Material filtrante para radome com base em metamaterial de laminado fibra metal para antenas 5g em aeronaves: um estudo da configuração de superfície seletiva de frequência

Abstract

A crescente adoção de aeronaves elétricas, como drones e veículos eVTOL, tem impulsionado o desenvolvimento de materiais estruturais com propriedades multifuncionais, que combinem leveza, desempenho mecânico e compatibilidade eletromagnética (EMC). Nesse contexto, este trabalho apresenta o desenvolvimento e análise de radomes filtrantes compostos por Laminados de Fibra Metal (LFM) integrados a Superfícies Seletivas de Frequência (FSS), otimizadas para operação na faixa de 24 a 27 GHz, correspondente à tecnologia 5G. Foram simuladas e manufaturadas quatro geometrias distintas de FSS do tipo abertura: dipolo, dipolo cruzado, trípolo e cruz de Jerusalém, aplicadas sobre lâminas de alumínio e integradas a laminados de fibra de vidro com resina epóxi, utilizando o processo de laminação manual com bolsa de vácuo. As propriedades eletromagnéticas do material foram obtidas por meio de ensaios em guia de onda e medições em sistema de espaço livre, sendo os coeficientes de transmissão (S₂₁) analisados via simulação no software FEKO. Os resultados revelaram que a Cruz de Jerusalém foi a única geometria que apresentou coincidência entre a frequência simulada e a medida (25,5 GHz), com baixa perda de transmissão (apenas 4%), destacando-se como a mais estável frente às condições reais de medição. As demais geometrias apresentaram deslocamentos espectrais e perdas variáveis, com destaque para o dipolo (deslocamento de 0,9 GHz e perda de 32%) e o trípolo (1,2 GHz e 40%). Além disso, foi observada forte correlação entre a complexidade geométrica das FSS e o tempo de usinagem CNC, impactando a viabilidade prática de fabricação. O estudo demonstrou a viabilidade técnica da integração entre estruturas FSS e laminados LFM para aplicações em radomes filtrantes aeronáuticos, oferecendo soluções promissoras para estruturas 5G que demandam seletividade espectral e robustez mecânica, contribuindo para o avanço da compatibilidade eletromagnética embarcada.

The increasing adoption of electric aircraft, such as drones and eVTOLs (Electric Vertical Take-Off and Landing vehicles), has driven the development of multifunctional structural materials that combine low weight, mechanical performance, and electromagnetic compatibility (EMC). In this context, the present work presents the development and analysis of filtering radomes composed of Fiber Metal Laminates (FMLs) integrated with Frequency Selective Surfaces (FSS), optimized for operation in the 24–27 GHz frequency range, which corresponds to 5G communication systems. Four distinct FSS geometries of the aperture type: dipole, crossed dipole, tripole, and Jerusalem cross, were simulated and fabricated over aluminum foils, then integrated into fiberglass/epoxy laminates using the vacuum bag hand lay-up method. The electromagnetic properties of the composite were obtained through waveguide tests and free-space measurement systems, and the transmission coefficients (S₂₁) were evaluated via full-wave simulations using FEKO software. The results showed that the Jerusalem cross was the only geometry to exhibit matching between the simulated and measured resonance frequency (25.5 GHz), with minimal transmission loss (4%), standing out as the most stable under real measurement conditions. The other geometries showed spectral shifts and varying transmission losses, with the dipole (0.9 GHz shift and 32% loss) and tripole (1.2 GHz and 40% loss) being the most affected. Additionally, a strong correlation was observed between the geometric complexity of the FSS and the CNC milling time, directly impacting the practical viability of large-scale fabrication. This study demonstrated the technical feasibility of integrating FSS structures with FMLs for aerospace filtering radome applications, offering promising solutions for 5G-compatible structures that require spectral selectivity and mechanical robustness, and contributing to the advancement of embedded electromagnetic compatibility technologies.