O design proposto para uma antena plana utilizando uma estrutura metamaterial exibe características de radiação semelhantes às de uma antena monopolo, o que sugere a possibilidade de miniaturização sem perda significativa de desempenho. O protótipo apresentado demonstra uma largura de banda de 26,6%, com uma faixa de frequências variando de 3,26 GHz a 4,26 GHz, onde o parâmetro |S11| é inferior a -10 dB e um ganho realizado máximo de 1,26 dBi foi observado. Além disso, os níveis de polarização cruzada obtidos tanto por simulação quanto por medição são inferiores a -15 dB no plano H, o que garante uma boa eficiência de radiação.

A geometria da antena foi cuidadosamente projetada utilizando o substrato Rogers RT Duroid 5880, que possui uma espessura de 1,52 mm, constante dielétrica de 2,2 e tangente de perdas de 0,0009. O processo de design envolveu um estudo detalhado da célula unitária do ressonador de anel partido (SRR), onde a ressonância foi investigada com diferentes orientações do campo elétrico (E), do campo magnético (H) e do vetor de onda (K). As propriedades de ressonância anisotrópica do SRR são essenciais para garantir que a antena possa operar de maneira eficaz em diferentes configurações de campo.

O design de uma antena que emprega a estrutura metamaterial é altamente sensível à orientação do campo elétrico e magnético. A configuração de ressonância mais eficaz foi identificada na orientação 2, onde a polarização elétrica ocorre ao longo da fenda do ressonador, gerando uma forte ressonância magnética devido ao acoplamento do campo elétrico. Essa orientação mostrou picos de ressonância em frequências que indicam modos ímpares de ressonância, com dips observados em espectros de transmissão a frequências como f0 = 5,5 GHz e 3f0 em torno de 17 GHz. Em contraste, a orientação 1, onde o campo elétrico se alinha ao lado da célula unitária, resultou em uma distribuição de corrente diferente, com dips correspondentes a modos pares de ressonância, com picos mais baixos e frequências de ressonância a f0 = 2,4 GHz.

A simulação numérica utilizando o CST Microwave Studio confirmou que a excitação adequada da célula unitária, com a polarização elétrica forte ao longo da fenda, produz resultados de ressonância desejáveis. Além disso, a utilização de uma linha de alimentação microstrip no centro da célula, ortogonal à fenda, mostrou-se eficaz para manter a ressonância em uma faixa de frequências de 2 a 12 GHz, correspondente à orientação 2 da configuração 2. Isso facilita a obtenção de três dips de ressonância de forma consistente ao longo dessa faixa de frequências.

É fundamental entender que a miniaturização das antenas pode ser alcançada sem comprometer a largura de banda ou o desempenho de radiação, desde que a excitação e a orientação do campo sejam cuidadosamente controladas. O uso de metamateriais como a célula SRR permite reduzir as dimensões físicas da antena, mas ao mesmo tempo preservar as características de ressonância essenciais para o funcionamento adequado em uma ampla faixa de frequências.

Além disso, a análise das distribuições de corrente nas diversas frequências de ressonância revela informações cruciais sobre como a energia é propagada e distribuída ao longo da estrutura da antena. A visualização dessas distribuições ajuda a prever o comportamento da antena em condições de operação reais, oferecendo insights sobre como otimizar o design para melhorar a eficiência e reduzir interferências.

Um ponto importante a considerar é o impacto do tamanho da área de terra (ground plane) na performance da antena. Experimentações com diferentes dimensões do plano de terra demonstraram que a largura de banda pode ser ajustada para otimizar a resposta de ressonância sem comprometer a compactação do design. A escolha do plano de terra adequado é, portanto, uma variável crítica para alcançar o desempenho ideal.

Como as propriedades de permissividade e permeabilidade criam metamateriais de alto índice de refração para melhorar o desempenho de antenas

As características de permissividade e permeabilidade são fundamentais para o desenvolvimento de metamateriais com alto índice de refração (HRIM). A combinação das regiões ENZ (epsilon-near-zero) e MNZ (mu-near-zero) permite uma manipulação eficaz das ondas eletromagnéticas, resultando em um índice de refração significativamente superior ao do meio circundante, como o ar. A parte real do índice de refração, derivada das propriedades eletromagnéticas, confirma o comportamento HRIM da unidade metamaterial constituinte (MUC), viabilizando sua aplicação para aumento do ganho em projetos de antenas.

O elevado índice de refração facilita o foco e a direção da propagação das ondas eletromagnéticas de maneira mais eficiente, otimizando o padrão de radiação da antena e aprimorando seu desempenho global. Tais propriedades ressaltam o potencial da MUC em formato horizontal em “H” para aplicações avançadas que exigem manipulação precisa das ondas eletromagnéticas, especialmente na faixa de frequências milimétricas (mm-wave). Este projeto é crucial para alcançar antenas compactas e de alto ganho para sistemas de comunicação sem fio de próxima geração.

As propriedades do metamaterial são utilizadas para aumentar o desempenho da antena em termos de ganho e diretividade, oferecendo uma maneira única de controlar a direção da radiação eletromagnética segundo a lei de Snell. Quando a onda incide em um ângulo fixo (θi), a lei indica que o ângulo refratado (θr) diminui ao passar de um meio de baixo índice para um de alto índice, fazendo a onda se curvar em direção à normal. No sentido inverso, a onda se afasta da normal ao transitar do meio de alto para baixo índice. Este princípio é a base para o design de lentes metamateriais que podem focar e direcionar as ondas eletromagnéticas, concentrando a energia na direção da propagação.

Esta capacidade de focalização reduz a largura do feixe e a dispersão da radiação, minimiza os lóbulos laterais e resulta em ganho e diretividade aprimorados, elementos essenciais para sistemas compactos e de alta frequência, como as antenas 5G na faixa mm-wave, onde a concentração eficiente da energia e o controle preciso do feixe são fundamentais para superar perdas de propagação e garantir comunicação confiável.

A energia transmitida através do metamaterial é congregada e intensificada na direção de propagação. A propriedade de agregação das ondas eletromagnéticas pode ser compreendida a partir da concentração do campo elétrico (E), onde uma onda esférica é convertida em uma planar, reduzindo a largura do feixe de meia potência. Essa conversão foi implementada em diversas estruturas metamateriais aplicadas em antenas planas, mostrando sua eficácia na melhora da radiação.

A análise do metamaterial se estende à distribuição dos campos elétrico (E) e magnético (H), assim como à distribuição das correntes superficiais, que são interpretadas a partir das equações de Maxwell. O campo elétrico da MUC projetada concentra-se nas extremidades laterais, intensificando-se conforme a frequência aumenta. Essa concentração direciona as ondas eletromagnéticas, melhorando o desempenho radiante. O campo magnético apresenta comportamento dependente da frequência, distribuindo-se uniformemente em baixas frequências, mas intensificando-se na parte superior e reduzindo-se na inferior com o aumento da frequência, demonstrando a capacidade do metamaterial de manipular as ondas de formas distintas ao longo do espectro.

As correntes superficiais mostram fluxo antiparalelo nas fendas da MUC, um fator determinante para o comportamento ressonante da estrutura. A intensidade dessas correntes diminui com a frequência crescente, o que contribui para a agregação mais eficaz das ondas eletromagnéticas em frequências elevadas. Assim, as propriedades combinadas do alto campo elétrico, comportamento específico do campo magnético e correntes antiparalelas habilitam a MUC a realizar agregação superior das ondas eletromagnéticas, especialmente relevante para aplicações em comunicação mm-wave 5G.

Além disso, a implementação do metamaterial em uma antena dipolo de banda larga sobre substrato Rogers RT5880, com baixa constante dielétrica e baixa espessura, resulta em redução de perdas elétricas e minimização da polarização cruzada, aspectos que são cruciais para o desempenho em altas frequências. A alimentação da antena por uma linha de alimentação com geometria otimizada e estruturas em forma de “U” invertido contribuem para o ganho máximo alcançado, que chega a 6 dBi na frequência de 34 GHz, com eficiência próxima a 95% dentro da banda ressonante de 24,35 a 38,7 GHz. O padrão de radiação demonstra boa diretividade, baixa polarização cruzada e alta relação frontal-traseira, elementos essenciais para a aplicação em sistemas modernos de comunicação.

Compreender essas propriedades e sua interação permite ao leitor apreender a importância dos metamateriais no desenvolvimento de antenas compactas e eficientes para frequências milimétricas, destacando o papel crucial do controle do índice de refração e do design estruturado para a manipulação precisa das ondas eletromagnéticas. Isso abre caminho para novas possibilidades em sistemas de comunicação avançados, onde a otimização do ganho, da diretividade e da eficiência são determinantes para o sucesso tecnológico.

A manipulação das propriedades eletromagnéticas por meio dos metamateriais transcende o campo das antenas, implicando também em diversas outras aplicações, como sensores e dispositivos ópticos, que demandam controle rigoroso da propagação das ondas. O entendimento aprofundado da relação entre permissividade, permeabilidade e índice de refração é fundamental para inovar na criação de dispositivos que aproveitem essas características únicas, possibilitando avanços tecnológicos significativos.

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