Estudo e projeto de antenas UWB em cenários de diversidade · Estudo e projeto de antenas UWB em cenários de ... Wireless-body area network, ... 8 Figura 3- Geometria de uma antena

Estudo e projeto de antenas UWB em cenários de diversidade

Tiago João Sequeira Pinto

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Orientador: Prof. Doutor António Manuel Restani Graça Moreira

Júri

Presidente: Prof. Doutor José Eduardo Ribeiro da Cunha Sanguino

Orientador: Prof. Doutor António Manuel Restani Graça Moreira

Vogal: Prof. Doutor João Manuel Torres Caldinhas Simões Vaz

Abril 2015

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ii

Agradecimentos

Quero agradecer principalmente ao meu orientador, ao Professor António Moreira, por toda a ajuda que

demonstrou ao longo de todo o período da dissertação, não só pelos conhecimentos científicos que me puderam ajudar

a desenvolver a dissertação, como pela prontidão e disponibilidade que demonstrou em todo este processo.

Agradeço ao senhor Carlos Brito pelo seu empenho, pela sua prontidão e pela sua elevada capacidade

demonstrada no fabrico da antena.

Ao senhor António Almeida, agradeço pela dedicação e competência demonstradas no processo da realização

dos testes da antena em laboratório.

Agradeço à minha família por me ter acompanhado e apoiado em todo o percurso académico, e

principalmente agradeço à minha namorada, porque foi um pilar essencial de apoio e compreensão ao longo de toda

a dissertação e da minha vida.

Por último agradeço a todos os meus amigos que de algum modo estiveram envolvidos neste processo e

sempre me deram o seu apoio.

A todos um grande obrigado.

iii

Resumo

As comunicações on-body de antenas wearable podem ser incorporadas em diversos tipos de aplicações

médicas, monotorização de desportos, aplicações policiais, militares e de entretenimento. Este tipo de comunicações

são afetadas não só pelo efeito que o corpo humano induz na ligação (dessintonias, desadaptação da impedância de

entrada e absorção por parte dos tecidos), como também pelo ambiente envolvente ao corpo humano que origina

atenuações multipercurso.

Esta dissertação tem como objetivo o estudo e projeto de antenas para cenários de diversidade em aplicações

WBAN que consigam combater as atenuações multipercurso e o efeito que a proximidade do corpo humano tem nas

ligações de antenas wearable. Para isso foram realizados estudos e dimensionamentos de antenas UWB com

diversidade espacial e diversidade de polarização que possam ser utilizadas nestes tipos de aplicações junto ao corpo,

avaliando os parâmetros-S da antena e o seu ganho de diversidade. Depois dos estudos realizados, foi projetada uma

nova antena microstrip (MS) de banda larga (UWB) com diversidade de polarização onde se simularam e realizaram

testes de laboratório da antena em espaço livre e na presença de um braço humano. Foram testados os coeficientes de

reflexão, banda de funcionamento, acoplamentos mútuos, grau de correlação, eficiências e ganho de diversidade da

antena em espaço livre e junto ao braço humano.

Palavras-chave: Wireless-body area network, Antena Ultra-Wide band, diversidade espacial, diversidade de

polarização, ganho de diversidade, proximidade ao corpo humano.

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Abstract

On-body communication of wearable antennas can be incorporated into several types of medical applications,

sports monitoring, police, military and entertainment applications. Such communications are affected not only by the

fact that the human body induces in the link (detuning, impedance mismatch and absorption by the tissues), as well as

the surrounding environment to the human body that causes multipath attenuation.

This thesis aims to study and design WBAN antenna diversity schemes which can combat multipath

attenuation and the effect that proximity of the human body has in wearable antenna links. Two UWB antennas with

spatial and polarization diversity were studied and performed to be used in these types of body applications, evaluating

the S-parameters of the antenna and its diversity gain. After the studies, a new MS UWB antenna with polarization

diversity has been designed. The antenna matching is studied in free space and body proximity. For that, two models

of human arm, with flat and elliptical cross sections, have been created and simulated. The reflection coefficients,

antenna bandwidth, mutual coupling, correlation degree, efficiencies and antenna diversity gain were tested in free

space and near the human arm.

Keywords: Wireless-body area network, Ultra-Wide band antenna, spatial diversity, polarization diversity,

diversity gain, presence of the human body.

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Índice

1. Introdução .............................................................................................................................................. 1

1.1. Motivação e definição do problema em estudo na dissertação ...................................................... 1

1.2. Objetivos da Dissertação ............................................................................................................... 4

1.3. Organização da Dissertação........................................................................................................... 5

2. Configurações de diversidade com Antenas UWB ............................................................................. 7

2.1. Estado da arte ................................................................................................................................ 8

2.2. Definições gerais ......................................................................................................................... 11

3. Estudo e projeto de antenas UWB com diversidade para operar junto ao corpo .......................... 15

3.1. Introdução .................................................................................................................................... 15

3.2. Projeto de antenas com diversidade ............................................................................................. 16

3.3. Simulação das antenas projetadas ................................................................................................ 18

3.3.1. Módulo do coeficiente de reflexão de entrada, acoplamento mútuo e banda de

funcionamento ..... …………………………………………………………………..……..19

3.3.3. Ganho de diversidade influenciado pela diversidade espacial e de polarização .................. 25

3.3.3.2.Correlação dos sinais nos portos das antenas ..................................................................... 25

3.3.3.3.Eficiência das antenas ........................................................................................................ 26

3.3.3.4.Ganho de diversidade ......................................................................................................... 28

3.4. Teste laboratorial da antena proposta de diversidade .................................................................. 30


funcionamento ........ ……………………………………………………………………….30

3.4.4. Coeficientes de Correlação .................................................................................................. 33

3.4.5. Ganho de diversidade ........................................................................................................... 33

3.5.Conclusões ................................................................................................................................... 35

4. Estudo das antenas propostas na proximidade do corpo humano .................................................. 37

4.1. Introdução .................................................................................................................................... 37

4.2. Caracterização da geometria de um membro humano ................................................................. 37

4.3. Simulação das antenas em presença do corpo humano ............................................................... 40


funcionamento das antenas .................................................................................................. 40

4.3.2. Coeficientes de correlação ................................................................................................... 43

4.3.3. Eficiência das antenas .......................................................................................................... 43


vi

4.4. Teste laboratorial da antena na presença do corpo humano ........................................................ 46

4.6.1. Módulo do coeficiente de reflexão, acoplamento mútuo e banda de funcionamento .......... 46

4.6.2. Coeficientes de correlação ................................................................................................... 48


5. Conclusão………………………….…………………………………………………………….……..51

5.1. Trabalho realizado e comparações de resultados ......................................................................... 51

5.2. Trabalho futuro ............................................................................................................................ 52

Bibiografia………………………………...…..……….……………………………………….........................................55

Anexo A-Máscara da antena………………………………………………….………………………………………….……..58

Anexo B-Conector SMA………....………………………………………….………………....…………………………......59

Anexo C-Medição dos parâmetros-S…………………………………..…………………………………………………...60

vii

Lista de figuras

Figura 1- Classificação das comunicações BAN [8]. .................................................................................... 2

Figura 2- Desvanecimento de um sinal mediante a distância entre transmissor e recetor.[9] ...................... 8

Figura 3- Geometria de uma antena de diversidade UWB e os seus parâmetros-S.[16] .............................. 9

Figura 4- Antena de diversidade fabricada com os seus parâmetros-S. [17] .............................................. 10

Figura 5- Geometria e dimensões de uma UWB antena com diversidade espacial. [18] ........................... 10

Figura 6- (a)Geometria de uma antena triangular right-angled ; (b) Parametros-S. [19] .......................... 10

Figura 7- Função densidade de probabilidade cumultiva para diferentes ramos M, e ganho de diversidade

para dois ramos (M=2). ............................................................................................................................... 12

Figura 8- Três métodos comuns para combinar sinais(a) SC, (b) EGC, (c) MRC. .................................... 12

Figura 9- Geometria da antena proposta (monopolos espaçados ortogonalmente entre si) (a) vista

superior. (b) vista inferior. .......................................................................................................................... 17

Figura 10- Protótipo da antena: (a) vista superior; (b) vista inferior. ......................................................... 17

Figura 11- Geometria da segunda antena proposta (monopolos espaçados paralelamente entre si) (a) vista

superior;(b) vista inferior. ........................................................................................................................... 17

Figura 12- Distribuição das correntes na antena com diversidade de polarização à frequência 5.5GHz: (a)

quando o porto 1 é excitado e o porto 2 é terminado por carga adaptada; (b) quando o porto 2 é excitado e

o porto 1 é terminado por carga adaptada. .................................................................................................. 18

Figura 13- Distribuição das correntes da antena com diversidade espacial à frequência de 5.5GHz: (a)

quando o porto 1 é excitado e o porto 2 é terminado por carga adaptada; (b) quando o porto 2 é excitado e

o porto 1 é terminado por carga adaptada. .................................................................................................. 18

Figura 14- Coeficientes de reflexão da antena simulada com diversidade de polarização (a) e (b),

(𝑺𝟏𝟏 𝒆 𝑺𝟐𝟐 respetivamente), e o acoplamento mútuo (c), (𝑺𝟐𝟏), para diferentes distâncias entre

elementos. ................................................................................................................................................... 20

Figura 15- Coeficientes de reflexão da antena simulada com diversidade espacial (𝑺𝟏𝟏 = 𝑺𝟐𝟐) e

acoplamento mútuo 𝑺𝟐𝟏 = 𝑺𝟏𝟐 para diferentes distâncias entre elementos. ............................................ 21

Figura 16- Simulação dos parâmetros-S da antena de diversidade de polarização ..................................... 22

Figura 17- Simulação dos parâmetros-S da antena de diversidade espacial. .............................................. 23

Figura 18- Novo dimensionamento da antena de diversidade espacial: (a)vista superior; (b) filtro da

antena .......................................................................................................................................................... 24

Figura 19- Simulação dos parâmetros-S do novo dimensionamento da antena de diversidade espacial com

a adição de um filtro. .................................................................................................................................. 24

viii

Figura 20- Novo dimensionamento da antena de diversidade de polarização com filtro (a) e parâmetros-S

da antena simulados (b). ............................................................................................................................. 24

Figura 21- Comparação do grau de correlação entre os sinais nos portos das antenas para a diversidade de

polarização e diversidade espacial. ............................................................................................................. 26

Figura 22- Eficiência total das antenas simuladas: (a) diversidade de polarização; (b) diversidade espacial.

.................................................................................................................................................................... 27

Figura 23- Comparação entre os ganhos de diversidade aparente simulados das duas antenas. ................ 28

Figura 24- Comparação entre os ganhos de diversidade efetivos simulados das duas antenas. ................. 29

Figura 25- Montagem para a medição dos parâmetros-S: (a) esquema de montagem composto por o

analisador vetorial E8361A, cabo de medição e antenas; (b) visualização da estrutura de antenas em

medição. ...................................................................................................................................................... 30

Figura 26 - Medição experimental dos parâmetros-S da antena com diversidade de polarização:

coeficientes de reflexão e acoplamento mútuo. .......................................................................................... 31

Figura 27- Comparação entre os parâmetros-S simulados e medidos experimentalmente da antena com

diversidade de polarização: (a) 𝑺𝟏𝟏 ; (b) 𝑺𝟐𝟏 ; (c) 𝑺𝟐𝟐. ........................................................................... 32

Figura 28- Comparação do grau de correlação medido e simulado. ........................................................... 33

Figura 29- Ganho de diversidade aparente medido e simulado. ................................................................. 34

Figura 30- Ganho de diversidade efetivo medido e simulado. .................................................................... 34

Figura 31- Modelos de um membro humano usados para a simulação: (a) Modelo Elíptico; (b) Modelo

Plano. .......................................................................................................................................................... 38

Figura 32- Propriedades dielétricas dos materiais usados nos modelos do braço humano numa gama de

frequências de 2 a 12GHz:(a) permitividade dielétrica relativa; (b) tangente do ângulo de perdas. .......... 39

Figura 33- (a) vista lateral e (b) vista frontal da antena na presença do braço humano elíptico. ................ 39

Figura 34- Comparação dos parâmetros-S das antenas em espaço livre, com a estutura junto ao modelo

plano e junto ao modelo elíptico; (a) |S11|; (b) |S21|; (c) |S22|. .................................................................. 41

Figura 35- Parâmetros-S das antenas junto aos dois modelos do braço humano; (a) modelo plano; (b)

modelo elíptico............................................................................................................................................ 42

Figura 36- Grau de correlação dos sinais da antena em espaço livre, na presença do modelo plano e na

presença do modelo elíptico. ....................................................................................................................... 43

Figura 37- Eficiência total dos elementos da antena: (a) na presença do modelo plano; (b): na presença do

modelo elíptico............................................................................................................................................ 44

Figura 38- Ganho de diversidade aparente (a) e ganho e diversidade efetivo (b) em espaço livre e na

presença dos dois modelos. ......................................................................................................................... 45

Figura 39- Medição laboratorial dos parâmetros-S junto ao braço humano. .............................................. 46

Figura 40- Parâmetros-S junto ao braço humano medidos experimentalmente e junto aos dois modelos

simulados (plano e elíptico); (a) |S11|; (b) |S21|; (c) |S22|; ......................................................................... 47

Figura 41- Medição experimental dos parâmetros-S junto ao braço humano. ............................................ 48

Figura 42- Grau de correlação dos sinais nos portos da antena em espaço livre, na presença do modelo

plano e na presença do modelo elíptico ...................................................................................................... 49

Figura 43- Ganho de diversidade aparente na presença dos dois modelos de simulação e medição

experimental junto ao braço humano. ......................................................................................................... 50

Figura 44- Ganho de diversidade efetivo em espaço livre, na presença dos dois modelos simulados e

medição experimental junto ao braço humano............................................................................................ 50

ix

Figura 45- Máscaras das antenas de diversidade de polarização. ............................................................... 53

Figura 46- Conector SMA: (a) modelo simulado; (b) conector SMA real; (c) dimensões. ........................ 53

x

Lista de tabelas

Tabela 1- Principais bandas de frequências com as respetivas tecnologias e aplicações.............................. 2

Tabela 2- Dimensões dos vários parâmetros da antena .............................................................................. 17

Tabela 3- Espessura dos diferentes tecidos. ................................................................................................ 38

xi

Lista de abreviaturas

BAN- Body area network

CPW-Coplanar waveguide

EGC -equal gain combining

FCC- Federal communication commission

GD-Ganho de diversidade

ISM-Industrial Scientific Medical

MICS-Medical Implant Communication Service

MRC -maximum ratio combining

MS-Microstrip-line

RF- Radio frequency

SC- Combining Selection

SMA-SubMiniature version A

UWB- Ultra wide band

VNA-Vector analiser

WBAN- Wireless body area network

WA- Wearable antennas

xii

1

Capítulo 1

Introdução

1.1. Motivação e definição do problema em estudo na dissertação

Devido ao crescente número de aplicações nos sistemas de comunicações pessoais, as comunicações wireless

centradas no corpo humano são já uma solução natural para as body-area-network antennas (BANs). Este tipo de

tecnologia tem alcance de 2-5m e utiliza o corpo humano como ambiente de suporte para a comunicação de dois ou

mais dispositivos no corpo. A tecnologia BAN pode ser classificadas em comunicações in-body, on-body e off-body

[1]. No tipo de comunicação off-body, a comunicação é feita entre dispositivos situados no corpo humano e

dispositivos que se situam fora dele; a comunicação on-body é feita entre dispositivos que estão incorporados no

mesmo corpo humano, e a comunicação in-body é referida à comunicação entre dois ou mais dispositivos no interior

do corpo humano. Na Figura 1 estão apresentados os três tipos de tecnologias mencionadas centradas no corpo

humano.

O interesse pelas wireless body-area-network antennas (WBAN) cresceu significativamente para diversas

aplicações tais como, sistemas de saúde, monitorização de desportos, entretenimento pessoal, e serviços militares

[1,2,3]. Nas comunicações WBAN a antena representa um fator determinante para a qualidade da ligação, uma vez

que a proximidade junto ao corpo humano pode modificar certas características tais como, a sua impedância de

entrada, os diagramas de radiação/polarização e a sua eficiência [4]. Este tipo de antenas são denominadas de Wearable

Antennas (WA) e o seu objetivo é realizar a comunicação entre os diversos dispositivos constituintes das redes BAN.

Este tipo de antenas segundo [5] podem estar colocadas no vestuário, integradas na própria roupa e equipamentos, ou

possuírem a forma de um objeto ou acessório de uso diário. As diferentes bandas de operação das BAN para as quais

as WA devem ser dimensionadas estão representadas na tabela 1, onde é feita a distinção entre as bandas Medical

Implant Communication Service (MICS), as bandas Industrial Scientific Medical (ISM) que são constituídas pela

tecnologia ZigBee, Bluetooth e Wireless Local Area Network, UWB (ultra-wide-band).

2

A tecnologia de UWB surgiu como uma excelente solução para as WBAN uma vez que oferece transmissões de

sinal com baixo ruído, robustez contra propagação multipercurso e transmissões de dados com ritmos elevados através

de curtas distâncias [6,7]. Uma via para dimensionar configurações de antenas UWB de perfil reduzido é fazer uso da

tecnologia de microstrip. As antenas impressas microstrip são de baixo custo e relativamente fáceis de fabricar, sendo

desta forma mais atrativas para redes WBAN.

Figura 1- Classificação das comunicações BAN [8].

Tabela 1- Principais bandas de frequências com as respetivas tecnologias e aplicações.

3

Existem cada vez mais investigação associadas à adaptação da tecnologia UWB para WA antenas devido às vantagens

que esta tecnologia oferece, essencialmente devido à larga banda disponível que por sua vez permite ritmos de

transmissão muito elevados [8].

Muitos investigadores reportaram o desempenho de várias comunicações UWB on-body em relação ao seu ganho,

aumento de velocidades de transmissão e fracos desvanecimentos de sinal [10,11,13]. Todavia são poucos os estudos

realizados acerca da tecnologia UWB em relação ao comportamento da interação de antenas junto ao corpo humano.

Por outro lado a diversidade de antenas surgiu como uma técnica capaz de combater os possíveis

desvanecimentos que possam ocorrer em ligações junto ao corpo humano uma vez que pode aumentar

significativamente a capacidade do canal originando comunicações mais confiáveis [8]. Na propagação de sinais

eletromagnéticos junto ao corpo existem dois aspetos predominantes negativos que podem ocorrer neste tipo de

comunicações: a propagação pode ser afetada pelo movimento do corpo e o sinal pode ser afetado pela propagação

multipercurso, que existe não só no ambiente envolvente como no próprio corpo humano devido a possíveis reflexões

do sinal [6-9,12]. O princípio geral da diversidade de antenas é o fornecimento no recetor de várias réplicas do mesmo

sinal transmitido, que não sejam correlacionados entre si; desta forma, utilizando possíveis técnicas de agrupamento

destes sinais, é possível combater os desvanecimentos no canal de comunicação, melhorando consequentemente a

qualidade da ligação e aumentando a sua eficiência.

4

1.2. Objetivos da Dissertação

O objetivo desta dissertação é o projeto de uma solução compacta de antenas UWB para cenários de diversidade

que tenha boas características para aplicações em BAN. É utilizada a técnica de diversidade com o intuito de combater

eventuais desvanecimentos de sinais que possam ocorrer através da propagação multipercurso ou desvanecimentos

que o próprio corpo humano induz na ligação. Desta forma são projetadas duas configurações de antenas UWB com

dois tipos de diversidade, cada uma constituída por dois monopolos em anel para operar junto ao corpo humano. Este

tipo de antena foi escolhida no seguimento de um trabalho realizado em [14], onde os autores propõem uma antena

UWB com um monopolo em anel. Uma vez que se trata de uma antena para funcionar em UWB, pretende-se que a

antena seja funcional na banda de 3.1GHz a 10.6GHz. Nesta dissertação é investigada a influência de técnicas de

diversidade no ganho de diversidade em sistemas UWB. Pretende-se explorar com estas antenas dois tipos de

diversidade para combater possíveis desvanecimentos de sinal: diversidade espacial e diversidade de polarização. Para

isso é necessário dimensionar dois tipos de configurações, uma com dois monopolos em anel espaçados paralelamente

entre si, e outra com dois monopolos em anel ortogonais para estudar a diversidade espacial e de polarização

respetivamente. Ao estudar e dimensionar este tipo de antena pretende-se obter um bom isolamento entre os elementos

de cada antena, uma vez que se espera que quanto maior for o isolamento maior é o ganho de diversidade. Como se

pretende estudar antenas múltiplas, constituídas por dois elementos, a referência em texto a uma antena com

diversidade significa uma estrutura com duas antenas em diversidade (dois elementos).

Para o dimensionamento da estrutura da antena e das diversas simulações em espaço livre, utilizou-se o software

𝐶𝑆𝑇𝑇𝑀 Microwave Studio. Este software permite estudar o comportamento das antenas avaliando alguns dos

principais parâmetros que melhor as descrevem segundo [15]. Esses parâmetros são o módulo do coeficiente de

reflexão de entrada, a banda de funcionamento e as eficiências de radiação. Estes parâmetros vão ser analisados em

espaço livre e na presença do ser humano.

Para estudar a proximidade do corpo humano são realizados dois possíveis modelos de um braço humano através

do software mencionado, permitindo deste modo recrear um cenário que seja o mais real possível para a obtenção de

resultados preliminares.

Depois dos parâmetros simulados através do 𝐶𝑆𝑇𝑇𝑀Microwave Studio, são feitas as medições em laboratório da

antena, e posteriormente a comparação com os resultados simulados.

Pretende-se como objetivo principal estudar e comparar dois tipos de diversidades de antenas; a diversidade

espacial e a diversidade de polarização, avaliando o seu respetivo ganho de diversidade. Na avaliação do ganho de

diversidade pretende-se não só avaliar e comparar os dois tipos de ganhos impostos pela diversidade, como também

apresentar o grau de isolamento e de correlação entre eles, sendo estes avaliados também por simulação e por testes

laboratoriais da antena no caso da medição de isolamento.

5

1.3. Organização da Dissertação

Esta dissertação divide-se em cinco capítulos, incluindo o presente e é complementada por anexos que

contêm as mascaras de fabrico da antena, o dimensionamento do conector através de simulação, as medições dos

parâmetros-S e filtro implementado nas antenas com diversidade.

No capítulo 2 é feita uma breve introdução às antenas para soluções de diversidade em operação junto ao

corpo, nomeadamente, são enumerados possíveis problemas que a proximidade do corpo humano origina. É referida

e apresentada a tecnologia UWB presente na implementação da antena, bem como o estado da arte de antenas UWB

com diversidade dimensionadas para aplicações wearable. São descritas definições gerais relacionadas com o ganho

de diversidade, e como este parâmetro é calculado teoricamente, bem como as técnicas de diversidade existentes que

originam a combinação de sinais, influenciando o ganho de diversidade.

No capítulo 3 são propostas duas antenas de diversidade UWB, onde são feitas simulações pelo software

𝐶𝑆𝑇𝑇𝑀 Microwave Studio e medições experimentais que avaliam o comportamento da antena através dos principais

parâmetros que a constituem. É feita uma comparação do ganho de diversidade, correlação e isolamento entre dois

tipos de diversidades, a diversidade espacial e a diversidade de polarização.

No capítulo 4 é investigado, primeiro por simulação e depois por testes laboratoriais, o comportamento das

antenas de diversidade junto ao corpo humano - para esta finalidade são dimensionados e comparados dois modelos

simplificados do braço humano (elíptico e plano). Depois de estudado o comportamento da antena na proximidade do

corpo humano por simulação, são feitos testes em laboratório na presença do corpo humano avaliando os principais

parâmetros descritos anteriormente.

Finalmente no capítulo 5 são feitas as conclusões do comportamento geral das soluções propostas, sendo

apresentadas sugestões para trabalho futuro.

6

7

Capítulo 2

Configurações de diversidade com

Antenas UWB

Nas comunicações a proximidade do corpo humano origina segundo [15] dessintonia, alterações nos

diagramas de radiação, desadaptação da impedância de entrada e absorção do sinal. Uma via promissora para melhorar

o desempenho de ligações de comunicação é tirar vantagem da técnica de diversidade de antenas, uma vez que diminui

a influência de desvanecimento do canal. A conjunção entre a diversidade de antenas e tecnologia UWB proporciona

uma maior capacidade de canal e maiores taxas de transmissão de dados.

Os sistemas de comunicação têm recebido uma maior atenção na área das comunicações wireless desde que

a Federal Communication Commission (FCC) divulgou uma banda de livre utilização de 7.5GHz (de 3.1-10.6GHz)

[8]. Esta banda é chamada de banda UWB, e tem regulamentada uma potência isotrópica de radiação efetiva inferior

a -41.3dBm/MHz para aplicações de comunicação [8]. A abertura desta banda larga para as aplicações comerciais

originou um crescente interesse em investigar e desenvolver a tecnologia de UWB para comunicações wireless de

curto alcance, tais como radar de imagem (imaging radar), deteção remota (remote sensing), e aplicações de

localização [14]. As antenas impressas em forma de patch têm geralmente a desvantagem de terem uma largura de

banda estreita, a tecnologia UWB surge como uma grande mais-valia neste sentido. Devido aos elevados ritmos de

transmissão (até 480Mbps) num curto raio de alcance (até 9 metros) que a tecnologia UWB possui, faz com que esta

seja adequada para tipos de aplicações on-body e off-body no âmbito das BAN.

Dimensionar uma antena UWB para comunicações centradas no corpo é uma tarefa que engloba certos

requisitos fundamentais. A antena deve ter boas características no domínio da frequência/tempo, deve ser de tamanho

reduzido e deve apresentar boas características para cenários com propagação on-body [8]. É também de grande

importância garantir uma taxa de absorção espefícica (Specific Absorption Rate -SAR) dentro dos limites estabelecidos

pelos organismos de regulamentação, para que as antenas tenham uma radiação eletromagnética que seja inofensiva

para a saúde do utilizador.

8

2.1. Estado da arte

Os sinais RF no meio de propagação típico entre duas antenas de comunicação sofrem perdas de sinal devido

às atenuações em espaço livre e ao efeito de multipercurso quando o sinal encontra obstáculos no seu percurso [7].

No efeito de multipercurso ou Rayleigh fading o sinal viaja por diferentes caminhos que originam reflexões do próprio

sinal, desta forma os sinais recebidos pela antena recetora podem sofrer de desvanecimento uma vez que não se

encontram em fase e consequentemente existe probabilidade de ocorrer interferência destrutiva. A degradação de um

sinal encontra-se representada na Figura 2 mediante a distância entre o transmissor e recetor, bem como os obstáculos

presentes no canal. O sinal tem de estar no nível acima de sensibilidade do recetor para estar ao alcance deste e é

possível ver mais pormenorizado pela Figura 2 o desvanecimento do sinal (Rayleigh fading) devido ao multipercurso.

Este tipo de degradação do sinal pode ser resolvido aumentando a potência do transmissor ou redimensionando a

antena, todavia o aspeto económico destas soluções principalmente para antenas de tamanho reduzido não é viável

[9].

Para ultrapassar estas dificuldades é usada a técnica de diversidade. Utilizando a técnica de diversidade é

possível disponibilizar ao recetor réplicas da informação transmitida, sendo essas réplicas afetadas de maneira

diferente pelo canal de comunicação. Num determinado instante uma réplica do sinal poderá estar com forte

desvanecimento mas será grande a probabilidade de outras réplicas do sinal não se englobarem nessa situação. Desta

forma é feita uma combinação dos sinais para fornecer um sinal mais estável que o sinal obtido se não houvesse

réplicas não correlacionados do sinal (diversidade). A diversidade provou ser uma solução eficaz para mitigar o

desvanecimento de multipercurso e aumentar a capacidade do sistema num ambiente com inúmeros obstáculos ao

sinais RF [1]. As técnicas existentes de diversidade de antenas mais conhecidas são a diversidade espacial, de

polarização e a diversidade de diagrama de radiação. A técnica de diversidade espacial tem por base o uso de duas

antenas separadas por uma certa distância, resultando em atrasos de fase diferentes entre os sinais que chegam às

antenas recetoras. A distância de separação entre as antenas é escolhida de forma a assegurar que os sinais se

encontram fracamente correlacionados. A técnica de diversidade de polarização utiliza duas antenas polarizadas

Figura 2- Desvanecimento de um sinal mediante a distância entre

transmissor e recetor [9].

9

ortogonalmente. A técnica de diversidade de diagrama de radiação faz uso de duas ou mais antenas, com diferentes

diagramas de radiação nos quais são geralmente separadas a uma curta distância. Nesta dissertação vão ser abordadas,

estudadas e implementadas as técnicas de diversidade espacial e de diversidade de polarização.

A diversidade é uma técnica amplamente usada nas comunicações wireless body-centric oferecendo vastas

melhorias para comunicações on-body [8]. A junção da diversidade de antenas combinada com a tecnologia UWB,

faz com que seja ainda mais atrativo o projeto deste tipo de antenas para a obtenção de melhores eficiências.

O objetivo principal ao dimensionar uma antena de diversidade UWB-WBAN é a obtenção de um baixo

acoplamento mútuo, ou seja, que tenha um bom isolamento entre os elementos das antenas - quanto maior for o

isolamento melhor é o desempenho que a diversidade impõe e maior é a eficiência dos elementos de cada antena [6].

Foram estudados e projetados diversos tipos de antenas de diversidade UWB, onde se procurou reduzir as dimensões

das antenas e aumentar o isolamento entre elas. Desta forma na literatura são apresentadas algumas antenas que

obedecem a estes critérios. Na Figura 3 esta representada uma antena de diversidade de polarização e diversidade de

diagrama de radiação com dimensões de 37×45×0.8mm [16], sendo possível ver pelo gráfico a parametrização dos

coeficientes de reflexão e o isolamento da antena. É notório que na banda de 3 - 5.25GHz a antena apresenta um

isolamento superior a 10dB, normalmente tomado como referência. Na Figura 4 é apresentada uma antena de

diversidade espacial cross-strip [17] de dimensões de 43×24mm com um acoplamento mútuo inferior a -20dB (𝑆12 =

𝑆12 ≤ −20𝑑𝐵), demonstrando um isolamento elevado.

Figura 3- Geometria de uma antena de diversidade UWB e os seus parâmetros-S.[16]

10

Na Figura 5 é apresentada outra antena de diversidade espacial, e na Figura 6 é apresentada uma antena

triangular right-angled com diversidade de polarização [19]. Tem dimensões de 56×56mm e isolamento maior que

20dB em algumas frequências. Nas aplicações que utilizam banda estreita a diversidade espacial é o método mais

comum para combater o desvanecimento de sinal [20]. Nos estudos feitos em [21] e [22] investigou-se o ganho de

Figura 4- Antena de diversidade fabricada com os seus parâmetros-S. [17]

Figura 5- Geometria e dimensões de uma UWB antena com diversidade espacial.

[18]

Figura 6- (a)Geometria de uma antena triangular right-angled ; (b) Parametros-S.

[19]

11

diversidade para comunicações on e off-body. Foram feitos estudos experimentais em [23] utilizando técnicas de

diversidade espacial e de polarização com antenas MIMO para aplicações centradas no corpo humano. Contudo, não

foi fornecido nenhum tipo de discussão acerca do ganho de diversidade e eventuais resultados. Em [8] foi estudado e

comparado em simulação e experimentalmente o ganho de diversidade entre a diversidade espacial e de polarização

de uma UWB antena. Concluiu-se que a diversidade de polarização apresentou um ganho de diversidade de 1dB

superior à técnica de diversidade espacial, demonstrando-se desta forma mais eficaz para eventuais desvanecimentos

de sinal que possam ocorrer através de ligações on-body.

2.2. Definições gerais

A eficiência de uma configuração de diversidade é normalmente apresentada em termos de um ganho de

diversidade (GD). O ganho de diversidade pode ser definido como uma melhoria da relação sinal-ruído (SNR) de

sinais combinados de um sistema de antenas com diversidade, em relação ao SNR de uma única antena no sistema,

de preferência a melhor [6,7,9]. Esta definição é condicionada pela probabilidade do SNR estar a cima de um nível de

referência. O valor da probabilidade é opcional mas é geralmente definido de 50% ou 99% de confiabilidade. A

expressão matemática geral do ganho de diversidade é dada em (1); onde 𝛾𝑐 é o valor instantâneo SNR do sinal de

diversidade combinado, Γ𝑐 representa a média do valor SNR do sinal combinado, 𝛾1 é o valor SNR mais alto dos sinais

de diversidade de cada ramo da antena, Γ1 é a média do valor de 𝛾1, sendo que o valor de 𝛾𝑠

Γ representa o nivel de

referência ou limiar (threshold)(2).

O nível de potência recebida num ambiente de multipercurso sem linha de vista é estatisticamente distribuída

segundo uma função de Rayleigh [6]. Num esquema de diversidade de dois ou mais elementos, a potência recebida

de cada elemento terá uma densidade de probabilidade descrita pela distribuição de Rayleigh. A probabilidade

cumulativa, P, de se observar um valor superior ao limiar é dependente do número de ramos M num sistema de

diversidade de uma antena. Assumindo que os sinais não correlacionados têm uma distribuição de Rayleigh nos seus

ramos com igual ruído, a probabilidade pode ser expressa de acordo com (2).

𝑃 (𝛾𝑐 <𝛾𝑠

Γ) = (1 − 𝑒

𝛾𝑠Γ )𝑀 [7] (2)

𝐺𝐷 = [𝛾𝑐

Γ𝑐

−𝛾1

Γ1

] (𝑑𝐵) [9] (1)

12

Para otimizar SNR num esquema de diversidade, os sinais provenientes dos elementos da antena podem ser

combinados de três formas como mostra a Figura 8: Combining Selection (SC), Equal Gain Combining (EGC) e

Maximal Ratio Combining (MRC) [7].

Figura 7- Função densidade de probabilidade cumultiva para diferentes ramos M, e

ganho de diversidade para dois ramos (M=2).

Figura 8- Três métodos comuns para combinar sinais(a) SC, (b) EGC, (c) MRC.

13

Selection Combining: Este tipo de combinação seleciona o sinal recebido mais forte dos diferentes elementos da

antena. O diagrama de blocos esta representado na Figura 8(a). A ideia chave desta combinação é a de escolher o

elemento que tem maior SNR em qualquer instante de tempo.

Equal Gain Combining: Trata-se de uma combinação dos sinais provenientes dos elementos da antena, onde a ideia

chave é realizar-se uma combinação linear dos sinais da antena que vai por sua vez originar um sinal SNR de saída

mais alto em comparação ao sinal de cada elemento da antena.

Maximal Ratio Combining: Esta técnica também usa uma combinação linear dos sinais dos elementos da antena que

originam uma maximização do SNR à saída, onde apenas os sinais mais fortes dos elementos da antena são preferíveis

aos sinais mais fracos, e são por sua vez combinados.

Dependendo do número de ramos, quando os sinais recebidos desses ramos são combinados através de um dos

modelos mencionados anteriormente, o GD relativo ao ramo de referência [Figura 7] pode ser expresso em (3) como:

𝐺𝐷 = [

𝑃𝑑𝑖𝑣

P𝑏𝑟𝑎𝑛𝑐ℎ

] (3)

Onde 𝑃𝑑𝑖𝑣 representa o valor da potência do sinal depois de ter sido feita a combinação por diversidade, e o P𝑏𝑟𝑎𝑛𝑐ℎ é

a potência do sinal do elemento de referência. Os dois níveis de potência são lidos pelo mesmo nível de probabilidade

cumulativa representado na Figura 7 que normalmente é de 0.01, ou seja 1%.

O ganho de diversidade é uma técnica de extrema utilidade para avaliar o desempenho da diversidade de uma antena,

todavia pode não expressar convenientemente o que se passa na realidade. Uma antena possui diversas perdas

acumuladas na eficiência de radiação desta. Recentemente o termo ganho de diversidade efetivo foi introduzido como

sendo uma medição absoluta do ganho de diversidade segundo [21]. O GD efetivo encontra-se expresso em (4); onde

𝜂𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 representa a eficiência de radiação do ramo de referência. Encontra-se representado na Figura 7 a

probabilidade cumulativa, onde é possível ver que a potência cumulativa distribuída para o sinal combinado de

diversidade situa-se à direita do sinal de referência de um ramo da antena. O ganho de diversidade efetivo é medido

através do eixo das abcissas desde o valor de referência do sinal ao valor combinado numa probabilidade específica.

No caso da Figura 7 é medido, para uma antena com dois elementos, um ganho de diversidade teórico de 10 dB para

uma probabilidade de 1%.

𝐺𝐷𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 = [

𝑃𝑑𝑖𝑣

P𝑏𝑟𝑎𝑛𝑐ℎ

] × 𝜂𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜

(4)

14

15

Capítulo 3

Estudo e projeto de antenas UWB com

diversidade para operar junto ao corpo

3.1. Introdução

As antenas impressas são adequadas para comunicações wireless uma vez que são de fabricação relativamente

fácil, são estruturas com baixa complexidade, têm diagramas de radiação aproximadamente omnidirecional, são

estruturas de baixo custo e bastante leves. Entre os diversos dimensionamentos recentes de antenas UWB existentes

na literatura, as antenas do tipo monopolo planar são usadas com bastante frequência uma vez que se trata de antenas

que podem ter uma banda relativamente larga e uma estrutura simples. Vários dimensionamentos de monopolos

planares foram propostos nos últimos anos [10-14]. No entanto algumas destas antenas desenvolvidas requerem

sofisticados processos de fabrico, e muito poucas têm a mais-valia de estarem associadas a técnicas de diversidade.

Nesta dissertação são propostas duas antenas UWB de diversidade, compostas por dois monopolos em anel para operar

junto ao corpo em aplicações que requerem diversidade espacial e de polarização. Os requisitos principais da antena

proposta são: que tenha um bom isolamento entre os seus ramos (consequentemente um bom ganho de diversidade),

que seja compacta, insensível à dessintonização provocada pela proximidade do corpo, a garantia de uma SAR dentro

dos limites estabelecidos e a garantia do seu eficaz funcionamento.

Na secção 3.2 são simuladas e estudadas duas novas antenas de diversidade UWB com dois monopolos em anel, onde

vão ser descritas as escolhas da estrutura e materiais a utilizar bem como o dimensionamento geral do protótipo final.

Na secção 3.3 faz-se em primeiro lugar um teste às duas antenas propostas, alterando as distâncias entre monopolos

de forma a compreender o seu funcionamento. É simulado o comportamento das antenas em espaço livre onde são

apresentados parâmetros como o coeficiente de reflexão, acoplamento mútuo, grau de correlação e ganho de

diversidade de cada antena.

Na secção 3.4 são feitos os testes em laboratório dos parâmetros anteriormente mencionados da antena proposta, com

as respetivas comparações entre os resultados simulados e conclusões gerais.

16

3.2. Projeto de antenas com diversidade

Neste tópico são propostas duas antenas MS UWB para aplicações que requerem diversidade, como as

aplicações centradas no corpo humano e as comunicações Multiple input multiple output (MIMO). Nas Figuras 9 e 10

estão representadas as duas geometrias das antenas propostas. Com as antenas propostas estuda-se um tipo de

diversidade distinto, sendo que na Figura 9 encontra-se representada a antena de diversidade de polarização e na Figura

10 a antena de diversidade espacial. A diversidade espacial e de polarização foram escolhidas por serem tipos de

diversidade com implementação relativamente simples e não terem grandes requesitos de sinais ou sistemas de

antenas, comparados com as restantes técnicas de diversidade.

Ambas as antenas são constituídas por dois monopolos em anel impressas num substrato de baixas perdas

𝑅𝑂3003𝑇𝑀 com permitividade dielétrica relativa (𝜀𝑟) = 3 , com uma espessura de 1.59mm e uma tangente do ângulo

de perdas (𝑡𝑎𝑛𝜎 = 0.0013). Os dois elementos de cada antena são alimentados por duas linhas Microstrip de 50Ω.

Ambas as antenas têm uma dimensão relativamente elevada, cerca de 68𝑚𝑚 × 34𝑚𝑚, com o intuito de se obter um

valor de acoplamento mútuo menor uma vez que se consegue obter um maior espaçamento entre elementos. As

dimensões específicas finais das duas antenas encontram-se representadas nas Figura 9 e Figura 11. A antena de

diversidade de polarização (Figura 9) é constituída por dois monopolos em anel situados ortogonalmente entre si,

enquanto que a antena com diversidade espacial (Figura 11) é constituída pelos mesmos dois monopolos em anel

separados paralelamente entre os dois. Os monopolos em anel presentes nas duas antenas foram dimensionados para

que a antena seja funcional em toda a banda UWB, tendo 10.5𝑚𝑚 de raio exterior e 4𝑚𝑚 de raio interior. Um aspeto

importante da topologia do monopolo em anel é o espaço livre que este disponibiliza no raio interior, sendo possível

a colocação de um componente RF como um low-noise-amplifier (LNA), o que leva a uma redução nas dimensões

totais do circuito [14]. Os dimensionamentos das duas antenas foram feitos e simulados através do software CST TM

Microwave Studio anteriormente mencionado e a produção da máscara necessária para a construção da antena foi feita

em AutoCAD e encontra-se representada no anexo 1.

17

Tabela 2- Dimensões dos vários parâmetros da antena

Parâmetros a b c l e r d f d’

Dimensões

(mm)

68 34 4 11 3 10.5 29.5 34 31.5

a

b

c

r

l

e

f

d

d’

Figura 9- Geometria da antena proposta (monopolos espaçados ortogonalmente entre si)

(a) vista superior. (b) vista inferior.

Figura 11- Geometria da segunda antena proposta (monopolos espaçados paralelamente entre si)

(a) vista superior;(b) vista inferior.

(a) (b)

(a) (b)

Figura 10- Protótipo da antena: (a) vista superior; (b) vista inferior.

18

3.3. Simulação das antenas projetadas

Neste tópico são apresentados os resultados computacionais das duas antenas com diversidade simuladas a

partir do software 𝐶𝑆𝑇𝑇𝑀 Microwave Studio. São apresentados todos os resultados simulados das duas antenas em

relação aos parâmetros anteriormente mencionados: módulo do coeficiente de reflexão e banda de funcionamento,

acoplamento mútuo das antenas, grau de correlação e o ganho de diversidade.

Para demonstrar o funcionamento da antena, a distribuição de corrente na antena com diversidade de

polarização na frequência de 5.5GHz, encontra-se representada na Figura 12 (a)(b) quando os portos 2 e 1 da antena

estão terminados com uma carga de 50Ω respetivamente, enquanto que a distribuição de corrente nas antenas com

diversidade espacial encontra-se representada na Figura 13 (a)(b) com as mesmas características da anterior. As cores

representativas da corrente vão desde o azul, representando o valor de corrente mais baixa, ao vermelho, traduzindo o

valor de corrente mais alta. Como é possível ver pelas Figuras 11 e 12, a corrente encontra-se restringida

maioritariamente no anel exterior, desta forma foi possível efetuar a remoção da parte central do monopolo de forma

a não afetar certos parâmetros da antena.

Figura 12- Distribuição das correntes na antena com diversidade de polarização à frequência 5.5GHz: (a) quando o porto 1 é

excitado e o porto 2 é terminado por carga adaptada; (b) quando o porto 2 é excitado e o porto 1 é terminado por carga adaptada.

(a)

(b)

Figura 13- Distribuição das correntes da antena com diversidade espacial à frequência de 5.5GHz: (a) quando o porto 1 é excitado

e o porto 2 é terminado por carga adaptada; (b) quando o porto 2 é excitado e o porto 1 é terminado por carga adaptada.

19


funcionamento

Ao realizar o dimensionamento de uma antena, o coeficiente de reflexão de entrada, |𝑆11|𝑑𝐵, ou return loss,

é um dos parâmetros a ter mais em conta uma vez que relaciona a potência incidente 𝑃𝑖 , com a potência refletida 𝑃𝑟 ,

devido à sua desadaptação. Este parâmetro define quais as bandas de sintonia da antena. O valor do coeficiente de

reflexão é calculado segundo [25] pela equação expressa em (5). Os coeficientes de reflexão das duas antenas são

simulados primeiro com a excitação do primeiro porto da antena enquanto o porto 2 se encontra adaptado com uma

carga de 50Ω (|𝑆11|𝑑𝐵), e vice-versa (|𝑆22|𝑑𝐵).

|𝑆11|𝑑𝐵 = 10𝑙𝑜𝑔10

𝑃𝑟

𝑃𝑖

(5)

Por outro lado, nas aplicações MIMO os sinais transmitidos pelos múltiplos elementos da antena são

geralmente não correlacionados e independentes. Na realidade a corrente induzida num elemento de antena produz

uma tensão nos terminais dos elementos mais próximos, a quantidade de energia absorvida por esses elementos é

denominada de acoplamento mútuo. Existe sempre acoplamento mútuo entre os elementos de uma antena de

diversidade uma vez que os elementos encontram-se relativamente próximos uns dos outros, absorvendo a energia do

elemento radiador. Todavia, para as aplicações MIMO o acoplamento mútuo deve ser minimizado para o valor mais

baixo possível. O acoplamento mútuo pode ser medido através do parâmetro |𝑆12|𝑑𝐵 e |𝑆21|𝑑𝐵 quando um dos

elementos da antena é excitado e o outro terminado com uma carga adaptada de 50Ω. O acoplamento mútuo depende

das características de radiação, da separação entre os elementos da antena e da sua orientação.

Antes de se efetuar os diversos testes com o protótipo final foram testados diversos tipos de

dimensionamentos possíveis das duas antenas com diversidade. Para isso foram feitos diversos testes com diferentes

espaçamentos entre os dois elementos das antenas, avaliando o módulo do coeficiente de reflexão e o acoplamento

mútuo de forma a perceber melhor o seu comportamento. Na Figuras 13 e 14 encontram-se os testes dos parâmetros-

S realizados por simulação da antenas com diversidade de polarização e de diversidade espacial respetivamente, para

diferentes distâncias entre os centros de cada monopolo.

Como é possível observar pela Figura 14(a), onde se encontram os valores do módulo do coeficiente de

reflexão do elemento 1 para diferentes distâncias entre elementos, o valor dos coeficientes de reflexão decresce

ligeiramente à medida que os dois elementos se vão afastando com exceção da banda entre 3,5-5GHz. O mesmo

acontece com o acoplamento mútuo (|S21| = |S12|)- A partir da frequência de 4GHz, o valor da potência transferida

do elemento 1 para o elemento 2 (|𝑆21|) e vice-versa (|𝑆12|) é menor quanto maior for a distância entre elementos

(Figura 14(a)), este facto ocorre de ao existir um maior afastamento entre elementos, cada elemento recebe radiação

de menor intensidade uma vez que se encontra mais afastado. Em relação à Figura 14(b) que parametriza os

coeficientes de reflexão do elemento 2, o mesmo se sucede em relação ao decréscimo do valor de |S22| ao afastar os

elementos da antena. Quanto à antena com diversidade espacial, foram feitos dois testes com diferentes espaçamentos

20

entre os dois elementos em relação aos coeficientes de reflexão da antena e ao acoplamento entre elementos (Figura

15).

Figura 14- Coeficientes de reflexão da antena simulada com diversidade de polarização (a) e (b),

(|𝑺𝟏𝟏| 𝒆 |𝑺𝟐𝟐| respetivamente), e o acoplamento mútuo (c), (|𝑺𝟐𝟏|), para diferentes distâncias entre

elementos.

(a)

(b)

(c)

21

É visível que na antena de diversidade espacial não existem diferenças em relação aos coeficientes de reflexão

das duas excitações, |𝑆11|𝑑𝐵 = |𝑆22|𝑑𝐵 uma vez que os elementos das antenas são espaçados paralelamente entre

ambas. Já no caso da antena com diversidade de polarização, como os elementos da antena são ortogonais entre si, e

desta maneira não existe o mesmo grau de simetria, é normal que o coeficiente de reflexão dos dois elementos seja

diferente.

Relativamente ao espaçamento para diferentes distâncias entre os elementos, comprova-se que quanto maior

for a distância entre elementos, menor é o valor do coeficiente de reflexão e acoplamento mútuo em quase toda a

banda de funcionamento da antena. Ainda assim, apesar de tanto o valor dos coeficientes de reflexão |𝑆11|𝑑𝐵 = |𝑆22|𝑑𝐵

e de |𝑆12|𝑑𝐵 = |𝑆21|𝑑𝐵 diminuirem consoante o aumento de distâncias, o valor de |𝑆11|𝑑𝐵 = |𝑆22|𝑑𝐵 vai sendo cada

(b)

Figura 15- Coeficientes de reflexão da antena simulada com diversidade espacial (|𝑺𝟏𝟏| = |𝑺𝟐𝟐|) e

acoplamento mútuo (|𝑺𝟐𝟏| = |𝑺𝟏𝟐|) para diferentes distâncias entre elementos.

22

vez mais baixo e desta forma o valor de |𝑆12|𝑑𝐵 = |𝑆21|𝑑𝐵 em certas bandas de funcionamento da antena vai ser mais

elevado que o coeficiente de reflexão.

Depois de ser feito o estudo dos coeficientes de reflexão e acoplamentos mútuos para diferentes distâncias,

encontra-se representado o gráfico de simulação com os parâmetros-S das duas antenas de diversidade polarização e

espacial em espaço livre com os dimensionamentos finais, respetivamente Figura 16 e Figura 17. Em relação à antena

com diversidade de polarização é possível ver que se encontra adaptada em praticamente toda a banda de frequências,

uma vez que o valor dos coeficientes de reflexão dos dois elementos (|𝑆11|𝑑𝐵,|𝑆22|𝑑𝐵) permanece praticamente sempre

abaixo de -10dB, desta forma a antena funciona na banda UWB desde os 3-12GHz, ultrapassando ligeiramente -10dB

entre 7.5-8.8GHz. O acoplamento mútuo dos elementos é menor que -20dB em toda a banda de funcionamento à

exceção da banda de 4.5-7.5GHz, com valor de |𝑆21|𝑑𝐵 = |𝑆12|𝑑𝐵 = −16𝑑𝐵. Desta forma as antenas apresentam

isolamento em praticamente toda a banda de frequências chegando mesmo a ter um valor superior a 15dB de 9.5-

11.5GHz.

A antena de diversidade espacial também se encontra perfeitamente adaptada em toda a banda de

funcionamento à exceção de uma ligeira subida em torno da frequência dos 5GHz, onde o coeficiente de reflexão

chega a atingir o valor de -9dB (Figura 17).

Figura 16- Simulação dos parâmetros-S da antena de diversidade de polarização

23

Apesar da antena estar adaptada em toda a banda de frequências, não se encontra bem isolada em relação aos

seus portos, uma vez que o valor de acoplamento mútuo e o coeficiente de reflexão são muito próximos em

praticamente toda a banda de frequências. Os valores de acoplamento mútuo estão situados na maior parte da banda

em valores inferiores a -15dB embora atinja um valor máximo aproximadamente de -13dB na banda de 5GHz, 8.7GHz

e 10.8GHz.

Para aumentar o isolamento dos elementos foi introduzido um filtro baseado em [33,34] na antena de

diversidade espacial entre os dois elementos da antena. Foi também necessário criar uma estrutura em que os

elementos são alimentados por um guia Coplanar Waveguide (CPW) para que o filtro se posicionasse em contacto

com o “plano de terra” (ground), recolocando-o na parte superior da antena. Na Figura 18 encontra-se a nova antena

CPW de diversidade espacial dimensionada com o respetivo filtro. A estrutura do filtro é composta por semicírculos

interconectados que servem para acumular a corrente ao longo da linha até ao plano de terra.

Depois de dimensionar a nova antena CPW de diversidade espacial, fez-se a simulação dos novos parâmetros-

S (Figura 19). Demonstrou-se que com a adição do filtro, o isolamento da antena aumenta de forma considerável,

atingindo para algumas bandas de frequências isolamentos de cerca de 30dB, sendo preferível ao dimensionamento

anterior (sem filtro). A magnitude do coeficiente de reflexão da antena continua a situar-se abaixo de 10dB em toda a

banda à exceção das frequências mais baixas de 2-4.5GHz.

Figura 17- Simulação dos parâmetros-S da antena de diversidade espacial.

24

Apesar da antena com diversidade de polarização ter apresentado bons isolamentos, realizou-se também um

teste com a aplicação do mesmo filtro implementado na antena com diversidade espacial. A estrutura dimensionada e

os resultados dos parâmetros-S estão representados na Figura 20, onde se confirmou que apesar de existir um bom

isolamento entre elementos, os coeficientes de reflexão de cada elemento encontram-se em frequências de

ressonâncias desfasadas. Confirmou-se também uma subida na magnitude de |S11| entre a banda dos 3.2-4.6GHz.

Desta forma, os restantes testes foram realizados com a antena sem a aplicação do filtro.

Figura 18- Novo dimensionamento da antena de diversidade espacial: (a)vista superior; (b) filtro da antena

(a)

i=0.7mm

h=15mm

(b)

Figura 19- Simulação dos parâmetros-S do novo dimensionamento da antena de diversidade espacial com a adição de um

filtro.

Figura 20- Novo dimensionamento da antena de diversidade de polarização com filtro (a) e parâmetros-S da antena simulados (b).

(a) (b)

25

3.3.3. Ganho de diversidade influenciado pela diversidade espacial e de polarização

Nesta secção é investigado o ganho de diversidade influenciado pela diversidade espacial e de polarização.

Ao dimensionar antenas para estes dois tipos de diversidade pretende-se que exista uma melhoria significativa na

relação SNR imposta pela diversidade das antenas, adicionando um ganho extra que a diversidade impõe. Para poder

comparar os dois ganhos de diversidade é necessário calcular o ganho de diversidade aparente e efetivo de cada antena.

Para poder avaliar o ganho de diversidade, primeiramente são comparados os dois tipos de diversidades em relação à

sua eficiência, à correlação entre os dois elementos e só por último são comparados os respetivos ganhos de

diversidade.

3.3.3.1. Correlação dos sinais nos portos das antenas

Ao explorar sistemas de diversidade é importante avaliar o grau de correlação entre os sinais nos portos das

antenas uma vez que está diretamente relacionada com o ganho de diversidade. Pretende-se desta forma minimizar o

grau de correlação entre os sinais nos elementos que constituem a antena para avaliar o desempenho da diversidade

devido à relação inversa que estes dois componentes têm. Como já foi dito, os sinais recebidos num esquema de

diversidade têm de ser os mais independentes possíveis, sendo esta independência vista em termos de uma baixa

correlação, idealmente nula. Em (6) encontra-se apresentada a equação para o cálculo da correlação (𝜌𝑒) a partir dos

parâmetros-S do sistema [8,9,13].

𝜌𝑒 =

|𝑆11𝑆12 + 𝑆21𝑆22|2

((1 − (|𝑆11|2 + |𝑆21|2))(1 − (|𝑆22|2 + |𝑆12|2))) (6)

As correlações dos dois casos estudados obtidas por simulação encontram-se representadas no gráfico da

Figura 21, onde é possível ver que os resultados dos parâmetros-S anteriormente simulados correspondem à correlação

esperada para os dois tipos de antenas com diversidade, uma vez que a correlação imposta no caso da diversidade de

polarização é menor em praticamente toda a banda de frequências do que no caso da diversidade espacial. Em ambos

os casos a correlação dos sinais nos portos das antenas é inferior a -40dB em toda a banda de frequências. No caso da

diversidade de polarização apresentou uma correlação média de -78dB enquanto que na diversidade espacial

apresentou uma correlação a rondar os -57dB. Estes resultados demonstram que nos dois casos estudados os sinais

nos portos das antenas têm um bom grau de correlação e que desta forma foram bem dimensionadas.

26

3.3.3.2. Eficiência das antenas

A eficiência total de uma antena é um parâmetro muito relevante para a caracterização de antenas MIMO de

pequenas dimensões e é definida como a relação entre a potência radiada e a potência total disponível da antena [7,9].

Para o cálculo do ganho de diversidade efetivo é necessário calcular a eficiência total da antena tal como foi dito em

(4). Em (7) encontra-se definido o cálculo para a eficiência de radiação;

A potência radiada da antena 𝑃𝑟𝑎𝑑 não pode ser calculada ou medida diretamente por um VNA, desta forma

existem métodos para o calculo da potência como o Radiometric Method, Resistance Comparasion, Random Field

Method, entre outros [32]. Neste projeto não se pretende incidir como foco principal na eficiência das antenas

apresentando-se apenas resultados obtidos por simulação.

Para estimar a eficiência total das antenas dimensionadas, foi feito um varrimento com 300 pontos ao

longo de toda a banda de frequências. As eficiências das antenas estão representadas na Figura 22.

𝜂 =

𝑃𝑟𝑎𝑑

𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙

(7)

Figura 21- Comparação do grau de correlação entre os sinais nos portos das antenas para a diversidade de polarização e

diversidade espacial.

27

Comprovou-se que ambas as antenas apresentam uma eficiência total satisfatória. No caso da diversidade de

polarização (a) a partir da frequência de 3GHz as eficiências médias totais são de 95% e 91% no elemento 1 e no

elemento 2 respetivamente. No caso da diversidade espacial obteve-se por simulação eficiências médias totais de 87%

para os dois elementos, uma vez que têm a mesma simetria e desta forma a mesma eficiência.

Provou-se que a eficiência total simulada das duas antenas é semelhante, sendo que no caso da diversidade

de polarização a eficiência total é ligeiramente superior à obtida para a diversidade espacial.

Figura 22- Eficiência total das antenas simuladas: (a) diversidade de polarização; (b) diversidade espacial.

(a)

(b)

28

3.3.3.3. Ganho de diversidade

Nesta secção é investigado o ganho de diversidade para as antenas propostas, sendo este um dos parâmetros de

mais importância uma vez que ao se dimensionar uma solução com um bom ganho diversidade, a relação SNR por

sua vez vai melhorar significativamente. Como já foi dito no capítulo 2, o cálculo do ganho de diversidade não

apresenta por si só um ganho totalmente real se a eficiência total de radiação não for contabilizada, desta forma foi

estimado o ganho de diversidade efetivo, através da eficiência total da antena calculada anteriormente, e dos

coeficientes de correlação simulados utilizando a equação em (7).

Na Figura 23 são representados os ganhos de diversidade aparente das duas antenas dimensionadas, sem as

eficiências totais dos elementos das antenas, e na Figura 24 os ganhos de diversidade efetivos, com as eficiências

totais contabilizadas. Quanto ao ganho de diversidade aparente, os valores de ganho situam-se nos 10dB, existindo

ligeiras descidas para 9.95dB no caso de diversidade espacial. Relativamente ao ganho de diversidade efetivo (Figura

24) provou-se que a eficiência total tem uma grande influência no ganho de diversidade final, correspondendo a partir

dos 3GHz, a valores de ganho médios de 9.3dB e 8.6dB, para os casos de diversidade de polarização e de diversidade

espacial, respetivamente.

A antena com diversidade de polarização apresentou claramente um melhor ganho de diversidade, não só pelo fato de

apresentar um grau de correlação mais baixo, tal como foi visto anteriormente, como também de ter uma eficiência

total superior.

𝐺𝐷𝑒𝑓𝑒𝑡𝑖𝑣𝑜 = 𝜂𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜(√1 − |𝜌|) (8)

Figura 23- Comparação entre os ganhos de diversidade aparente simulados das duas antenas.

29

Dos resultados obtidos é possível afirmar que ambas as antenas são favoráveis para aplicações UWB;

contudo, com a solução de diversidade de polarização obteve-se uma melhoria de quase 1dB no ganho de diversidade

efetivo, concluindo-se que o benefício é maior do que no caso de diversidade espacial. Ao realizar-se este estudo

decidiu-se apenas realizar o protótipo da antena com diversidade de polarização para as medições em laboratório, uma

vez que foi a que apresentou melhores resultados.

Figura 24- Comparação entre os ganhos de diversidade efetivos simulados das duas antenas.

30

3.4. Teste laboratorial da antena proposta de diversidade

Na sequência das comparações entre as antenas estudadas através de simulação, nesta secção apresentam-se

testes em laboratório do protótipo da antena com diversidade de polarização. Foi projetada para testes de laboratório

apenas a estrutura de antena de DP uma vez que foi a antena que apresentou melhores resultados em relação ao seu

isolamento entre elementos, grau de correlação inferior e o consequente melhor ganho de diversidade como já foi

referido. Em relação aos testes efetuados, foram medidos os coeficientes de reflexão e os coeficientes de acoplamento

mútuo nos portos das antenas. Calculou-se a correlação dos sinais a partir da medição dos parâmetros-S e,

posteriormente, o ganho de diversidade.


funcionamento

Nesta secção são apresentados os resultados experimentais dos parâmetros-S em espaço livre medidos com

a antena proposta. Para a medição dos parâmetros utilizou-se o analisador vetorial E8361A (VNA), da Agilent

Tecnologies. Foi feita a calibração automática do cabo de medição para ser feita a medição dos parâmetros-S. A

calibração efetuada foi necessária para a obtenção dos coeficientes de reflexão e acoplamentos mútuos dos dois

elementos da estrutura à saída dos conectores SMA. A montagem do esquema para a medição dos parâmetros-S

observa-se na Figura 25.

Na Figura 26 (a) (b) estão representados os coeficientes de reflexão das antenas e os respetivos acoplamentos

mútuos, medidos experimentalmente. Relativamente aos coeficientes de reflexão (a), pelo gráfico é possível ver que

Figura 25- Montagem para a medição dos parâmetros-S: (a) esquema de montagem composto por o analisador vetorial E8361A, cabo

de medição e antenas; (b) visualização da estrutura de antenas em medição.

(a) (b)

31

se mantêm em quase toda a banda de frequências abaixo do valor de -10dB; deste modo pode afirmar-se que se obteve

uma boa concordância com os resultados simulados, uma vez que a antena encontra-se adaptada em toda a banda de

frequências UWB com a exceção da banda entre 7-9GHz, em que se atinge o valor de -7.5dB. Existe também um

ligeiro “riple” nas frequências inferiores da banda, nomeadamente até à frequência de 4.5GHz devido às correntes de

retorno do cabo no instante da medição. Em relação ao acoplamento mútuo entre os elementos da antena (b) é visível

que esta se encontra perfeitamente isolada com valores de acoplamento mútuo abaixo dos -20 dB em quase toda a

banda de frequências à exceção da banda de 4.3-5GHz e de 6-7.4GHz.

Figura 26 - Medição experimental dos parâmetros-S da antena com diversidade de polarização: coeficientes de

reflexão e acoplamento mútuo.

32

As comparações dos parâmetros-S obtidos experimentalmente com os parâmetros obtidos por simulação

estão representados na Figura 27. Em todos os gráficos de comparação entre parâmetros os valores experimentais

estão semelhantes com os valores simulados, existem sempre algumas diferenças atribuídas a certos fatores como as

imperfeições nas juntas de solda que ligam o conector SMA à linha de alimentação da antena, imperfeições no fabrico

da antena e como já foi dito anteriormente, as correntes de indução no cabo de alimentação devido aos problemas que

o ground origina em antenas de pequenas dimensões, causam ressonâncias extra nos parâmetros medidos das antenas.

Figura 27- Comparação entre os parâmetros-S simulados e medidos experimentalmente da antena com diversidade de polarização: (a) |𝑺𝟏𝟏| ; (b) |𝑺𝟐𝟏| ; (c) |𝑺𝟐𝟐|.

(a) (b)

(c)

33

3.4.4. Coeficientes de Correlação

Através dos parâmetros-S medidos experimentalmente, a correlação dos sinais nos portos da antena

apresentada nesta secção foi feita conforme foi descrito em (6) e encontra-se representada na Figura 28, juntamente

com a correlação obtida por simulação. Os resultados dos coeficientes de correlação obtidos a partir da medição dos

parâmetros-S são semelhantes aos resultados obtidos por simulação. Entre os 2-5GHz existe uma subida no coeficiente

de correlação relativamente aos parâmetros medidos experimentalmente, uma vez que foi nas baixas frequências que

houve maior discrepância entre os parâmetros-S medidos e simulados. Na restante banda de funcionamento os

resultados acabam por ser semelhantes, demonstrando assim que o coeficiente de correlação é baixo.

3.4.5. Ganho de diversidade

Existem duas maneiras de medir experimentalmente o ganho de diversidade. A primeira e mais eficiente, é a

medição numa câmara de reverberação (“reverberation chambre”) onde é possível a obtenção de medidas mais

precisas das eficiências e do ganho de diversidade da antena [31,32]. A câmara de reverberação simula um ambiente

de propagação multipercurso e é uma grande mais-valia para testes de estruturas de antenas com diversidade; todavia,

este equipamento não se encontra disponível no laboratório a que tivemos acesso, tornando impraticável efetuar testes

através deste método.

O ganho de diversidade calculou-se através aos parâmetros-S medidos experimentalmente, e as eficiências

totais que foram contabilizadas para o cálculo do GD efetivo foram as simuladas anteriormente. Para o cálculo do GD

efetivo foi utilizada a equação expressa em (7).

Figura 28- Comparação do grau de correlação medido e simulado.

34

Na Figura 29 encontra-se representado a comparação do GD aparente entre os resultados medidos e

simulados. Apesar do GD aparente medido apresentar valores mais baixos até à frequência de 5GHz, este valor não é

significativo uma vez que se trata de 0.05dB mais baixo, não tendo uma influência prática para a média do ganho total.

Como ambos os ganhos se situam em cerca de 10dB, comprova-se que os valores simulados de coeficientes de reflexão

e acoplamentos mútuos da antena são semelhantes aos obtidos experimentalmente.

Quanto ao ganho efetivo (Figura 30), como os ganhos aparentes são idênticos, o fator que poderia ser

diferenciador neste ganho era a eficiência total da antena, mas como foi explicado anteriormente, as eficiências

utilizadas experimentalmente foram as mesmas das utilizadas em simulação uma vez que não foi possível realizar a

medição experimental das eficiências totais. Desta forma, as curvas do GD efetivo simulado estão praticamente

coincidentes com as obtidas por simulação

Figura 29- Ganho de diversidade aparente medido e simulado.

Figura 30- Ganho de diversidade efetivo medido e simulado.

35

3.5. Conclusões

Neste capítulo foram dimensionadas inicialmente duas antenas MS com dois tipos de diversidade distintos,

polarização e espacial, com o intuito de melhorar significativamente a comunicação em ligações que sofram de

desvanecimentos de sinal, como ligações com multipercurso e aplicações WBAN. As duas antenas foram

dimensionadas para funcionarem em UWB, realizadas ambas com dois monopólos em anel, espaçados

“ortogonalmente” e “paralelamente entre si”. As antenas foram impressas num substrato de baixas perdas 𝑅𝑂3003𝑇𝑀

com permitividade dielétrica relativa (𝜀𝑟) = 3 , com uma espessura de 1.59mm e uma tangente do ângulo de perdas

(𝑡𝑎𝑛𝜎 = 0.0013). Depois de algumas simulações efetuadas, acrescentou-se um filtro que foi dimensionado com o

objetivo de melhorar o isolamento entre sinais nos portos das antenas. Verificou-se que na antena com diversidade

espacial, esta implementação permitiu melhorar significativamente o isolamento entre os seus elementos.

Na simulação das antenas através da utilização do software CST Microwave Studio, conclui-se que em ambos

os casos as antenas operam em praticamente toda a banda de funcionamento, sendo que no caso de diversidade de

polarização excede ligeiramente o valor de referência de -10dB entre 7.5-8.8GHz, enquanto que no caso de diversidade

espacial excede esse valor na banda dos 2-4.2GHz. Quanto aos valores de acoplamento mútuo, a antena com

diversidade de polarização apresentou valores menores que -20dB em toda a banda de funcionamento à exceção da

banda de 4.5-7.5GHz, com valores médios próximos de |𝑆21|𝑑𝐵 = |𝑆12|𝑑𝐵 = −18𝑑𝐵. A antena com diversidade

espacial apresentou resultados mais fracos - além de não ter tão bom isolamento entre antenas, os acoplamentos

mútuos obtidos por simulação rondaram os -16dB. Desta forma a correlação dos sinais nos portos da antena no caso

de diversidade de polarização revelou-se melhor, com valores e coeficientes de correlação médios de -78dB

comparados com -57dB na antena com diversidade espacial. Foi necessário calcular a eficiência total dos elementos

das duas antenas para calcular o ganho de diversidade efetivo; os valores de eficiência total foram superiores na antena

de diversidade de polarização comparada com a antena de diversidade espacial, cerca de 95% e 87% respetivamente.

Demonstrou-se que os ganhos aparentes das duas antenas eram semelhantes, com valores muito próximos dos 10dB.

Em relação ao ganho efetivo, no caso de diversidade de polarização obteve-se um ganho efetivo superior que no caso

de diversidade espacial em cerca de 1dB.

Depois dos resultados obtidos por simulação, e uma vez que se obtiveram valores mais favoráveis no caso de

diversidade de polarização, foi fabricada esta estrutura de antenas para a realização de testes em laboratório. Nos testes

experimentais obtiveram-se concordâncias em relação aos testes feitos por simulação, com as antenas a funcionar em

praticamente toda a banda de frequências à exceção das frequências entre 7-9GHz, em que atinge o valor de -7.5dB.

A solução de antenas estudada apresentou um bom isolamento entre os seus elementos, com um acoplamento mútuo

sempre inferior a -20dB. Em relação à correlação dos sinais nos portos das antenas, obteve-se a partir da medição dos

parâmetros-S uma correlação idêntica à obtida por simulação, com uma média de -79dB comparada com os -83dB

respetivamente. Quanto ao GD aparente da antena, verificou-se que a estrutura projetada obteve um ganho semelhante

ao simulado (10dB), existindo pequenos decréscimos em relação aos resultados de simulação. Como não foi possível

realizar a medição das eficiências totais em laboratório, foram usadas as eficiências calculadas por simulação, e desta

36

forma demonstrou-se que como o ganho aparente apresentou valores semelhantes por simulação e medição,

obtiveram-se valores iguais por simulação e medição.

37

Capítulo 4

Estudo das antenas propostas na

proximidade do corpo humano

4.1. Introdução

Neste capítulo pretende-se estudar as antenas projetadas na proximidade do corpo humano. Depois do estudo

efetuado por simulação em espaço livre das duas estruturas de antenas com diversidade, neste tópico pretende-se

analisar o comportamento das antenas junto ao corpo humano. No secção 4.2 é feita a caracterização de dois modelos

do braço humano para avaliar o comportamento da estrutura da antena por simulação através do 𝐶𝑆𝑇𝑇𝑀 Microwave

Studio. Na secção 4.3 são comparados os comportamentos da antena em relação aos dois modelos, simulando os

parâmetros anteriormente mencionados, sendo eles o coeficiente de reflexão de entrada, banda de funcionamento e

respetiva eficiência. São também comparados o acoplamento mútuo, correlação e o ganho de diversidade em presença

dos modelos do braço humano. No capítulo 4.4 são realizados testes em laboratório descrevendo o comportamento

das antenas na proximidade de um braço humano, sendo estes resultados comparados com os da secção 4.3 obtidos

por simulação.

4.2. Caracterização da geometria de um membro humano

Para projetar sistemas BAN é de extrema importância prever o seu comportamento no sistema de operação

natural, ou seja junto ao corpo humano. Os modelos propostos servem para substituir a complexidade da anatomia

humana por modelos simples e bastante precisos que podem ser utilizados para estimar o comportamento da antena

na presença do corpo humano. Neste estudo utilizaram-se dois modelos do braço humano baseados em [10] para

simular o comportamento das antenas na proximidade destes. Para o dimensionamento dos modelos do braço humano

foi utilizado o software 𝐶𝑆𝑇𝑇𝑀 Microwave Studio. Os modelos considerados para as simulações foram o modelo

elíptico e o modelo planar, representados na Figura 31. Nestes modelos consideram-se quatro camadas de materiais.

38

A primeira camada é constituída pela pele, a segunda é constituída pela gordura, a terceira pelo músculo e a quarta

pelo osso. Foram consideradas as espessuras das camadas que se encontram na Tabela 3. O comprimento do modelo

do braço humano foi limitado a 140mm sendo que as camadas têm as mesmas espessuras nos dois modelos. Para o

modelo plano considerou-se uma largura de 114mm. Foi também definida a densidade de cada um dos tecidos. Para

a pele foi considerado 𝜌 = 1100𝑘𝑔 𝑚−3, para a gordura 𝜌 = 916.6𝑘𝑔 𝑚−3, para o músculo 𝜌 = 1060𝑘𝑔 𝑚−3 e para

o osso 𝜌 = 1500𝑘𝑔 𝑚−3.

Devido aos diferentes tipos dos tecidos humanos serem dotados de características eletromagnéticas

diferentes, recorreu-se a uma ferramenta [35] para caracterizar as propriedades dielétricas dos tecidos usados na

simulação do braço humano para uma gama de frequências de 2-12GHz. As propriedades dielétricas dos materiais

usados encontram-se representados na Figura 32.

Para que os resultados das simulações com os dois modelos do braço humano sejam os mais realistas

possíveis, as antenas foram colocadas no centro da estrutura de cada um dos modelos do braço humano a uma distância

de 5mm do tecido mais próximo, uma vez que o comprimento do conector impede que a antena esteja completamente

encostada ao braço. Para uma maior perceção, na Figura 33 encontra-se representado a vista lateral e frontal da antena

junto ao modelo elíptico.

Camadas Espessura (mm)

Pele 2

Gordura 4

Músculo 35

Osso 35

Tabela 3- Espessura dos diferentes tecidos.

Figura 31- Modelos de um membro humano usados para a simulação: (a) Modelo Elíptico; (b) Modelo Plano.

(b) (a)

39

(b)

(a)

Figura 32- Propriedades dielétricas dos materiais usados nos modelos do braço humano numa gama de

frequências de 2 a 12GHz:(a) permitividade dielétrica relativa; (b) tangente do ângulo de perdas.

(a) (b)

Figura 33- (a) vista lateral e (b) vista frontal da antena na presença do braço humano elíptico.

40

4.3. Simulação das antenas em presença do corpo humano

Nesta secção vão ser feitos estudos dos dois modelos do braço humano referidos anteriormente (modelo elíptico

e modelo plano), onde se pretende simular os parâmetros que foram estudados com a antena em espaço livre

(coeficiente de reflexão, acoplamento mútuo, banda de funcionamento, correlação dos sinais nos portos da antena,

eficiência e ganho de diversidade). Pretende-se averiguar quais as principais diferenças que a presença do braço

humano impõe nos principais parâmetros das antenas.


funcionamento das antenas

O módulo do coeficiente de reflexão de entrada é calculado da mesma forma descrita em (5), deste modo, na

(Figura 34) encontra-se representado uma comparação dos valores de S11, S21 e S22 para os três estudos em causa;

quando a antena se encontra em espaço livre, quando a antena esta na proximidade do modelo do braço elíptico e

quando se utiliza o modelo do braço plano.

Para a primeira simulação onde foram comparados os coeficientes de reflexão do elemento 1 da antena

(Figura 34(a)), os valores obtidos foram de acordo com os esperados uma vez que o corpo humano exerce um efeito

considerável no comportamento das antenas. Quando se introduz o modelo de braço humano a sintonia da antena

altera-se ligeiramente uma vez que a magnitude de |S11| aumenta nas baixas frequências devido à desadaptação da

antena provocada pelos modelos do corpo humano. No entanto este valor encontra-se num limiar abaixo dos -6dB,

sendo um valor geralmente considerado aceitável para ligações on-body. Os dois modelos usados para simulação não

têm diferenças significativamente grandes, ainda assim, a magnitude de |S11| no modelo elíptico é ligeiramente

inferior para as baixas frequências.

Na comparação dos coeficientes de reflexão do elemento 2 (Figura 34(c)) obtiveram-se magnitudes

superiores com a antena junto aos modelos do braço humano como esperado e à semelhança da simulação de |S11|.

Ainda assim, a antena continua com coeficientes abaixo do valor limite de -6dB, encontrando-se desta forma em

sintonia em toda banda de frequências. Existem ligeiras discrepâncias na magnitude de |S22| em relação ao modelo

plano com o modelo elíptico, no entanto as antenas revelaram-se com melhor adaptação no modelo elíptico.

Em relação ao acoplamento mútuo das antenas (Figura 34(b)), verificou-se que quando a antena se encontra

junto aos modelos do braço humano, o acoplamento mútuo nos seus elementos é semelhante ou decresce em quase

toda a banda de funcionamento, entre 3.5-10.4GHz. Este decréscimo deve-se ao facto de o braço humano absorver

parte da radiação eletromagnética do elemento 1 para o elemento dois, e vice-versa. Desta forma é possível afirmar

que em presença de um braço humano o isolamento dos elementos da antena na configuração de diversidade de

polarização aumenta.

41

(a)

(b)

(c)

Figura 34- Comparação dos parâmetros-S das antenas em espaço livre, com a estrutura junto ao

modelo plano e junto ao modelo elíptico; (a) |S11|; (b) |S21|; (c) |S22|.

42

Comparando o acoplamento mútuo dos elementos da antena para os dois modelos de braço humano, o modelo elíptico

apresenta uma magnitude de |S21| mais baixa, sendo o modelo preferível em comparação com o modelo plano.

Na primeira simulação dos parâmetros-S com as antenas junto aos dois modelos de braço humano concluiu-

se que as antenas se mantiveram em sintonia para toda a banda UWB situando-se abaixo de uma magnitude limite

para este tipo de comunicações (-6dB). O isolamento entre elementos da antena junto aos modelos de braço humano

aumenta, uma vez que parte da radiação é absorvida pelos tecidos humanos, em que o coeficiente de reflexão aumenta

a sua magnitude e o acoplamento mútuo decresce.

Na comparação dos dois modelos (elíptico e plano), chegou-se à conclusão por simulação que ambos os

modelos apresentaram resultados muito semelhantes, sendo preferível o modelo elíptico devido aos ligeiros

decréscimos de magnitude do coeficiente de reflexão e ao melhor isolamento que tem em comparação com o modelo

plano (Figura 35).

(a)

(b)

Figura 35- Parâmetros-S das antenas junto aos dois modelos do braço humano; (a) modelo plano; (b) modelo

elíptico.

43

4.3.2. Coeficientes de correlação

Neste tópico foram comparados os graus de correlação dos sinais nos portos dos elementos da antena na

presença dos dois modelos em estudo. Desta forma, através dos parâmetros-S das antenas obtidos por simulação, a

correlação dos sinais nos portos da antena encontra-se representada na Figura 36 para o cenário em espaço livre, na

presença do modelo plano e na presença do modelo elíptico. Os resultados obtidos no cálculo da correlação foram de

acordo com o esperado, uma vez que como os parâmetros-S em espaço livre e na presença do modelo do braço humano

são semelhantes, o grau de correlação tem de ser por sua vez idêntico. Como foi dito, o isolamento dos elementos da

antena junto aos modelos do braço humano é mais elevado devido a uma parte da radiação ser absorvida pelos tecidos

humanos, desta forma como existe um isolamento maior nestes casos, o grau de correlação vai ser mais baixo em

algumas frequências. Conclui-se que a antena apresenta para ambos os modelos do braço humano uma correlação dos

sinais inferior a -50dB, demonstrando um bom grau de correlação em toda a banda de frequências.

4.3.3. Eficiência das antenas

Para calcular a eficiência total das antenas junto aos dois modelos em estudo utilizou-se a fórmula descrita

em (7) para o mesmo varrimento de amostras ao longo de toda a banda de frequências. Foi necessário calcular a

eficiência dos elementos da estrutura para os dois modelos em estudo para o cálculo do GD efetivo. Na Figura 37

encontram-se as eficiências dos elementos na presença dos dois modelos em estudo. Ambas as simulações

apresentaram resultados idênticos de eficiência total na presença dos modelos em estudo, com uma eficiência total

média de 60-70%. A presença dos modelos do braço humano junto das antenas faz com que a eficiência total diminua

cerca de 20% em relação à propagação em espaço livre.

Figura 36- Grau de correlação dos sinais da antena em espaço livre, na presença do modelo plano e na presença do

modelo elíptico.

44


O ganho de diversidade na presença dos dois modelos do braço humano foi calculado através dos parâmetros-

S das antenas anteriormente simulados. Na Figura 38(a) estão representados os GD aparentes simulados junto ao

modelo do braço plano, junto ao modelo do braço elíptico e em espaço livre. Os resultados do cálculo do GD aparente

são semelhantes para os três casos, com um valor próximo dos 10dB em toda a banda de frequência.

O fator decisivo para diferenciar os GD foi novamente o cálculo da eficiência da estrutura, desta vez na

presença dos dois modelos do braço humano (calculados anteriormente). Desta forma, o GD efetivo para os dois

modelos em estudo (Figura 38(b)) demonstrou-se ser relativamente mais baixo comparado com o GD efetivo da antena

em espaço livre devido ao decréscimo da eficiência da estrutura junto aos dois modelos. Concluiu-se assim que na

presença dos dois modelos do braço humano em estudo o GD decresce aproximadamente 2.5dB em relação à antena

em espaço livre, com um valor efetivo médio de 7.1dB

(a)

(b)

Figura 37- Eficiência total dos elementos da antena: (a) na presença do modelo plano; (b): na presença do

modelo elíptico.

45

(a)

(b)

Figura 38- Ganho de diversidade aparente (a) e ganho e diversidade efetivo (b) em espaço livre e na

presença dos dois modelos.

46

4.4. Teste laboratorial da antena na presença do corpo humano

Depois de feitas as simulações da antena da presença dos dois modelos de braço humano em estudo,

realizaram-se testes em laboratório do protótipo da estrutura junto a um braço humano para estudar o efeito que este

induz nos parâmetros da antena, comparando-os com os resultados obtidos por simulação. Os parâmetros estudados

foram os parâmetros-S, banda de funcionamento, correlação dos sinais nos portos das antenas e o ganho de

diversidade. Tal como foi feito por simulação, a antena com diversidade foi colocada a uma distância de 5mm do

braço de um voluntário na realização dos testes laboratoriais. Para a colocação da estrutura junto ao braço foi utilizada

uma fita em latex e para distanciar 5mm da antena ao braço foi utilizada esferovite. Os testes foram feitos com recurso

ao analisador vetorial E8361A (VNA), da Agilent Technologies. Na Figura 39 esta representado o processo de medição

dos parâmetros-S junto ao braço do voluntário com os dois portos da antena conectados ao analisador vetorial.

4.6.1. Módulo do coeficiente de reflexão, acoplamento mútuo e banda de

funcionamento

Os testes laboratoriais do módulo do coeficiente de reflexão e do acoplamento mútuo dos elementos da antena

junto ao braço de um voluntário encontram-se representados na Figura 40 juntamente com as simulações com os dois

modelos considerados de braço humano.

A magnitude de |S11| (Figura 40(a)) medido em laboratório é semelhante à magnitude obtida por simulação

nos dois modelos, acompanhando as curvas simuladas, não existindo diferenças muito acentuadas. As diferenças

principais ocorrem entre 10-11GHz onde a magnitude de |S11| é menor em relação aos dois modelos simulados. Nas

restantes bandas de frequência este valor é praticamente sempre superior comparativamente aos dois modelos

simulados devido às precisões que ocorrem no processo de simulação e a certas imperfeições normais no fabrico das

antenas.

Figura 39- Medição laboratorial dos parâmetros-S junto ao braço humano.

47

O mesmo ocorre na magnitude de |S22| (Figura 40(c)), existindo pequenas diferenças nas altas frequências e

uma ligeira dessintonia entre as bandas de 6-7GHz. Ainda assim, o valor dos coeficientes de reflexão dos elementos

encontram-se abaixo do valor de referência dos -6dB em toda a banda.

O acoplamento mútuo obtido experimentalmente (Figura 40(b)) foi também semelhante às curvas de

magnitude dos dois modelos obtidas por simulação, sendo que as maiores discrepâncias foram sentidas nas baixas

frequências. O acoplamento mútuo dos elementos da antena obtido experimentalmente foi inferior a -20dB em

praticamente toda a banda de frequências à exceção das frequências de 6.2-7GHz.

Figura 40- Parâmetros-S junto ao braço humano medidos experimentalmente e junto aos

dois modelos simulados (plano e elíptico); (a) |S11|; (b) |S21|; (c) |S22|;

(c)

(a) (b)

48

Para uma melhor perceção de todos os parâmetros da antena e para avaliar o isolamento entre os portos junto

ao braço humano, na Figura 41 encontram-se representados todos os parâmetros-S. Conclui-se desta forma que o

isolamento médio é superior a 10dB chegando mesmo a chegar a 20dB de isolamento em algumas bandas de

frequências. Os parâmetros-S junto ao braço humano medidos em laboratório apresentam valores muito próximos dos

resultados obtidos por simulação, em que os coeficientes de reflexão chegam a atingir uma magnitude máxima de -

5.9dB na banda de 3-12GHz e um acoplamento mútuo médio de -25dB.

4.6.2. Coeficientes de correlação

Neste tópico foram comparados os graus de correlação dos sinais nos portos dos elementos da antena junto

ao braço humano através dos parâmetros-S medidos experimentalmente. Para isso comparou-se o grau de correlação

dos parâmetros-S medidos com os dois modelos em estudo simulados para averiguar o grau de similitude entre eles.

Na Figura 42 estão representados os resultados dos graus de correlação, onde se verificou uma concordância entre os

valores obtidos. Como as magnitudes dos parâmetros-S são ligeiramente mais elevadas nos resultados medidos

experimentalmente, é normal que a correlação obtida seja ligeiramente superior aos dois modelos em estudo em quase

toda a banda (3.5-10GHz). Ainda assim, provou-se que os sinais nos portos da antena têm um grau de correlação

muito satisfatório, com valores sempre inferiores -50dB.

Figura 41- Medição experimental dos parâmetros-S junto ao braço humano.

49


À semelhança com as secções 3.4.5. e 3.3.3.4., e depois de se ter calculado o grau de correlação dos sinais

nos portos da antena, neste tópico foi calculado o GD aparente e efetivo das medições experimentais da antena junto

ao braço humano. Na Figura 43 encontra-se representado o ganho de diversidade da antena na presença dos modelos

do braço humano simulados e por medição experimental junto ao braço humano. Obtiveram-se GD aparente muito

semelhantes entre as três situações testadas, com valores médios de 10dB e valores mínimos situados nos 9.98dB.

No cálculo do GD efetivo não foram medidas as eficiências totais dos elementos em laboratório pelo motivo

explicado na secção 3.3.3.3. Como o modelo simulado que mais se assemelha ao braço humano é o modelo elíptico,

utilizou-se a eficiência total do melhor elemento (elemento que representa melhor eficiência) no cálculo do GD efetivo

“medido”. Na Figura 44 encontram-se as comparações do GD efetivo entre: a antena em espaço livre, a antena na

presença dos dois modelos do braço humano simulados e da antena em laboratório na presença do braço humano. Os

valores de GD aparente junto ao braço humano são idênticos aos obtidos em espaço livre porque apesar da

proximidade ao braço originar coeficientes de reflexão ligeiramente superiores, o acoplamento mútuo baixa

ligeiramente devido à absorção de radiação dos tecidos humanos, compensando as magnitudes mais elevadas dos

coeficientes de reflexão. Desta forma, como existiu um decréscimo e uma subida entre estes dois parâmetros, vão

existir valores muito próximos no cálculo da correlação e por sua vez no GD aparente. O fator diferenciador, tal como

foi dito anteriormente, e calculado na secção 4.3.3 foi a eficiência, mas como foi utilizada a eficiência simulada do

modelo elíptico, o GD efetivo medido obteve um valor igual ao GD efetivo do modelo elíptico simulado em toda a

banda, uma vez que se utilizou a mesma eficiência.

Figura 42- Grau de correlação dos sinais nos portos da antena em espaço livre, na presença do modelo plano e na

presença do modelo elíptico

50

Figura 43- Ganho de diversidade aparente na presença dos dois modelos de simulação e medição experimental junto ao braço

humano.

Figura 44- Ganho de diversidade efetivo em espaço livre, na presença dos dois modelos simulados e medição

experimental junto ao braço humano.

51

Capítulo 5

Conclusão

5.1. Trabalho realizado e comparações de resultados

A tese apresentada teve como objetivo principal o projeto de sistemas com diversidade de antenas UWB para

operarem junto ao corpo. Foi feito um resumo geral de todo o trabalho realizado bem como certas comparações de

resultados finais, pertinentes para as conclusões finais da tese. Todas as simulações de software realizadas ao longo

do trabalho foram realizadas com recurso ao 𝐶𝑆𝑇𝑇𝑀 Microwave Studio. No processo experimental de medição de

parâmetros foi utilizado o analisador vetorial E8361A (VNA) da Agient Technologies no laboratório do Instituto

Superior Técnico.

No capítulo 3 foram dimensionadas inicialmente duas antenas MS baseadas em [10] com dois tipos de

diversidade distintos (polarização e espacial) com o objetivo de poder contribuir para melhorar as comunicações que

sofram de desvanecimentos de sinal. Ambas as antenas UWB foram dimensionadas com dois monopólos em anel,

espaçados “ortogonalmente” e “paralelamente” entre si e foram impressas num substrato de baixas perdas 𝑅𝑂3003𝑇𝑀

com permitividade dielétrica relativa (𝜀𝑟) = 3 , com uma espessura de 1.59mm e uma tangente do ângulo de perdas

(𝑡𝑎𝑛𝜎 = 0.0013). Depois de serem realizados alguns testes foi acrescentado um filtro baseado em [33,34] com o

objetivo de melhorar o isolamento entre sinais nos portos das antenas. Verificou-se que este filtro demonstrou ser

muito eficiente, melhorando o isolamento das antenas na estrutura com diversidade espacial. Foram estudados

parâmetros como o coeficiente de reflexão das duas estruturas, bandas de funcionamento, acoplamento mútuo,

coeficientes de correlação, eficiências e ganho de diversidade. Conclui-se que em ambos os casos as antenas operam

em praticamente toda a banda de funcionamento, sendo que no caso de diversidade de polarização excede ligeiramente

o valor de referência de -10dB entre 7.5-8.8GHz, enquanto que no caso de diversidade espacial excede esse valor na

banda dos 2-4.2GHz. Os valores de acoplamento mútuo mais positivos foram conseguidos pela estrutura de antenas

com diversidade de polarização uma vez que apresentou valores menores que -20dB em quase toda a banda de

funcionamento face aos -16dB da estrutura de antenas com diversidade espacial. A correlação dos sinais nos portos

da antena no caso de diversidade de polarização revelou-se melhor, com valores e coeficientes de correlação médios

de -78dB comparados com -57dB nas antenas com diversidade espacial. Os valores de eficiência total foram superiores

52

na antena de diversidade de polarização comparada com a segunda antena, cerca de 95% e 87% respetivamente. Os

ganhos aparentes das duas estruturas revelaram ser muito semelhantes (~10dB), enquanto que o ganho efetivo revelou

ser em cerca de 1dB superior no caso da estrutura de diversidade de polarização devido à sua eficiência ter sido mais

elevada. Foi fabricada a estrutura de antenas com diversidade de polarização para a realização de testes em laboratório

uma vez que foi a antena que obteve valores mais favoráveis.

Relativamente aos resultados de laboratório, obtiveram-se concordâncias em relação aos testes feitos por simulação,

com as antenas a funcionar em praticamente toda a banda de frequências à exceção das frequências entre 7-9GHz. A

antena apresentou um bom isolamento entre os seus elementos, com um acoplamento mútuo sempre inferior a -20dB.

Obtiveram-se valores de correlação dos sinais nos portos das antenas muito próximos dos simulados, cerca -83dB

comparados com os -78dB obtidos por simulação. Quanto ao GD aparente da antena, verificou-se que a estrutura

projetada obteve um ganho semelhante ao simulado (10dB), existindo pequenos decréscimos em relação aos

resultados de simulação. Em relação ao GD efetivo da estrutura, como foram usadas as eficiências calculadas por

simulação, e como o GD aparente apresentou valores semelhantes por simulação e medição, obtiveram-se valores

iguais de GD efetivo por simulação e medição.

O segundo objetivo essencial nesta dissertação era realizar a análise do comportamento da antena na

proximidade do corpo humano. Para isso, inicialmente foram dimensionados dois modelos (plano e elíptico)

representativos de troço de um braço humano. Os modelos foram estudados recorrendo a software e foram

dimensionados com 4 tecidos diferentes, sendo cada um constituído pela sua permitividade dielétrica relativa e

tangente do ângulo de perdas.

Começou-se por avaliar o comportamento da antena a uma distância de 5mm dos modelos de braço humano

por simulação. Demonstrou-se que ao se introduzir os modelos de braço humano, a sintonia da antena altera-se

ligeiramente devido à desadaptação da antena. Ainda assim, como a magnitude foi inferior a -6dB, a estrutura

apresentou bons resultados para ligações on-body. Em relação ao acoplamento mútuo dos elementos da antena,

verificou-se que quando a estrutura é colocada junto aos modelos do braço humano, o acoplamento mútuo das antenas

é semelhante ou decresce em quase toda a banda de funcionamento, entre 3.5-10.4GHz. Este decréscimo deve-se ao

facto de o braço humano absorver parte da radiação eletromagnética do elemento 1 para o elemento dois, e vice-versa.

Foi possível afirmar que em presença de um braço humano o isolamento das antenas na configuração de diversidade

de polarização aumenta. Na comparação dos dois modelos (elíptico e plano), chegou-se à conclusão por simulação

que ambos os modelos apresentaram resultados muito semelhantes, sendo preferível o modelo elíptico devido aos

ligeiros decréscimos de magnitude do coeficiente de reflexão e ao melhor isolamento que tem em comparação com o

modelo plano. Em relação aos coeficientes de correlação da estrutura junto aos modelos, os resultados obtidos por

simulação foram muito próximos dos resultados em espaço livre com valores sempre inferiores a -50dB devido à

semelhança nos parâmetros-S da estrutura. Quanto à eficiência da antena junto aos modelos de braço humano,

verificou-se que a eficiência total diminuiu cerca de 20% em relação à propagação em espaço livre e desta forma,

apesar do GD aparente ter sido idêntico ao obtido em espaço livre (~10dB), o GD efetivo foi ligeiramente inferior,

cerca de 7.1dB.

53

No laboratório foram medidos os parâmetros-S da antena através da sua colocação a 5mm do braço de um

voluntário; demonstrou-se que os resultados obtiveram concordância com os simulados, com ligeiras diferenças de

magnitudes em relação aos coeficientes de reflexão. O acoplamento mútuo das antenas obtido experimentalmente foi

inferior a -20dB em praticamente toda a banda de frequências à exceção das frequências de 6.2-7GHz, revelando-se

também bastante próximo dos resultados simulados. Como as magnitudes dos parâmetros-S foram ligeiramente mais

elevadas nos resultados medidos experimentalmente, os coeficientes de correlação apresentada foi ligeiramente mais

fraca (mais alta) comparada com os dois modelos em estudo por simulação. Ainda assim, provou-se que os sinais nos

portos da antena têm um grau de correlação muito satisfatório, com valores sempre inferiores -50dB. Finalmente

provou-se que o GD aparente foi semelhante em comparação com a antena na presença dos dois modelos simulados

e em espaço livre (~-10dB). Como não existiu forma de se realizar a medição da eficiência, tal como aconteceu com

a estrutura em espaço livre, foi utilizada a eficiência do modelo simulado que mais se assemelha ao braço humano

(modelo elíptico). Desta forma no cálculo do GD efetivo, os resultados foram iguais aos obtidos por simulação da

estrutura junto ao modelo elíptico, uma vez que como os GD aparentes foram semelhantes, o fator diferenciador foi a

eficiência total.

5.2. Trabalho futuro

Como trabalho futuro propõe-se o teste de throughput (teste no canal de comunicação) da antena com

diversidade de polarização realizada. Propõe-se também a medição das eficiências totais da estrutura da antena em

laboratório através de cavidades (Wheeler cap). Desta forma é possível comparar os valores reais do ganho de

diversidade efetivo. Um trabalho futuro também de elevado interesse é a medição do ganho de diversidade através de

uma camara de reverberação, onde é possível a obtenção de medidas mais precisas das eficiências da antena e do

ganho de diversidade. Outro trabalho de estudo que poderá ser efetuado é o fabrico e testes da estrutura da antena já

dimensionada com diversidade espacial (com filtro).

54

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58

Anexo A:Máscaras de fabrico das antenas-

Antena com diversidade de polarização (máscara inferior e

máscara superior)

Figura 45- Máscaras das antenas de diversidade de polarização.

34mm

68mm

59

Anexo B:Conector SMA

Neste anexo 2 foi feita uma descrição do conector usado nas simulações/medições. Utilizou-se um conector

da TE CONNECTIVITY / GREENPAR com referência 1056374. Através do software CST Microwave Studio

dimensionou-se este tipo de conector para tornar o modelo final o mais realista possível. Na Figura 46 encontram-se

as imagens do conector SMA real (b), do conector SMA feito pelo CST para as simulações (a) e as suas dimensões

(c).

(c)

(a)

(b)

Figura 46- Conector SMA: (a) simulado; (b) conector SMA real; (c) dimensões.

http://pt.farnell.com/te-connectivity-greenpar

60

Anexo C:Medição dos parâmetros-S

Na medição dos parâmetros-S realizada em laboratório foi utilizado um VNA E5071C ENA Series Network

Analyzer, 300kHz-14GHz com 4 portos. O calibrador utilizado foi um N4433A Electronic Calibration Module (ECal),

300 kHz to 20 GHz, 3.5 mm, 4-portos. Foi definida a banda de medida de 2-12GHz com 1001 pontos, o que perfaz

um passo de 10MHz em toda a banda de medida. Foi definida a potência de -5dBm. Foram utilizados cabos coaxiais

de 1.2m de comprimento e conectores tipo K até 40GHz.

Foram efetuadas medidas em 2 portos do VNA, portos 1 e 2. Foi efetuada a calibração nos portos da antena,

isto é, conectado o calibrador eletrónico nos conectores dos cabos que ligam aos portos das antenas. A calibração

efetuada foi realizada sobre uma medida de 16 medidas. A calibração é necessária para eliminar o efeito dos cabos

nas medidas quer em atrasos de fase quer em perdas dos mesmos, como se ligasse os portos das antenas diretamente

ao VNA. Depois dos resultados serem obtidos, é automaticamente feito o registo num único ficheiro dos 4

parâmetros medidos:𝑆11, 𝑆22, 𝑆13 e 𝑆21. As medidas em espaço livre foram efetuadas cobrindo as superfícies mais

próximas com painel de material absorvente de ondas eletromagnéticas para evitar reflexões de sinal para as próprias

antenas. Nas medidas junto ao corpo teve-se o mesmo cuidado com as superfícies mais próximas excetuando-se, como

é óbvio, o próprio corpo que faz parte do sistema.

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Estudo e projeto de antenas UWB em cenários de diversidade · Estudo e projeto de antenas UWB em cenários de ... Wireless-body area network, ... 8 Figura 3- Geometria de uma antena