[pt] Um modelo teórico de propagação foi desenvolvido e implantado em computador, baseado na técnica de traçado de raios, com o intuito de fornecer elementos para a análise do desempenho ou dimensionamento de enlaces terrestres de microondas operando em visibilidade, sob condições de céu claro. Este modelo combina os efeitos dos diagramas de radiação das antenas (amplitude e fase), reflexão e refração em camadas troposféricas, reflexão na superfície da Terra e da sua curvatura. O programa de computador pode ser usado para analisar a transmissão de sinais horizontalmente e verticalmente polarizados, bem como dos sinais circularmente polarizados, à esquerda e à direita. A título de validação do modelo e verificação da potencialidade do programa de computador, seus resultados são comparados usando exemplos comuns com os de modelos análogos, tendo-se obtido boa concordância. Finalmente, perfis verticais do índice de refração obtidos experimentalmente, são usados no cálculo de discriminação de Polarização Cruzada (XPD) e Isolação de Polarização Cruzada (XPI) de enlaces com reuso de freqüência. Os resultados obtidos são compatíveis com outros resultados de modelos semi-empíricos. / [en] With the objective of obtaining subsidies for the analysis and desing of microwave terrestrial links, under visibility and clear sky conditions, a theoretical model of propagation, based on ray tracing techniques, was developed. This model combines the effects of the radiation pattern of the antennas (amplitude and phase), reflection an refraction from the earth surface and the curvature of the earth. Based on this model, a computer program was generated, that is able to analyze the propagation of signals with the following polarizations: vertical, horizontal, left and rigth circular. To check the validity of the model, and the range of applicability of the computer program, several calculations were made, and the results compared to that obtained from other similar models. A good agreement was achieved. Finaly, measured profiles of refractive index were applied to the determination of cross polarization discrimination (XPD) and cross polarization isolation (XPI) in frequency reuse links. The results are comparable to that resultant from semi-empiric models.

[pt] A maximização do ganho de antenas cassegrainianas ou gregorianas normalmente é obtida com a modelagem do sub-refletor e do refletor principal. Tendo em vista facilidade de construção e flexibilidade no uso do tipo de alimentador, apresenta-se a alternativa de modelar-se apenas o sub-refletor. No presente trabalho, além de se modelar o sub-refletor, ajusta-se os parâmetros do parabolóide usado como refletor principal, a fim de minimizar os erros de fase da abertura até um valor que justifique a utilização dessa alternativa. Inicialmente são consideradas antenas cassegrain simétricas (capítulo 2). A seguir o estudo é entendido á antenas gregorianas do tipo offset. (Capítulo 3). / [en] The mazimization of the gain of cassegrainian or gregorian antennas is generally obtained with the shaping of su-refletor and main reflector. Having in mind easiness of construction and flexibility in the use of feed, an alternative of shaping only the sub-reflector, is presented. In the present work, besides shaping the sub-reflector, the parameters of the paraboloid used as the main reflector, are adjusted to minimize phase erros in the aperture uo to a value that justifies the use of such alternative. Symetrical cassegrain antenas are first considered (chapter 2). In chapter 3, the study is extended to gregorian offset type antennas.

[pt] No desenvolvimento das técnicas de determinação do campo elétrico irradiado por refletores simétricos de grandes dimensões, vem sendo constante a preocupação dos pesquisadores com o aprimoramento de métodos numéricos que melhor e mais rapidamente possam gerar dados confiáveis da radiação destas antenas, tanto na região de campo-distante quanto na região de Fresnel. Dentre as técnicas de cálculo possíveis, a utilização das séries de Jacobi-Bessel destaca-se como uma ferramenta bastante útil para a determinação do diagrama de radiação paraxial (na região próxima ao eixo de simetria do refletor) nas regiões de Fresnel e de Campo-Distante. Esta técnica é certamente conveniente quando é necessário calcular o campo para um grande número de pontos de observação. O presente trabalho contém, além do desenvolvimento teórico detalhado do método em questão para a determinação do campo espalhado por parabolóides simétricos alimentados no foco, aplicações nas quais são comparados os resultados com os obtidos através da aplicação de métodos tradicionais tais como: Integração Direta de Correntes, G.T.D. e Óitca Geométrica. São apresentadas e analisadas algumas curvas representativas da convergência das séries em campo próximo (Fresnel) e distante e para diversas situações do sistema (dimensões da antena, freqüência e ponto de observação). É feita ainda uma análise crítica da validade das aproximações de Fresnel na integral de Radiação [1] e das aproximações F.S.A. (Frasnel Small Angle Approximations) introduzidas no desenvolvimento das séries de Jacobi-Bessel. Finalmente, um programa de computador em linguagem FORTRAN desenvolvido para o cálculo do espalhamento de parabolóides simétricos On-Axis usando as séries de Jacobi-Bessel, é apresentado em anexo. / [en] This thesis reports on the computation of radiation patterns of axially symmetric parabolic reflector antennas using the Jacobi-Bessel Series Method. A detailed presentation of the method for the computation in the near far field regions is followed by a discussion about the validity of the approximations involved. Examples of application are given and the results, when compared with P.O., G.O. and solutions show good agreement. The ability of the method to achieve convergence faster than the classical current integration method is stressed. A complete listing of a fully commented FORTRAN IV computer program, developed by the author, is also presented.

[pt] Os sistemas que operam em banda larga necessitam de radiadores que atendam eletricamente a banda de frequência utilizada. As antenas com características de independência da frequência, em particular as antenas espirais, têm encontrando cada vez mais utilização nesses sistemas, seja em aplicações comercias ou militares. Esta dissertação tem por objetivo a análise de desempenho de antenas espirais do tipo fenda em cavidades, pela aplicação do método dos momentos. Serão consideradas cavidades com a face oposta à antena constituída por um condutor perfeito ou acoplada a uma estrutura de microondas com matriz de espalhamento conhecida. Essa estrutura de microondas, poderá simular, por exemplo, uma ou mais camadas de material absorvente.Um modelo numérico foi desenvolvido, e a partir dele foi elaborado um programa de computador, para determinar as características de radiação de antenas espirais em cavidade. São apresentados e comparados os resultados obtidos para três configurações de antenas espirais de Arquimedes do tipo fenda: sem cavidade, com cavidade condutora e com um material absorvente colocado sobre a face da cavidade oposta a abertura da antena. / [en] Broad band systems need radiators to operate over the entire frequency band. Frequency independent antennas, in particular spiral antennas, are finding increasing application in such systems, for commercial or military purposes. This dissertation has for objective the analysis of performance of cavity-backed slot spiral antenna, by applying the moment method . For this study it will be taken into account cavities with the face opposing to the antenna consisting of a perfect conductor or connected to a structure of microwaves with known scattering matrix. This microwave structure will be able to simulate, for example, one or more layers of absorbing material. A numerical model was developed, and based on it, it was elaborated a computer program to determine the radiation characteristics of cavity-backed spiral antennas. The results surveyed for three configurations of slot Archimedean spiral antenna are presented and compared: without cavity, with conducting cavity, and with an absorbing material placed on the cavity opposite to the antenna.

[pt] Devido às propriedades de banda larga e polarização circular, as antenas espirais tornaram-se bastante atrativas para diversos serviços de telecomunicações modernos e móveis. Neste trabalho uma antena espiral tipo fenda apoiada em uma cavidade cilíndrica metálica foi analisada. Por causa de sua geometria complexa, optou-se por um método numérico híbrido, realizado através de uma implementação de elementos mistos do método dos elementos finitos - integral de fronteira. Baseado nesta formulação, um programa computacional foi desenvolvido. Um grande esforço foi realizado a fim de escrever o programa de maneira que o armazenamento e as necessidades computacionais fossem mínimos, boa parte conseguida pela aplicação das condições de contorno na superfície metálica. Com o objetivo de melhor explorar a geometria do problema, definiu-se uma malha de elementos finitos onde a parte que cabia a abertura foi dividida em quadriláteros enquanto que no restante da superfície, elementos triangulares foram utilizados. Repetiu-se então esta malha ao longo da altura da cavidade, de maneira que hexaedros e prismas formaram a malha final. Para cada espécie de elemento, funções de base vetoriais específicas foram aplicadas. A fim de verificar a precisão do algoritmo, o mesmo programa computacional foi utilizado na análise de uma antena tipo fenda retangular, também apoiada em uma cavidade cilíndrica metálica. / [en] Known for the properties of broadband and circular polarization, spiral antennas have become sufficiently attractive for services of modern and mobile telecommunications. In this work a cavity-backed slot spiral antenna was analyzed. Because of its complex geometry, it was chosen a hybrid numerical method, carried through an implementation of mixing elements of the finite elements - boundary integral method. Based in this formulation, a computer program was developed. A great effort was carried out in order to write the program thus the computational storage and necessities were minimum, good part obtained by application of the boundary conditions on the metallic surface. With the goal of better exploring the geometry of the problem, a mesh of finite elements was defined where the part that fit the aperture was divided into quadrilaterals, while that in the rest of the surface, triangular elements were used. By repeating this mesh along the height of the cavity, hexahedrals and prisms formed the final mesh. For each kind of element, specific vector base functions were applied. In order to verify the accuracy of the algorithm, the same computational program was used in the analysis of a cavity-backed slot rectangular antenna.

[pt] Esta tese apresenta uma análise de uma estrutura de corneta cônica corrugada com dielétrico anisotrópico, com eixo óptico na direção axial da corneta. Esta configuração de corneta pode ser conseguida utilizando-se a estrutura de uma corneta corrugada com a adição de um cone dielétrico anisotrópico uniaxial. A anisotropia pode ser conseguida artificialmente dopando-se o material dielétrico isotrópico ou utilizando-se uma técnica de perfuração na direção axial do cone. Esta técnica de perfuração é sugerida e apresentada nesta Tese. Partindo-se da geometria definida, foram desenvolvidas as expressões dos campos transversais e o equacionamento para a obtenção das curvas características da estrutura. É apresentado ainda um estudo comparativo dos campos transversais com os casos degenerados já conhecidos de guias cilíndricos, entre eles, guia cilíndrico corrugado oco, guia cilíndrico metálico com bastão dielétrico, guia cilíndrico corrugado com bastão dielétrico isotrópico. As expressões para o cálculo dos campos radiados distantes foram obtidas para o guia cilíndrico corrugado com dielétrico anisotrópico. Em adição, expressões para o cálculo dos campos radiados distantes para a corneta cilíndrica corrugada com dielétrico anisotrópico com pequenos ângulos de abertura (flare angle) utilizando-se a aproximação por capa esférica foram obtidas e apresentadas. Estas expressões foram baseadas na terceira definição de Ludwig. Foram realizadas análises para estruturas já conhecidas geradas a partir da degeneração do caso mais geral apresentado nesta tese com o objetivo de validar a teoria desenvolvida e os resultados provaram a validade do material teórico desenvolvido. Finalmente, foi desenvolvida uma análise paramétrica da estrutura apresentada com o intuito de verificar o comportamento dos campos radiados e da polarização cruzada máxima em função da anisotropia e da frequência de operação. Verificou-se que a largura de feixe de meia potência foi pouco influenciada pela anisotropia do dielétrico e apresentou comportamento esperado em função da frequencia. A variação da máxima polarização cruzada em função da frequência foi estudada. Em determinados valores de permissividade e anisotropia, para a configuração considerada, foi alcançada a condição híbrida balanceada. Nesta condição a estrutura apresentou baixos níveis de máxima polarização cruzada em uma faixa larga de frequência. Comportamento este muito superior ao da corneta corrugada, corneta metálica com dielétrico e corneta corrugada com dielétrico isotrópico. / [en] This thesis presents an analysis of a corrugated conic horn structure with anisotropic dielectric. This dielectric cone is positioned inside the horn and has an optical axis in its longitudinal direction. This horn configuration can be obtained using the structure of corrugated horn and adding an anisotropic dielectric cone. The anisotropy can artificially be obtained by doping the isotropic dielectric or using a perforation technique. This perforation technique is suggested and presented in this Thesis. Expressions for the transverse fields and the propagation constant curves were developed considering this new geometry. It is also presented a comparative study of the degenerated transversal fields with well-known structures. These structures are: hollow cylindrical guide, corrugated cylindrical guide, cylindrical metallic guide with dielectric and corrugated cylindrical guide with dielectric. The expressions to calculate the radiated far fields were obtained for the corrugated cylindrical guide with anisotropic dielectric. In addition, expressions to calculate the radiated far fields for the corrugated cylindrical horn with anisotropic dielectric were developed and presented. These expressions considered horns with small flare angle and used the spherical cap approximation theory. All expressions considered the 3th Ludwig definition for the radiated far field. Far field analyses were conducted for well-known structures. These structures were obtained by degenerating the new configuration presented in this thesis and aimed to validate the theoretical developed theory. The results proved its validity. Finally, a parametric analysis was performed. This analysis considered, for a given structure configuration, the behavior of the radiated far fields and its maximum cross polar levels as a function of the anisotropy and frequency. It was verified that the dielectric anisotropy had very little effect on the half power beam width characteristic. The maximum cross polar level as a function of the frequency was analyzed. For some specific values of permittivity and anisotropy, for the considered configuration, the balanced hybrid condition was reached. In this condition the structure presented very low cross polar values in a large frequency band. This behavior is much more superior to the corrugated horn, dielectric horn and the isotropic dielectric corrugated horn.

[pt] Uma estrutura de placas condutoras apresenta características refrativas que permitem sua aplicação no projeto de lentes na faixa de microondas. Consiste de um conjunto de placas metálicas justapostas, paralelas entre si, estando estas afastadas umas das outras de uma distância maior que meio comprimento de onda e menor que um comprimento de onda, de forma que o campo elétrico da onda incidente esteja orientado paralelo as placas. As propriedades refrativas surgem do aumento da velocidade de fase da onda eletromagnética devido è presença das placas metálicas. A forma destas placas planas define a direção da onda que se propaga entre elas e permite o controle da distribuição de campo na interface de saáda das lentes metálicas. O controle da distribuição amplitude e fase do campo na abertura destas lentes permite, consequentemente, o controle do diagrama de radiação do dispositivo. Neste trabalho, são utilizadas técnicas aproximadas de síntese e análise de lentes metálicas que são projetadas para maximizar o ganho do dispositivo. A técnica de síntese é baseada nas aproximações da ótica geométrica e a de análise combina estas aproximações com uma análise difrativa na interface destas lentes. Para avaliar a efetividade destes algorítimos de síntese e análise aproximadas, os dispositivos projetados são submetidos a uma técnica de análise rigorosa no domínio do tempo. São apresentados e discutidos os projetos de lentes metálicas iluminadas por cornetas piramidais e lentes corretoras para cornetas setoriais no plano H. / [en] Metal plates structures exhibit refractive properties allowing the design of lens at microwave applications. A metal lens consist of a set of metallic plates placed side by side, parallel to each other, and away by a distance greater than half wavelength and less than a wavelength, so that electric field of incident wave is aligned parallel to the plates. Refractive properties arise from phase velocity increase of electromagnetic wave due to metal plate presence. The plate shape defines the wave propagation direction between the plates, allowing field distribution handling at lens output interface. Field distribution handle in aperture enable us, consequently, to control radiation pattern. In this work, an approximate techniques of synthesis and analysis for metal plates lens are outlined with the objective of improve structure gain. Geometric optics approach was used for synthesis technique, while, in analysis, diffraction effects was taken into account at surface lens. In order to evaluate the synthesis and analysis techniques, designed structures are submitted to a rigorous analysis in the time domain. Results for corrective lenses with H plane horns and metal plates lens in front of pyramidal horns are presented and discussed.

[pt] A síntese de duplos refletores com um alimentador dielétrico é estudada sob as considerações da ótica geométrica. A análise ótica do problema leva a uma equação diferencial parcial não-linear de 2ª ordem do tipo Monge- Ampére. Soluções particulares desta equação, as geometrias Cassegrain e Gregoriana off-set, são apresentadas e estudadas. Estas são usadas como soluções iniciais no processo iterativo de síntese. / [en] The synthesis of offset dual reflectors with dieletric feed is studied under the assumptions of geometrical optics. The optical analysis leads to a nonlinear second- order partial differential equation of the Monge-Ampére type. Particular solutions described by offset Cassegrain or Gregorian configurations are presented. These are used as initial solutions in the iterative process of synthesis.

[pt] Este trabalho apresenta uma nova técnica para aproximação de uma superfície refletora definida numericamente, i.e., por pontos fornecidos pelo processo de síntese da antena. As limitações inerentes às técnicas usuais são aqui eliminadas pela utilização de Pseudo-Splines Quínticas que interpolam uma distribuição arbitrária de pontos por uma superfície suave, com derivadas primeiras e segundas contínuas, assegurando uma representação única para o domínio de interesse. O procedimento é, então, aplicado ao subrefletor modelado de uma antena Cassegrain, com subseqüente cálculo do campo eletromagnético espalhado, permitindo uma análise detalhada de sua aplicabilidade. Uma teoria assintótica uniforme de difração é, também, aqui desenvolvida de modo a acomodar o espalhamento de feixes Gaussianos, descritivos, em freqüências altas, do diagrama de irradiação de alimentadores comumente empregados em sistemas refletores, por superfícies condutoras, através do rastreamento do campo eletromagnético ao longo de raios no espaço complexo. A análise do problema canônico (difração por semi-plano) estabelece as particularidades do método e a comparação com a solução rigorosa existente comprova sua acurácia, permitindo a extensão a problemas tridimensionais vetorais. A teoria Complexa da Difração, assim formulada, é, então aplicada ao cálculo do campo espalhado por diferentes geometrias de antenas refletoras, ilustrando a versatilidade do método bem como suas limitações. / [en] In order to evaluate the electromagnetic field scattered by shaped reflector antennas, one has to fit a surface to a set of points furnished by a synthesis technique. A new method, capable of interpolating arbitrarily located data points by a smooth surface is here presented. The interpolating function, called Quintic Pseudo-Spline, has continuous first and seconde order derivatives and yields a unique representation for the entire domain. The method is tested on the shaped subreflector of a Cassegrain antenna providing a thorough investigation of its applicability. Also, an uniform asymptotic theory of diffraction is derived in order to analyse the scattering of Gaussin beams, descriptive of the high-frequency radiation pattern of feed horns commonly employed in reflector systems, by conducting surfaces with edges. The constraints inherent to usual methods of analysis are hereby avoided by tracking these beam-type fields along straight rays in a complex coordinate space. Investigation of the canonical problem of scattering of a Gaussian beam by a conducting half-plane establishes the characteristics of the complex ray diffraction process. Comparison of the results thus obtained with the rigorous solution reveals the accuracy of the proposed theory and permits its extension to the three-dimensional vector problem. The resulting Complex Theory of Diffraction is then applied to the evaluation of the scattered field for several reflector antenna geometries, illustrating the versatility of the method as well as its limitation.

[pt] Este trabalho analisa o efeito das estruturas de suporte do sub-refletor das antenas Cassegrain através da teoria de espalhamento por cilindros. São desenvolvidas expressões das densidades de correntes superficiais sobre cilindros de seção transversal qualquer e obtidas as componentes de campo espalhado. Com esses resultados analisa-se então o efeito que os estais provocam na redução do ganho e no aumento dos lobos secundários. Os resultados finais obtidos são então comparados com outras teorias aproximadas. / [en] This work presents a study on the effect of subreflector support members of Cassegrain antennas using the theory of scattering by cylinders structures. Expressions for the surface current densities on arbitrary cross section cylinders are developed, and the components for the scattered field are obtained. Using these results we analyse the effect of the struts on the gain reduction, and the rise of maximum side-lobe level. The final results aobtained are then compared to other approximate theories.