar antenas de
grande e pequeno porte. As estações rádio base de comunicação celular, por exemplo,
são camufladas como uma árvore, como palmeiras, pinheiros ou cactos, se misturando
assim com a flora local, sendo praticamente imperceptível para os usuários. Nos casos de
rádio amador a antena é utilizada como haste para bandeiras, outras são escondidas em
torres cata-ventos, torres de igrejas, chaminés residenciais, torres de relógios em praças
[84-86]. No uso veicular, pode-se destacar, a blade ou Shark-fin Antenna, que é a antena
camuflada como barbatana de tubarão [87]. Outra técnica é a pintura da parábola ou
invólucro da antena com as cores do local onde está posicionada, que faz parte dos
serviços de customização de antenas criados para tentar harmonizar a aparência dos
dispositivos com o ambiente [88]. A Figura 3.17 apresenta exemplos de antenas
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
58
camufladas.
As wearables antennas (antenas que se vestem) – a tecnologia WBAN é uma
rede de sensores para fins especiais, concebidos para funcionar de forma autônoma para
conectar vários sensores e dispositivos médicos, localizados no interior e no exterior de
um corpo humano [90]. Uma aplicação comercial interessante são as antenas têxteis,
estas possuem requisitos específicos que são as estruturas planares e a flexibilidade dos
materiais utilizados na construção [91-92]. A Tabela 3.1 apresenta as aplicações médicas
e não médicas de antenas para uso junto ao corpo [9], [90]. A empresa Patria Oyj, uma
das mais renomadas em antenas têxteis apresentou em 2011 uma antena têxtil de alta
durabilidade, que pode ser lavada, torcida e esmagada e continuar funcionando
normalmente [89].
(a)
(b)
(c)
(d)
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
59
(e)
Figura 3.17 – Exemplo de antenas camufladas: a) Palmeira [93]; b) Cactos [94]; c) shark antenna [87]; d) camuflada
pela pintura [88]; e) washable wearable antenna [89].
TABELA 3.1 – Aplicações médicas e não médicas de antenas para uso junto ao corpo.
Roupas (WBAN)
Aplicação
Médica
Implantes (WBAN)
Controle remoto de
dispositivos médicos
Não-Médica
Militar e defesa – Assessoramento no
controle da fadiga de soldados e
gestão em batalhas.
Treinamento esportivo amador e
profissional
Tratamento do sono
Tratamento da asma
Roupa para Monitoramento da saúde
Controle de diabetes
Detecção cardiovascular
Detecção de câncer
Ambiente de vida assistida
Monitoramento de pacientes
Sistemas de telemedicina
Transmissão em tempo real
Aplicação para diversão
Emergência não-médica
Detecção de emoções
Autenticação de segurança
Compartilhamento de informações
pessoais
As supershaped antennas (superantenas) – são antenas construídas com
geometrias bioinspiradas que utilizam a superfórmula de Gielis [82].
A empresa holandesa Antenna Company desenvolveu antenas utilizando a
superfórmula de Gielis, ela promete antenas com desempenho, de seis a oito vezes,
Capítulo 3. ANTENAS BIOINSPIRADAS
60
maiores que as antenas utilizadas em smartphones ou roteador sem fio, com a vantagem
da possibilidade de maior alcance, melhor uso da largura de banda disponível, aumento
da velocidade e maior eficiência no consumo de energia [83], [96].
As pesquisas em antenas com geometrias bioinspiradas, apesar de recentes, têm
apresentado trabalhos com aplicações em diversos sistemas. Este capítulo apresentou
alguns conceitos dos tipos de antenas utilizadas nesta Dissertação, uma introdução às
geometrias bioinspiradas, trabalhos de antenas utilizando geometrias bioinspiradas em
plantas e animais, e algumas aplicações em antenas. No capítulo seguinte são
apresentados o projeto e os resultados simulados e medidos das antenas com geometria
bioinspirada desta Dissertação.
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
61
4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E
UWB
4.1.
Geometrias Utilizadas
Nesta Dissertação são utilizadas geometrias bioinspiradas em folhas e flores,
aplicadas em monopolo impressos e do tipo patch, construídas em microfita e tecido,
para uso em sistemas 4G e UWB. Estes tipos de antenas têm como características a
facilidade de fabricação, o baixo custo e a possibilidade de adequação a diferentes tipos
de geometrias. Uma diferença entre estes tipos de antenas está na largura de banda, pois
as antenas tipo monopolo impresso apresenta banda larga enquanto as antenas do tipo
patch, geralmente, banda estreita.
As geometrias bioinspiradas e as antenas simuladas para faixa de 4G são
visualizadas na Figura 4.1, com as geometrias bioinspiradas para tecnologia 4G, com a
planta de cana-de-açúcar 4.1(a), numa folha elíptica (oliveira) 4.1(c) e numa flor de
tulipa 4.1(e).
(a)
(b)
62
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
(c)
(d)
(e)
(f)
Figura 4.1 – Geometria bioinspirada para tecnologia 4G: a) planta de cana-de-açúcar; b) geometria simulada da canade-açúcar; c) folha elíptica de oliveira; d) folha elíptica simulada; e) flor de tulipa; f) flor de tulipa simulada.
Para sistemas UWB foram projetadas, simuladas e medidas antenas com
geometrias bioinspiradas, a Figura 4.2 apresenta as geometrias bioinspiradas para UWB,
com a flor de tulipa Figura 4.2(a), nas folhas de oliveira 4.2(c), em uma flor de jasmim
4.2(e), em uma pétala de orquídea 4.2(g).
(a)
(e)
(b)
(f)
(c)
(g)
(d)
(h)
Figura 4.2 – Geometria bioinspirada propostas para tecnologia UWB: a) flor da tulipa; b) modelo simulado da tulipa;
c) folha de oliveira; d) antena folha de oliveira simulada; e) flor de jasmim; f) flor de jasmim simulada; g) orquídea;
h) antena pétala de orquídea simulada.
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
63
As primeiras dimensões de projeto das antenas foram realizadas de acordo com a
seção 3.1. Como as dimensões de projeto não são exatas, mas uma aproximação inicial,
são necessários ajustes nas dimensões das antenas. Esses ajustes são adequações das
dimensões da antena para que operem nas faixas de frequências desejadas. Os ajustes
das dimensões da antena para a frequência e largura de banda desejadas foram
realizadas no software comercial Ansoft DesignerTM. Em pesquisa em bibliografia
especializada não foi encontrado registro de trabalhos que utilizaram o software Ansoft
DesignerTM na simulação de antenas do tipo monopolo impresso, por este motivo em
algumas antenas os resultados obtidos com o software
Ansoft DesignerTM foram
comparados com as simulações realizadas no software HFSS, com o objetivo de
validação dos dados obtidos.
Nas simulações realizadas, procurou-se adequar o perímetro com o comprimento
(L) e a largura (W) nas geometrias utilizadas em cada antena da antena. As dimensões
finais das antenas, dos refletores e da distância entre as antenas e os refletores foram
obtidas de forma empírica, pelo método de tentativa e erro.
As etapas de fabricação e medição dos protótipos das antenas abordadas neste
trabalho foram realizadas no Laboratório de Medidas em Telecomunicações do IFPB,
Campus João Pessoa. Foi utilizado um analisador de redes vetorial (modelo N5230 da
Agilent Technologies) para medição na faixa de frequências de 300 KHz – 13,5 GHz.
No projeto das antenas para 4G e UWB, o substrato dielétrico utilizado foi de FR4, com
permissividade relativa, εr = 4,4, e espessura, h = 1,5 mm
Na análise das propriedades ressonantes das antenas do tipo monopolo impresso
e patch, a frequência de ressonância e a largura de banda foram avaliadas através dos
parâmetros perda de retorno (-|S11|, em dB), VSWR e a impedância sobre a carta de
Smith. Os resultados obtidos para estes parâmetros, simulados e medidos, foram
comparados para os protótipos construídos, a fim de se verificar a metodologia
bioinspirada desenvolvida nesta Dissertação. Por outro lado, o ganho numérico das
antenas e outras propriedades de radiação como largura de feixe e ganho foram
avaliados a partir do diagrama de irradiação 2-D e 3-D.
As antenas tipo monopolo impressas apresentadas nesta Dissertação utilizaram
largura da linha de transmissão (WLT) de 2,87 mm [97] e a distância entre a antena e o
plano de terra (g) de 1,5 mm [50], com exceção da antena têxtil gynkgo biloba.
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
4.2
64
Antenas para Sistemas 4G
Para os sistemas 4G foram simulados e medidos monopolo impressos e do tipo
patch, com geometria bioinspirada para operação nas faixas de 700 MHz e 2,5 GHz e
seus resultados foram comparados a antenas com geometrias quadradas.
Nos sistemas de comunicação 4G a largura de banda exigida é superior a 100
MHz (tanto para faixa de 700 MHz quanto para faixa de 2,5 GHz). Este requisito de fato
é uma limitação para o uso de antenas de banda estreita do tipo patch. O arranjo de
antenas do tipo patch é uma solução possível para o aumento da largura de banda,
porém o arranjo de antenas requer maior espaço.
Uma solução para maiores larguras de banda é o uso das antenas tipo monopolo
impressos. Estas antenas apresentam características de banda larga com aplicações para
a tecnologia UWB. A tecnologia 4G, como qualquer outra, exige que a antena apresente
largura de banda dentro de limites preestabelecidos, com faixas delimitadas por
frequências inferiores e superiores. Uma proposta de redução da largura de banda de
monopolo impressos é a aplicação de geometrias que proporcionem o controle da
largura de banda da antena dentro da faixa de frequência necessária.
Nesta fase, optou-se por utilizar as geometrias bioinspiradas no projeto de
antenas, com o objetivo, por exemplo, de alterar suas propriedades ressonantes (largura
de banda e frequência de funcionamento) para aplicações nas faixas de frequências de
sistemas 4G.
4.2.1 Antenas com Refletor para Faixa de 700 MHz
Para as faixas de 700 MHz foram projetadas, simuladas e medidas antenas com
geometrias quadradas e bioinspiradas com o uso de refletor. Os dados a seguir foram
calculados de acordo com a seção 3.1.1 para geometria quadrada. A Tabela 4.1
apresenta as dimensões, em mm, da PMA quadrada para 700 MHz. O comprimento da
linha transmissão (WLT) calculada foi de 96,5mm. A largura do corte no plano de terra
(WS) de melhor resultado foi de 3 mm e o comprimento do corte (LS) foi de 5 mm.
A partir dos dados do projeto, a antena monopolo impresso quadrada para 700
MHz foi simulada (Figura 4.3). As informações da antena monopolo quadrado foram
utilizadas como base para o projeto da antena bioinspirada na planta de cana-de-açúcar
apresentada na próxima seção. As dimensões do refletor utilizado foram de:
65
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
comprimento, LR = 280 mm; largura, WR = 260 mm, com espessura, h = 1,5 mm,
separado por uma distância de 50 mm, com volume total de 3749,2 cm3.
Tabela 4.1 – Dimensões (mm) da PMA quadrado para 700 MHz
Antena
L
Ajuste
W
Ajuste
LPT
Ajuste
WPT
Ajuste
Quadrado 700 MHz
108,9
108
108,9
108
112,2
112
141,2
140
Figura 4.3 – Dimensões de projeto da PMA quadrada.
4.2.1.1 Antena Monopolo Impressa Bioinspirada na Planta de Canade-Açúcar de 4 Folhas
Nesta seção são comentados os resultados medidos e simulados da PMA
bioinspirada em uma planta de cana-de-açúcar para a faixa de frequências de 700 MHz
com uso de refletor. Seu resultado é comparado à PMA quadrada com uso de refletor e
verificado sua compatibilidade com a largura de banda para sistemas 4G.
A Tabela 4.2 apresenta as dimensões, em mm, da antena cana-de-açúcar 3 folhas
para 700 MHz. O comprimento da linha de transmissão (WLT) calculada foi de 31,65
mm. A largura do corte no plano de terra (WS) de melhor resultado foi de 3 mm, o
comprimento do corte no plano de terra (LS) foi de 6,35mm. A dimensão do refletor
utilizado foi de: comprimento, LR = 180 mm; largura, WR = 110 mm; espessura, h = 1,5
mm, separado por uma distância de 8 mm; e volume total de 188,1 cm3, apresentando
66
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
uma redução do volume total de 95% quando comparado ao monopolo quadrado para
mesma faixa de frequências.
Na Figura 4.4 é apresentada a PMA cana-de-açúcar 4 folhas e PMA quadrada
com refletor e a comparação entre a antena bioinspirada e a PMA quadrada para 700
MHz, Figura 4(c).
Tabela 4.2 – Dimensões (mm) da PMA cana-de-açúcar 4 folhas para 700 MHz
Antena
Cana-de-açúcar 4
folhas
L
Ajuste
W
Ajuste
LPT
Ajuste
WPT
Ajuste
95,35
96,42
31,78
28,87
31,78
31,9
31,78
30
Pode-se observar que a antena com geometria bioinspirada na planta de cana-deaçúcar 4 folhas obteve um comprimento L = 96,42 mm, com uma redução na sua
dimensão na ordem de 10,7% quando comparada a PMA quadrada com L = 108 mm.
Apresentando também um W = 28,87 mm com redução em sua dimensão na ordem de
78,7% quando comparada com a PMA quadrada que obteve W = 108 mm.
Y
X
Z
(a)
67
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
(b)
(c)
Figura 4.4 – Antena cana-de-açúcar 4 folhas e PMA quadrada: a) dimensões da antena cana-de-açúcar 4 folhas
simulada; b) antena com refletor; c) comparação das antenas cana-de-açúcar 4 folhas e PMA quadrada.
Como a PMA não possui plano de terra em toda sua dimensão os elementos
externos podem influenciar seus resultados. Neste caso há o acoplamento da antena com
os materiais próximos, o que pode promover a alteração da resposta em frequência, ou
da largura de banda.
Neste projeto, para que a estrutura não sofra esta interferência, foi inserido um
refletor metálico abaixo do plano de terra da antena, sendo avaliada, de forma empírica,
uma distância ótima entre a antena e o refletor. Para a antena bioinspirada na planta de
cana-de-açúcar, a distância entre o plano de terra e o refletor que apresentou melhor
resultado foi de 8 mm. Para a PMA quadrada a distância de melhor resultado foi de 50
mm.
A Figura 4.5 apresenta a comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da
PMA quadrada com refletor. A antena simulada obteve sua maior ressonância na
frequência de 664 MHz com largura de banda de 348 MHz, porém a antena medida
apresentou ressonância principal na frequência de 718 MHz com largura de banda de
306 MHz. A diferença na largura de banda entre as antenas medida e simulada foi de
11,21%.
68
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
0
-5
-10
|S11| (dB)
-15
-20
-25
-30
Medição
-35
Simulação
-40
4G, 698-806 MHz
-45
-50
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
Frequência (MHz)
Figura 4.5 – Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA quadrada com refletor.
A Figura 4.6 apresenta a comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da
antena cana-de-açúcar 4 folhas sem refletor nas frequências de 0.1 MHz a 13.5 GHz.
Conforme a Figura 4.6 na frequência de 750 MHz é observada uma ressonância no
resultado simulado.
0
-5
-10
|S11|(dB)
-15
-20
-25
-30
Medido sem Refletor
-35
Simulado sem Refletor
-40
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Frequência (GHz)
Figura 4.6 – Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da antena cana-de-açúcar 4 folhas sem refletor.
Na Figura 4.7 é visualizada a comparação do parâmetro |S11| medido da antena canade-açúcar 4 folhas e da antena monopolo impressa quadrada com refletor. As antenas
apresentaram uma diferença de 33 MHz entre suas maiores ressonâncias. A antena
69
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
cana-de-açúcar 4 folhas medida apresentou frequência de ressonância em 751 MHz, e
largura de banda de 159 MHz cobrindo a faixa de frequências indicada para a tecnologia
4G. Os valores medidos para a antena cana-de-açúcar com refletor e a antena monopolo
impressa quadrada com refletor são apresentados na Tabela 4.3.
Tabela 4.3 – Valores medidos e simulados de largura de banda e frequência de
ressonância da antena de cana-de-açúcar com refletor e PMA quadrada com refletor
1
Antena
BW (MHz)
f1 (MHz)
f2 (MHz)
f0 (MHz)
Cana-de-açúcar 4 folhas
159
652
811
751
58
682
740
708
medida
2
Cana-de-açúcar 4 folhas
simulada
3
Quadrado medido
306
508
814
718
4
Quadrado simulado
348
535
883
664
0
-5
-10
|S11| (dB)
-15
-20
-25
-30
Cana-de-Açúcar 4 Folhas (medição)
-35
Monopolo Quadrado (medição)
-40
4G, 698 - 806 MHz
-45
-50
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
Frequência (GHz)
Figura 4.7 – Comparação do parâmetro |S11| medido das antenas cana-de-açúcar 4 folhas e PMA quadrada com
refletor.
As impedância sobre as cartas de Smith das antenas cana-de-açúcar 4 folhas e
PMA quadrada simuladas com refletor na faixa de frequências de 400 MHz a 1 GHz é
visualizada na Figura 4.8. Conforme observado apenas uma pequena parte da curva
aproxima-se do valor normalizado, indicando a faixa de frequências em que o
casamento de impedâncias em 50Ω. As curvas vermelhas internas indicam o VSWR
menor que 2, ou seja, as frequências com o parâmetro |S11| menor que -10 dB.
70
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
130
140
120
110
Report2D1
100 90 80
70
1.00
60
50
2.00
0.50
120
40
150
160
30
0.20
5.00
f1
170
180
130
140
0.00
0.00
0.20
0.50
1.00
160
10
2.00
0.33
5.00
0.67
Report2D
90
80
0.50
0
40
30
f1
0.20
-5.00
-150
-20
0.00
0.00
0.20
0.50
f0
1.00
2.00
0.33
5.00
0.67
0
-80
-70
-60
-10
-170
-0.20
-5.00
f2
-150
-40
-2.00
-90
20
10
-160
-30
-1.00
5.00
170
180
-10
f2
-0.20
-100
50
VSWR < 2
-170
-140
-0.50
-130
-120
-110
60
2.00
VSWR < 2
-160
70
1.00
150
20
f0
110
100
-140
-0.50
-130
-120
-110
-50
(a)
-30
-40
-2.00
-100
-1.00
-90
-80
-70
-50
-60
(b)
Figura 4.8 – Impedância sobre as cartas de Smith das PMA com refletor: a) cana-de-açúcar 4 folhas; b) quadrada.
A Figura 4.9 apresenta o diagrama de irradiação da antena monopolo impresso
quadrada com refletor, simulada na frequência de 750 MHz. A antena apresentou ganho
máximo de 7,38 dB (a), na direção broadside, com ângulo de abertura, no plano-E (b),
de aproximadamente 57º. A magnitude (A/m) da distribuição da densidade de corrente
na antena, conforme indicado na seção 3.1, ocorre com mais intensidade nas bordas que
no centro da antena (b).
(a)
-20
71
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
Radiation Pattern 1
0
-30
30
3.00
HPBW A
-60
HPBW B
-4.00
60
Curve Info
-11.00
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 750 MHz
Phi='0deg'
-18.00
-90
90
-120
120
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 750 MHz
Phi='90deg'
Name
Theta
Ang
Mag
HPBW A
-38.0000
-38.0000
3.0825
HPBW B
36.0000
36.0000
3.1910
Name
-150
150
d( HPBW A ,HPBW B )
Delta( Theta)
74.0000
Delta( Ang)
Delta( Mag)
74.0000
0.1086
-180
(b)
(c)
(d)
Figura 4.9 – Diagrama de irradiação da PMA quadrado com refletor em 750 MHz: a) ganho, 3-D; b) 2-D plano-E e
plano-H; c) campo distante; d) densidade de corrente de superfície.
A Figura 4.10 apresenta o diagrama de irradiação 3-D, 2-D da antena cana-deaçúcar 4 folhas com refletor simulada em 700 MHz. A antena apresentou ganho
máximo de 6,82 dB na direção broadside, com ângulo de abertura no plano-E de meia
potência de aproximadamente 100 graus. A densidade de corrente de superfície (b)
apresenta maior magnitude (A/m) que a antena monopolo impresso quadrada.
72
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
(a)
.
0
-30
Cana Correta 6mm1
30
4.00
Curve Info
-2.00
-60
HPBW A
HPBW B
60
dB(DirectiveGai...
Setup 1 : 700 MHz
Phi='0deg'
-8.00
-14.00
-90
dB(DirectiveGai...
Setup 1 : 700 MHz
Phi='90deg'
90
-120
Name
Theta
Ang
Mag
HPBW A
-50.0000
-50.0000
2.9302
HPBW B
50.0000
50.0000
3.0066
120
Name
d( HPBW A,HPBW B)
-150
150
-180
(c)
Delta( Theta)
100.0000
Delta( Ang)
Delta( Mag)
100.0000
0.0764
73
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
(c)
(d)
Figura 4.10 – Diagrama de irradiação da antena cana-de-açúcar 4 folhas com refletor em 700 MHz: a) ganho, 3-D; b)
2-D plano-E e plano-H; c) campo distante; d) densidade de corrente de superfície.
A partir das Figuras 4.9 e 4.10(a) pode-se observar que a antena tipo monopolo
impressa quadrada e a antena cana-de-açúcar 4 folhas simulada apresentaram ganhos
praticamente iguais. Conforme os resultados apresentados, à antena cana-de-açúcar 4
folhas demonstrou compatibilidade entre as antenas simulada e medidas, com largura de
banda de 150 MHz, cobrindo a faixa de 4G, redução nas dimensões de L e W e com
diferença na frequência de ressonância entre a antena medida e a exigida para 4G (750
MHz) de 0,13%.
4.2.1.2
Antena Monopolo Impressa Bioinspirada na Planta de Canade-Açúcar de 3 Folhas
A partir dos resultados apresentados no projeto da antena cana-de-açúcar, foi
simulado uma antena bioinspirada na planta de cana-de-açúcar com 3 folhas
objetivando abarcar toda a largura de banda da faixa de 4G (108 MHz).
A Tabela 4.4 apresenta as dimensões, em mm, da antena cana-de-açúcar de 3
folhas para 700 MHz. A largura do corte no plano de terra (WS) de melhor resultado foi
de 3 mm, e o comprimento do corte no plano de terra (LS) de melhor resultado foi de
2,22 mm. As dimensões do refletor utilizado foram de: comprimento, LR = 180 mm;
largura, WR = 80 mm, com espessura, h = 1,5 mm, separado por uma distância de 14,6
mm, e volume total de 231,84 cm3, uma redução do volume total de 93.8%.
74
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
Tabela 4.4 – Dimensões (mm) da antena cana-de-açúcar de 3 folhas para 4G
Antena
L
Ajuste
W
Ajuste
LPT
Ajuste
WPT
Ajuste
Cana-de-açúcar 3 folhas
93,2
93,61
28,89
28,77
65,76
65,22
40,57
40
A antena cana-de-açúcar de 3 folhas com refletor, suas dimensões e a
comparação com a antena com geometria quadrada com refletor pode ser observada na
Figura 4.11. Assim como na seção anterior, o melhor resultado introduziu o refletor a
uma distância de 14,6 mm.
Y
X
Z
(a)
(b)
(c)
Figura 4.11 – Dimensão da antena cana-de-açúcar de 3 folhas com refletor: b) antena cana-de-açúcar 3 folhas com
refletor medida, c) comparação antena cana-de-açúcar 3 folhas e PMA quadrada medida.
A Figura 4.12 apresenta a comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da
75
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
antena cana-de-açúcar de 3 folhas com refletor. Na Tabela 4.2 têm-se os valores
medidos e simulados de largura de banda e frequências de ressonância da antena canade-açúcar de 3 folhas para 700 MHz. Nelas nota-se que o desvio de frequência entre a
antena simulada e medida foi de 9 MHz, representando um erro de 1,19%. Neste projeto
a antena simulada e medida cobrem a faixa de 4G para 700 MHz. Pelos resultados da
Tabela 4.5 é possível verificar que a antena medida apresentou largura de banda 23,63%
maior que a simulada.
Tabela 4.5 – Valores medidos e simulados de largura de banda e frequências de
ressonância da antena de cana-de-açúcar 3 folhas com refletor
Antena
BW (MHz)
f1 (MHz)
f2 (MHz)
f0 (MHz)
1
Simulação
126
691
817
751
2
Medição
165
637
802
742
0
-5
-10
|S11| (dB)
-15
-20
Medição
-25
Simulação
-30
-35
-40
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
Frequência (GHz)
Figura 4.12 – Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da antena cana-de-açúcar 3 folhas com refletor.
Na Figura 4.13 são apresentados o diagrama de irradiação 2-D e 3-D da antena
cana-de-açúcar 3 folhas com refletor em 751 MHz. A antena obteve 7,73 dB de ganho
máximo na direção broadside, com largura de feixe de 126 graus no plano-E.
76
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
(a)
Radiation Pattern 1
0
-30
30
0.00
Curve Info
-10.00
-60
HPBW A
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 751 MHz
Phi='0deg'
60
HPBW B
-20.00
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 751 MHz
Phi='90deg'
-30.00
-90
90
-120
120
Name
Theta
Ang
Mag
HPBW A
-63.0000
-63.0000
3.1653
HPBW B
63.0000
63.0000
3.1796
Name
-150
150
-180
(b)
d( HPBW A,HPBW B)
Delta( Theta)
126.0000
Delta( Ang)
126.0000
Delta( Mag)
0.0143
77
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
(c)
(d)
Figura 4.13 – Diagrama de irradiação da antena cana-de-açúcar 3 folhas com refletor em 751 MHz: a) ganho, 3-D;
b) 2-D plano-E e plano-H; c) campo distante; d) densidade de corrente de superfície.
Na Figura 4.14 é observada a impedância sobre a Carta de Smith da antena cana-deaçúcar 3 folhas com refletor simulada das frequências de 400 MHz a 1 GHZ. A parte da
curva que se aproxima do valor normalizado indicando as frequências onde há o
casamento das impedâncias próximo de 50Ω. A curva vermelha interna indica o VSWR
menor que 2, ou seja, as frequências com o parâmetro |S11| menor que -10 dB.
130
140
120
110
Report2D
90
100
80
70
1.00
0.50
60
50
2.00
40
30
150
160
0.20
170
180
f1
0.00
0.00
0.20
20
10
f0
0.50
1.00
2.00
0.33
5.00
0.67
0
VSWR < 2
-170
-160
5.00
f2
-10
-5.00
-0.20
-150
-140
-0.50
-130
-120
-110
-20
-30
-40
-2.00
-100
-1.00
-90
-80
-70
-60
-50
Figura 4.14 – Impedância sobre a carta de Smith da antena cana-de-açúcar 3 folhas com refletor.
Conforme observado a antena medida obteve resposta em frequência próxima da
antena simulada, com largura de banda de 165 MHz cobrindo toda a frequência da faixa
de 700 MHz definida pela Resolução 625 da ANATEL. A antena com geometria
78
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
bioinspirada apresentou uma redução na largura do patch (W) de 76,36% e no
comprimento da antena (L) 13,32%, quando comparada a antena monopolo quadrada.
Na próxima seção serão abordados os resultados das antenas simuladas e medias
para a faixa alta de 4G (2,5 GHz).
4.2.2 Antenas com Refletor para Faixa de 2,5 GHz
Para a faixa de 2,5 GHz foi projetado, simulado e medido antenas tipo monopolo
impresso e antenas do tipo patch com geometrias quadradas e bioinspiradas. As antenas
com geometrias quadradas tinham como o objetivo servir de comparação com a antena
com geometrias bioinspiradas numa folha elíptica (PMA) com refletor e numa flor de
tulipa (patch).
A Tabela 4.6 apresenta as dimensões, em mm, da antena monopolo impresso
quadrada para 2,5 GHz. A largura do corte no plano de terra (WS) de melhor resultado
foi de 3 mm, o comprimento do corte no plano de terra (LS) de melhor resultado foi de 2
mm. A geometria da antena simulada e medida segue o modelo apresentado na Figura
4.3. Na Tabela 4.7 têm-se os valores medidos e simulados de largura de banda e
frequências ressonância da antena tipo monopolo impresso quadrada para 2,5 GHz com
refletor. As dimensões do refletor utilizado foram de: comprimento, LR = 130 mm;
largura, WR = 130 mm, com espessura, h = 1,5 mm, separado por uma distância de 60
mm, e volume total de 1039,35 cm3.
Tabela 4.6 – Dimensões (mm) da PMA quadrada para 2,5 GHz
Antena
L
Ajuste
W
Ajuste
LPT
Ajuste
WPT
Ajuste
Quadrado 2,5 GHz
28,6
29
28,6
29
28,6
28
57,21
60
Tabela 4.7 – Valores medidos e simulados de largura de banda e frequências de
ressonância da PMA quadrada para 2,5 GHz com refletor
Antena
BW (MHz)
f1 (GHz)
f2 (GHz)
f0 (GHz)
1
Simulação
1800
1,78
3,58
2,54
2
Medição
2240
1,80
4,04
2,46
Como observado as antenas medidas e simulada apresentaram resultados
aproximados o que indica a consistência do projeto. A seguir são apresentados os
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
79
resultados da antena bioinspirada em uma folha elíptica com refletor para faixa de 2,5
GHz. Na estrutura são inseridas aberturas calculadas de acordo com o número de ouro.
O objetivo dos cortes na estrutura é de reduzir a largura de banda. A resposta em
frequência e a largura de banda da antena de folha elíptica são comparadas com os
resultados da antena monopolo impresso quadrada com refletor.
4.2.2.1
Antena de Folha Elíptica com Refletor para Faixa de 2,5
GHz
Para o uso na tecnologia 4G, operando na faixa de frequências de 2,5 GHz, foi
desenvolvida uma antena tipo monopolo impresso bioinspirada numa folha elíptica com
refletor. Para adequação da largura de banda foram realizados cortes na estrutura da
folha. Esses cortes foram calculados de acordo com o número de ouro aplicados a
dimensão L e o W da antena.
Na dimensão L foram aplicadas as seguintes iterações:
L = 23 mm
- 1º Iteração.
Lf
23
14,2mm
1,618
- 2º Iteração – 14,2/1,618 = 8,8 mm;
Lf
14
8,8mm
1,618
Ajustado para Lf = 8,6mm
Na dimensão W foi realizada apenas uma iteração.
W = 3mm.
- 1º Iteração.
W
3
1,85mm
1,618
- Ajustado para Wf = 1,6mm.
Em que Lf é o comprimento do elemento e Wf é a largura do elemento.
Os resultados são comparados com a antena tipo monopolo impresso quadrada
com refletor para mesma faixa de frequências. Ambas as antenas foram medidas e
simuladas com o refletor separadas por uma distância de 60 mm.
A Tabela 4.8 apresenta as dimensões, em mm, da antena folha elíptica para 2,5
80
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
GHz. A largura da linha transmissão (WLT) calculada foi de 2,8mm. A largura do corte
no plano de terra (WS) de melhor resultado foi de 3 mm, o comprimento do corte no
plano de terra (LS) foi de 1mm. As dimensões do refletor utilizado foram de:
comprimento, LR = 44 mm; largura, WR = 22 mm, com espessura, h = 1,5 mm, separado
por uma distância de 20 mm, e volume total de 20,81 cm3, uma redução do volume total
de 98%.
Tabela 4.8 – Dimensões (mm) da antena folha elíptica para 2,5 GHz
Antena
L
Ajuste
W
Ajuste
LPT
Ajuste
WPT
Ajuste
Folha Elíptica
22,88
23
3,01
3
14,3
15
11,44
12
A antena com geometria bioinspirada numa folha elíptica com refletor, suas
dimensões de projeto e a comparação com a antena monopolo impresso quadrada são
visualizadas na Figura 4.15.
Na Figura 4.16 pode-se observar a comparação do parâmetro |S11| medido e
simulado da PMA quadrada. A antena medida e simulada apresentaram diferença entre
os picos de ressonância foi de 154 MHZ e de largura de banda de 440 MHz.
Na Figura 4.17 é observado a comparação do parâmetro |S11| medidos e
simulados da antena de folha elíptica com refletor. A antena medida e simulada
apresentaram uma diferença na frequência de ressonância de 2 MHz, inferior a 1%, com
largura de banda de 300 MHz para a antena simulada e de 500 MHz para a antena
medida.
W
Wf
LS
L
WS
Lf
LPT
Y
X
Z
WLT
(a)
WP
(b)
81
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
(c)
(d)
Figura 4.15 – Dimensões de projeto da antena folha elíptica para 2,5 GHz: a) dimensões da antena com abertura; b)
dimensão da folha com aplicação do número de ouro; c) antena com refletor; d) comparação entre a estrutura da
antena bioinspirada e PMA quadrada.
Na Figura 4.18 tem-se a comparação do parâmetro |S11| medidos entre as antenas
folha elíptica medida com refletor e o monopolo impresso quadrada com refletor. A
Tabela 4.9 apresenta os valores medidos de largura de banda e frequências de
ressonância da antena monopolo impresso quadrada com refletor e folha elíptica com
refletor.
0
-10
|S11| (dB)
-20
-30
-40
Medição
Simulação
-50
4G, 2,50 - 2,69 GHz
-60
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
Frequência (GHz)
Figura 4.16 – Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA quadrada com refletor.
5,0
82
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
0
-10
|S11| (dB)
-20
Medição
-30
Simulação
-40
4G, 2,50 - 2,69 GHz
-50
-60
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Frequência (GHz)
Figura 4.17 – Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da antena folha elíptica com refletor.
0
-10
|S11| (dB)
-20
-30
Monopolo Quadrado
Folha Elíptica
4G, 2,50 - 2,69 GHz
-40
-50
-60
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
Frequência (GHz)
4,0
4,5
5,0
Figura 4.18 – Comparação do parâmetro |S11| medido das antenas folha elíptica e PMA quadrada com refletor.
Tabela 4.9 – Valores medidos de largura de banda e frequências de ressonância da
antena folha elíptica com refletor e PMA quadrada com refletor
Antena
BW (MHz)
f1 (GHz)
f2 (GHz)
f0 (GHz)
1
Folha elíptica
500
2,20
2,70
2,40
2
Quadrado
2240
1,80
4,04
2,46
Na Figura 4.19 é apresentado as impedâncias sobre as cartas de Smith simulada das
83
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
antenas folha elíptica com refletor e o monopolo impresso quadrada com refletor para as
frequências de 1 GHz a 5 GHz. As curvas vermelhas internas indicam o VSWR menor
que 2, ou seja, as frequências com o parâmetro |S11| menor que -10 dB.
.
120
130
140
110
100
90
1.00
..
80
70
0.50
60
50
2.00
30
f1
0.20
5.00
170
180
130
140
40
150
160
120
0.20
0.50
10
1.00
2.00
VSWR < 2
5.00
0.33
0
0.67
1.00
80
70
0.50
60
50
2.00
40
150
20
f0
0.00
0.00
110
90
100
160
30
0.20
5.00
170
180
20
f1
10
f0
0.00
0.00
0.20
0.50
1.00
2.00
0.33
5.00
0.67
0
VSWR < 2
-170
-10 -170
-160
-0.20
f2
-5.00
-150
-140
-0.50
-130
-120
-110
-20
-160
-30
-100
-1.00
-90
-80
-70
-5.00
f2
-150
-40
-2.00
-10
-0.20
-140
-0.50
-130
-120
-110
-50
-60
(a)
-20
-30
-40
-2.00
-100
-1.00
-90
-80
-70
-50
-60
(b)
Figura 4.19 – Impedância sobre as cartas de Smith da PMA com refletor: (a) folha elíptica, (b) quadrada.
Na Figura 4.20 é observado o diagrama de irradiação da antena monopolo impresso
quadrada com refletor simulado em 2,55 GHz. Observa-se que o ganho máximo de 6,28
dB, ocorre na direção broadside, com ângulo de abertura de aproximadamente 80 graus
no plano-E.
(a)
84
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
...
0
-30
30
0.00
HPBW A
-60
-10.00
Curve Info
HPBW
60
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 2.54 GHz
Phi='0deg'
-20.00
-30.00
-90
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 2.54 GHz
Phi='90deg'
90
-120
120
-150
150
Name
Theta
Ang
Mag
HPBW A
-44.0000
-44.0000
3.1105
HPBW
45.0000
45.0000
3.1636
Name
Delta(Theta)
Delta(Ang)
Delta(Mag)
d( HPBW A,HPBW)
89.0000
89.0000
0.0531
-180
(b)
(c)
(d)
Figura 4.20 – Diagrama de irradiação da PMA quadrada com refletor em 2,55 GHZ: a) ganho, 3-D; b) 2-D plano-E e
plano-H; c) campo distante; d) densidade de corrente de superfície.
Na Figura 4.21 é apresentado o diagrama de irradiação da antena folha elíptica com
refletor simulada em 2,4 GHz. A antena obteve ganho máximo de 7,53 dB na direção
broadside, com ângulo de abertura de aproximadamente 128 graus no plano-E.
85
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
(a)
..
0
-30
30
0.00
-10.00
-60
HPBW A
60
-20.00
Curve Info
HPBW B
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 2.42 GHz
Phi='0deg'
-30.00
-90
90
-120
120
-150
150
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 2.42 GHz
Phi='90deg'
Name
Theta
Ang
Mag
HPBW A
-64.0000
-64.0000
3.1685
HPBW B
64.0000
64.0000
3.1743
Name
Delta(Theta)
Delta(Ang)
Delta(Mag)
d( HPBW A ,HPBW B
128.0000
128.0000
0.0058
-180
(b)
(c)
(d)
Figura 4.21 – Diagrama de irradiação da antena folha elíptica com refletor em 2,40 GHZ: a) ganho, 3-D; b) 2-D
plano-E e plano-H; c) campo distante; d) densidade de corrente de superfície.
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
86
Conforme a verificação dos resultados, a antena com geometria bioinspirada em
uma folha elíptica apresentou uma redução da largura de banda de 77,68% quando
comparada com a antena monopolo impresso quadrada. O uso da geometria
bioinspirada possibilitou uma redução de 20,68% no comprimento da antena, e de
89,65% na largura da antena.
O uso da geometria bioinspirada possibilitou o aumento do perímetro das
antenas, o que pode ter possibilitado uma melhor distribuição da densidade de corrente
de superfície e com isto um projeto mais compacto quando comparado a geometria
quadrada. Na próxima seção serão apresentados os resultados das antenas do tipo patch
para faixa de 2,5 GHz.
4.2.2.2
Antenas do Tipo Patch Quadrada e Flor de Tulipa para 2,5
GHz
Para operação na faixa de frequências de 2,5 GHz (4G), foi desenvolvida uma
antena do tipo patch, bioinspirada numa flor de tulipa. Seus resultados são comparados
com um patch quadrado para mesma faixa de frequências. Os valores do projeto para a
antena patch quadrada foram realizados pelas aproximações apresentadas na seção
3.1.2. A partir do perímetro da antena patch quadrada foi desenvolvida uma antena tipo
patch com a geometria de uma flor de tulipa. Os ajustes da frequência de ressonância
forma realizados no software Ansoft DesingerTM. Na Figura 4.22 são ilustradas as
dimensões das antenas do tipo patch.
(a)
87
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
W= 40,00
L50= 18
L50= 17,75
Lq= 16,75
Lq= 20,5
L= 26,5
L= 34,75
L= 26,5
Y
Wq= 0,7
Wq= 0,7
X
Z
W50= 2,75
W50= 2,75
(b)
(c)
Figura 4.22 – Antenas do tipo patch: a) medidas; b) dimensões da antena quadrada; c) dimensões da flor de tulipa.
Na Figura 4.23 é apresentada a comparação da perda de retorno, parâmetro |S 11|
da antena quadrado patch para 2,5 GHz. A antena obteve largura de banda de 60 MHz
(f1=2,56 e f2=2,62) com frequência ressonância (f0) em 2,60 GHz.
0
|S11| (dB)
-5
-10
-15
Medição
Simulação
4G, 2,5-2,69 GHz
-20
-25
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Frequência (GHz)
Figura 4.23 – Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da antena do tipo patch quadrada.
O resultado da antena patch flor de tulipa medida e simulada pode ser observado
88
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
na Figura 4.24. As antenas medida apresentou largura de banda de 70 MHz (f1=2,55 e
f2=2,62) com frequência de ressonância (f0) em 2,54 GHz, e a simulada apresentou
largura de banda de 57 MHz (f1=2,50 e f2=2,57) com frequência de ressonância (f0) em
2,59 GHz, uma diferença de 50 MHz, ou seja, 1,9%. O resultado mostra uma relação
significativa entre a simulação e a medição das antenas.
0
-5
|S11| (dB)
-10
-15
-20
-25
-30
-35
Medição
Simulação
-40
-45
2,50
2,55
2,60
Frequência (GHz)
2,65
2,70
Figura 4.24 – Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da antena patch flor de tulipa.
A comparação entre os resultados medidos das antenas patch quadrado e flor de
tulipa patch são apresentados na Figura 4.25. Conforme os dados anteriores o patch
quadrado medido apresentou maior largura de banda, com frequência de ressonância
central próximas da faixa de 4G (2,5 GHz).
0
-5
|S11| (dB)
-10
Tulipa patch
medida
Patch quadrado
medido
-15
-20
-25
-30
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Frequência (GHz)
Figura 4.25 – Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado das antenas do tipo patch flor de tulipa e quadrada.
89
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
A Figura 4.26 apresenta as impedâncias sobre as cartas de Smith das antenas do
tipo patch flor de tulipa e quadrada nas frequências de 2 GHz a 3 GHz. As antenas
apresentam pequena parte da curva normalizada indicando que o casamento de
impedâncias em 50Ω dá-se numa pequena faixa de frequências. A curva vermelha
interna indica o VSWR menor que 2, ou seja, as frequências com o parâmetro |S11|
menor que -10 dB.
...
...
120
130
140
90
100
110
1.00
120
60
130
140
50
2.00
40
5.00
0.20
20
f0
0.00
0.00
0.20
0.50
1.00
2.00
0.33
5.00
0.67
VSWR < 2
-170
-160
160
-5.00
10
170
0
180
-20
-140
-0.50
-130
-120
-110
-100
-1.00
-90
-80
-70
80
70
60
50
2.00
0.50
40
30
5.00
f1
0.00
0.00
0.20
0.50
1.00
2.00
0.33
5.00
0.67
-60
0
VSWR < 2
-10
f2
-5.00
-0.20
-140
-0.50
-130
-120
-110
-50
20
10
-20
-30
-150
-40
-2.00
1.00
f0
-160
-30
-150
110
90
0.20
-10 -170
f2
-0.20
100
150
30
f1
170
180
70
0.50
150
160
80
-40
-2.00
-100
(a)
-1.00
-90
-80
-70
-50
-60
(b)
Figura 4.26 – Impedâncias sobre as cartas de Smith simuladas das antenas do tipo patch: a) flor de tulipa; b)
quadrado.
A Figura 4.27 apresenta o diagrama de irradiação da antena patch quadrada em
2,6 GHz. O ganho máximo da antena, 6,20 dB, ocorre na direção endfire, o que é
característico de antenas do tipo patch, com HPBW de 82º.
(a)
90
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
..
0
-30
30
0.00
HPBW A
HPBW B
Curve Info
-10.00
-60
60
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 2.60 GHz
Phi='0deg'
-20.00
-30.00
-90
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 2.60 GHz
Phi='90deg'
90
-120
120
-150
150
Name
Theta
Ang
Mag
HPBW A
-40.0000
-40.0000
3.1046
HPBW B
40.0000
40.0000
3.1067
Name
Delta(Theta)
Delta(Ang)
Delta(Mag)
d( HPBW A ,HPBW B )
80.0000
80.0000
0.0020
-180
(b)
Figura 4.27 – Diagrama de irradiação 3-D da antena patch quadrada em 2,6 GHz: a) ganho, 3-D; b) 2-D plano-E e
plano-H.
A Figura 4.28 apresenta o diagrama de irradiação da antena patch tulipa
simulada em 2,56 GHz. O ganho máximo da antena, 6,26 dB, ocorre na direção endfire
com HPBW de 82º.
(a)
91
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
Radiation Pattern 1
0
30
-30
2.00
HPBW A
-6.00
Curve Info
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 2.54 GHz
Phi='0deg'
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 2.54 GHz
Phi='90deg'
HPBW B
60
-60
-14.00
-22.00
90
-90
-120
Name
Theta
Ang
Mag
HPBW A
-40.0000
-40.0000
3.0100
HPBW B
40.0000
40.0000
3.0102
120
-150
Name
Delta(Theta)
Delta(Ang)
Delta(Mag)
d( HPBW A ,HPBW B )
80.0000
80.0000
0.0002
150
-180
(b)
Figura 4.28 – Diagrama de irradiação 3-D da antena patch flor de tulipa em 2,56 GHz: a) ganho, 3-D;
b) 2-D plano-E e plano-H.
Pelos resultados é possível observar que a antena patch flor de tulipa apresentou
uma dimensão, W e L, maior que o patch quadrado, com um pequeno ganho de 0,6 dB,
comparação entre a Figura 4.27 e a 4.28.
Esta seção apresentou os resultados simulados e medidos das antenas tipo
monopolo impresso e do tipo patch com geometrias bioinspiradas e quadradas para
sistemas de 4G nas frequências de 700 MHz e 2,5 GHz. O uso da geometria
bioinspirada nas antenas tipo monopolo impresso para faixa de 700 MHz apresentaram
redução nas suas dimensões, bem como largura de banda mais próxima da faixa de 4G
quando comparadas a antena monopolo impresso com geometria quadrada. Nas antenas
do tipo patch a geometria bioinspirada apresentou um ganho superior ao da antena
patch quadrada. Uma possível causa do maior ganho é a maior dimensão da antena
patch flor de tulipa em relação à antena patch quadrada.
Na próxima seção são apresentados o projeto e os resultados das antenas tipo
monopolo impresso para sistemas UWB.
92
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
4.3
Antena para Sistemas UWB
Para a tecnologia UWB foram projetadas, simuladas e medidas antenas com
geometria bioinspirada em uma flor de tulipa, uma pétala de orquídea, folhas de oliveira
e em uma flor de jasmim as quais preenchem os requisitos apresentados na seção 2.2.3
para as antenas UWB. O projeto de cada antena e seus resultados simulados e medidos
são apresentados a seguir.
4.3.1 Antena Bioinspirada em uma Flor de Jasmim
Nesta seção é apresentado o projetado e os resultados simulados e medidos das
antenas tipo monopolo planar com geometria bioinspirada em uma flor de jasmim e
com geometria circular, para faixa de UWB. A partir da geometria circular foram
realizadas iterações para definição das pétalas da flor, ou seja, foi alterado o raio do
centro da corola da flor, no projeto as demais dimensões da antena não foram alteradas.
Isto promoveu uma pequena redução da dimensão da antena monopolo impresso
circular e a alteração da largura de banda da antena para cada iteração. As simulações
dessa seção foram realizadas com o software Ansoft DesignerTM e seus resultados foram
comparados com os obtidos no software HFSS. Quando comparados aos resultados
medidos das antenas simuladas, em ambos os softwares, verificou-se um deslocamento
para direita na primeira ressonância.
A Tabela 4.10 apresenta as dimensões, em mm, do monopolo circular. A largura
do corte no plano de terra (WS) de melhor resultado foi de 3 mm, o comprimento do
corte no plano de terra (LS) de melhor resultado foi de 5mm.
Tabela 4.10 – Dimensões (mm) da PMA circular
Antena
R
Ajuste
LPT
Ajuste
WPT
Ajuste
Circular
10,64
10,6
17,74
17
39,91
40
Na Figura 4.29 são apresentadas as antenas com geometria circular, bioinspirada
na flor de jasmim com 8 mm e 2 mm de corola. A aplicação da geometria bioinspirada
promoveu uma redução no raio total do patch da antena. Para a antena flor de jasmim (8
mm) obteve-se uma redução de 14,19% e para a antena flor de jasmim (2mm) uma
redução de 15,88%. Em pesquisa na bibliografia especializada foi verificado que esta é
93
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
a primeira tentativa de aplicação da geometria bioinspirada em flor a partir de um
monopolo impresso com geometria circular.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Figura 4.29 – PMA: a) geometria circular; b) protótipo; c) geometria flor de jasmim (8 mm); d) protótipo; e)
geometria flor de jasmim (2 mm); f) protótipo.
A Figura 4.30 apresenta a comparação do parâmetro |S11| medido e simulado no
Ansoft DesignerTM e no HFSS. Como observado em ambos os casos há um
deslocamento da primeira ressonância em -10 dB. O resultado simulado apresentado
pelo Ansoft DesignerTM obteve mais próximo do resultado medido com diferença da
primeira ressonância de 190 MHz.
94
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
0
Medição
UWB, 3.1-10.6 GHz
-5
Simulação Ansoft Designer
Simulação HFSS
|S11| (dB)
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Frequência (GHz)
Figura 4.30 – Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA circular.
Na Figura 4.31 observa-se a comparação do parâmetro |S11| medido e simulado
da antena da flor de jasmim (8 mm). O uso da geometria bioinspirada proporcionou um
aumento da largura de banda da antena simulada e medida.
A Figura 4.32 apresenta a comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da
PMA flor de jasmim (2 mm). Pelo resultado pode-se observar que o uso da geometria
bioinspirada proporcionou uma alteração da largura de banda e da primeira frequência
de ressonância. A nova largura de banda se aproxima da banda X (8 – 12 GHz). Os
valores medidos e simulados (Ansoft DesignerTM ) de largura de banda e frequência de
ressonância dos monopolos impressos: circular, flor de jasmim (8mm) e (2mm) são
observados na Tabela 4.11.
0
Medição
Simulação HFSS
-5
-10
Simulação Ansoft Designer
UWB, 3.1-10.6 GHz
|S11| (dB)
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Frequência (GHz)
Figura 4.31 – Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA flor de jasmim (8 mm).
13
95
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
0
-5
|S11| (dB)
-10
-15
-20
Medição
Simulação Ansof Designer
Simulação HFSS
Banda X
-25
-30
-35
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Frequency (GHz)
Figura 4.32– Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA flor de jasmim (2 mm).
Na Figura 4.33 tem-se a comparação do parâmetro |S11| medido das antenas tipo
monopolo impresso circular, a flor de jasmim (8 mm) e flor de jasmim (2 mm).
0
Monopolo Circular
Flor de Jasmim (2 mm)
-5
Flor de Jasmim (8 mm)
UWB, 3.1-10.6 GHz
|S11| (dB)
-10
-15
-20
-25
-30
-35
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Frequência (GHz)
Figura 4.33 – Comparação do parâmetro |S11| medido da PMA circular, flor de jasmim (8 mm) e
flor de jasmim (2mm).
Tabela 4.11 – Valores medidos e simulados de larguras de bandas e frequências de
ressonâncias da PMA: circular, flor de jasmim (8 mm) e (2 mm)
Antena
BW (GHz)
f1 (GHz)
f2 (GHz)
f0 (GHz)
Bf %
1
Circular simulação
7,38
2,31
9,69
7,13
123,00
2
Circular medição
10,69
2,81
13,50
6,75
131,09
3
Flor de jasmim 8 mm simulação
11,00
2,50
13,50
7,60
137,50
4
Flor de jasmim 8 mm medição
9,75
3,75
13,50
7,13
113,04
5
Flor de jasmim 2 de mm simulação
1,19
8,56
9,75
9,25
13,00
6
Flor de jasmim 2 mm medição
3,44
8,25
11,69
9,19
34,50
96
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
A Figura 4.34 apresenta a comparação do parâmetro VSWR medido das PMA
circular, antenas flor de jasmim (8 mm) e flor de jasmim (2 mm).
5,0
4,5
Monopolo Circular
Flor de Jasmim 2 mm
4,0
Flor de Jasmim 8 mm
Banda X, 8-12 GHz
3,5
VSWR
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Frequência (GHz)
11
12
13
Figura 4.34– Comparação do parâmetro VSWR medido da PMA circular, flor de jasmim (2 mm) e
flor de jasmim (8 mm).
Na Figura 4.35 são apresentadas as impedâncias sobre as cartas de Smith
simuladas das PMA circular, flor de jasmim (8 mm) e flor de jasmim (2 mm) nas
frequências de 1 GHz a 13,5 GHz. Na carta de Smith as curvas que se aproximam ao
valor normalizado tem o casamento das impedâncias em 50Ω. As curvas vermelhas
internas indicam o VSWR menor que 2, ou seja, as frequências com o parâmetro |S11|
menor que -10 dB.
..
...
120
130
140
110
100
90
1.00
80
70
40
5.00
20
VSWR < 2
f0
0.00
0.00
0.20
0.50
2.00
0.33
5.00
0.67
f2
-170
-160
1.00
-150
170
0
180
-20
-30
-140
-0.50
-130
-120
-110
-40
-2.00
-100
-1.00
-90
-80
-70
160
10
-10
-5.00
-0.20
90
100
1.00
..
80
70
0.50
60
-50
-60
(a)
120
50
2.00
130
140
40
150
30
f1
0.20
170
180
130
140
50
2.00
0.50
150
160
120
60
110
30
f1
0.20
5.00
f0
0.00
0.00
0.20
0.50
2.00
0.33
5.00
0.67
f2
-170
-160
1.00
-150
-140
-0.50
-130
-120
-110
-2.00
-100
-1.00
(b)
-90
170
0
180
-20
-30
-40
-80
-70
-60
-50
160
10
-10
-5.00
-0.20
100
90
1.00
80
70
0.50
60
40
30
f1
0.20
5.00
20
VSWR < 2
10
f0
0.00
0.00
0.20
0.50
2.00
0.33
5.00
0.67
0
f2
-170
-160
1.00
-10
-5.00
-0.20
-150
-20
-30
-140
-0.50
-130
-120
-110
-40
-2.00
-100
-1.00
-90
-80
-70
-60
(c)
Figura 4.35 – Impedância sobre as cartas de Smith da PMA: a) circular; b) flor de jasmim (8 mm); c) flor de jasmim
(2 mm).
Na Figura 4.36 é apresentado o diagrama de irradiação 3-D e 2-D da PMA
circular em 7,13 GHz. A antena apresentou ganho máximo de 5,58 dB na direção
broadside e HPBW de 90º.
50
2.00
150
20
VSWR < 2
110
-50
97
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
(a)
(b)
.....
0
-30
30
-6.00
HPBW A
-60
HPBW B
-22.00
Curve Info
60
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 7.13
Phi='0deg'
-38.00
-54.00
-90
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 7.13
Phi='90deg'
90
-120
120
-150
150
Name
Theta
Ang
Mag
HPBW A
-46.0000
-46.0000
3.0240
HPBW B
44.0000
44.0000
3.1821
Name
Delta(Theta)
Delta(Ang)
Delta(Mag)
d( HPBW A,HPBW B)
90.0000
90.0000
0.1581
-180
(c)
Figura 4.36 – Diagrama de irradiação da PMA circular em 7,13 GHz: a) 3-D com ganho; b) campo distante; c) 2-D
plano-E e plano-H.
Na Figura 4.37 é apresentado o diagrama de irradiação da antena flor de jasmim
(8 mm) em 7,06 GHz, com ganho máximo de 5,78 dB na direção broadside e HPBW de
90º.
98
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
(a)
(b)
.....
0
-30
30
Curve Info
-6.00
HPBW A
-22.00
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 7.06 GHz
Phi='0deg'
HPBW B
60
-60
-38.00
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 7.06 GHz
Phi='90deg'
-54.00
-90
90
-120
Name
Theta
Ang
Mag
HPBW A
-49.0000
-49.0000
3.0711
HPBW B
51.0000
51.0000
3.0410
120
-150
Name
Delta(Theta)
Delta(Ang)
Delta(Mag)
d( HPBW A ,HPBW B )
100.0000
100.0000
-0.0300
150
-180
(c)
Figura 4.37 – Diagrama de irradiação da PMA flor de jasmim (8 mm) em 7,6 GHz: a) 3-D com ganho; b) campo
distante; c) 2-D plano-E e plano-H.
Na Figura 4.38 é apresentado o diagrama de irradiação da antena flor de jasmim
(2 mm) em 9,25 GHz, com ganho máximo de 6,02 dB na direção broadside e HPBW de
95º.
99
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
(a)
...
(b)
0
-30
30
-2.00
Curve Info
HPBW A
-14.00
HPBW B
-60
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 9.25 GHz
Phi='0deg'
60
-26.00
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 9.25 GHz
Phi='90deg'
-38.00
-90
90
-120
Name
Theta
Ang
Mag
HPBW A
-45.0000
-45.0000
3.1818
HPBW B
50.0000
50.0000
3.0021
120
-150
150
Name
Delta(Theta)
Delta(Ang)
Delta(Mag)
d( HPBW A ,HPBW B )
95.0000
95.0000
-0.1797
-180
(c)
Figura 4.38 – Diagrama de irradiação da PMA flor de jasmim (2 mm) em 9,25 GHz: a) 3-D com ganho; b) campo
distante; c) 2-D plano-E e plano-H.
Nesta seção foram expostos o projeto e os resultados simulados e medidos para
as antenas do tipo monopolo impresso circular, flor de jasmim (8 mm) e flor jasmim (2
mm). A partir de uma antena tipo monopolo impressa com geometria circular foi
utilizada a geometria bioinspirada em uma flor com 10 pétalas. Foram aplicadas duas
iterações na geometria bioinspirada com raios internos da corola da flor de jasmim
(8mm) e (2 mm). A aplicação da geometria bioinspirada na flor de jasmim possibilitou a
redução do raio do patch e da largura de banda das antenas, promovendo maior ganho
nas frequências de ressonância das antenas. Os resultados simulados nos softwares
Ansoft DesignerTM e HFSS apresentaram um deslocamento para direita na primeira
ressonância. Este fato é observado em maior ou menor grau em todas as antenas tipo
monopolo planar simuladas, o que pode representar uma limitação no uso destes
100
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
softwares para este tipo de antena. As demais simulações para este tipo de antena em
microfita desta Dissertação foram realizadas no Ansoft DesignerTM. A antena monopolo
impresso circular obteve largura de banda de 10,69 GHz, a antena flor de jasmim (8
mm) apresentou largura de banda de 9,75 GHz, uma redução de 8,79%, obtendo ganho
de 5,82 dBi contra os 5,54 dBi da antena monopolo impresso circular e HPBW de 100º.
A definição das pétalas na antena flor de jasmim (2mm) promoveu o aumento do
perímetro da antena, modificando a largura de banda para 3,44 GHz, operando na faixa
da Banda-X (8 GHz ~ 12 GHz), com ganho máximo de 6,02 dBi e HPBW de 95º. Após
pesquisa em bibliografia especializada, verificou-se que está é a primeira tentativa de
aplicação da geometria de uma flor sobre uma antena tipo monopolo planar circular.
4.3.2 Antena Bioinspirada na Flor de Tulipa
A Tabela 4.12 apresenta as dimensões, em mm, da antena monopolo impresso
flor de tulipa. O comprimento da linha de transmissão (LLT) foi de 25,97mm. A largura
do corte no plano de terra (WS) de melhor resultado foi de 3 mm, o comprimento do
corte no plano de terra (LS) foi de 6mm. A Figura 4.39 apresenta a geometria da PMA
flor de tulipa.
Tabela 4.12 – Dimensões (mm) da PMA flor de tulipa
Antena
L
Ajuste
W
Ajuste
LPT
Ajuste
WPT
Ajuste
Flor de Tulipa
26,07
26,2
24,21
24
24,21
24
35,67
35,7
Y
X
Z
(a)
Figura 4.39 – Geometria da PMA flor de tulipa: a) simulada; b) protótipo.
(b)
101
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
A Figura 4.40 é observada a comparação do parâmetro |S11| medido e simulado
da antena monopolo impresso flor de tulipa. Em diversas frequências as curvas se
tocam, demonstrando que a antena simulada e medida podem ser consideradas
convergentes.
0
Medição
-5
Simulação
UWB, 3,1-10,6 GHz
-10
|S11| (dB)
-15
-20
-25
-30
-35
-40
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Frequência (GHz)
11
12
13
Figura 4.40 – Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado para PMA flor de tulipa.
Na Tabela 4.13 são indicados os valores medidos e simulados de largura de
banda, frequência de ressonância e largura de banda fracionárias da antena flor de
tulipa. Conforme observado os valores simulados e medidos se aproximam, possuindo
variação menor que 1,5%. As larguras de bandas verificadas são superiores à largura de
UWB em mais de 30%.
Tabela 4.13 – Valores medidos e simulados de largura de banda e frequências de
ressonância e largura de banda fracionária da PMA flor de tulipa
Antena
BW (GHz)
f1 (GHz)
f2 (GHz)
fo (GHz)
Bf %
1
Simulação
9,85
1,77
11,62
2,11
142,12
2
Medição
9,72
1,9
11,62
2,31
143,79
Na Figura 4.41 apresenta-se a impedância sobre a carta de Smith simulada da
antena monopolo impresso flor de tulipa para as frequências de 1 GHz a 13,5 GHz. Nela
pode-se observar que várias frequências se aproximam do valor normalizado indicando
que a antena opera banda larga. A curva vermelha interna indica o VSWR menor que 2,
ou seja, as frequências com o parâmetro |S11| menor que -10 dB.
102
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
...
120
130
140
110
100
90
1.00
80
70
60
50
2.00
0.50
40
150
160
30
5.00
0.20
VSWR < 2
170
180
0.00
0.00
0.20
1.00 f0
0.50
20
10
f1
2.00
0.33
f2
5.00
0.67
0
-170
-160
-10
-5.00
-0.20
-150
-140
-0.50
-130
-120
-110
-20
-30
-40
-2.00
-100
-1.00
-90
-80
-70
-50
-60
Figura 4.41 – Impedâncias sobre a carta de Smith da PMA flor de tulipa.
A Figura 4.42 apresenta o diagrama de irradiação 3-D da antena monopolo
impresso flor de tulipa em 5,7 GHz. No resultado verifica-se que o máximo ganho da
antena, 5,17 dB, dá-se na direção broadside.
(a)
(b)
Figura 4.42 – Diagrama de irradiação 3-D da PMA flor de tulipa em 5,7 GHz: a) ganho; b) campo distante.
O diagrama de irradiação 3-D da PMA flor de tulipa em 8,6 GHz é observado na
Figura 4.43. O máximo ganho da antena, 5,26 dB, ocorre na direção broadside.
103
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
(a)
(b)
Figura 4.43– Diagrama de irradiação 3-D da PMA flor de tulipa em 8,6 GHz: a) ganho; b) campo distante.
A antena tipo monopolo impresso bioinspirada na flor de tulipa apresentou
largura de banda medida de 9,72 GHz, ou seja, 29,6% superior à faixa de frequências de
UWB, com banda fracionária de 143,79%, ganho, nas frequências de ressonância,
superior a 5 dB e HPBW de 75º.
Na seção seguinte são abordados o projeto e os resultados medidos e simulados
da antena bioinspirada nas folhas de oliveira.
4.3.3 Antena Bioinspirada nas Folhas de Oliveira
A Tabela 4.14 apresenta as dimensões, em mm, da antena folhas de oliveira. O
comprimento da linha de transmissão (LLT) foi de 17,00mm. A largura do corte no plano
de terra (WS) de melhor resultado foi de 3 mm, o comprimento do corte no plano de
terra (LS) de melhor resultado foi de 5,13mm. A Figura 4.44 apresenta a geometria do
monopolo impresso folhas de oliveira suas dimensões (mm) e protótipo.
Tabela 4.14 – Dimensões (mm) da PMA folhas de oliveira
Antena
L
Ajuste
W
Ajuste
LPT
Ajuste
WPT
Ajuste
Folhas de Oliveira
10,6
10,6
13,78
13,11
25,05
24
19,68
20
104
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
Y
X
Z
(a)
(b)
Figura 4.44 – Geometria da PMA folhas de oliveira: a) dimensões; b) protótipo.
Na Figura 4.45 pode-se observar o gráfico com a comparação do parâmetro |S11|
medido e simulado no software Ansoft DesignerTM da antena monopolo impresso folhas
de oliveira. A antena medida e simulada apresenta similaridades nas curvas com
diferenças na frequência de ressonância principal de 870 MHz. A antena simulada teve
um pico acima da linha de -10 dB entre as frequências de 7 GHz a 7, 76 GHz, fato este
não observado na antena medida a qual apresentou largura de banda total de 9,81 GHz.
A Figura 4.36 apresenta a comparação do parâmetro VSWR medido e simulado da
PMA folhas de oliveira. A Tabela 4.15 os valores medidos e simulados de largura de
banda e frequências de ressonância da antena folhas de oliveira.
0
-5
-10
|S11| (dB)
-15
-20
-25
Medição
Simulação
UWB, 3,1-10,6 GHz
-30
-35
-40
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Frequência (GHz)
Figura 4.45 – Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA folhas de oliveira.
13
105
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
Tabela 4.15 – Valores medidos e simulados de largura de banda e frequências de
ressonância da PMA folhas de oliveira
Antena
BW (GHz)
f1(GHz)
f2(GHz)
fo (GHz)
Bf %
1
Simulação 1º faixa
3,86
3,13
6,99
5,19
76,28
2
Simulação 2º faixa
2,18
7,82
10,00
8,88
24,47
3
Medição
9,81
3,69
13,5
4,32
114,14
4,0
Simulação
Medição
UWB, 3,1-10,6 GHz
3,5
3,0
VSWR
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Frequência (GHz)
Figura 4.46 – Comparação do parâmetro VSWR medido e simulado da PMA folhas de oliveira.
A Figura 4.47 apresenta a carta de Smith do monopolo impresso folhas de
oliveira simulada nas frequências de 1 GHz a 13,5 GHz, com início indicado pela seta.
Pode-se observar que a curva se aproxima do valor normalizado indicando o casamento
das impedâncias da antena em 50Ω para estas frequências. A curva vermelha interna
indica o VSWR menor que 2, ou seja, a frequências com o parâmetro |S11| menor que 10 dB.
A Figura 4.48 ilustra o diagrama de irradiação 3-D do monopolo impressas
folhas de oliveira em 5,19 GHz. Nesta frequência de ressonância a antena apresentou
ganho máximo de 4,40 dB na direção broadside.
A Figura 4.49 apresenta o diagrama de irradiação 3-D do monopolo impresso
folhas de oliveira em 8,88 GHz, o qual apresenta ganho máximo de 5,74 dB na direção
broadside.
106
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
...
120
130
140
110
100
90
1.00
80
70
0.50
60
50
2.00
40
150
160
30
0.20
5.00
170
180
20
VSWR < 2
10
f1
0.00
0.00
0.20
0.50
1.00
f0
2.00
0.33
0
f2
-170
-160
5.00
0.67
-10
-0.20
-5.00
-150
-140
-0.50
-130
-120
-110
-20
-30
-40
-2.00
-100
-1.00
-90
-80
-70
-50
-60
Figura 4.47 – Impedância sobre a carta de Smith da PMA folhas de oliveira.
(a)
(b)
Figura 4.48 – Diagrama de irradiação 3-D da PMA folhas de oliveira em 5,19 GHz: a) 3-D com ganho; b) campo
distante.
(a)
(b)
Figura 4.49 – Diagrama de irradiação 3-D da PMA folhas de oliveira em 8,88 GHz: a) 3-D com ganho; b) campo
distante.
107
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
A antena folhas de oliveira apresentou largura de banda medida de 9,81 GHz,
30,8% superior à faixa de frequências de UWB, com largura de banda fracionária de
114,14% e ganho, na frequência de ressonância, superior a 5,7 dB.
Na seção seguinte são abordados os resultados medidos e simulados da antena
bioinspirada numa flor e sua comparação com uma antena tipo monopolo planar circular
para faixa de UWB.
4.3.4 Antena Bioinspirada em uma Pétala de Orquídea
Nesta seção são apresentados o projeto e os resultados simulados e medidos da
antena tipo monopolo impresso bioinspirada em uma pétala de orquídea.
A Tabela 4.16 apresenta as dimensões, em mm, da antena pétala de orquídea. A
largura do corte no plano de terra (WS) de melhor resultado foi de 3 mm, o comprimento
do corte no plano de terra (LS) de melhor resultado foi de 5,5mm. A Figura 4.50 ilustra
a geometria da antena com suas dimensões e protótipo.
Tabela 4.16 – Dimensões (mm) da PMA pétala de orquídea
Antena
L
Ajuste
W
Ajuste
LPT
Ajuste
WPT
Ajuste
Pétala de Orquídea
21,03
20,00
21,03
21,15
21,03
21,82
35,05
34
Y
X
Z
(a)
(b)
Figura 4.50 – Geometria da PMA pétala de orquídea: a) dimensões; b) protótipo.
A Figura 4.51 apresenta a comparação do parâmetro |S11| medido e simulado do
monopolo impresso pétala de orquídea. Nota-se que a antena medida e simulada
apresenta curvas semelhantes indicando compatibilidade entre as antenas. A diferença
108
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
na primeira ressonância entre a antena medida e simulada foi de 200 MHz. A antena
simulada apresentou largura de banda inferior à antena medida. A Tabela 4.17 apresenta
os valores medidos e simulados de largura de banda e frequência de ressonância do
monopolo impresso pétala de orquídea.
0
Medição
-5
Simulação
|S11 |(dB)
UWB, 3,1-10,6 GHz
-10
-15
-20
-25
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Frequência (GHz)
Figura 4.51 – Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA pétala de orquídea.
Tabela 4.17 – Valores medidos e simulados de largura de banda e frequências de
ressonância da PMA pétala de orquídea
Antena
BW (GHz)
f1 (GHz)
f2 (GHz)
f0 (GHz)
Bf %
1
Simulação banda – 1
5,09
2,18
7,27
3,45
107,72
2
Simulação banda – 2
1,48
8,74
10,22
9,48
15,61
3
Medição
9,65
2,38
12,03
3,65
133,93
Na Figura 4.52 observa-se a comparação do parâmetro VSWR medido e
simulado do monopolo impresso pétala de orquídea, indicando as frequências abaixo de
2 como pontos de ressonância.
A Figura 4.53 apresenta a impedância sobre a carta de Smith do monopolo
impresso pétala de orquídea em 1 GHz a 13,5 GHz, observa-se que diversas partes da
curva passam próximo ao valor normalizado indicando o casamento de impedâncias em
50Ω para estas frequências. A curva vermelha interna indica o VSWR menor que 2, ou
seja, a frequências com o parâmetro |S11| menor que -10 dB.
109
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
4,0
Simulação
3,5
Medição
3,0
UWB, 3,1-10,6 GHz
VSWR
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Frequência (GHz)
Figura 4.52 – Comparação do parâmetro VSWR medido e simulado da PMA pétala de orquídea.
...
120
130
140
110
100
90
1.00
80
70
60
50
2.00
0.50
40
150
160
30
0.20
5.00
170
180
20
10
VSWR < 2
0.00
0.00
0.20
0.50
1.00
f0
2.00
0.33
f1
5.00
0.67
0
-170
-160
-10
-0.20
-5.00
f2
-150
-140
-0.50
-130
-120
-110
-20
-30
-40
-2.00
-100
-1.00
-90
-80
-70
-50
-60
Figura 4.53 – Impedâncias sobre a carta de Smith da PMA pétala de orquídea.
Na Figura 4.54 é apresentado o diagrama de irradiação 3-D do monopolo
impresso pétala de orquídea em 3,45 GHz, com ganho máximo de 4,02 dB na direção
broadside com HPBW de 74º.
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
(a)
110
(b)
Figura 4.54 – Diagrama de irradiação 3-D da PMA pétala de orquídea em 3,45 GHz: a) 3-D com ganho; b) campo
distante.
A Figura 4.55 apresenta o diagrama de irradiação 3-D simulados do monopolo
impresso pétala de orquídea em 9,21 GHz, com ganho máximo de 5,43 dB na direção
broadside com HPBW de 102º.
(a)
(b)
Figura 4.55 – Diagrama de irradiação 3-D da PMA pétala de orquídea em 9,21 GHz: a) 3-D com ganho; b) campo
distante.
A antena bioinspirada em uma pétala de orquídea apresentou resultado similar
entre a antena simulada e medida. A antena medida obteve largura de banda de 9,65
GHz, 22,22% maior do que a requerida pela FCC, com ganho de até 5,43 dBi e HPBW
de 102º.
Esta seção apresentou o projeto e os resultados simulados e experimentais de
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
111
geometrias bioinspiradas em antenas tipo monopolo impresso para faixa de UWB. As
antenas apresentaram resultados que satisfazem os requisitos de antenas UWB conforme
seção 2.2.3. As larguras de banda apresentadas pelas antenas foram superiores ao
requerido pelo FCC para antenas UWB. Os ganhos das antenas variaram de acordo com
a frequência de ressonância, com ganho entre 4,02 ~ 6,02 dB. As antenas apresentaram
HPBW entre 74º ~ 143º e banda fracionária de 114% ~ 143%, excetuando-se a antena
flor de jasmim (2mm) que apresentou largura de banda fracionário de 34%.
No capítulo seguinte são apresentados o projeto e os resultados simulados e
experimentais de antenas têxteis fabricadas em jeans utilizando-se geometrias
bioinspiradas numa folha de gynkgo biloba e em uma árvore fractal desenvolvidas a
partir do sistema-L.
4.4
ANTENAS TÊXTEIS BIOINSPIRADAS
As antenas têxteis estão diretamente relacionadas com as wearables antennas
(antenas que se veste), que são dispositivos de uso próximo ao corpo com aplicação em
solução ubíqua médicas e não médicas para: monitoramento de pessoas em saúde;
desenvolvimento de atletas; proteção e segurança de pessoas [98]. Neste caso elas
tornam-se o vínculo que integra roupas no sistema de comunicação como dispositivos
menos intrusivos. Esta nova geração de vestuário será capaz de perceber alterações nos
corpos dos usuários, comunicar dados, informações energéticas coletadas de forma não
invasiva e transmitir para outro equipamento no corpo do indivíduo ou para receptores
externos [91].
Os tecidos são materiais porosos com estruturas planares cujas propriedades são
determinadas pelas fibras que as compõe, pela disposição dos fios, pela densidade, pelo
volume e tamanho [99]. Como os tecidos utilizados em roupas, geralmente, apresentam
estruturas planas muito finas e dielétricas, tornam-se boas candidatas a serem utilizadas
como antenas impressas (patch, PMA). Na literatura especializada diversos trabalhos
são encontrados com aplicações em UWB, WLAN e outras faixas de frequências [49],
[91], [100-102].
Para o uso em antenas os materiais têxteis devem apresentar os requisitos:
estrutura plana; materiais condutores flexíveis no patch e no plano de terra; substrato
dielétrico flexível [91]. Além destes fatores, características como a permissividade e
espessura do substrato dielétrico são cruciais para determinar a largura de banda e a
112
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
eficiência da antena [99].
Nesta Dissertação é utilizado o tecido jeans como dielétrico para as antenas
têxteis. São utilizadas as caracterizações do dielétrico apresentados por [99], com
espessura do dielétrico, h = 1 mm, permissividade do dielétrico, εr = 2,14 e tangente de
perda de 0,082. Utilizando cobre laminado para cabo flexível como material condutor, o
que é uma técnica alternativa de construção de antenas têxteis e a colagem realizada
com cola de contato.
Duas geometrias bioinspiradas são utilizadas neste trabalho, a folha de gynkgo
biloba em uma antena tipo monopolo impresso e uma árvore fractal desenvolvida pelo
sistema-L em uma antena do tipo patch.
4.4.1 Antena Têxtil Bioinspirada na Folha do Gynkgo Biloba
A Tabela 4.18 apresenta as dimensões (mm) do monopolo impresso têxtil
gynkgo biloba. O comprimento da linha de transmissão (LLT) foi de 36,09mm. A largura
do corte no plano de terra (WS) de melhor resultado foi de 3 mm, o comprimento do
corte no plano de terra (LS) de melhor resultado foi de 5,5mm. A Figura 4.56 apresenta
a antena monopolo impresso têxtil gynkgo biloba, a geometria bioinspirada, a simulada
com suas dimensões e o protótipo.
Tabela 4.18 – Dimensões (mm) da PMA têxtil gynkgo biloba
Antena
L
Ajuste
W
Ajuste
LPT
Ajuste
WPT
Ajuste
Gynkgo Biloba
23,3
23,27
39,44
39,7
36,62
36,09
37,98
38
(a)
(b)
113
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
(d)
(c)
Figura 4.56 – PMA têxtil gynkgo biloba: a) folha da planta gynkgo biloba; b) geometria proposta, protótipo; c) vista
superior; d) vista inferior.
A comparação dos valores do parâmetro |S11| medidos e simulados da antena
monopolo impresso têxtil gynkgo biloba podem ser observados na Figura 4.62.
Conforme a Figura 4.57 a simulação realizada no Ansoft DesingerTM, apresentou uma
melhor aproximação da medição, os quais cobrem as faixas de 2G (1850 – 1900 MHz),
3G (1920 – 1975 MHz) e 4G. Na Tabela 4.19 encontram-se os valores medidos e
simulados de frequências de ressonância e largura de banda da antena monopolo
impresso têxtil gynkgo biloba.
0
-10
|S11| (dB)
-20
-30
Medição
Simulação Ansoft Designer
Simulação HFSS
2G, 3G e 4G
-40
-50
-60
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Frequência (GHz)
Figura 4.57 – Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da PMA têxtil gynkgo biloba.
13
114
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
Tabela 4.19 – Valores medidos e simulados de largura de banda e frequências de
ressonância da PMA têxtil gynkgo biloba
Antena
BW (GHz)
f1 (GHz)
f2 (GHz)
f0 (GHz)
1
Simulação
1,61
1,79
3,4
2,12
3
Medição
2,29
1,73
4,02
2,12
Na Figura 4.58 é apresentada a carta de Smith da antena monopolo impresso
têxtil gynkgo biloba simulada de 1 GHz a 13,5 GHz. De acordo com a Figura 4.64 a
curva se aproxima do valor normalizado indicando as frequências que casadas em 50Ω.
A curva vermelha interna indica o VSWR menor que 2, ou seja, a frequências com o
parâmetro |S11| menor que
-10 dB.
120
130
140
110
90
100
1.00
80
70
60
50
2.00
0.50
40
150
160
30
0.20
170
180
5.00
f1
20
10
VSWR < 2
0.00
0.00
0.20
0.50
1.00
f0
2.00
0.33
5.00
0.67
0
-10
-170
-160
-0.20
-5.00
f2
-150
-140
-0.50
-130
-120
-110
-20
-30
-40
-2.00
-1.00
-100
-90
-80
-70
-50
-60
Figura 4.58 – Impedância sobre a carta de Smith da PMA têxtil gynkgo biloba.
O diagrama de irradiação da antena monopolo impresso têxtil gynkgo biloba em
2,12 GHz é apresentada na Figura 4.59. Pelos resultados observados nota-se que a
antena apresenta ganho máximo de 3,32 dB na direção broadside, largura de feixe de
meia potência, no plano-E, de aproximadamente de 14º.
115
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
(a)
(b)
Radiation Pattern 1
0
-30
30
-4.00
Curve Info
-18.00
-60
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 2.12
Phi='0deg'
60
-32.00
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 2.12
Phi='90deg'
-46.00
-90
90
-120
120
-150
HPBW AHPBW B
150
Name
Theta
Ang
Mag
HPBW A
-173.0000
-173.0000
3.0052
HPBW B
173.0000
173.0000
3.0043
Name
Delta(Theta)
Delta(Ang)
Delta(Mag)
d( HPBW A ,HPBW B )
346.0000
346.0000
-0.0009
-180
(c)
Figura 4.59 – Diagrama de irradiação da PMA têxtil gynkgo biloba em 2,12 GHz: a) ganho, 3-D; b) campo distante;
c) 2-D plano-E e plano-H.
Pelo exposto nos resultados apresentados a antena monopolo impresso têxtil
gynkgo biloba fabricada em jeans apresentou um resultado medido muito próximo do
simulado com largura de banda de 2,29 GHz abrangendo as faixas de 2G, 3G e 4G, com
ganho, frequência de ressonância, de 3 dBi e HPBW = 14º.
Na próxima seção são comentados o projeto e os resultados da antena do tipo
patch bioinspirada numa árvore fractal desenvolvida pelo sistema-L.
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
4.4.2
116
Antena Têxtil do Tipo Patch Bioinspirada em uma Árvore
Fractal
A Figura 4.60 apresenta a antena do tipo patch têxtil árvore fractal gerada pelo
sistema-L. L = 48,43 mm, ajustado para 30,40 mm; W = 45,87 mm; LLT = 15,7mm; WLT
= 2,87mm.
(a)
(a)
(b)
(b)
Figura 4.60 – Antena do tipo patch têxtil árvore fractal: a) árvore fractal, sistema-L; b) geometria proposta; c) vista
superior; d) vista inferior.
Na Figura 4.61 têm-se a comparação do parâmetro |S11| medido e simulado no
Ansoft DesignerTM da antena patch têxtil árvore fractal. Conforme observado esta
antena tem um comportamento diferente de uma antena do tipo patch convencional,
117
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
pois apresenta banda larga de quase 6 GHz, abrangendo parte da Banda-C (4 ~ 8 GHz) e
a Banda-X (8 ~ 12 GHz). A Tabela 4.20 apresenta os valores medidos e simulados de
largura de banda e frequência de ressonância da antena do tipo patch têxtil árvore
fractal.
Tabela 4.20 – Valores medidos e simulados de largura de banda e frequências de
ressonância da antena do tipo patch têxtil árvore fractal
Antena
BW (GHz)
f1 (GHz)
f2 (GHz)
f0 (GHz)
1
Simulação
4,49
5,4
9,89
7,62
2
Medição
5,95
5,9
11,85
7,42
0
Medição
Simulação
Banda C e X
-5
|S11| (dB)
-10
-15
-20
-25
-30
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Frequencia (GHz)
Figura 4.61 – Comparação do parâmetro |S11| medido e simulado da antena do tipo patch têxtil árvore fractal.
Na Figura 4.62 é apresentada a carta de Smith da antena do tipo patch têxtil
árvore fractal simulada para as frequências de 1 GHz a 13,5 GHz. De acordo com a
Figura 4.63 diversas curvas se aproximam do valor normalizado indicando as
frequências que estão próximas de 50Ω. A curva vermelha interna indica o VSWR
menor que 2, ou seja, a frequências com o parâmetro |S11| menor que -10 dB.
118
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
120
130
140
110
Report2D1
90 80
100
70
1.00
60
50
2.00
0.50
40
150
160
30
f1
5.00
0.20
170
180
20
10
VSWR < 2
0.00
0.00
0.20
f0
0.50
1.00
2.00
0.33
5.00
0.67
0
-170
-160
-10
-0.20
-5.00
f2
-150
-140
-0.50
-130
-120
-110
-20
-30
-40
-2.00
-1.00
-100
-90
-80
-70
-50
-60
Figura 4.62 – Impedância sobre a carta de Smith da antena do tipo patch têxtil árvore fractal.
O diagrama de irradiação 3D de ganho, de campo distante e 2-D da antena do
tipo patch têxtil árvore fractal em 7,62 GHz é observada na Figura 4.63. A antena
apresentou ganho de 9,46 dB na direção de máximo, com HPBW de 45º.
(a)
(b)
119
Capítulo 4. ANTENAS BIOINSPIRADAS PARA SISTEMAS 4G E UWB
...
0
-30
HPBW B
30
-2.00
-60
HPBW A
-14.00
Curve Info
60
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 7.62 GHz
Phi='0deg'
-26.00
-38.00
-90
dB(DirectiveGain)
Setup 1 : 7.62 GHz
Phi='90deg'
90
-120
Name
Theta
Ang
Mag
HPBW A
-48.0000
-48.0000
3.3162
HPBW B
-3.0000
-3.0000
3.1304
120
-150
150
Name
Delta(Theta)
Delta(Ang)
Delta(Mag)
d( HPBW A ,HPBW B )
45.0000
45.0000
-0.1858
-180
(c)
Figura 4.63 – Diagrama de irradiação da antena do tipo patch têxtil árvore fractal em 7,62 GHz: a) ganho, 3-D;
b) campo distante; c) 2-D plano-E e plano-H.
Conforme observado a antena patch têxtil árvore fractal obteve frequência de
ressonância próxima da projetada para 4 GHz, com largura de banda de 220 MHz. A
antena obteve segunda ressonância com largura de banda de aproximadamente 6 GHz,
abrangendo parte da Banda-C (4 ~ 8 GHz) e quase toda Banda-X (8 ~ 12 GHz). Um
aspecto interessante é que as antenas do tipo patch geralmente apresentam-se de banda
estreita, a presente antena apresenta-se de banda larga com ganho na frequência de
ressonância (7,62 GHz) de 9,46 dBi e HPBW = 45º.
As antenas têxteis apresentadas neste trabalho são as primeiras tentativas da
aplicação da geometria bioinspirada em plantas no desenvolvimento de antenas tipo
monopolo impresso e patch, com uma nova técnica de fabricação com o uso do cobre
laminado para cabo flexível. Os resultados medidos são compatíveis com os simulados
com geometrias que podem ser consideradas decorativas e funcionais.
Capítulo 5. CONCLUSÕES
120
5. CONCLUSÕES
As plantas são organismos fotossintéticos, que utilizam sistemas de antenas nos centros
de captação da luz, transferindo a energia captada para os centros de reação, local onde ocorre o
processo fotoquímico. As plantas são estruturas eficientes cujas geometrias foram otimizadas
por milhares de gerações para absorver a maior quantidade energia luminosa. Esta função é
análoga às antenas com refletores parabólicos, em cujo foco são captadas as ondas
eletromagnéticas. Este trabalho teve como objetivo projetar antenas dos tipos monopolo
impresso e patch para os sistemas sem fio 4G e UWB, bioinspiradas em plantas (folhas e
flores).
Para as antenas bioinspiradas do tipo monopolo impresso com refletor para faixa de 4G
foram utilizadas geometrias inspiradas: na planta de cana-de-açúcar com 3 e 4 folhas para a
faixa de 700 MHz e numa folha elíptica para faixa de 2,5 GHz. Os resultados dessas antenas
foram comparados aos apresentados por antenas monopolo quadrado impresso com refletor nas
mesmas faixas de frequências. O uso da geometria bioinspirada possibilitou a redução das
dimensões das antenas. As antenas cana-de-açúcar 3 e 4 apresentaram redução de volume total
de 93,8% e 95%, respectivamente, quando comparadas ao monopolo quadrado. No caso da
antena folha elíptica houve uma redução de volume total de 98% em relação ao monopolo
quadrado, com adequação da largura de banda para operação nas faixas requeridas de 4G e
ganhos de até 6 dBi.
As antenas monopolo impresso flor de tulipa, folhas de oliveira, flor de jasmim e pétala
de orquídea, projetadas para faixa de UWB apresentaram resultados que satisfazem os
requisitos exigidos pelo FCC, tais como: com largura de banda superior a 7,5 GHz, HPBW >
60º e diagrama de irradiação quase omnidirecional. Dentre estes monopolos impressos, o que
apresentou projeto mais compacto foi o bioinspirado na flor de jasmim. A transmissão do pulso
UWB foi verificado para a antena bioinspirada na flor de jasmim. Os resultados obtidos são
similares aos obtidos por uma antena monopolo circular convencional.
O projeto bioinspirado em plantas também foi usado para o desenvolvimento de antenas
têxteis, com o tecido jeans como substrato dielétrico, com novo método de fabricação
utilizando cobre laminado para cabo flexível. Para estas antenas foram utilizadas as geometrias
bioinspiradas na folha do gynkgo biloba (monopolo impresso) e de uma árvore fractal gerada
pelo sistema-L (patch). A antena têxtil gynkgo biloba medida apresentou largura de banda de
Capítulo 5. CONCLUSÕES
121
2,29 GHz abrangendo as faixas de 2G, 3G e 4G. Na frequência de ressonância de 2,12 GHz
obteve-se um ganho de 3 dBi e HPBW = 14º. A antena patch têxtil árvore fractal apresentou
comportamento banda larga abrangendo a faixa de 5,90 ~ 11,85 GHz, com ganho de 9,46 dBi
em 7,62 GHz.
Para os projetos das antenas tipo monopolo impresso foi proposta uma fórmula
aproximada (3.5) para o cálculo das dimensões do monopolo e do plano de terra parcial. A
fórmula apresentou bons resultados nas geometrias quadrada, retangular, circular e folha
elíptica.
Em comparação às geometrias euclidianas convencionais, o uso das geometrias
bioinspiradas possibilitou o aumento do perímetro das antenas abordadas. Verificou-se uma
melhor distribuição de corrente e um projeto mais compacto. As antenas com geometria
bioinspirada possuem aparência estética, o que as caracteriza como geometrias de baixo
impacto visual, podendo ser utilizadas, por exemplo, para camuflagem de antenas ou em
antenas para uso em tecnologia junto ao corpo.
Como propostas para trabalhos futuros, podem ser indicados o desenvolvimento de
arranjo de antenas com geometrias bioinspiradas para operação em tecnologias como WLAN, e
antenas reconfiguráveis para operação em faixas de frequências variadas. Haja vista que as
geometrias das plantas são em grande número, a pesquisa com as geometrias bioinspiradas em
plantas podem ser utilizados no projeto de outros dispositivos de micro-ondas, como
superfícies seletivas e em frequência e filtros, com aplicações médicas e não médicas.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Fev. 2013.
APÊNDICE I
133
APÊNDICE I
Nas PMA circular e flor de jasmim (8 mm) foram medidos a distorção do pulso UWB,
realizadas conforme apresentado na seção 2.2.2. O setup de medição das antenas para a
transmissão do pulso UWB pode ser visualizado na Figura A.1.
(a)
(b)
Figura A.1 – Setup de medição para transmissão do pulso UWB: a) PMA circular; b) PMA flor de jasmim (8 mm).
Na medição da distorção do sinal foi utilizado o parâmetro |S21| medido da antena tipo
monopolo impresso circular cujo resultado foi multiplicado pela fórmula analítica (2.7) em
frequência. Para representação do sinal no tempo foi aplicada a transformada discreta inversa
de Fourier; o resultado encontrado foi comparado com o pulso original.
Para o monopolo impresso circular, a Figura A.2 apresenta a comparação do espectro do
pulso UWB transmitido (calculado de forma analítica e numérica, via DFT), o parâmetro |S 21|
medido e a máscara espectral FCC com valores normalizados.
A Figura A.3 apresenta a comparação do pulso transmitido e recebido usando-se o
monopolo impresso circular (valores normalizados).
APÊNDICE I
134
Figura A.2 – Resultados obtidos para medição de distorção do pulso UWB usando-se o monopolo impresso circular: espectro
do pulso UWB, parâmetro |S21| medido e máscara espectral FCC (valores normalizados).
Figura A.3 – Comparação entre os pulsos transmitido e recebido usando-se o monopolo impresso circular
normalizados).
(valores
Conforme observado na Figura A.3, considerando-se o centro do pulso, o pulso
recebido apresentou formato similar ao pulso transmitido, porém observa-se o surgimento de
ondulações nas extremidades do pulso indicando a forma de distorção do pulso recebido em
relação ao pulso transmitido.
Para o monopolo impresso flor de jasmim (8mm), a Figura A.4 apresenta a comparação
do espectro do pulso UWB transmitido (calculado de forma analítica e numérica, via DFT), o
parâmetro |S21| medido e a máscara espectral FCC com valores normalizados.
APÊNDICE I
135
Figura A.4 – Resultados obtidos para medição de distorção do pulso UWB usando-se o monopolo impresso flor de jasmim (8
mm): espectro do pulso UWB, parâmetro |S21| medido e máscara espectral FCC (valores normalizados).
A Figura A.5 apresenta a comparação do pulso transmitido e recebido usando-se o
monopolo impresso flor de jasmim (8mm), valores normalizados.
Figura A.5 – Comparação entre os pulsos transmitido e recebido usando-se o monopolo impresso flor de jasmim (8 mm),
valores normalizados.
Conforme resultados apresentados as antenas apresentaram distorção de pulso similares
com faixa de operação dentro da máscara espectral FCC.