Το παρακάτω κείμενο αποτελεί διπλωματική εργασία που εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ασύρματης Επικοινωνίας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός μας, ήταν η επίλυση των εξισώσεων του Maxwell σε προβλήματα που αφορούν το σφαιρικό και το κυλινδρικό σύστημα συντεταγμένων. Στην προσπάθεια αυτή κάναμε χρήση της μεθόδου επίλυσης των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (F.D.T.D) σε δύο ειδών εφαρμογές: η πρώτη αφορά έναν κυλινδρικό κυματοδηγό, τον οποίο μοντελοποιήσαμε με τη βοήθεια του κυλινδρικού συστήματος συντεταγμένων και η δεύτερη αφορά μια κωνική κεραία UWB, την οποία μοντελοποιήσαμε με τη βοήθεια του σφαιρικού συστήματος συντεταγμένων. Η προσομοίωση αυτών των δύο εφαρμογών γίνεται με τη βοήθεια του προγραμματιστικού περιβάλλοντος της Matlab. Επειδή η μέθοδος F.D.T.D επιλύει τις εξισώσεις του Maxwell στο χρόνο μας προσφέρει τη δυνατότητα της οπτικής απεικόνισης των πεδίων σε διάφορες χρονικές στιγμές, κάτι που μας επιτρέπει να παρατηρούμε τη χρονική εξέλιξη των φαινομένων. Η μέθοδος γίνεται ιδιαίτερα ελκυστική λόγω του επιπρόσθετου χαρακτηριστικού της απευθείας επίλυσης των εξισώσεων στροβιλισμού του Maxwell, καθιστώντας παράλληλα περιττή την επίλυση της κυματικής εξίσωσης. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις υπολογιστικές τεχνικές στον ηλεκτρομαγνητισμό. Επίσης γίνεται μια πρώτη αναφορά στη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (F.D.T.D), στις δυνατότητες της μεθόδου, στο πεδίο εφαρμογής της καθώς και στα πλεονεκτήματά της. Στο κεφάλαιο δύο παρουσιάζονται οι εξισώσεις του Maxwell. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται οι εξισώσεις στροβιλισμού και οι βαθμωτές διαφορικές εξισώσεις που προκύπτουν από αυτές στις τρεις και δύο διαστάσεις. Στις δύο διαστάσεις γίνεται διάκριση σε εγκάρσιο ηλεκτρικό ρυθμό (Transverse Electric) και εγκάρσιο μαγνητικό ρυθμό (Transverse Magnetic). Τέλος παρουσιάζονται οι εξισώσεις του Maxwell που ισχύουν για τα σκεδαζόμενα πεδία. Στο κεφάλαιο τρία παρουσιάζονται τα βασικά στοιχεία της μεθόδου F.D.T.D, τα οποία πρέπει να γίνουν κατανοητά προκειμένου να αναδειχθούν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται οι εξισώσεις πεπερασμένων διαφορών, που προκύπτουν από τις βαθμωτές διαφορικές εξισώσεις, που προκύπτουν από τις εξισώσεις στροβιλισμού του Maxwell. Στη συνέχεια παρουσιάζονται βασικά χαρακτηριστικά της μεθόδου, όπως η επιλογή του χωρικού και χρονικού βήματος και η δημιουργία πηγών. Μετά παρουσιάζεται η σημαντικότερη απορροφητική οριακή συνθήκη PML του Berenger και τέλος οι υπολογιστικές απαιτήσεις του αλγορίθμου F.D.T.D. Στο κεφάλαιο τέσσερα επιλύονται προβλήματα σε δύο διαστάσεις και συγκεκριμένα το πρόβλημα των ρυθμών διάδοσης TM και ΤΕ εντός κυλινδρικού κυματοδηγού με υλικό εντός του τον αέρα. Στο κεφάλαιο πέντε επιλύονται προβλήματα σε δύο διαστάσεις. Συγκεκριμένα παρουσιάζει την ανάπτυξη ενός σετ εργαλείων λογισμικού που είναι χρήσιμα στην ανάλυση κεραιών και δομών εξαιρετικά ευρείας ζώνης (UWB). Αυτά τα εργαλεία χρησιμοποιούνται στην εκτέλεση προσομοίωσης με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (FDTD) μίας κωνικής κεραίας με συνεχές κύμα (CW) και παλμικές διεγέρσεις UWB. Η κεραία αναλύεται με τη χρήση εξισώσεων σφαιρικών συντεταγμένων FDTD που προέρχονται από τις βασικές αρχές. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για τη διέγερση τύπου συνεχούς κύματος (CW) συγκρίνονται με τα αποτελέσματα από προσομοιώσεις και μετρήσεις σε δημοσιευμένες πηγές· τα αποτελέσματα της διέγερσης UWB είναι νέα. Τα παραπάνω προβλήματα κάνουν σαφές το πόσο σημαντικό είναι να γνωρίζουμε σε βάθος τα χαρακτηριστικά της μεθόδου προκειμένου να φτάσουμε στην λύση τους. Σε περιπτώσεις όπου γνωρίζουμε τη λύση εκ των προτέρων (είτε ποιοτικά ή ποσοτικά) έχουμε τη δυνατότητα να επαληθεύσουμε την ορθότητα των αποτελεσμάτων της F.D.T.D. Οι λύσεις των προβλημάτων β ασίζονται στην εύρεση των ολικών πεδίων. Ο εναλλακτικός τρόπος της εύρεσης των σκεδαζόμενων πεδίων δεν χρησιμοποιείται. Βέβαια στα προβλήματα ακτινοβολίας κεραιών υποχρεωτικά εφαρμόζεται η διατύπωση των ολικών πεδίων. Μέσω αυτής της εργασίας έγινε σαφής η ικανότητα της F.D.T.D να εφαρμόζεται σε μεγάλη ποικιλία προβλημάτων. Κάτι που δεν έγινε σαφές είναι η δυνατότητα της μεθόδου να συνδυάζεται με άλλες μεθόδους, κάτι που μπορεί να επιφέρει σημαντική καταστολή ή και εξάλειψη των μειονεκτημάτων της. Με αυτό τον τρόπο δημιουργούνται νέες υβριδικές μέθοδοι. Με τις μεθόδους εύρεσης των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων (όπως είναι η F.D.T.D) έχουμε τη δυνατότητα να δούμε τον ηλεκτρομαγνητισμό από νέα σκοπιά, κατανοώντας τον καλύτερα και προσαρμόζοντάς τον στις σύγχρονες ανάγκες της εποχής. / -

[pt] Neste estudo faz-se uma análise do desempenho de antenas cônicas compactas para operar em largas bandas de freqüência. Esta análise será feita observando o comportamento da impedância da antena. Serão, primeiramente, consideradas as estruturas convencionais formadas por cones e cones sobrepostos próximos a um plano condutor. Posteriormente, será considerada uma estrutura cônica onde o arredondamento das bordas resulta em um comportamento mais uniforme para a impedância de entrada com variações da freqüência, conferindo um aumento na banda para esta configuração. / [en] The discone antenna is well known as an easy to build multioctave broadband antenna with a omnidirectional radiation pattern in the H-plane, It comprises a plane conductive disc element spaced close to and axially aligned with a conductive cone element. For applications in the UHF and microwave ranges, high performance antennas have been designed to operate from 0.5 to 5 GHz with a VSWR of about 3.5:1 or less. If the length is finite, the impedance still strongly dependent on apex angle as long as the cone is longer than about quarter of wavelength and the apex angle is relatively larger. A problem that is experienced with these antenna designs is the relatively large size required to operate at the low frequencies. In applications where utilization of this antenna. In this work, the analysis and design of these antenna is obtained by employing a rigorous formulation of the electromagnetic scattering problem. As a design tool, we employ Method of Moments for the analysis of rotationally symmetric structures excited by TEM mode. To properly account the variations in driven-point impedance with frequency, the coaxial waveguide used to feed the antenna is also included in the analysis. The excitation is simulated by a distribution of equivalent electric and magnetic currents placed inside the coaxial cable, over a cross-section plane. These currents are defined such that only excite the mode TEM towards the cable-antenna junction. These numerical tool is employed in the shaping the metallic surfaces involved in the discone-type antennas in order to obtain more compact structures. Simple solutions can be easily obtained making the center fed cone and the disc element with radially outer edge portions rolled backwardly and away from each other to form donut-shaped configurations. The ruled edges not only reduce the diameter of the antenna but also permit the current to flow around them smoothly and without reflections that degrade the VSWR at low end of the frequency band.