62ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 8. Engenharia Elétrica

CARACTERIZAÇÃO NUMÉRICA E EXPERIMENTAL DE SUPERFÍCIES SELETIVAS EM FREQUÊNCIA COM ELEMENTOS FRACTAIS

ALBANISA FELIPE DOS SANTOS 1 PAULO HENRIQUE DA FONSECA SILVA 1, 2 PAULO FERNANDES DA SILVA JÚNIOR 1

1. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba - IFPB 2. Grupo de Telecomunicações e Eletromagnetismo Aplicado - GTEMA

INTRODUÇÃO:

Tipicamente, uma superfície seletiva em frequência (FSS) é um arranjo periódico bi-dimensional de elementos (patches ou aberturas) dispostos em uma grade condutora, que pode estar suspensa ou suportada por um dielétrico. As FSSs são projetadas para refletir ou transmitir as ondas eletromagnéticas incidentes com discriminação de frequência e tem contribuído de forma significativa para o avanço dos sistemas de comunicação modernos. As pesquisas sobre superfícies periódicas tiveram início na metade da década de 1960 devido ao grande potencial para aplicações militares. Por exemplo, nas missões Cassini e Voyager as FSSs foram utilizadas como sub-refletores de antenas parabólicas. O projeto de FSSs usando elementos fractais foi originalmente proposto em 1991. As propriedades únicas dos fractais geométricos são úteis para o projeto de estruturas periódicas mais compactas e com resposta multibanda. Neste trabalho, os fractais geométricos de Koch e Sierpinski são usados para o projeto de FSSs com elementos do tipo patch fractais. As FSSs propostas são usadas como filtros espaciais rejeita-faixa e são caracterizadas em termos de sua frequência de operação e largura de banda. Os resultados teóricos e experimentais obtidos para o coeficiente de transmissão das FSSs são apresentados.

METODOLOGIA:

A metodologia usada para o desenvolvimento de protótipos de FSSs com elementos fractais pode ser resumida nas seguintes etapas: projeto, análise teórica, fabricação, medição, coleta de dados e análise de resultados. Os programas computacionais MATLAB®, Ansoft DesignerT e Corel Draw® foram usados para o projeto, análise teórica e desenho dos leiautes das estruturas periódicas com elementos fractais, respectivamente. A fabricação das FSSs foi feita a partir de um substrato dielétrico de fibra de vidro (FR-4), que tem uma constante dielétrica igual a 4,4 e uma espessura de 1,5 mm. A medição dos parâmetros de espalhamento das FSSs fabricadas foi feita com o uso de um analisador de rede vetorial. Após a coleta de dados, os resultados numéricos e experimentais foram comparados para a validação dos métodos e procedimentos usados nas etapas anteriores.

RESULTADOS:

Neste trabalho, investigou-se as FSSs com elementos fractais de Koch e Sierpinski funcionando como filtros rejeita-faixa na banda-X (8-12 GHz). Os patches de Koch e Sierpinski são gerados a partir de patches convencionais retangular e triangular, respectivamente. As propriedades ressonantes dos elementos fractais de Koch são usadas para ajuste da frequência de ressonância e da largura de banda das FSSs sem alteração da área total dos elementos. Ao contrário, diferente de outros trabalhos reportados na literatura, apenas o formato dos elementos fractais é modificado através de ajuste em dois parâmetros fractais (número de iterações k=0,1,2 e fator de iteração a=3,5,7,9). Uma análise paramétrica foi realizada a fim de se verificar a resposta em frequência das FSSs projetadas com elementos de Koch. Por outro lado, estudo similar foi feito com relação as FSSs propostas com elementos fractais de Sierpinski. Os parâmetros de espalhamento das FSSs são obtidos com o uso do software comercial Ansoft DesignerT. Alguns protótipos foram fabricados e medidos com o uso de um analisador de redes vetorial.

CONCLUSÃO:

Neste trabalho, as propriedades ressonantes de FSSs projetadas com elementos do tipo patch fractais de Koch e Sierpinski foram caracterizadas. Estes elementos fractais foram usados para ajuste da frequência de operação e da largura de banda destas superfícies seletivas funcionando como filtros espaciais rejeita-faixa para ondas eletromagnéticas na banda-X. Uma análise paramétrica foi realizada para caracterizar as propriedades de transmissão das FSSs propostas em termos de dois parâmetros fractais: o número de iterações e o fator de iteração. Um estudo comparativo realizado mostrou a boa concordância entre os resultados numéricos e experimentais obtidos, validando a metodologia utilizada. Verificou-se para os dois tipos de elementos fractais utilizados que o aumento do número de iterações fractais resulta na diminuição da frequência ressonante do filtro FSS. Por outro lado, a diminuição do fator de iteração fractal para os elementos de Koch resulta na diminuição da frequência ressonante do filtro FSS. Estas características sintonizáveis viabilizam o projeto de estruturas periódicas compactas para o projeto de filtros espaciais rejeita-faixa. Destaca-se também que a resposta em frequência é ajustada a partir de apenas dois parâmetros fractais da estrutura periódica.

Palavras-chave: Superfícies Seletivas em Frequência, Geometria Fractal, Filtros Espaciais Rejeita-Faixa.