Relatório Final Pibic - Lucas Ávila (2)

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ 
PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO 
DIRETORIA DE PESQUISA 
 
 
RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO FINAL 
 
PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA 
 
PIBIC/CNPq, PIBIC/CNPq-AF, PIBITI, PIBIC/UFPA, PIBIC/UFPA-AF, PIBIC/UFPA-INTERIOR, e PIBIC/UFPA-EBTT, 
PIBIC/UFPA-PcD, PRODOUTOR, PRODOUTOR RENOVAÇÃO, PIVIC, FAPESPA, PIBIC-EM. 
 
 
 
PERÍODO: 01/09/2021 a 31/08/2021 
 
 
IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO 
 
Título do Projeto de Pesquisa (ao qual o Plano de Trabalho está vinculado): Projeto e síntese de FSS de 
onda milimétrica com controle do regime de trapped-mode para aplicação no sistema de transporte 
inteligente. 
 
Nome do Orientador: Miércio Cardoso de Alcantara Neto 
 
Titulação do Orientador: Doutor 
 
Unidade (Campi/Instituto/Núcleo): Instituto de Tecnologia 
 
Laboratório: Laboratório de Computação e Telecomunicações – LCT. 
 
Título do Plano de Trabalho: Projeto e síntese de FSS de banda ultra larga para aplicações no sistema 5G 
utilizando otimização bioinspirada multiobjetivo. 
 
Nome do Bolsista: Lucas Ávila Lima Neves 
 
 Tipo de Bolsa: 
 
( ) PIBIC/CNPq 
( ) PIBIC/CNPq-AF 
( ) PIBITI 
( X ) PIBIC/UFPA 
( ) PIBIC/UFPA-AF 
( ) PIBIC/UFPA-INTERIOR 
( ) PIBIC/UFPA-EBTT 
( ) PIBIC/UFPA-PcD 
( ) PIBIC PRODOUTOR 
( ) PIBIC PRODOUTOR RENOVAÇÃO 
( ) PIVIC 
( ) FAPESPA 
( ) PIBIC-EM 
 
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1. Atividades realizadas: 
Durante todo percurso de estudos referente a iniciação científica, os procedimentos 
metodológicos adotados para o trabalho deram-se de forma remota, tanto para reuniões semanais 
do grupo de trabalho, quanto para realizações de simulações da superfície seletiva de frequência 
(FSS). Foram pautadas seguindo as descrições presentes no plano de trabalho da pesquisa, haja vista 
que no primeiro mês foi realizado um levantamento bibliográfico referente as temáticas abordadas 
na pesquisa. Posteriormente, a partir das leituras, foram realizados encontros virtuais com o GT para 
que houvesse oportunidade de aperfeiçoamento diante do uso do software CST, ferramenta usada 
nas abordagens preliminares para entender estruturas e fenômenos eletromagnéticos. 
Dessa forma, a literatura especializada utilizada até aqui – artigos – nos proporciona entender 
sobre a utilização dessas temáticas no que se refere ao âmbito das telecomunicações, principalmente 
quando se pensa na fase inicial do 5G, onde são baseadas nos primeiros padrões que já foram 
ratificados e oferecem suporte a serviços de banda larga móvel aprimorada (eMBB), causa de estudo 
do plano de trabalho. E que para isso se faz incluir no processo de aprendizagem questões como: 
algoritmos evolutivos multiobjetivo; comportamento de ondas eletromagnéticas; rede neural 
artificial de regressão geral; frequência de ressonância; faixas espectrais de frequência; dentre outras 
que tenham propósito de valorização do conhecimento a respeito do assunto. 
Para tanto, no percurso final todas as demandas do projeto foram atendidas, desde a 
implementação da simulação, até mecanismos para otimizar tal estrutura. Portanto, o uso das 
reuniões para revisão de disciplina, bem como sanar dúvidas – teóricas e práticas – foram 
primordiais para a entrega do projeto. 
 
2. Comparação entre o plano original e o executado: 
O presente relatório final de pesquisa pertencente ao projeto Projeto e síntese de FSS de 
onda milimétrica com controle do regime de trapped-mode para aplicação no sistema de 
transporte inteligente, coordenado pelo Prof. Dr. Miércio Cardoso de Alcantara Neto, financiado 
pelo CNPq, contempla explorar as potencialidades das ferramentas computacionais, no contexto em 
que pesquisadores planejam redes neurais artificiais (RNA) para trabalharem em conjunto com 
algoritmos de otimização bioinspirada, técnica denominada de método híbrido, que atualmente é 
aplicado com sucesso na faixa de frequências pertencentes aos sistemas que operam em micro-ondas 
(padrão IEEE 802.11 e IEEE 802.16) e ainda pouco explorada em ondas milimétricas (padrão IEEE 
802.15.3c). Nessa metodologia, o projeto e otimização das FSS é executado de modo a viabiliza 
maior robustez e flexibilidade ao projeto, garantindo resultados ainda mais precisos de modo a 
minimiza substancialmente o tempo de processamento das propriedades eletromagnéticas das 
estruturas. 
A fim de aumentar a efetividade na procura de FSS´s que sanem as demandas específicas, 
alguns métodos computacionais foram desenvolvidos capazes de descrever o comportamento 
eletromagnético de estruturas aleatórias. 
Ademais, ressalta-se modelos mais inteligentes, como redes neurais artificiais e neuro-fuzzy 
os quais podem ser utilizados na prevenção e otimização de resultados baseados em um banco de 
dados, obtidos através de metodologia clássica. Já os métodos analíticos baseiam-se na solução de 
equações de onda. 
Dessa forma, tal metodologia é empregada na análise de estruturas regulares e homogêneas. 
Para formas mais complexas, esse método não possui aplicabilidade, a não ser que haja um aumento 
significativo no empecilho acerca das equações válidas. 
 
 
3. Metodologia: 
A fim de aumentar a efetividade na procura de FSS´s que sanem as demandas específicas, 
alguns métodos computacionais foram desenvolvidos capazes de descrever o comportamento 
eletromagnético de estruturas aleatórias. Devido ao custo e manutenção de hardware, esse tópico 
tem recebido bastante atenção, todavia o surgimento de novos softwares para essa análise. Nesta 
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pesquisa, por ora, o requisito do software CST Studio Suite® é satisfatório; um pacote de software 
de análise 3D eletromagnética de alto desempenho para projetar, analisar e otimizar componentes e 
sistemas eletromagnéticos (EM). Tal metodologia pode basear-se em aproximações e/ou medições. 
Dessa forma, essa análise teórica tem como características importantes ao estudo o seu menor custo, 
suporte aos métodos de otimização paramétricos, maior compreensão dos princípios físicos que 
regem o comportamento do sistema. 
Ademais, ressalta-se modelos mais inteligentes, como redes neurais artificiais e neuro-fuzzy, os 
quais podem ser utilizados na prevenção e otimização de resultados baseados em um banco de 
dados, obtidos através de metodologia clássica. 
Já os métodos analíticos baseiam-se na solução de equações de onda. Dessa forma, tal metodologia 
é empregada na análise de estruturas regulares e homogêneas. Para formas mais complexas, esse 
método não possui aplicabilidade, a não ser que haja um aumento significativo no empecilho acerca 
das equações válidas. 
i. Simulação 
O principal efeito observado nessa simulação foi o deslocamento de frequência de 
ressonância, assumindo a FSS de tamanho finito. Houve diferença relativa com relação à largura de 
banda, que se manteve em ambas as configurações ao utilizar o CST. Sendo assim, evidencia-se que 
a diferença percentual pode estar associada às características do método computacional que abordará 
o eixo de pesquisa. 
 
Figura 1: Representação visual do arranjo 
O aranjo de dipolo-cruzado é descrito por 0,12cm por 1,2cm cada, conforme a figura acima, 
totalizando uma estrutura com (por volta) 167 elementos, distância de 1,5cm na direção vertical, 
tendo 21cm de largura e 29,7cm de comprimento, ou seja, uma estrutura considerada grande para 
fins, apenas, de análise. 
As condições de simulação são satisfeitas, uma vez que o arranjo não está reduzido a uma célula 
unitária, ademais as condições de contorno foram redefinidas, conforme exemplificado, preservando 
o campo de incidência até as portas de saída, e suas paredes perpendiculares satisfazem o sentido 
da propagação de onda incidente. 
 
4. Resultados preliminares 
Durante o percurso de estudos e pesquisa na iniciação científica, os procedimentos 
metodológicos adotados para a pesquisa foram pautados seguindo as descrições no planode trabalho 
e em reuniões semanais com os alunos. Até o momento, os resultados baseiam-se em simulações de 
superfícies seletivas de frequência já conhecidas, pois o que se busca é a otimização delas com 
plataforma multiobjetivo e bioinspirada. 
Primeiramente, ressalta-se que a diferença percentual pode estar associada às características 
do método computacional que abordará o eixo de pesquisa. A largura de banda observada girou em 
torno de 640 MHz, dentro da margem esperada, e a frequência central perto de 7,31 Ghz, implicando 
na faixa que destina-se ao uso de satélites de comunicação. No estudo base foi definida a referência 
de -10 dB para largura de banda. 
Quanto à diferença relativa, em comparação com a estrutura oficial, ficou na casa de 0,18%, 
o que é visto como adequado e concordante às medições, estimando assim, um intervalo de 
periodicidade que vai de 1,5 cm a 3 cm para fins desse estudo, como ilustrado na figura 2: 
 4 
 
Figura 2: Resultados preliminares para coeficiente de transmissão em função da 
frequência. 
Evidencia-se, portanto, que o relativo aumento da distância entre as células provocou 
variação de comportamento bastante significativa. Como a análise principal passa pela análise da 
frequência de operação, é nítido observar a mudança acentuada nela, implicando diretamente na 
frequência de ressonância (FR). Assim, ao alterar valores relativos à FR, observou-se que ela não 
ficou compatível com a estrutura de periodicidade de 3 cm. Outrossim, constata-se que não há 
sobreposição entre os intervalos periódicos, deslocando as curvas de frequência mais alta para a 
direita. 
 
Figura 3: Comparativo entre estruturas de FSS consoante à frequência 
Dessa forma, o resultado comparative final dentro do sofftaware mostrou os seguintes 
resultados para a FR e largura de banda: 
 F0 (GHz) F0 (e%) BW (GHz) BW (e%) 
FSS INFINITA 
8,27 
 
2,18 
 
1 
 
66,667 
FSS REDUZIDA A 167 ELEMENTOS 
8,18 
 
0,72 
 
 
1 
 
66,667 
VALOR MEDIDO 
8,1 
- 
0,614 
- 
 
5. Perspectivas: 
Nos meses seguintes encaminhar-se-á para a área de inteligência artificial, principalmente 
usando Python, para dar prosseguimento em otimização, contudo sendo para antenas, a fim de 
encaminhar projeto de mestrado no Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica, pelo 
Instituto de Tencologia. 
 
 
6. Dificuldades: 
 5 
De início deu-se pelo fato do “state of art” ser uma coletânea de referências bibliográficas 
com leituras técnicas, o que para aluno de graduação leva um tempo até obter adaptação ao dialeto 
acadêmico. Outrossim, o software utilizado – CST – requer um tempo, também, para adaptação até 
que o usuário, que estabeleceu o primeiro contato, exerça suas funções tendo o embasamento teórico 
da disciplina de Eletromagnetismo. 
7. Conclusão: 
A presente iniciação científica elucidou uma composição em arranjo que, dado os devidos 
intervalos de frequência de operação, vem a colaborar com aplicações no sistema 5G, 
principalmente no que diz respeito a FSS´s de banda ultra larga. Com o uso do software CST Studio 
Suite® foi possível reproduzir e ampliar uma estrutura de grande utilidade para as 
telecomunicações, aprimorando parâmetros importantes, como a curva da frequência de 
ressonância. Haja vista que desvios padrões no valor de contorno ainda ocorram, a FSS ressona 
dentro de intervalos aceitáveis e torna-se apta a desenvolvimento e otimização futura. 
8. Referências Bibliográficas: 
[1] ARAÚJO, Lincoln Machado De. Caracterização de sup erfícies seletivas de frequência 
periódicas e não-periódicas. - Natal, RN, 2014. 
[2] M. C. Alcântara Neto, J. P. L. Araújo, F. J. B. Barros, A. N. Silva, G. P. S. Cavalcante, and A. 
G. D’Assunção, “Bioinspired Multiobjective Synthesis of X-Band FSS Via General Regression 
Neural Network and Cuckoo Search Algorithm”, Microwave and Optical Technology Letters, vol. 
57, no. 10, 2015. 
[3] M. C. Alcântara Neto, J. P. L. Araújo, F. J. B. Barros, G. P. S. Cavalcante, A. G. D’Assunção, 
“A Metaheuristic Hybrid Optimization Technique for Designing Broadband FSS”, International 
Microwave and Optoelectronics Conference (IMOC), p. 1., Porto de Galinhas, 2015. 
[4] X. S. Yang e S. Deb, “Cuckoo search via Lévy flights”, in: Proc. of World Congress on Nature 
& Biologically Inspired Computing (NaBic 2009), IEEE Publications, USA, pp. 2010-2014, 2009. 
[5] X. S. Yang, “A new metaheuristic bat-inspired algorithm”, Nature Inspired Cooperative 
Strategies for Optimization, Springer Berlin, vol. 284, pp. 65-74, 2010. 
[6] X. S. Yang, M. Karamanoglu, X. S. He, Flower Pollination Algorithm: A Novel Approach for 
Multiobjective Optimization, Engineering Optimization, vol. 46, No. 9, pp. 1222-1237, 2014. 
[7] W. C. Araújo, H. W. C. Lins, A. G. D’Assunção Jr., J. L. G. Medeiros and A. G. D’Assunção, 
“A bioinspired hybrid optimization algorithm for designing broadband frequency selective 
surfaces”, Microwave and Optical Technology Letters, vol. 56, no. 2, 2014. 
[8] R. M. S. Cruz, P. H. F. Silva e A. G. D’Assunção, “Neuromodeling stop band properties of Koch 
Island patch elements for FSS filter design”, Microwave and Optical Technology Letters, vol. 51, 
no. 12, 2009. 
[9] P. H. F. Silva, R. M. S. Cruz e A. G. D’Assunção, “Blending PSO and ANN for optimal design 
of FSS filters with Koch Island patch elements”, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 46, no. 8, 
2010. 
[10] H. W. C. Lins, E. L. F. Barreto e A. G. D’Assunção, “Enhanced wideband performance of 
coupled frequency selective surfaces using metaheuristics”, Microwave and Optical Technology 
Letters, vol. 55, no. 4, 2013. 
[11] M. N. Kawakatsu, “Superfícies eletromagnéticas de micro-ondas com controle do regime de 
trapped-mode”, Tese de Doutorado, Universidade Federal do Pará, Instituto de Tecnologia (ITEC), 
Pará, 2012. 
[12] B. A. Munk, Frequency Selective Surfaces: Theory and Design, US: John Wiley & Sons, 2000. 
 6 
[13] W. C. de Araújo, “Síntese de superfícies seletivas de frequência através de técnicas de 
computação natural”, Tese de Doutorado, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Rio 
Grande do Norte, Brasil, 2014. 
[14] D. F. Specht, “A general regression neural network”, IEEE Transactions on Neural Networks. 
vol. 2, no. 6, 1991. 
[15] C. M. J. V. Coevorden, M. F. Pantoja, S. G. García, A. R. Bretones, R. G. Martín and K. Palmer, 
“Multiobjective-optimized design of a new UWB antenna for UWB applications”, International 
Journal of Antennas and Propagation, article ID 476878, 2013. 
[16] J. P. L. Araújo, J. C. Rodrigues, S. G. C. Fraiha, H. Gomes, G. P. S. Cavalcante, C. e R. L. 
Francês, “A WLAN planning proposal through computational intelligence and genetic algorithms 
hybrid approach”, The International Conference on Mobile Technology, Applications & Systems 
(Mobility Conference), pp. 10-12, Ilan, Taiwan, 2008. 
[17] S. Balochian e E. Ebrahimi, “Parameter optimization via cuckoo optimization algorithm of 
fuzzy controller for liquid level control”, Journal of Engineering, article ID 982354, 2013. 
[18] A. A. El-Fergany e A. Y. Abdelaziz, “Capacitor allocations in radial distribution networks 
using cuckoo search algorithm”, IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 8, ISS. 2, pp. 
223–232, 2014. 
[19] M. Khodier, “Optimisation of antenna arrays using the cuckoo search algorithm”, IET 
Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 7, ISS. 6, pp. 458–464, 2013. 
[20] G. R. MacCartney, Jr. and T. S. Rappaport, “Study on 3GPP Rural Macrocell Path Loss Models 
for Millimeter Wave Wireless Communications,” in 2017 IEEE International Conference on 
Communications (ICC), Paris, France, May 2017, pp. 1-7. 
[21] S. Sun, G. R. MacCartney Jr., and T. S. Rappaport, "A Novel Millimeter-Wave Channel 
Simulator and Applications for 5G Wireless Communications," 2017 IEEE International 
Conference on Communications (ICC), May 2017. 
[22] S. Sun, H. Yan, G. R. MacCartney Jr., andT. S. Rappaport, "Millimeter Wave Small-Scale 
Spatial Statistics in an Urban Microcell Scenario," 2017 IEEE International Conference on 
Communications (ICC), May 2017. 
[23] S. Sun and T. S. Rappaport, "Millimeter Wave MIMO Channel Estimation Based on Adaptive 
Compressed Sensing,” 2017 IEEE International Conference on Communications Workshop 
(ICCW), May 2017. 
[24] J. Ryan, G. R. MacCartney, Jr., and T. S. Rappaport, “Indoor Office Wideband Penetration 
Loss Measurements at 73 GHz,” in 2017 IEEE International Conference on Communications 
Workshop (ICCW), Paris, France, May 2017, pp. 1-6. 
[25] G. R. MacCartney, Jr., H. Yan, S. Sun, and T. S. Rappaport, “A Flexible Wideband Millimeter-
Wave Channel Sounder with Local Area and NLOS to LOS Transition Measurements,” in 2017 
IEEE International Conference on Communications (ICC), Paris, France, May 2017, pp. 1-7. 
 
 
PARECER DO ORIENTADOR: 
 
 
 
DATA: ______/_________/________