Análise de Antenas Planares para Aplicações em Sistemas de ...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E

DE COMPUTAÇÃO

Análise de Antenas Planares para Aplicaçõesem Sistemas de Sensoriamento

João Guilherme Domingos de Oliveira

Orientador: Prof. Dr. Valdemir Praxedes da Silva Neto

Coorientador: Prof. Dr. Adaildo Gomes D’Assunção

Dissertação de Mestrado apresentada aoPrograma de Pós-Graduação em EngenhariaElétrica e de Computação da UFRN (áreade concentração: Teoria Eletromagnética)como parte dos requisitos para obtenção dotítulo de Mestre em Engenharia Elétrica e deComputação.

Número de ordem da defesa: No 619Natal, RN, dezembro de 2020

Oliveira, João Guilherme Domingos de. Análise de estruturas planares para aplicações em sistemas desensoriamento / João Guilherme Domingos de Oliveira. - 2021. 69f.: il.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio Grandedo Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação emEngenharia Eelétrica e de Computação, Natal, 2021. Orientador: Dr. Valdemir Praxedes da Silva Neto. Coorientador: Dr. Adaildo Gomes D'Assunção.

1. Sensor planar - Dissertação. 2. CSRR - Dissertação. 3.Antena bio inspirada - Dissertação. 4. Medição da permissividadecomplexa - Dissertação. 5. Percentual de água em solos -Dissertação. I. Silva Neto, Valdemir Praxedes da. II.D'Assunção, Adaildo Gomes. III. Título.

RN/UF/BCZM CDU 621.3

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRNSistema de Bibliotecas - SISBI

Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede

Elaborado por Raimundo Muniz de Oliveira - CRB-15/429

Dedico este trabalho à minha mãe Marlene Domingos.

Agradecimentos

Agradeço primeiramente à minha mãe, por sua dedicação, esforço, carinho e conse-

lhos durante essa caminhada, essa conquista é nossa.

À minha Tia Fátima Domingos, que mesmo na distância, se fez presente no apoio, nas

palavras de carinho e incentivo, foi fundamental na conclusão dessa etapa.

Ao meu orientador Valdemir por todos os ensinamentos e apoio durante o desenvolvi-

mento deste trabalho.

Ao meu coorientador Adaildo Gomes D’Assunção, por seu empenho e pelos ensina-

mentos que foram primordiais para a realização deste trabalho.

Ao meu irmão Antônio e minhas irmãs Amanda e Angélica, meu cunhado André

Elias e meus sobrinhos que tanto amo João André e Joaquim, agradeço por sua presença,

prestatividade e apoio nos momentos de dificuldades. Para minha irmã Amanda, agradeço

ainda por sua confidência e apoio, foram essenciais em diversos momentos.

Aos amigos de pós-graduação, um muito obrigado à todos pelo apoio e colaboração

durante todo o desenvolvimento desta pesquisa.

Não posso deixar de agradecer à minha companheira de vida, esposa e eterna namo-

rada, Hevelyn Dayana, por sua paciência, compreensão, ensinamentos, apoio e amor.

Resumo

Neste trabalho, é apresentado a análise e o desenvolvimento de estruturas planares,para aplicações de sensoriamento. Os sensores propostos consistem em: Uma antena log-periódica modelada através dos métodos tradicionais, uma antena bioinspirada na folhaShiso, cujo nome científico é Perilla Frutescens. Um capacitor interdigital complementar(CIDC) é inserido na geometria; Uma antena de microfita com patch circular com umrecipiente impresso em filamento ABS, o elemento ressonante é baseado na estrutura decomplementary split-ring resonator (CSRR). O princípio de funcionamento do primeirosensor é baseado no método Niscolson Ross Weir-NRW e os dois últimos ambos os dispo-sitivos estão baseados no deslocamento das frequências de ressonância dos elementos aoser alterado a permissividade relativa do material em teste (MUT). São realizadas diversassimulações, para que, com os dados obtidos, fosse utilizado o métodos NRW e dois mo-delos empíricos sejam propostos. Para os sensores baseados no método da ressonância avalidação de sua eficácia, foram feitas medições com substratos dielétricos que possuema constantes dielétricas conhecidas na literatura. O terceiro sensor pode ser aplicado paradiversos tipos de materiais, neste trabalho será utilizado para a determinação do percen-tual de água contida em diferentes tipos de solos. Os protótipos foram construídos e osresultados obtidos nas medições foram confrontados com resultados de outros estudos,validando assim a eficácia dos sensores propostos.

Palavras-chave: Sensor planar, CSRR, CIDC, Antena bio inspirada, Percentual deágua em solos, Medição da permissividade complexa, Nicolson Ross Weir.

Abstract

In this work, the analysis and development of planar structures are presented, forsensing applications. The proposed sensors consist of: A log-periodic antenna modeledusing traditional methods, a bio-inspired antenna in the Shiso leaf, whose scientific nameis Perilla Frutescens. A complementary interdigital capacitor (CIDC) is inserted into thegeometry; A microstrip antenna with circular patch with a container printed in ABS fila-ment, the resonant element is based on the structure of complementary split-ring resonator(CSRR). The working principle of the first sensor is based on the Niscolson Ross Weir-NRW method and the last two both devices are based on the displacement of the resonantfrequencies of the elements when changing the relative permissiveness of the material un-der test (MUT). Several simulations are carried out, so that, with the data obtained, theNRW methods were used and two empirical models are proposed. For sensors based onthe resonance method to validate their effectiveness, measurements were made with die-lectric substrates that have dielectric constants known in the literature. The third sensorcan be applied to different types of materials, in this work it will be used to determine thepercentage of water contained in different types of soils. The prototypes were built andthe results obtained in the measurements were compared with the results of other studies,thus validating the effectiveness of the proposed sensors.

Keywords: Planar Sensor, CSRR, CIDC, Bio-inspired Antenna, Soil water content,Complex Permittivity measurements, Nicolson Ross Weir.

Sumário

1 Introdução 111.1 Justificativa da pesquisa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.2 Objetivos da pesquisa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3 Organização do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2 Estado da Arte 152.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2 Trabalhos relacionados ao tema da pesquisa . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2.1 Sensores planares baseados em metamaterial utilizados na carac-terização de microfluidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2.2 Sensores planares aplicados na caracterização de materiais mag-neto dielétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.3 Sensor planar fabricado sobre substrato flexível . . . . . . . . . . 172.2.4 Sensores planares bioinspirados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2.5 Sensor de micro-ondas para detecção do deslocamento angular . . 182.2.6 Sensor para detecção de impurezas em amostras de metanol . . . 202.2.7 Sensor de RF para determinação do percentual de água em solos . 21

2.3 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3 Teoria de Antenas e Ressoadores de microfita 233.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2 Antenas de microfita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.3 Ressoadores de micro-ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3.1 Método das ressonâncias e elementos ressoadores mais utilizados 253.3.2 Elementos SRR, CSRR e IDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27


4 Antena log-periódica aplicada como sensor 314.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.1.1 Projeto da antena log-peródica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.1.2 Procedimento experimental e resultados . . . . . . . . . . . . . . 344.1.3 Resultados do método NRW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36


i

5 Desenvolvimento de um sensor bioinspirado 395.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395.2 Modelagem de um capacitor interdigital (IDC) . . . . . . . . . . . . . . . 405.3 Projeto do sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405.4 Modelagem matemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415.5 Resultados experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445.6 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

6 Sensor para determinar o teor de água em solos 476.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476.2 Projeto do sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476.3 Modelo matemático e validação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

6.3.1 Validação do sensor proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516.4 Aplicação: Determinação do teor de água em solos (θ) . . . . . . . . . . 536.5 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

7 Conclusão 59

Referências bibliográficas 61

Lista de Figuras

1.1 Números de publicações por ano a partir de 2011. . . . . . . . . . . . . . 121.2 Números de publicações por ano nas principais revistas a partir de 20111 . 13

2.1 Sensor baseado em metamaterial para caracterização de microfluidos: a)Dispositivo construído; b) resultado medido e simulado para o sensor emestado natural [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2 a) Setup de medição; b) Protótipo construído [19]. . . . . . . . . . . . . . 172.3 a) Protótipo construído; b) medições com diferentes concentrações de

NaCl [20]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.4 Protótipo construído; a) Sem o superstrato; b) Com superstrato [23]. . . . 182.5 Protótipo construído; a) Interface superior e inferior e circuito equiva-

lente; b) Princípio de funcionamento da rotação; c) Resultados simuladosdo coeficiente de transmissão e do fator de qualidade [24]. . . . . . . . . 19

2.6 a) Estator e rotor construídos; b) Princípio de funcionamento da rotação ecircuito equivalente [25]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.7 a) Design do sensor proposto; b) Resultados medidos para diferentes con-centrações de água desionizada em uma amostra de metanol [27]. . . . . 21

2.8 a) Design do sensor proposto; b) protótipo construído [28] . . . . . . . . 21

3.1 Configuração básica de uma antena de microfita. . . . . . . . . . . . . . 243.2 Alguns tipos de patches para antenas de microfita: (a) retangular; (b)

circular; (c) triangular; (d) elíptico; (e) quadrado; (f) dipolo. . . . . . . . 253.3 Método da ressonância; a) Sensor livre, sem contato com nenhuma ma-

terial; b) Resposta em frequência do sistema após ser exposto a materiaiscom características diferentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.4 Elementos ressoadores; a) ressoador de λg/4; b)ressoador com salto deimpedância; c) ressoador por acoplamento magnético; d) ressoador dotipo capacitor interdigital; e) ressoador SRR; f) ressoador em anel. . . . . 27

3.5 Elementos ressoadores: a) SRR triangular; b) SRR em anel; c) SRR qua-drada; d) Capacitor interdigital. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.6 Circuito equivalente de um CSRR acoplado a uma linha de alimentação.CCSRR é a capacitância do elemento ressoador, C a capacitância entre alinha e o plano de terra e L a indutância da linha de microfita. . . . . . . 29

4.1 Espaçamento relativo em função do fator de escala. . . . . . . . . . . . . 314.2 Diagrama de radiação do sensor proposto. (a) Diagrama de radiação para

φ igual a 0 e 90 graus. (b) Diagrama de radiação 3D. . . . . . . . . . . . 33

iii

4.3 (a) Comparação da resposta em frequência – S11 (dB) obtida via simula-ção e medição. (b) Sensor proposto construído em tecnologia de microfita– vista superior e inferior. (c) Setup de medição do parâmetro S11 em dB. 33

4.4 Setup de medição utilizado composto pelo sensor e antena corneta: (a)Setup sem o MUT; (b) Setup com o MUT. . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.5 Resultados medidos do coeficiente de transmissão para as três amostrasde blocos de concreto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.6 Resultados medidos da fase proveniente das medições do coeficiente detransmissão para as três amostras de blocos de concreto. . . . . . . . . . 35

4.7 Permissividade complexa para três amostras de concreto: a) parte real; b)parte imaginária . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.8 Permissividade complexa para três amostras de concreto: a) parte real; b)parte imaginária . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.1 Folha de Perilla Frutescens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395.2 Sensor proposto; a) Fotografia da folha de Perilla Frutescens; b) Design

do sensor proposto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415.3 Design do capacitor interdigital complementar CIDC e principais parâ-

metros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.4 Distribuição do Campo-E . (a) Primeira ressonância em 2.95 GHz. (b)

Segunda ressonância em 3.57 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.5 Resposta do sensor para diferentes valores da constante dielétrica do MUT. 435.6 Resultados simulados e interpolados para a variação da frequência de res-

sonância como função da permissividade do MUT. . . . . . . . . . . . . 435.7 Caracterização do sensor: (a) Fotografia do protótipo do sensor desenvol-

vido e (b) configuração da medição do sensor com o material dielétricosobre CIDC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.8 Resultados do coeficiente de reflexão medidos para a variação da frequên-cia de ressonância do sensor bioinspirado para três amostras dielétricasdiferentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.9 Resultados da frequência de ressonância calculadas através da constantedielétrica obtidas com as medições das amostras MUT. . . . . . . . . . . 46

6.1 Sensor proposto: (a) Antena de patch circular; (b) Duplo CSRR; (c) Es-trutura esquemática completa, antena e recipiente impresso de ABS paraconfinamento do MUT [26]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

6.2 Resultados simulados e medidos referentes ao módulo do coeficiente dereflexão para a antena de patch circular tradicional e para o sensor pro-posto com o CSRR [26]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

6.3 Resultados simulados para diferentes valores da permissividade relativado MUT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

6.4 Superfície obtida com a interpolação das curvas de segundo grau para asequações de fr1 e fr2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

6.5 Curvas interpoladas da variação da permissividade para diferentes valoresde ressonância; (a) f r1; (b) f r2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

6.6 Resultados experimentais para validação do sensor. (a) Setup de medição;(b) Resultados medidos para FR-4, Vidro e Rogers RO4003C. . . . . . . 52

6.7 Procedimento experimental da areia; (a) Setup de medição; (b) Variaçãodo S11 para diferentes θ(%). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.8 Procedimento experimental da argila;(a) Setup de medição; (b) Variaçãodo S11 para diferentes θ(%). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.9 Resultados medidos para diferentes θ (%). a com areia de quartzo. umaamostra de solo obtida na região de Banat, no nordeste da Sérvia. b Osvalores mostrados são o valor médio daqueles obtidos nas medições. c Naanálise de raios X dispersivos em energia Energy-dispersive X-ray(EDX),a amostra de solo arenoso é composta por 11,5% de carbono, 28,1% desilício, 0,1% de magnésio, 0,7% de ferro e 53% de oxigênio. . . . . . . . 56

6.10 Resultados medidos para diferentes θ (%) com argila vermelha. a Soloobtido na região de Yingtan, província de Jiangxi na China. . . . . . . . . 56

Lista de Tabelas

4.1 Resumo de resultados obtidos via simulação da antena-sensor proposto. . 32

5.1 Resultados medidos para amostras de diferentes dielétricos. . . . . . . . . 45

6.1 Parâmetros do sensor proposto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496.2 Curvas interpoladas para obtenção da permissividade em função da frequên-

cia de ressonância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516.3 FRX Das duas amostras de solo, valores em (%) . . . . . . . . . . . . . . 546.4 Resultados medidos para amostras de solo de areia quartzosa. . . . . . . . 576.5 Resultados medidos para amostras de solo de argila vermelha. . . . . . . 57

vi

Lista de Símbolos e siglas

ε0 Permissividade relativa do vácuo

λ0 Comprimento de onda no espaço livre

µ0 Permeabilidade magnética do vácuo

θ Percentual de água em solos

E0 Distribuição dos campos elétricos em um ponto

H0 Distribuição dos campos magnéticos em um ponto

R2 Coeficiente de determinação

S11 Coeficiente de reflexão

S21 Coeficiente de transmissão

ABS Acrylonitrile-Butadiene-Styrene

CIDC Complementary Interdigital Capacitor

CPW Coplanar Waveguide

CSRR Complementary Split Ring Resonator

FRX fluorescência de raio-X

HFSS High Frequency Structure Simulator

IDC Interdigital capacitor

K Integrais elípticas de primeira ordem

MUT Material under test

NaCl Cloreto de sódio

NRW Nicolson Ross Weir

Q Fator de qualidade

SIW Substrate Integrate Waveguide

vi

SRR Split Ring Resonator

VNA Virtual network analyzer

Capítulo 1

Introdução

Os sensores planares de micro-ondas tem chamado cada vez mais atenção dos pesqui-sadores devido sua alta empregabilidade nas mais diversas aplicações, características dedimensões compactas, baixo custo de fabricação e fácil integração com diversos disposi-tivos ou sistemas corroboram ainda mais para a relevância do desenvolvimento de estudoscientíficos focados neste tipo de dispositivo

Desta forma, uma das áreas que tem chamado bastante atenção dos pesquisadores eda indústria é o desenvolvimento de dispositivos que possam realizar a caracterizaçãodielétrica e magnética de materiais de forma simples, não invasiva, não destrutiva, baratae de fácil integração com outros sistemas já existentes, inclusive podendo ser analisadosmateriais sólidos, líquidos ou granulares.

Existem diversos métodos para caracterização de materiais, sendo um dos métodosmais utilizados atualmente para a detecção e quantificação de materiais quando compa-rados com outras alternativas disponíveis, o método de ressonância [1], pois, com estemétodo geralmente os parâmetros extraídos possuem precisão aceitável, especialmentequando as amostras analisadas são materiais de baixas perdas [2].

Com o passar dos anos, baseadas no método de ressonâncias, diversos tipos de dis-positivos que podem ser aplicados na caracterização dielétrica de materiais vêm sendodesenvolvidos, dentre os quais podem ser citados aqueles que implementam o guia deonda integrado ao substrato (Substrate Integrate Waveguide - SIW) [3]. Outro tipo de dis-positivo que vem chamando bastante a atenção dos pesquisadores são os sensores de lí-quidos que possuem a capacidade de ser submersos na amostra que se deseja caracterizar,onde esta categoria é amplamente conhecida como sensores submersíveis [4,5]. Diversaspesquisas recentes têm sido desenvolvidas na implementação de dispositivos que possamrealizar a caracterização de substratos dielétricos [6–9]. Com os avanços nas pesquisasnas áreas de sensoriamento, outro tipo de aplicação que chamou a atenção da academiae do meio industrial foram as aplicações de caracterização de misturas químicas orgâni-

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 12

cas [10, 11], ou um sensor para a avaliação sem contato da profundidade de queimadurasem tecidos biológicos [12].

1.1 Justificativa da pesquisa

Nos últimos anos, o número de pesquisas relacionadas ao desenvolvimento de sen-sores planares teve um crescimento considerável entre os pesquisadores, como pode servisto nas Figuras 1.1 e 1.2. Durante o desenvolvimento da pesquisa, foi feito o levan-tamento bibliográfico do que está sendo desenvolvido atualmente na área de sensoresplanares. Como fonte de informação a base de dados Scopus, foi feito a pesquisa biblio-métrica dos resultados de artigos publicados nos últimos nove anos na seis revistas maisimportantes (baseadas em seu fator de impacto). Desta forma, de acordo com as palavras-chave mais encontradas como keywords e nos títulos desses artigos, foi feita uma pesquisaonde os parâmetros de busca na ferramenta da base de dados Scopus foram [((SENSOR)AND (PLANAR)) OR ((RF) AND (SENSOR))] no campo título e no campo keywords

foram utilizadas as palavras [(CSRR) OR (IDC) OR (Microwave Sensor)].

Figura 1.1: Números de publicações por ano a partir de 2011.

Como pode ser visto, o número de pesquisas relacionadas ao desenvolvimento de sen-sores planares têm ganhado cada vez mais destaque na comunidade científica, uma vezque estes dispositivos possuem a características bastantes atrativas como, por exemplo, aredução no custo de fabricação, fácil integração com outros sistemas e dimensões reduzi-das.

Visto este cenário, propor novas estruturas que possam ser aplicadas em diversos ce-nários, novas e interdisciplinares aplicações, que visem simplificar métodos tradicionais


Figura 1.2: Números de publicações por ano nas principais revistas a partir de 20111

tanto do ponto de vista prático laboratorial quanto de análise dos dados, o desenvolvi-mento destes dispositivos se torna cada vez mais atraente e importante.1

1.2 Objetivos da pesquisa

Têm-se como objetivo geral da pesquisa o desenvolvimento de dispositivos plana-res para aplicações em sensoriamento, onde, os dispositivos devem ter alta sensibilidade,dimensões compactas, baseados no método das ressonâncias e do método NRW, sendoaplicados para a determinação da permissividade relativa de materiais dielétricos. Paraalcançar este objetivo, alguns objetivos específicos foram traçados com o intuito de con-tribuir na obtenção do resultado final esperado, sendo eles:

• Investigar na literatura quais os tipos de elementos ressonantes para determinadasaplicações.• Entender os diversos parâmetros para a determinação do funcionamento de uma

antena planar aplicada como sensor.• Desenvolver dispositivos compactos, com alto nível de sensibilidade.• Realizar modelagem numérica baseada no comportamento dos sistemas e com isso

determinar a equação semi-empírica que descreva a mudança da permissividade domeio.• Com base nos trabalhos atuais, propor uma nova estrutura que possa ser aplicada

na determinação do permissividade relativa de materiais dielétricos.

1Dados retirados da base de dados Scopus: https://www.elsevier.com/


• Baseado nos métodos tradicionais, desenvolver um dispositivo com mode de ope-ração mais simples e mais compacto e aplica-lo na determinação do percentual deágua em solos.• Aplicar um dos dispositivos desenvolvidos para a determinação da permissividade

relativa do concreto.

1.3 Organização do trabalho

Este trabalho está organizado em 7 capítulos, um breve resumo sobre o que é abordadoem cada um deles é descrito a seguir.

No Capítulo 2, é realizada uma revisão sobre o estado da arte atual relacionado apesquisas desenvolvidas na literatura, destacando os principais tipos e aplicações onde ossensores planares têm sido implementados, além de destacar artigos que serviram comobase para o desenvolvimento deste trabalho.

No Capítulo 3, é feito uma breve introdução sobre os tipos de dispositivos abordadosnesse trabalho, sendo eles antenas de microfita. Uma síntese sobre os principais a teoriaque descreve o comportamento de sensores baseados tanto em métodos de ressonânciaquanto aplicados a setups de medição clássico como parte integrante, além de destacar osprincipais parâmetros utilizados na caracterização de diversos tipos de materiais.

No capítulo 4, é mostrado o projeto e desenvolvimento de uma antena do tipo log-periódica aplicada como sensor na caracterização da permissividade complexa de amos-tras de concreto. Durante o capítulo, é mostrado também, o método que foi utilizado paraa extração dos dados.

No Capítulo 5, é apresentado o projeto e modelagem matemática de um sensor planarbioinspirado aplicado para a determinação da permissividade elétrica de materiais dielé-tricos.

No Capítulo 6, é apresentado o projeto e a modelagem de um sensor planar, cujavalidação foi realizada com a caracterização dielétrica de diferentes materiais. Após amodelagem, foi feita a análise matemática do comportamento do sensor ao interagir commateriais de diferentes características elétricas, posteriormente, com um modelo semi-empírico obtido, este foi aplicado para a determinação do percentual de água em doistipos de solos.

No Capítulo 7, são apresentadas algumas considerações finais sobre o trabalho reali-zado e a conclusão do trabalho de acordo com os resultados obtidos e projeções para ofuturo como continuidade da pesquisa.

Capítulo 2

Estado da Arte

2.1 Introdução

Neste capítulo, será apresentado o estado da arte relacionado a pesquisas desenvol-vidas sobre sensores planares. O número de pesquisas que propõem o desenvolvimentode sensores planares nos últimos anos teve um crescimento exponencial como foi mos-trado no capítulo anterior. Dentre as maiores inovações propostas por pesquisadores estáo princípio de funcionamento e operação dos sensores planares. Dada uma determinadaaplicação, diversos parâmetros específicos podem ser usados como referência para a ob-tenção da informação. A abordagem será descrita por meio de resumos sobre os trabalhos,trazendo as suas conclusões e resultados obtidos.

2.2 Trabalhos relacionados ao tema da pesquisa

2.2.1 Sensores planares baseados em metamaterial utilizados na ca-racterização de microfluidos

Uma das aplicações mais importantes dos sensores planares é para a caracterização delíquidos. Esta vertente é bastante atrativa pois, neste tipo de dispositivo, são necessáriaspequenas quantidades de amostras para a caracterização. Diversos trabalhos utilizam oRessoador em Anel com abertura (Split Ring Resonator - SRR) como elemento de sensi-bilidade [13–15] ou elementos semelhantes a capacitores interdigitais [16].

Em [17], os autores propõem um sensor para caracterização de líquidos baseado emmetamaterial, o princípio de funcionamento consiste em um conjunto de dois SRR, sendofeita a caracterização dos materiais através de duas medições, uma com o líquido de re-ferência e a outra com o material em análise, sendo assim, possível estimar os valores dapermissividade real e imaginária. Sendo um dispositivo de duas portas, a frequência de

CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE 16

operação do elemento é 1,9 GHz. Foi realizado todo um estudo sobre o circuito equiva-lente que representava, assim como as características deste circuito sofreriam alteraçõesao interagir com materiais de características elétricas diferentes. O parâmetro principalutilizado neste trabalho foi o fator de qualidade. A Figura 2.1 mostra o protótipo propostoem [17] e o resultado obtido em uma das medições.

Figura 2.1: Sensor baseado em metamaterial para caracterização de microfluidos: a) Dis-positivo construído; b) resultado medido e simulado para o sensor em estado natural [17].

2.2.2 Sensores planares aplicados na caracterização de materiais mag-neto dielétricos

Uma classe de sensores são aqueles que medem a permissividade elétrica e permea-bilidade magnética [18, 19]. Em [19] um sensor é utilizado para realizar a caracterizaçãoda permissividade e permeabilidade de materiais magneto-dielétricos. Sendo sua estru-tura formada por dois SRR acoplados magneticamente a uma linha de microfita. Nestetrabalho, é proposto um modelo numérico semi-empírico para a extração dos valores dosparâmetros dos materiais sobre teste. Para o design do filtro, foram analisadas as con-centrações de campos sobre o elemento ressonante (SRR). As aberturas do SRR foramcolocadas de formas distintas próximas à linha de alimentação, desta forma, o campo elé-trico tinha alta concentração na região de abertura do SRR e a linha do lado oposto serviacomo um fio, gerando um campo magnético de alta intensidade.

Desta forma, cada posição era utilizada para um tipo de caracterização diferente:quando o material sobre teste era colocado na região de abertura, era possível determinara permissividade elétrica, e quando o material era colocado sobre a linha do lado oposto


do SRR, era possível determinar a permeabilidade magnética. A Figura 2.2 mostra oprotótipo proposto

Figura 2.2: a) Setup de medição; b) Protótipo construído [19].

2.2.3 Sensor planar fabricado sobre substrato flexível

Em [20] os autores desenvolveram um dispositivo baseado em filtros clássicos queaplicam a técnica de tocos em paralelo. O sensor foi construído com substrato Kapton

com espessura de 0,13mm e foi aplicado para a caracterização da mistura de água desio-nizada com diferentes concentrações de cloreto de sódio - NaCl . Com a flexibilidade domaterial do substrato, o sensor podia se adaptar a ondulações do meio próximo, e assim,foi posicionado um microcanal fluídico sobre os tocos, fazendo com que houvesse pertu-bações na ressonância quando o líquido transitava pelo microcanal. A Figura 2.3 mostrao protótipo construído.

Figura 2.3: a) Protótipo construído; b) medições com diferentes concentrações de NaCl[20].


2.2.4 Sensores planares bioinspirados

Outra categoria de sensores que tem chamado bastante atenção dos pesquisadoresna literatura são os sensores bioinspirados [21, 22]. Esse termo diz respeito ao formatodos sensores, uma vez que eles comumente possuem o design semelhante ao de formasencontradas na natureza, como folhas ou plantas.

Em [23] os autores fazem o uso deste princípio e propõem um sensor bioinspirado,baseado na Jatropha mollissima utilizado na detecção de descargas elétricas parciais. Ogrande diferencial do trabalho foi a aplicação de um superstrato com metamaterial SRRem formato quadrado e circular. Durante o trabalho é feito o estudo comparativo sobre,para qual dos dois superstratos os resultados de sensibilidades foram mais efetivos. AFigura 2.4 apresenta a foto do sensor e o protótipo final com a adição do superstrato.

Figura 2.4: Protótipo construído; a) Sem o superstrato; b) Com superstrato [23].

2.2.5 Sensor de micro-ondas para detecção do deslocamento angular

Em [24] é proposto um sensor que tem a capacidade de identificar o deslocamentoangular através da variação de sua frequência de operação. O sensor proposto é baseado natecnologia planar de circuitos de microfita, em que um rotor composto por um ressonadorde anel com abertura complementar (Complementary Split Ring Resonator - CSRR) écolocado no plano terra da linha de microfita que alimenta o sistema. O trecho é livrepara girar em torno de seu eixo. A rotação mecânica do CSRR determina uma alteraçãono acoplamento cruzado entre a linha da microfita e o CSRR, alterando assim a indutânciageral. A Figura 2.5 mostra o protótipo construído e os resultados simulados do coeficientede transmissão S21.


Figura 2.5: Protótipo construído; a) Interface superior e inferior e circuito equivalente;b) Princípio de funcionamento da rotação; c) Resultados simulados do coeficiente detransmissão e do fator de qualidade [24].

O sensor de micro-ondas planar proposto sem uma carga, trabalha em torno da bandaISM de 5,8 GHz, é bastante sensível a detectar rotação angular na ampla faixa dinâmica de0o a 90o. A frequência de operação e a largura de banda podem ser ajustadas carregando orotor com dielétrico. Dependendo do tipo de dielétrico empregado no elemento do CSRR,é possível selecionar a frequência central de uma ampla faixa de 4,67 a 5,94 GHz, coma largura de banda variando de 116 a 250 MHz. Devido às suas características, o sensorproposto pode ser útil para várias aplicações industriais.

Em [25] os autores foram além, desenvolveram um dispositivo que tinha a capacidadede detectar além do deslocamento angular a velocidade de reação em sistemas com des-locamento mecânico. O nível se sensibilidade do sensor faz com que ele seja possível deempregar em aplicações espaciais, como satélites por exemplo. O sensor consiste em umrotor e um estator. O rotor é um disco (ou uma coroa circular) de material dielétrico, ondeuma ou várias matrizes de ressonadores equidistantes de split ring resonators (SRRs) sãogravadas ao longo de sua borda, formando cadeias circulares de centenas de SRRs, comopode ser visto na Figura 2.6.


Figura 2.6: a) Estator e rotor construídos; b) Princípio de funcionamento da rotação ecircuito equivalente [25].

O estator é um guia de onda coplanar (Coplanar Waveguide - CPW) também carre-gado com pares de SRRs de loop único (gravados no lado posterior do substrato), com oscentros localizados na região do slot. O princípio de detecção baseia-se na modulação deamplitude de um harmônico (tom único, onda contínua) como sinal de alimentação, ob-tido quando as cadeias do rotor são deslocadas sobre os pares de SRR do estator. Ambosos elementos sensores (rotor e estator) são orientados paralelamente, com pares SRR comas aberturas da CPW em proximidade com as cadeias SRR do rotor (em voltas de 180o),a fim de favorecer seu acoplamento. O princípio de funcionamento do sensor é baseadona detecção da amplitude (envoltória) do sinal injetado no estator.

2.2.6 Sensor para detecção de impurezas em amostras de metanol

Diversos dispositivos foram desenvolvidos na proposta de obter respostas precisas nacaracterização de líquidos. Em [26] os autores propõem um sensor compacto que pode seraplicado na caracterização de impurezas em amostras de metanol. O sensor é mostradona Figura 2.7.

O design do ressoador proposto foi baseado em uma espiral, dessa forma, a célulaunitária central, apresentava a característica de metamaterial na frequência de 3.4 GHz.Além dessa característica, o elemento foi projetado dessa forma, pois, devido a proximi-dade entre os fios condutores impressos do patch causam maior acoplamento magnético.O sensor foi feito utilizando o substrato dielétrico Rogers RO3020 com espessura de 0.5mm, constante dielétrica de 10.2 e tangente de perdas de 0,0035.


Figura 2.7: a) Design do sensor proposto; b) Resultados medidos para diferentes concen-trações de água desionizada em uma amostra de metanol [27].

Na Figura 2.7 é possível observar que a frequência de ressonância do sensor sofre umagrande atenuação ao ser aumentado o percentual de água na mistura.

2.2.7 Sensor de RF para determinação do percentual de água em so-los

Um sistema portátil de refletômetro-sensor de micro-ondas foi desenvolvido para ope-rar de 1,35 a 1,95 GHz e usado para medir o teor de umidade volumétrica e gravimétricaem vários tipos de solos, de acordo com [27]. O sensor é mostrado na Figura 2.8.

Figura 2.8: a) Design do sensor proposto; b) protótipo construído [28]


O sensor desenvolvido foi aplicado para medir o teor de umidade volumétrica e gra-vimétrica em vários tipos de solos em um range de análise que ia de 0% a 45%. O sensorera composto por um pequeno driver que consistia de um monopolo da linha coaxial,onde a linha é enterrada no solo e injetada uma tensão. A tensão refletida é medida e cor-relacionada com o teor de umidade do solo. A tensão refletida medida é dependente daalteração não linear das propriedades dielétricas do solo que são drasticamente alteradascom o aumento no teor de umidade da amostra.

2.3 Considerações finais

Pelo exposto, vê-se que o desenvolvimento de sensores planares tem sido cada vezmais explorado e aplicados nas mais diversas áreas. No decorrer deste capítulo, foramapresentados alguns dos principais trabalhos que serviram como base teórica para o de-senvolvimento da pesquisa. Foi possível observar também que, este tipo de dispositivopossui características promissoras, pois, dado a sua versatilidade pode sem empregado emdiversas frentes de pesquisa.

Capítulo 3

Teoria de Antenas e Ressoadores demicrofita

3.1 Introdução

Neste capítulo será discutida a teoria por trás de elementos planares como antenas eressoadores. Diversos parâmetros podem ser utilizados como fator de determinação domeio ou material ao qual se deseja caracterizar. Dependendo do tipo de sistema empre-gado, sistema de uma porta, duas ou mais portas, novos parâmetros podem ser empre-gados. Os mais comuns e mais aplicados são a frequência de ressonância baseada nosparâmetros de espalhamento (S11,S21,12,S22) do sistema, fator de qualidade e fase, sendoeste parâmetro escolhido de forma mais adequada baseado na aplicação e qual o tipo dematerial que será caracterizado.

No decorrer deste Capítulo, serão abordados os principais métodos de alimentação deantenas de microfita, alguns de ressoadores e serão apresentadas as principais equaçõesque descrevem a teoria e como eles podem ser empregados para sistemas de sensoria-mento.

3.2 Antenas de microfita

São incontáveis as aplicações que demandam projetos de antenas com baixo custo,peso e dimensões reduzidas. Nestas aplicações, um tipo de antena que é amplamenteempregada, é a antena de microfita. O primeiro estudo sobre o conceito de antenas demicrofita foi publicado em 1953 por Deschamps [28]. Depois disto, na década de 70, estemodelo de antena já estava sendo amplamente investigada por autores como Munson [29]e Howell [30]. A partir de então, diversas pesquisas têm sido realizadas utilizando novastécnicas e métodos de fabricação. As características intrínsecas a este tipo de antena

CAPÍTULO 3. TEORIA DE ANTENAS E RESSOADORES DE MICROFITA 24

despertaram um grande interesse dos pesquisadores e do meio industrial, o que alavancouo desenvolvimento e o número de publicações de artigos científicos, patentes e aplicaçõescom uso de antenas de microfita.

A configuração básica de uma antena de microfita é constituído por um componentecondutor planar metálico irradiante (patch), sendo que uma característica deste compo-nente é que ele deve ser muito fino, de forma que sua espessura seja muito menor que ocomprimento da onda no espaço livre (t� λ0, onde o λ0 corresponde ao comprimento deonda no espaço livre). Esse patch condutor é impresso sobre um substrato dielétrico quedeve possuir uma espessura frações de vezes menor que o comprimento de onda (h� λ0,usualmente 0,0030λ0 � h� 0,05λ0) e está depositado sobre outro elemento metálicoem sua face oposta, denominado de plano de terra [31]. A configuração básica da antenade microfita está mostrada na Figura 3.1.

Figura 3.1: Configuração básica de uma antena de microfita.

Na construção de antenas de microfita, diversos materiais podem ser utilizados comosubstrato. Em geral, o valor da constante dielétrica varia na faixa de 2,2 < εr < 12 [31].Os elementos condutores (patches) podem ter formato retangular, circular, elíptico, trian-gular, ou outros como mostrado na Figura 3.2. Normalmente, com intuito de diminuir acomplexidade da análise matemática, além de sua característica de radiação, é mais uti-lizado estruturas com formatos que sejam conhecidos, i.e., patch quadrado, retangular,circular, estes são amplamente estudados na literatura


Figura 3.2: Alguns tipos de patches para antenas de microfita: (a) retangular; (b) circular;(c) triangular; (d) elíptico; (e) quadrado; (f) dipolo.

3.3 Ressoadores de micro-ondas

Ressoadores são elementos que, dada suas características físicas como geometria ematerial empregado na construção, interagem de forma específica com ondas eletromag-néticas em frequências bem definidas. Grande parte desses elementos são aplicados emfiltros de micro-ondas.

3.3.1 Método das ressonâncias e elementos ressoadores mais utiliza-dos

Em ressoadores de micro-ondas, na frequência de ressonância, é possível afirmar quea energia tanto do campo elétrico quanto do campo magnético armazenados na estruturadevem ser iguais entre si [9], podendo desta forma utilizar a Equação 3.1, que relacionaa permeabilidade e permissividade do meio com a variação da frequência de ressonânciado elemento para extrair informações das propriedades dos materiais externos que causamessas perturbações ao interagir com os campos [9],

∆ fr

fr=

∫v(∆ε ·E1 ·E0 +∆µ ·H1 ·H0)dv∫

v(ε0 · |E0|2 +µ0 · |H1|2)dv(3.1)

em que ∆ fr corresponde à mudança na frequência de ressonância fr, ∆ε a mudança napermissividade, ∆µ a mudança na permeabilidade, ε0 e µ0 são a permissividade e permea-bilidade do espaço livre, respectivamente. Sendo nesta equação, E0 e H0 as distribuiçõesde campos na ausência de perturbações externas e E1 e H1 as distribuições dos campos


com perturbações. O termo v representa o volume perturbado, o que significa o volumeda cavidade que está em contato com o material sobre teste.

A Equação 3.1 pode ser utilizada para relacionar o comportamento da resposta emfrequência de sistemas que empregam os mais diversos tipos de ressoadores. Uma vezque, o elemento ressoador do sistema é exposto a materiais com características diferentes,a resposta em frequência do sistema sofre uma mudança, com isso, é possível utilizar essarelação para extrair informações sobre o material que interage com o sistema. A Figura3.3 mostra o diagrama esquemático do método das ressonâncias.

Figura 3.3: Método da ressonância; a) Sensor livre, sem contato com nenhuma material;b) Resposta em frequência do sistema após ser exposto a materiais com característicasdiferentes.

Como pode ser visto na Figura 3.3(a) o sensor possui uma área específica onde oelemento ressoador está inserido. Essa região é chamado de área de sensibilidade, o MUTdeve ser inserido sobre esta região para que a resposta do sistema tenha mudanças maissignificativas. Na Figura 3.3(b) é mostrado a resposta em frequência do sistema, é possívelobservar que a frequência sofre alterações. Com esta relação, da mudança da frequênciado sistema para diferentes valores da permissividade ou permeabilidade do material, épossível através da interpolação dos dados, estimar qual o valor desses parâmetros paraos materiais.

Dentre os principais elementos ressoadores, podem ser destacados o SRR e o seucomplementar o CSRR, ou o Capacitor Interdigital (IDC) e o seu complementar (Comple-

mentary Interdigital Capacitor - CIDC), na Figura 3.4 é mostrado alguns dos principaisressoadores encontrados na literatura.


Figura 3.4: Elementos ressoadores; a) ressoador de λg/4; b)ressoador com salto de impe-dância; c) ressoador por acoplamento magnético; d) ressoador do tipo capacitor interdigi-tal; e) ressoador SRR; f) ressoador em anel.

3.3.2 Elementos SRR, CSRR e IDC

O Split Ring Resonator (SRR) é amplamento encontrado na literatura por possuir pro-priedades metamateriais. Comumente construído através da combinação de dois loops

de material condutor, em estruturas planares é bastante aplicado o cobre. Os anéis queconfiguram o loop possuem uma abertura em uma das extremidades, sendo denominadode gap. Este tipo de ressoador pode ser encontrado em diversos formatos, geometrias,número de loops. Os principais parâmetros físicos de SRR são a espessura da fita condu-tora, o raio dos anéis que formam o SRR, o espaçamento entre os anéis e a largura do gap.Os capacitores interdigitais são uma categoria de ressoadores que possuem suas caracte-rísticas próprias, uma delas, é a capacidade de aumentar o coeficiente de acoplamentoentre elementos ressoadores. Ao ser implementado em circuitos planares, a capacitânciado Capacitor Interdigital também sofre influência da permissividade elétrica do dielétricosobre qual o circuito está sendo projetado. A Figura 3.5 mostra alguns tipos de SRR e umzoom sobre o elemento principal de um capacitor interdigital.


Figura 3.5: Elementos ressoadores: a) SRR triangular; b) SRR em anel; c) SRR quadrada;d) Capacitor interdigital.

Esses elementos possuem características particulares quando considerados a aplica-ções de sensoriamento, o SRR por exemplo, tem uma característica condutora que é degrande utilidade quando o intuito é identificar campos magnéticos e o seu complementarpor possuir o perfil de abertura, trabalha muito bem quando aplicado na identificação decampos elétricos.

Essa característica do CSRR pode ser descrita através da Equação 3.2,

Ccsrr =C0 + εsup ·C (3.2)

na qual C0 descreve a capacitância existente entre as placas condutoras e o dielétricodo filtro e o termo εsup ·C descreve o efeito capacitivo do meio devido ao superstratocolocado sobre o CSRR. Desta forma, a Capacitância total de um SRR/CSRR é a somada capacitância do elemento ressoador com a capacitância da linha de microfita Cl ao qualestão ligados C =Cl +Ccsrr. A Equação 3.3 mostra como pode ser obtida a frequência deressonância para este tipo de ressoador e a Figura 3.6 mostra o circuito equivalente paraeste ressoador.

f0 =1

2π√

L(Cl +Ccsrr)(3.3)

No elemento Interdigital Capacitor (IDC) o principal parâmetro de sua modelagem,está em determinar o valor de sua capacitância. A capacitância total de um capacitor


Figura 3.6: Circuito equivalente de um CSRR acoplado a uma linha de alimentação.CCSRR é a capacitância do elemento ressoador, C a capacitância entre a linha e o plano deterra e L a indutância da linha de microfita.

interdigital é descrita em 3.4

CT =CUC(NF −1)WF (3.4)

Sendo CUC a soma das capacitâncias entre os elementos, que comumente são cha-mados de dedos, NF o número de dedos e WF a largura dos dedos. A capacitância CUC

é o parâmetro mais complexo de ser obtido, pois, este depende de integrais elípticas deprimeira ordem, como é mostrado em 3.5-3.7.

C1 +C2 = ε0

(ε1 + ε2

2

)K(√

1− k2)

K(k)(3.5)

K(k)K(k′)

=

[1π

ln

(2

1+√

k′

1−√

k′

)]−1

,0≤ k ≤ 0,7 (3.6)

K(k)K(k′)

=

[1π

ln

(2

1+√

k′

1−√

k′

)],0,7≤ k ≤ 1 (3.7)

Sendo K(k) funções elípticas de primeira ordem e K(k′) a sua função complementar.Outro parâmetro amplamente empregado em aplicações de sensores planares é o fa-

tor de qualidade (Q). Este parâmetro é comumente aplicado em sistemas de 2 ou maisportas. Quando aplicada a filtros, o fator é associado a seletividade do filtro, uma vezque, quanto maior o fator de qualidade de um sistema, melhor será a capacidade de iso-lar/separar frequências próximas. A Equação 3.8 demonstra como pode ser obtido o fatorde qualidade,


Q =f0

fup− flow=

f0

BW3dB(3.8)

em que BW3dB descreve a largura de banda entre as frequências de 3 dB superior e inferiora frequência de operação.


Neste capítulo foram apresentados uma breve descrição da teoria sobre antenas demicrofita, sobre o método da ressonância e os principais elementos ressoadores encontra-dos na literatura atual. Foi mostrado também os principais parâmetros para os elementosressoadores, sendo eles a frequência de ressonância f0 e o fator de qualidade Q.

Uma breve explicação do método da ressonância mostra que é simples aplicar esseprocedimento para obter informações sobre as características dielétricas ou magnéticasdos materiais.

Capítulo 4

Antena log-periódica aplicada comosensor

4.1 Introdução

Nesta seção será apresentado o projeto e o desenvolvimento de uma antena planar dotipo log-periódica, este dispositivo foi aplicado como sensor em um setup de mediçãono espaço livre. Para medições em espaço livre, uma característica fundamental em an-tenas é a diretividade, nesse quesito, as antenas log-periódicas são muito atrativas, poispossuem grande diretividade. Este tipo de antena é utilizada nos mais diversos sistemasde comunicação, desde os mais recentes aos mais datados devido sua característica deganho direcional, diagrama de radiação estável, largura de banda e ganho aceitável para amaioria das aplicações.

Figura 4.1: Espaçamento relativo em função do fator de escala.

CAPÍTULO 4. ANTENA LOG-PERIÓDICA APLICADA COMO SENSOR 32

O desenvolvimento do sensor inspirado na topologia log-periódica tomou como basea metodologia apresentada em [32], sendo escolhido o valor de diretividade normalizadade 8 dBi e obtidos os parâmetros de fator de escala e espaçamento relativo segundo odiagrama mostrado na Figura 4.1.

A partir dos parâmetros estabelecidos e da utilização das Equações (4.1), (4.2) e (4.3)foi definido a quantidade N de dipolos do arranjo bem como seus respectivos compri-mentos L, larguras W, espaçamentos S, e não menos importante, a angulação α entre osmembros dos dipolos e a linha de alimentação.

N = 1+ln(Bs)

ln(1τ)

(4.1)

α = tan−1(1− τ

4σ) (4.2)

1τ=

Ln+1

Ln=

Sn+1

Ln=

Wn+1

Wn(4.3)

Sendo Bs a largura de banda estimada para o projeto, a taxa geométrica τ, σ descreve ofator de espaçamento, calculou-se N igual a 11 e β assumindo 12,13o graus. Por questõesconstrutivas e de projeto, assumiu-se adotar 4 conjuntos de dipolos bem como faixaslaterais metalizadas.

4.1.1 Projeto da antena log-peródica

O modelo de sensor proposto foi desenvolvido e submetido a simulação eletromag-nética de onda completa através do software Ansys HFSS, onde foram analisados os pa-râmetros de perda de retorno, diagrama de radiação e ganho. A Tabela 4.1 apresenta umresumo de alguns parâmetros da antena obtidas via simulação. Na Figura 4.2 são apresen-tados os diagramas de radiação da antena demonstrando seu ganho em um feixe direcionalobtidos via simulação para frequência de 2.25 GHz.

Tabela 4.1: Resumo de resultados obtidos via simulação da antena-sensor proposto.Parâmetro Valor

Diretividade máxima 3.5349Ganho máximo 3.4732

Eficiência de radiação 98.25%Relação frente costa 33.179

Com base nas características físicas do modelo, foi construído o sensor em tecno-logia de microfita a partir de uma placa dielétrica do tipo FR4 com permissividade de


Figura 4.2: Diagrama de radiação do sensor proposto. (a) Diagrama de radiação para φ

igual a 0 e 90 graus. (b) Diagrama de radiação 3D.

4,4, tangente de perdas de 0.02 mm e espessura de 1.57 mm. Na sequência, o sensor foisubmetido a medição experimental onde foi obtido o parâmetro perda de retorno em dB.A Figura 4.3 apresenta a resposta em frequência do S11 (dB) simulado e medido, assimcomo imagens do sensor construído e do processo de medição em laboratório. A curva demedição apresentou uma boa concordância em comparação a curva simulada do parâme-tro de perda de retorno, demonstrando ressonâncias nas frequências de 2,25, 3,32, 4,56,5,22, 7,43, 8,73 e 12,9 GHz.

Figura 4.3: (a) Comparação da resposta em frequência – S11 (dB) obtida via simulaçãoe medição. (b) Sensor proposto construído em tecnologia de microfita – vista superior einferior. (c) Setup de medição do parâmetro S11 em dB.


4.1.2 Procedimento experimental e resultados

O concreto pode ser produzido a partir de uma mistura de cimento hidráulico, água,agregado de cascalho, agregado fino e aditivos químicos. A mistura desses materiaisforma uma pasta plástica e, a partir das reações de hidratação do cimento, o concretoendurece até criar uma consistência rochosa. Com isso, podemos classificar o concretocomo um material compósito. Após um período de 28 dias do processo de hidratação,pode-se afirmar que a cura do concreto está finalizada. Os materiais compostos têm acaracterística de obter propriedades que os materiais sozinhos não conseguem. Em es-truturas de concreto, propriedades como durabilidade, resistência mecânica e porosidadesão as mais pesquisadas, geralmente por meio de ensaios destrutivos. Portanto, a carac-terização elétrica desse material torna-se interessante devido à possibilidade de não sernecessário extrair uma amostra da estrutura e ainda obter dados que estão relacionados aoutras propriedades do concreto [33].

Neste trabalho, o setup de medição foi composto além do sensor desenvolvido comotransmissor, uma antena corneta de 700 MHz – 12 GHz e um VNA conectado as duasantenas de onde os dados foram extraídos e processados posteriormente. A Figura 4.4(a)mostra o setup de medição do caso sem o MUT e a Figura 4.4(b) com o MUT posicionadoentre o sensor e a antena corneta.

Figura 4.4: Setup de medição utilizado composto pelo sensor e antena corneta: (a) Setupsem o MUT; (b) Setup com o MUT.

Como pode ser observado nas Figuras 4.4(a) e 4.4(b), as antenas foram posicionadascom um distanciamento de 80 cm e o bloco posicionado no centro da distância, ficandoa 40 cm de cada uma delas. Com esses dados e com essa relação, será então possívelcaracterizar esse novo meio que foi inserido entre o sensor e a antena receptora. Noprocedimento experimental, foram realizadas medições de 4 blocos de concreto, sendo osparâmetros buscados nas medições os valores dos módulos de S11 e S21, assim como a


fase proveniente de cada uma das medições.As Figuras 4.5 e 4.6 mostram os resultados obtidos nas medições do coeficiente de

transmissão e a fase. Em graus, respectivamente para os 3 blocos construídos.

Figura 4.5: Resultados medidos do coeficiente de transmissão para as três amostras deblocos de concreto.

Figura 4.6: Resultados medidos da fase proveniente das medições do coeficiente de trans-missão para as três amostras de blocos de concreto.

Podemos observar nos resultados medidos mostrados nas Figuras 4.5 e 4.6 que devidoa uniformidade entre os blocos, os resultados do coeficiente de transmissão e da fasedemonstraram grande similaridade, o que vai ajudar facilitar na obtenção dos resultados.


4.1.3 Resultados do método NRW

O método Nicolson Ross Weir - NRW permite extrair os valores da permissividadecomplexa de materiais dielétricos, sendo necessários como parâmetros de entrada para ométodo, os valores de S11, S21, a distância entre os transmissores/receptores da amostraa ser medida, assim como, a espessura da amostra. Sendo as principais equações quedescrevem o método mostradas em (4.4)-(4.7) [34, 35].

K =(S2

11−S221)

2(S21)(4.4)

Γ = K±√

K2−1, |Γ| ≤ 1 (4.5)

T =S11−S21 +Γ

1− (S11 +S21)Γ(4.6)

εr = [( jc

ωL)ln(T )]2 (4.7)

Os parâmetros de espalhamento S11 e S21 são representados em forma fasorial, comas indicações do módulo e fase para cada ponto medido, assim como o coeficiente detransmissão T e reflexão Γ.

O método NRW é amplamente utilizado na literatura para a obtenção da permissivi-dade complexa de materiais. As Figuras 4.7(a) e 4.7(b) mostram, os valores das partes reale imaginária da permissividade elétrica das amostras de concreto, em função da frequên-cia, sendo esses resultados obtidos através do método NRW.

Figura 4.7: Permissividade complexa para três amostras de concreto: a) parte real; b)parte imaginária


De acordo com a Figura 4.7(a) os valores medidos da parte real da permissividadecomplexa das amostras de concreto tiveram valores similares no intervalo de 2-3 GHz.O mesmo comportamento pode ser observado na Figura 4.7(b), para os valores da parteimaginária.

A Figura 4.8 mostra os valores médios obtidos com as três medições das amostras deconcreto, este valor é comparado com os valores medidos em [36].

Figura 4.8: Permissividade complexa para três amostras de concreto: a) parte real; b)parte imaginária

Como esperado, devido o alto período de cura (+180 dias) o valor da permissividadedos blocos de concreto foi relativamente baixo, uma vez que, quanto maior este período,menos água é encontrado dentro da amostra, fazendo com que os valores obtidos sejammajoritariamente influenciados pelos demais materiais que formam a construção do con-creto. Como pode ser visto na Figura 4.8, o valor médio obtido para a permissividadecomplexa das amostras de concreto foi de εr = 3.39− j0.37.


Um novo sensor de micro-ondas planar composto por uma antena log-periódica comdipolos inclinados para a frente foi desenvolvido para caracterizar a permissividade re-lativa de blocos de concreto. A técnica utilizada baseia-se na medição em espaço livresem e com a presença de amostras de blocos de concreto, colocadas entre os terminais dosensor da antena (Tx) e os terminais da antena corneta (Rx). Em seguida, os resultadosmedidos do coeficiente de transmissão (magnitude e fase), S21, foram utilizados de acordo


com o método NRW para estimar a permissividade relativa do complexo do concreto.Considerando as principais características do sensor proposto, como baixo perfil,

baixo custo, tamanho reduzido, facilidade de fabricação e valores de diretividade acei-táveis, ele possui grande potencial e pode ser utilizado para caracterizar diferentes tiposde materiais. Após as medições de três amostras de concreto, foi possível extrair o valoraproximado da permissividade relativa complexa do concreto medido.

Capítulo 5

Desenvolvimento de um sensorbioinspirado

5.1 Introdução

Nesta seção será apresentado o projeto e desenvolvimento de uma antena planar bi-oinspirada que pode ser usada como sensor, baseada na folha de Perilla Frutescens, tam-bém conhecida como folha de Shiso, a Fig.5.1 mostra uma folha de Shiso.

Figura 5.1: Folha de Perilla Frutescens.

Uma estrutura de Capacitor Interdigital Complementar (CIDC) é inserida no centro doelemento radiante para melhorar sua sensibilidade, permitindo que o conjunto seja apli-cado na caracterização da permissividade de materiais dielétricos. Simulações da antenaplanar bioinspirada são realizadas usando o software Ansoft HFSST M. Após a simulaçãoe o design da antena, um protótipo foi fabricado para caracterização experimental. Umaboa concordância é observada entre os resultados medidos e simulados da antena. Poste-riormente, são realizadas medições para determinar a permissividade elétrica de diversos

CAPÍTULO 5. DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR BIOINSPIRADO 40

materiais dielétricos. Todos os casos foram comparados aos simulados.

5.2 Modelagem de um capacitor interdigital (IDC)

A capacitância total CT de um IDC pode ser obtida através da Equação 5.1 [37], sendodependente apenas da capacitância total da célula unitária CUC e do número de dedos NF .

CT =CUC(NF −1)WF (5.1)

Na Equação 5.1, WF representa o comprimento dos dedos. A capacitância da cé-lula unitária é dependente da capacitância C1, C2 e C3 cujos valores são determinados deacordo com a permissividade do meio ε1, ε2 2 ε3. Os valores dessas capacitâncias podemser obtidos através das Equações 5.2-5.5,

CUC =C1 +C2 +C3 (5.2)

C1 +C2 = ε0

(ε1 + ε2

2

)K(√

1− k2)

K(k)(5.3)

C3 = ε0ε3ha

(5.4)

k =ab

(5.5)

na qual, ε0 = 8.854 ·10−12F/m, h representa a espessura do parte condutora do elemento,a é a distância dos dedos e b é a distância entre o centro de um dos dedos e o seu adja-cente. O Termo K representa a integral elíptica de primeira ordem. Com essas equações épossível determinar a capacitância total e com isso a frequência de ressonância do sistemacompleto.

5.3 Projeto do sensor

O sensor proposto consiste em uma antena planar bioinspirada com a adição de capaci-tor interdigital complementar no centro do elemento ressoador (patch) para proporcionaruma maior sensibilidade com a mudança de permissividade relativa do meio [38]. A folhada Perilla Frutescens é mostrada na Figura 5.2a e o sensor proposto na Figura 5.2b.


Figura 5.2: Sensor proposto; a) Fotografia da folha de Perilla Frutescens; b) Design dosensor proposto.

O design final do sensor proposto foi otimizado de forma a melhorar a resposta emfrequência do elemento. O método de otimização foi implementado através parametriza-ção da dimensão externa do patch, foram aplicados multiplicadores 1x, 0.9x, 0.8x como intuito de obter uma frequência abaixo de 3 GHz. Essas dimensões são mostradas naFigura 5.2b, sendo elas Lx = 42.87 mm, Ly = 89.61 mm, L fx = 3 mm, L fy = 30 mm,LCx = 14 mm, LCy = 17 mm e Oy = 21.02 mm. As principais dimensões do capacitorinterdigital complementar são mostrados na Figura 5.3, são elas WF = 9.0 mm, LF = 2.0mm e s = 1.0 mm.

5.4 Modelagem matemática

Com base no entendimento físico da concentração dos campos eletromagnéticos nasextremidades do elemento ressonante, é possível associar o deslocamento da frequênciade ressonância do sensor com a alteração da permissividade elétrica da região próxima àabertura, permitindo a caracterização do material sob teste (Material Under Test - MUT).

As Figuras 5.4a e 5.4b mostram o diagrama da distribuição das componentes de campoelétrico sobre o patch ressoador para a primeira e segunda ressonância respectivamente.É possível observar que existem grandes concentrações de campo na região central doCIDC. Já para a segunda ressonância, é possível observar que os campos estão distribuí-


Figura 5.3: Design do capacitor interdigital complementar CIDC e principais parâmetros.

dos de forma quase que uniforme por todo o elemento ressonante. Desta forma, é possívelafirmar de acordo com as Figuras 5.4a e 5.4b que a primeira ressonância possui um maiornível de sensibilidade para pequenas variações das características elétricas próximas aregião de sensibilidade.

Figura 5.4: Distribuição do Campo-E . (a) Primeira ressonância em 2.95 GHz. (b) Se-gunda ressonância em 3.57 GHz.

Baseado na análise da concentração dos campos elétricos na região do CIDC, apenaso deslocamento na primeira frequência de ressonância foi utilizado como critério paraanalisar a mudança na permissividade do MUT. A Figura 5.5 mostra a variação da pri-meira ressonância como função da permissividade do MUT posicionado sobre a regiãodo CIDC para quatro valores diferentes de constante dielétrica.


Figura 5.5: Resposta do sensor para diferentes valores da constante dielétrica do MUT.

Foram realizadas diversas simulações com diferentes valores da permissividade doMUT sobre a região de sensibilidade do sensor bioinspirado. Para a realização das si-mulações nos software, foi preciso fixar o valor da tangente de perdas tanδ = 0 e variarapenas os valores da permissividade relativa εr. Com os valores obtidos, foi possível obterum ajuste polinomial que pudesse descrever de forma precisa a variação da frequência deressonância como uma função da permissividade do MUT. A Figura 5.6 mostra a compa-ração entre a curva obtida através de regressão linear com os valores simulados dentro dafaixa de frequências entre 2.6 GHz a 3 GHz.

Figura 5.6: Resultados simulados e interpolados para a variação da frequência de resso-nância como função da permissividade do MUT.

A expressão do polinômio obtido é mostrado na Equação 5.6 e o valor R2 foi de


0.9957, onde R2 é o coeficiente de determinação, um parâmetro que diz respeito ao per-centual de confiabilidade da equação obtida em descrever os pontos. Pode-se notar que ocomportamento da variação da frequência como uma função da constante dielétrica tema característica muito próxima de uma função polinomial de segundo grau. Entretanto, acurva obtida que apresentou o melhor resultado para o conjunto de dados simulados foiuma função polinomial racional de segunda ordem, como mostrada em (5.6):

εr =−3.069 · f 2

r,MUT +17.05 · fr,MUT −23.46

0.0001 · f 2r,MUT +0.3057 · fr,MUT −0.7670

(5.6)

na qual, fr,MUT representa a primeira frequência de ressonância do sensor propostoquando o MUT está sobre a região do CIDC e εr descreve o valor da constante dielétrica.

5.5 Resultados experimentais

Após modelagem matemática e análise de sensibilidade do sensor, é realizada a carac-terização de três materiais dielétricos bem conhecidos na literatura e frequentemente usa-dos no desenvolvimento de circuitos integrados de micro-ondas, incluindo antenas de altafrequência,conhecidos como Epoxy FR-4 (εr = 4.4), Rogers Duroid 4003C (εr = 3.5) evidro (εr = 5−10). A Figura 5.7a mostra uma fotografia do protótipo do sensor fabricado.A Figura 5.7b exibe a configuração de medição usada para a caracterização experimentaldo MUT no CIDC.

Figura 5.7: Caracterização do sensor: (a) Fotografia do protótipo do sensor desenvolvidoe (b) configuração da medição do sensor com o material dielétrico sobre CIDC.

As medições foram realizadas usando Virtual Network Analyzer (VNA) KeysightE5071C.


Figura 5.8: Resultados do coeficiente de reflexão medidos para a variação da frequênciade ressonância do sensor bioinspirado para três amostras dielétricas diferentes.

Os resultados medidos são apresentados na Figura 5.8. De acordo com os resultadosda Figura 5.8, a inserção do MUT na região do CIDC causou uma mudança nos valoresda resposta em frequência medida do sensor bioinspirado. Além disso, os valores do co-eficiente de reflexão, S11 (dB), tiveram uma redução no módulo, indicando a ocorrênciade perdas dielétricas. Isso está diretamente relacionado ao fato de que nas simulaçõesrealizadas apenas a tangente de perda foi considerada com valor nulo tanδ = 0 para quefosse possível utilizar como parâmetro de variação entre os diferente materiais apenas apermissividade relativa, dessa forma as perdas inerentes do materiais foram desconside-radas nas simulações. Porém, este fato não afeta a eficácia do setup de medição, uma vezque o sensor é utilizado em campo próximo, sendo independente do parâmetro do módulode S11 para seu funcionamento. Os resultados da frequência de ressonância medida paraos materiais dielétricos em teste são: (a) fRO4003C = 2,676 GHz, (b) f(FR−4) = 2,572GHz e (c) fGlass = 2,476 GHz. Em seguida, os valores de frequência ressonante medidossão usados na Equação 5.6 para determinar os valores das constantes dielétricas do MUT,conforme mostrado na Figura 5.9.

Tabela 5.1: Resultados medidos para amostras de diferentes dielétricos.Material εr Medido εr Literatura Diferença (%)RO4003C 3,465 3,55 [39] 2,45

Vidro 6,22 6,2 [40] 0,32Epoxy-FR4 4,547 4,4 [6] 3,23


Figura 5.9: Resultados da frequência de ressonância calculadas através da constante die-létrica obtidas com as medições das amostras MUT.

Os resultados obtidos são comparados na Tabela 5.1 com valores típicos encontradosna literatura.2


Uma nova estrutura de sensor planar para caracterização de materiais dielétricos éapresentada, com base em a inserção de um CIDC em um patch de microfita bioinspirado.O princípio de operação do sensor é baseado no variação de frequência ressonante causadaquando as amostras de MUT são colocados na região CIDC.

Simulações foram realizadas e um modelo matemático foi usado para obter a permis-sividade relativa do MUT em função da medida variação da frequência de ressonância.Para o sensor proposto a validação da estrutura, as medições foram realizadas com trêsamostras de materiais dielétricos com constantes dielétricas conhecidas e uma excelenteconcordância foi observada. Portanto, o sensor bioinspirado proposto é um dispositivopromissor para diversas aplicações de sensoriamento, sendo não invasivo, compacto ecom boa propriedade de sensibilidade, por exemplo. A principal contribuição da pes-quisa, foi o polinômio proposto, uma vez que, este modelo pode ser empregado em diver-sas aplicações.

2O valor da permissividade do vidro depende das características químicas do material.

Capítulo 6

Sensor para determinar o teor de águaem solos

6.1 Introdução

Neste capítulo, será apresentado todo o projeto do desenvolvimento de um sensorplanar para caracterização dielétrica e após validação, foi aplicado para a determinaçãodo percentual de água em solos. Neste trabalho é proposta uma antena de microfita depatch circular baseada na adição de um recorte do tipo CSRR no elemento ressoador,aplicada à medição da permissividade de diferentes materiais (sólidos e arenosos) [41].A sensibilidade da antena é verificada através do deslocamento nas duas frequências deressonância projetadas em 2,25 e 3,5 GHz ao serem adicionados diferentes MUT sobre opatch. Desta forma, foi proposto um modelo empírico para obtenção dos resultados. Odispositivo é comparado com outro sensor apresentado na literatura, sendo os resultadoscomprobatórios de que o dispositivo proposto pode ser aplicado em diversos tipos demedição. Assim sendo, a antena foi aplicada na caracterização do percentual de água emduas amostras de solos distintos. O dispositivo foi simulado com o software comercialANSYS HFSST M e um protótipo foi construído e validado.

6.2 Projeto do sensor

O sensor proposto foi inicialmente modelado como uma antena de microfita com opatch no formato circular (Figura 6.1a), com frequência de operação em 3,1 GHz. Para ummelhor casamento na impedância de entrada da antena, foi feita a alimentação através deum transformador de quarto de onda, sendo adicionado um elemento CSRR no ressoador(Figura 6.1b) que causou o deslocamento da frequência para 2,26 GHz e surgiu umasegunda ressonância em 3,5 GHz. Para ser adicionado o MUT foi fabricado um recipiente

CAPÍTULO 6. SENSOR PARA DETERMINAR O TEOR DE ÁGUA EM SOLOS 48

em impressora 3D feito de filamento de Acrylonitrile-Butadiene-Styrene (ABS) TP20280(Figura 6.1c) e colocado sobre o patch. As dimensões da antena são mostradas na Tabela6.1, a dimensão do raio do patch circular foi encontrada via Equações (6.1,6.2) descritasem [42].

a =F

1+ 2hπεr

[ln(πF2h +1.7726)]

1/2 (6.1)

F =8.791 ·109

fr√

εr(6.2)

em que, o raio a ser calculado, h = 1.58mm referente a espessura do substrato dielé-trico, onde para o sensor proposto foi utilizado o FR-4 com εr = 4,4 e tanδ = 0,02, fr

representa a frequência de ressonância desejada.

Figura 6.1: Sensor proposto: (a) Antena de patch circular; (b) Duplo CSRR; (c) Estruturaesquemática completa, antena e recipiente impresso de ABS para confinamento do MUT[26].

Os resultados simulados e medidos do módulo do coeficiente de reflexão da antena depatch circular convencional e do sensor proposto com a introdução do duplo CSRR sãomostrados na Figura 6.2, onde é possível notar o deslocamento de 840 MHz na frequênciade ressonância da antena convencional, pode-se observar também o surgimento de umasegunda ressonância, o que já era esperado, pois é uma consequência direta da inserção deduas ranhuras estreitas próximas a extremidade do elemento irradiador, o que resultou nocomportamento dual-band com ressonâncias que possuem características semelhantes.


Tabela 6.1: Parâmetros do sensor proposto.Parâmetro Descrição Valor (mm)

W Largura do substrato 48L Comprimento do substrato 64R Raio do patch 13.2

WL Largura da linha de microfita 3LL Comprimento da linha de microfita 5Wt Largura do transformador de quarto de onda 1Lt Comprimento do transformador de quarto de onda 21d Deslocamento do CSRR da origem 6R1 Raio do CSRR externo 5R2 Raio do CSRR interno 3s Espessura do CSRR 1g Abertura do CSRR 1h Altura do recipiente de ABS 5

Figura 6.2: Resultados simulados e medidos referentes ao módulo do coeficiente de re-flexão para a antena de patch circular tradicional e para o sensor proposto com o CSRR[26].

6.3 Modelo matemático e validação

A variação da permissividade relativa do MUT tem uma relação não linear com odeslocamento da ressonância do sensor. Desta forma, essa variação pode ser utilizadapara determinar a permissividade do MUT. Devido o sensor possuir duas ressonâncias ecada uma delas possuir um nível de sensibilidade à variação da permissividade relativa


do MUT, é possível analisar individualmente o comportamento. As curvas obtidas e ospolinômios de segundo grau que foram utilizados como fitting são mostrados na Figura6.5a e 6.5b e na Tabela 6.2.

Para a obtenção dos dados, foi utilizado o software HFSS, os valores da permissivi-dade relativa εr foi incrementada de 0-10. Para cada simulação, um εr resultava em doisvalores de ressonância fr1, fr2. Desta forma, com os dados obtidos é possível descrever arelação entres os parâmetros de entrada (x) e saída (y). O processo foi definido de formaindividual para cada uma das ressonâncias, como mostrado na Figura 6.3.

Figura 6.3: Resultados simulados para diferentes valores da permissividade relativa doMUT.

Com todos os valores, para fr1 e fr2, foi possível através de uma regressão polinomialde segundo grau, obter as curvas que melhor interpolam os dados obtidos. O modelo pararegressão de um polinômio de grau n é descrito por:

Y (x) = a0 +a1 · xi +a2 · x2i + ...+an · xn

i + ε (6.3)

Após a obtenção dos dois polinômios de forma independente, foi feito o cruzamentodos resultados, sendo agora os parâmetros de entrada os valores de εr obtidos para fr1

e fr2, resultando em uma equação de primeiro grau de superfície. Os dados para umasuperfície, são melhor visualizados em forma de matriz por se tratar de um elementoespacial, desta forma, como mostrado em 6.4 é mostrado como os dados são dispostospara a obtenção da superfície de grau 1. n ∑xi ∑yi

∑xi ∑x2i ∑xiyi

∑yi ∑xiyi ∑y2i

·a0

a1

a2

=

∑zi

∑zixi

∑ziyi

(6.4)


A Figura 6.4 mostra a superfície obtida com a interpolação das curvas de cada umadas ressonâncias. Todos os polinômios são mostrados na Tabela 6.2.

Figura 6.4: Superfície obtida com a interpolação das curvas de segundo grau para asequações de fr1 e fr2.

Tabela 6.2: Curvas interpoladas para obtenção da permissividade em função da frequênciade ressonância

Curva interpolada R2

εr1 = 7.965 · f r21−46.52 · f r1 +65.49 0.9995

εr2 = 10.31 · f r22−75.79 · f r2 +140 0.9994

εr = 0.8427 · εr1 +0.1596 · εr2−0.01068 0.9995

Pode-se observar nas Figuras 6.5(a) e 6.5(b) que as duas ressonâncias possuem com-portamentos diferentes e não linear para a variação da permissividade do MUT. Destaforma, com a combinação dos dois polinômios obtidos, é realizada a combinação delesem uma superfície, sendo o resultado do cruzamento desses resultados o valor final dapermissividade do MUT. Todos os polinômios obtidos são mostrados na Tabela 6.2.

6.3.1 Validação do sensor proposto

Com os modelos matemáticos obtidos, foi realizada a validação da eficácia do sensorproposto, para isso foi realizada a verificação dos resultados em medições de materiais


Figura 6.5: Curvas interpoladas da variação da permissividade para diferentes valores deressonância; (a) f r1; (b) f r2.

que já possuem a permissividade conhecida na literatura. Três materiais dielétricos co-mumente utilizados como substratos em circuitos de RF sendo eles a fibra de vidro FR-4epoxy, Rogers RO4003C e vidro. O setup de medições para os materiais é mostrado naFigura 6.6(a) e as curvas medidas são mostradas na Figura 6.6b. Devido nas simulações,ter sido considerado o recipiente preenchido até 4,8 mm, é necessário utilizar a mesma es-pessura nos materiais medidos, dessa forma para os dielétricos FR-4 e Rogers RO4003Cforam medidos três placas de 1,57 mm cada, sobrepostas e a espessura da amostra devidro era 5 mm.

Figura 6.6: Resultados experimentais para validação do sensor. (a) Setup de medição; (b)Resultados medidos para FR-4, Vidro e Rogers RO4003C.


Com os resultados mostrados na Figura 6.6b, foi possível calcular permissividade re-lativa dos MUT’s. Aplicados o valor da primeira frequência de ressonância obtido namedição do FR-4 de f r1 = 1,995 GHz na equação mostrada na Tabela 6.2 o valor encon-trado é de εr1 = 4,3835, de forma similar para a segunda ressonância onde f r2 = 3,12GHz o valor de εr2 = 3,8969 é retornado. Finalmente, ao aplicar os valores de εr1 e εr2 épossível encontrar a permissividade relativa do substrato, que para o sensor proposto foio valor de εFR−4 = 4,3052, sendo o valor comparado de 4,4, desta forma o erro relativopercentual para o FR-4 foi de 2,2%. O mesmo procedimento foi aplicado aos resultadosobtidos nas medições do vidro e do Rogers RO4003C, sendo os valores obtidos para essasamostras de εGlass = 5,8207 e εRO4003C = 3,4563, os valores reais encontrados na litera-tura para esses dois materiais dielétricos sendo 5-10 para o vidro pois a sua permissividadedepende da composição do vidro aparecendo na literatura com valores como 5,5 [43] e6.2 [44], e o Rogers RO4003C tem a permissividade de 3.55 [40]. Portanto, os erros ob-tidos foram de 3,08% para o vidro considerando o valor de εr = 6 e para o Rogers o errofoi de 2,71%. Desta forma, os resultados de validação do sensor e do modelo proposto seapresentaram satisfatórios.

6.4 Aplicação: Determinação do teor de água em solos(θ)

Diversas aplicações necessitam de informações exatas, por exemplo aquelas que ex-traem a informação da umidade do solo a partir do percentual de água na amostra. Dentrealgumas podem ser citadas por exemplo o monitoramento de zonas de risco de desliza-mento de terras e agricultura. Desta forma, diversos autores têm proposto formas práticase simples de realizar esse tipo de caracterização, como por exemplo, um sensor que extraia umidade de amostras de solo baseado em cylinders Kopecky [45] ou utilizando penetra-ção de radar em alta frequência [46]. A quantidade de água no solo pode ser mensuradaatravés de medições da permissividade relativa da amostra [47, 48], uma vez que, a per-missividade da água é dezenas de vezes maior que a permissividade do solo, valores entre80 para a água e 2-3 para areia seca. Desta forma, uma pequena interação entre os dois,pode causar grandes alterações nas características da mistura, sendo assim, sensores quesão capazes de identificar a permissividade de um material qualquer podem ser aplicadosem caracterização do percentual de água em solos (θ), o que habilita a aplicação do sensorproposto neste trabalho para esse tipo de aplicação.

Neste trabalho, foram realizadas medições para dois tipos diferentes de solo, areia


quartzosa e argila vermelha. Para entender melhor a diferença entre esses solos, foi reali-zada a fluorescência de raio-X, técnica amplamente utilizada para a determinação das ca-racterísticas químicas de materiais. Esta é uma técnica de múltiplos elementos usada paraobter informações qualitativas e quantitativas sobre a composição elementar das amostras,com base na produção de raio-X característicos emitidos pelos elementos constituintes dosolo. O equipamento utilizado foi o modelo Shimadzu EDX-720 e os resultados da análisesão mostrados na Tabela 6.3.

Tabela 6.3: FRX Das duas amostras de solo, valores em (%)Solo Si Al Fe k Sr Ca Zr Ti Rb Mn S Cr

Areia 50.10 8.77 12.58 7.73 5.53 4.73 1.98 1.17 1.04 0.17 0.13 -Argila 46.58 23.72 18.17 1.00 - - 5.03 3.46 - - 0.50 0.20

Os solos utilizados neste trabalho foram obtidos na região costeira do Rio Grande doNorte. É possível observar a partir da análise química que ambos os materiais são ricosem sílica, alumínio e ferro. A areia tem um número maior de elementos porque foi re-movida do leito do rio e pode ter sido contaminada por resíduos poluentes presentes naágua. É também um material com um tamanho de grão maior, fazendo com que a águapermaneça na superfície do grão, mas não causando a aproximação de partículas. O outrosolo utilizado foi a argila vermelha, que é composta por uma quantidade maior de alu-mínio juntamente com sílica e possui um tamanho de grão muito pequeno em relação àareia. Isso faz com que os grãos formem aglomerados, retendo a água dentro da amostra,tornando o material plástico. Os dois solos estudados aqui são caracterizados como ro-chas sedimentares e, devido à erosão da costa do estado, sua presença é bastante comum.Esses solos podem ser utilizados para a fabricação de cimento, concreto, aterros, obrasde infraestrutura rodoviária e agricultura. Medições para 7 concentrações diferentes deágua, com areia seca, 1%, 3%, 5%, 7%, 9% e 10% de água e para argila vermelha com 8concentrações diferentes de argila seca, com 1%, 3%, 5%, 7%, 9%, 10% e 15% de águaforam realizadas e o cálculo da porcentagem foi feito por meio da Equação 6.5 [48].

θ(%) =mwater

mDrySoil·100% (6.5)

Onde mwater e mDrySoil representam a massa (em gramas) da água e das amostras desolos secos. A configuração usada na medição da areia de quartzo é mostrada na Fi-gura 6.7(a) e os resultados medidos do coeficiente de reflexão da areia (S11, dB) paraos três casos são mostrados na Figura 6.7(b). A configuração usada na medição da ar-gila vermelha é mostrada na Figura 6.8(a) e os resultados de S11 na Figura 6.8(b) Para


reprodutibilidade, todas as medições foram feitas a 24oC.

Figura 6.7: Procedimento experimental da areia; (a) Setup de medição; (b) Variação doS11 para diferentes θ(%).

Figura 6.8: Procedimento experimental da argila;(a) Setup de medição; (b) Variação doS11 para diferentes θ(%).

Com os resultados obtidos experimentalmente, foi possível estimar a permissividaderelativa da areia para diferentes concentrações. Pode ser visto na Figura 6.8(b) que, parapequenas variações na porcentagem de água, as ressonâncias do sensor tiveram mudançasconsideráveis. Por exemplo, com 5% de água a f r1 = 1,95 GHz e a 10% a f r1 = 1,785GHz, é observada uma variação de 165 MHz. Os resultados da permissividade relativados dois solos medidos são comparados com os valores obtidos na literatura. Para argila


vermelha, quando uma pequena quantidade de água foi adicionada, devido à sua caracte-rística de absorção, a mudança na frequência de ressonância do caso entre 0% e 7% daquantidade de água foi muito pequena. Os resultados de permissividade obtidos para asduas amostras diferentes de solo são mostrados nas Figuras 6.9 e 6.10 que são comparadoscom valores apresentados em [45, 47, 48].

Figura 6.9: Resultados medidos para diferentes θ (%). a com areia de quartzo. umaamostra de solo obtida na região de Banat, no nordeste da Sérvia. b Os valores mostradossão o valor médio daqueles obtidos nas medições. c Na análise de raios X dispersivos emenergia Energy-dispersive X-ray(EDX), a amostra de solo arenoso é composta por 11,5%de carbono, 28,1% de silício, 0,1% de magnésio, 0,7% de ferro e 53% de oxigênio.

Figura 6.10: Resultados medidos para diferentes θ (%) com argila vermelha. a Solo obtidona região de Yingtan, província de Jiangxi na China.


Os resultados experimentais apresentados neste trabalho mostram uma boa concor-dância com os trabalhos relatados por outros autores e as pequenas diferenças nos re-sultados devem-se às diferentes características das amostras de solo, uma vez que as ca-racterísticas elétricas dos solos estão diretamente relacionadas à sua composição química.Além disso, as amostras de solo comparadas (Figura 6.9 e Figura 6.10) têm característicasquímicas muito diferentes e foram extraídas em locais diferentes.

Os valores das constantes dielétricas do solo para diferentes concentrações de águasão mostrados na Tabela 6.4 e Tabela 6.5, para areia de quartzo e argila vermelha, respec-tivamente.

Tabela 6.4: Resultados medidos para amostras de solo de areia quartzosa.Solo θ(0%) θ(1%) θ(3%) θ(5%) θ(7%) θ(9%) θ(10%)

f r1 (GHz) 2.130 2.120 2.076 1.950 1.920 1.851 1.785

f r2 (GHz) 3.315 3.310 3.241 3.120 3.000 2.976 2.970

εr 2.450 2.560 3.146 4.877 5.517 6.530 7.520

Tabela 6.5: Resultados medidos para amostras de solo de argila vermelha.θ(%)

0 1 3 5 7 9 10 15f r1 (GHz) 2.13 2.10 2.09 2.08 2.03 1.99 1.95 1.81

f r2 (GHz) 3.31 3.29 3.28 3.28 3.12 3.09 3.09 2.95

εr 2.456 2.77 2.89 2.98 3.89 4.32 4.93 7.10

Para as amostras de solo de areia quartzosa, as medições foram feitas até uma con-centração de 10 % devido ao fato de que, com a concentração de 15 % de água para aquantidade de material no sensor, água livre, ou seja, não absorvido pela amostra do solo,influenciou drasticamente o resultado obtido. Os valores medidos para a argila vermelhaapresentaram baixos valores de permissividade relativa, devido ao fato da característica deabsorção e alta condutividade desse tipo de solo, causando maiores perdas dielétricas [46].

Pode ser observado grande concordância entre os resultados obtidos com os valoresencontrados na literatura.


Um novo e compacto sensor de micro-ondas composto por uma antena de patch de mi-crofita circular com dois ressonadores de anel dividido complementar com fenda (CSRRs)


foi desenvolvido para caracterizar a permissividade relativa de diferentes materiais dielé-tricos e determinar diferentes concentrações de água em diferentes tipos de solo. O prin-cípio de operação é baseado na diferença entre as frequências ressonantes do sensor come sem amostras MUT.

As características de sensibilidade do sensor proposto foram analisadas e compara-das com as disponíveis na literatura, comprovando que o sensor desenvolvido possui umgrande potencial e pode ser utilizado em diversas aplicações devido à pequena quantidadenecessária de amostra MUT, baixo custo, baixo peso , e facilidade de fabricação. Alémdisso, foi proposto um modelo empírico baseado no comportamento do sensor em cadabanda de ressonância, relacionando a frequência de ressonância com a permissividade dosmateriais em teste (MUT).

O sensor foi usado para caracterizar materiais dielétricos com propriedades conheci-das para fins de comparação e uma boa concordância entre os resultados foi observada.Também foi usado para determinar a concentração percentual de água em amostras deareia de quartzo e argila vermelha.

Capítulo 7

Conclusão

Três sensores de micro-ondas com novos design e compactos, o primeiro baseado noprojeto clássico de antenas log-periódica, o segundo em uma antena bioinspirada com umCIDC no centro do patch e o segundo composto por uma antena de microfita circular comdois ressoadores de anel dividido com fenda (CSRRs), foram desenvolvidos para caracte-rizar a permissividade relativa de diferentes materiais dielétricos. O primeiro foi aplicadono setup de medição em espaço livre para caracterização complexa de blocos de concreto,o segundo na determinação das propriedades dielétricas de materiais amplamente utiliza-dos na literatura e o terceiro foi aplicado para determinar diferentes concentrações de águaem diferentes tipos de solo. O princípio de operação do terceiro é baseado na diferençaentre as frequências ressonantes do sensor com e sem amostras MUT. Foi comprovadoque os sensores desenvolvidos possuem uma grande empregabilidade e podem ser utili-zados em diversas aplicações devido à pequena quantidade necessária de amostra MUT,baixo custo, baixo peso e facilidade de fabricação. Além disso, dois modelos empíricosforam propostos com base no comportamento dos sensores, um baseado em sua frequên-cia e o segundo em cada banda de ressonância, relacionando a frequência ressonante àpermissividade dos materiais em teste (MUT).

Os sensores foram utilizados para caracterizar materiais dielétricos com propriedadesconhecidas para fins de comparação e foi observada uma boa concordância entre os re-sultados. O primeiro foi aplicado na caracterização de blocos de concreto com +180 diasde cura e o terceiro também foi utilizado para determinar a porcentagem de concentraçãode água em amostras de areia quartzosa e argila vermelha. Além disso, os sensores pos-suem um grande potencial para uso em aplicações médicas, agrícolas e químicas, devido àalta sensibilidade a pequenas variações na permissividade relativa de diferentes materiais,perfil baixo, tamanho pequeno e estrutura plana.

As principais contribuições deste trabalho estão relacionadas à técnica de modelagemutilizada para determinar a constante dielétrica com base no comportamento de ressonân-

CAPÍTULO 7. CONCLUSÃO 60

cias, o uso de um sensor projetado para determinar a permissividade elétrica de materiaisna caracterização da porcentagem de teor de água no solo (θ) , e a redução de tamanhodo sensor proposto quando comparado aos apresentados em trabalhos publicados anteri-ormente.

Outra contribuição deste trabalho foi o desenvolvimento e aplicação de um novo sen-sor planar com diretividade aceitável e ampla largura de banda. Além disso, uma análiseprecisa é possibilitada na determinação das características elétricas dos materiais dielétri-cos, uma vez que esses parâmetros são diretamente dependentes da frequência com quesão estimados. Além disso, o uso do sensor proposto reduz significativamente a complexi-dade e o custo da medição do setup, além de ser utilizado em uma técnica não destrutiva.

Para continuidade do trabalho, pretende-se ampliar a faixa de operação do sensoraplicado na determinação do percentual de água em solos, desta forma, habilitando odispositivo para valores mais altos de concentração.

Pretende-se também, agregar ao dispositivo, através de algoritmos de aprendizado demáquina, técnicas de caracterização em tempo real, ao invés do método atual baseado nopós processamento dos dados medidos.

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