63ª Reunião Anual da SBPC

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

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

José Bosco Cruz Júnior 1,2 Albanisa Felipe dos Santos 1,2 Ícaro Bezerra Queiroz de Araújo 1,2 Winnie de Lima Torres 1,2 Paulo Henrique da Fonseca Silva 1,3

1. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba - IFPB 2. Grupo de Telecomunicações e Eletromagnetismo Aplicado – GTEMA, IFPB 3. Prof. Dr./Orientador – Grupo de Telecomunicações e Eletromagnetismo Aplicado – GTEMA, IFPB

INTRODUÇÃO:

As superfícies seletivas em frequência (FSS's – Frequency Selective Surfaces) são arranjos periódicos bi-dimensionais de elementos dispostos em uma grade condutora, que pode estar suspensa ou suportada por um dielétrico. As FSS's 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. As pesquisas sobre superfícies periódicas tiveram início na metade da década de 1960 devido ao grande potencial para aplicações militares. O projeto de FSS's 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 usados são desenvolvidos a partir de um octógono regular que são usados para o projeto de FSS’s com elementos do tipo patch fractais. As FSS's propostas são usadas como filtros espaciais rejeita-faixas e são caracterizadas em termos de sua frequência de operação e largura de banda. Em particular, o uso dos elementos fractais octogonais possibilita o projeto de FSS's de camada simples com duas bandas de rejeição e para dois tipos de polarização de ondas incidentes.

METODOLOGIA:

A metodologia usada para o desenvolvimento de protótipos de FSS's 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® (Matrix Laboratory), Ansoft Designer™ e Corel Draw Graphics Suite foram usados para o projeto, análise teórica e desenho dos leiautes das estruturas periódicas com elementos fractais, respectivamente. A fabricação das FSS's 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 (coeficiente de transmissão) das FSS's fabricadas foi feita com o uso de um analisador de redes 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 o projeto de FSS's com elementos fractais funcionando como filtros rejeita-faixa na banda-X (8 ~ 12 GHz). Os patches fractais foram gerados até o nível dois (duas iterações fractais) a partir de elementos convencionais com formatos octogonais. Os parâmetros de espalhamento das FSS's foram obtidos teoricamente com o uso do software comercial Ansoft Designer™. Alguns protótipos foram fabricados e medidos com o uso de um analisador de redes vetorial.

CONCLUSÃO:

Através da análise comparativa dos resultados teóricos e experimentais obtidos, verificou-se uma excelente concordância e com isto validou-se a metodologia utilizada. No desenvolvimento de FSS's com elementos do tipo patch fractal octogonal, observou-se que estes filtros espaciais apresentam respostas em duas bandas de frequências e rejeitam sinais em ambas as polarizações vertical e horizontal. O aumento do nível do fractal octogonal provoca uma redução nas frequências centrais das duas bandas de rejeição. Este fato possibilita o projeto de FSS’s mais compactas. Como sugestão para um aprimoramento futuro do trabalho apresentado, poderá ser utilizado o método de variação nos parâmetros dos dispositivos como, tamanho da célula e composição do material dielétrico. A partir do conjunto de dados obtidos através desta análise paramétrica, pode-se treinar uma rede neural artificial para a modelagem do comportamento eletromagnético destes filtros espaciais de micro-ondas em função dos parâmetros geométricos de seus elementos fractais, bem como, dos materiais de seus substratos dielétricos.

Palavras-chave: Geometria Fractal, Superfícies Seletivas em Frequência, Micro-ondas.