[pt] Antenas refletoras para cobertura omnidirecional vêm sendo utilizadas em diversos estudos de micro-ondas e ondas milimétricas. A principal motivação para trabalhar nestas bandas, entre outras aplicações, é o desenvolvimento de sistemas de comunicação sem fio de banda larga. O presente trabalho utiliza uma lente dielétrica na abertura do alimentador da antena refletora para reduzir a largura do feixe e, simultaneamente, evitar a presença de lóbulos laterais na região de cobertura. Uma apropriada modelagem da lente reduz o tamanho da antena sem degradar as características de radiação. O trabalho é dividido em duas partes: a modelagem de lentes dielétricas; e a modelagem de reflertores. A modelagem de lentes dielétricas circularmente simétricas utilizando os princípios da Óptica Geométrica para controlar a largura de feixe do diagrama de radiação transmitido pela lente. O modelo é feito a partir do deslocamento do foco da geratriz da lente, o novo foco virtual é o ponto geométrico onde convergem os raios emergentes da lente. A rotação da geratriz da superfície refletora faz que este ponto se torne um anel cáustico virtual. As lentes modeladas têm como alimentador uma corneta coaxial que fornece um diagrama de radiação circularmente simétrico. O diagrama de radiação transmitido pela lente é calculado usando as aproximações da ótica geométrica e ótica física em campo distante e próximo. Os resultados são comparados com os resultados simulados em um software especializado de simulação eletromagnética. A modelagem de refletores baseada nas propriedades da Ótica Geométrica. O refletor é uma superfície de revolução obtida através da rotação de uma geratriz em torno ao eixo de simetria. Neste trabalho, a geratriz é descrita por uma sucessão de seções de cônicas concatenadas, esta metodologia utiliza o diagrama de radiação transmitido da lente para obter uma distribuição de campo no plano vertical previamente especificada, que nosso caso é uma distribuição constante. O diagrama de radiação em campo distante radiado pelo refletor é calculado usando as aproximações da física ótica, estes resultados são 6 comparados com os resultados simulados em um software especializado em simulação eletromagnética. / [en] Reflector antennas for omnidirectional coverage have been considered in several studies of microwave and millimeter wave. The main motivation to work in these bands, among other applications, is the development of wireless broadband communication systems. This work uses a dielectric lens in the aperture of the reflector antenna feeder to reduce the beamwidth and simultaneously avoid the presence of side lobes in the coverage area. An appropriate lens modeling reduces the antenna size without degrading the radiation characteristics. The work is divided into two parts: the modeling of lens and modeling of reflector.The modeling of lens using the principles of the Geometrical Optics to control the radiation pattern transmitted by the lens. The modeling depends on the lens focus displacement, which is the geometric point of convergence of the rays emerging from the lens. The rotation of the lens generatrix causes this point to become a virtual caustic ring. The lens has a coaxial feed horn that provides a circularly symmetrical radiation pattern. The radiation pattern transmitted by the lens is calculated using the approximation of Geometric Optics and Physical Optics in the near and far field; these results are compared with the simulated results in a specialized electromagnetic simulation software. The reflector modeling is based on the properties of Geometric Optics. The reflector is a revolution surface obtained by rotating a generatrix around the symmetry axis. In this work, the generatrix is described by a sequence of concatenated conical sections. This method uses the transmitted radiation pattern of the lens to obtain a previously specified field distribution in the vertical plane, which is a constant distribution in the present case. The far field radiation pattern of the reflector is calculated using the Physical Optics approximation. These results are compared with the simulated results in a specialized electromagnetic simulation software.

[pt] Este trabalho apresenta um estudo sobre lentes dielétricas projetadas para corrigir a fase e amplitude de antenas do tipo corneta. Baseado nos princípios da Ótica Geométrica (GO), foi desenvolvido um programa computacional que sintetiza uma lente dielétrica que transforma os campos da abertura da corneta na distribuição de campo da abertura especificada. Além da síntese, o programa também realiza a análise aproximada baseada na GO para calcular o diagrama de radiação de antenas do tipo corneta, considerando as perdas devido à reflexão que não foram consideradas na síntese. Isto é realizado através do rastreamento de raios desde o alimentador até uma abertura virtual em frente à lente onde é, então, aplicado o Método da Abertura para calcular o diagrama de radiação. Os resultados obtidos são comparados com estudos disponíveis na literatura técnica e com a análise rigorosa realizada no Microwave Studio CST. A primeira parte do estudo apresenta exemplos de lentes para corrigir os campos da abertura de corneta corrugada que radia um diagrama de radiação aproximadamente circular, levando a lentes com simetria circular. Finalmente, na segunda parte, foi considerado o caso onde o alimentador é uma corneta cônica, que requere lentes assimétricas. / [en] The work presents a study about dielectric lenses designed to correct the aperture phase and amplitude of horn antennas. Based on Geometrical Optics (GO) principles, it has been developed a computational tool that synthesizes a dielectric lens that transforms the aperture fields of horn into a specified aperture distribution. Besides the synthesis, the tool also presents a GO approximated analysis of the horn antenna radiation pattern, by considering the losses due to the reflection not accounted in the synthesis. It is performed by applying the ray tracing from the feed to a virtual aperture in front the lens, and by applying the Aperture Method to calculate the radiation pattern. The design performances are compared with studies found in the technical literature and with a rigorous analysis performed in Microwave Studio CST. The first part of the study, presents design examples to correct the aperture fields of corrugated horns that radiates approximated circular radiation pattern, leading to circular symmetric lenses. Finally, in the second part, it has been considered the case where the feed is a conic horn, which requires asymmetric lenses.

[pt] Este trabalho aborda o projeto de antenas omnidirecionais de duplorefletores, onde o refletor principal é obtido a partir de uma geratriz circular. A antena é composta de refletores circularmente simétricos e concêntricos que são alimentados por uma corneta cônica coaxial excitada pelo modo TEM para a produção de polarização vertical. Para realizar este estudo são utilizadas técnicas de síntese e de análise eletromagnética rigorosa. A técnica de análise eletromagnética rigorosa é baseada na associação do Método de Casamento de Modos para representar os campos no interior do alimentador e do Método dos Momentos para solucionar as equações integrais para o campo elétrico e para o campo magnético e determinar a corrente elétrica induzidas sobre as paredes metálicas externas e a amplitude dos modos sobre a abertura da corneta. A técnica de síntese destas antenas é baseada na aplicação dos princípios da Ótica Geométrica para modelar o subrefletor que irá produzir uma distribuição de fase uniforme em uma abertura cônica colocada em frente ao refletor principal com geratriz circular. O estudo exploratório sobre o desempenho destas antenas é dividido em três partes. Na primeira, as soluções fornecidas pela síntese ótica e aproximações para os campos na abertura são utilizadas para identificar configurações de antenas compactas ou que maximizem o ganho ao longo do plano horizontal. Entretanto, pode-se obter uma melhor iluminação da área de cobertura através da inclinação do lobo principal (down tilt). Para reduzir o custo de fabricação de um conjunto de antenas que atendam diferentes áreas de cobertura, pode-se utilizar o mesmo refletor principal e modelar os subrefletores para deslocar a direção de máximo do diagrama. Assim, em uma segunda etapa do estudo paramétrico, são considerados alguns refletores principais, e, para cada um deles, é obtida uma família de subrefletores modelados para deslocar o máximo do diagrama no plano vertical. Esta estratégia se torna efetiva na medida em que o custo de fabricação do subrefletor é menor do que o do refletor principal. Na terceira parte, utilizando o método híbrido composto pelo Método do Casamento de Modos e pelo Método dos Momentos, é feito o modelamento da corneta coaxial TEM com o objetivo de reduzir sua perda de retorno e estender sua banda de operação. Por fim, ainda utilizando este método híbrido, é feita uma análise rigorosa das antenas duplo-refletoras propostas neste trabalho, procurando otimizar o desempenho destas antenas em termos do diagrama de radiação e da perda de retorno. / [en] This work presents a design study of omnidirectional dual-reflector antennas, where the main reflector is obtained from a circular generatrix. The antenna is composed of two concentric circularly symmetric reflectors and it is fed by a coaxial conical horn excited by TEM mode to produce vertical polarization. To obtain the subreflector surface, the study employs a GO synthesis technique to shape the subreflector in order to produce a uniform phase distribution in a conical aperture placed in front of the main reflector. To validate the results, it is employed a rigorous electromagnetic analysis technique based on the association of Mode Matching Technique to represent the fields inside the horn and Method of Moments to solve the integral equations of electric and magnetic fields. The solution of Method of Moments yields the induced electric current on the outer surface of the horn and the amplitude of the modes on the aperture of the horn. The exploratory study is divided in three parts. First, by using the GO approximations for the aperture fields, the geometry parameters are explored to identify compact antenna configurations that maximize the gain along the horizontal plane. However, a more uniform coverage of the ground can be obtained by tilting the main lobe. Thus, in a second step of the parametric study, it is considered a family of designs with the same main reflector and a set of subreflectors that are designed for different tilt angle of main lobe. This strategy is effective to reduce the manufacturing costs of a family of antennas designed to provide different coverage. Third, by using the hybrid method, the TEM coaxial horn is shaped to reduce the return loss and extend its operating band, and, finally, the overall antennas performance is optimized by controlling radiation pattern and return loss.

[pt] Este trabalho tem como objetivo aplicar uma técnica de síntese ótica de lentes dielétricas circularmente simétricas, que são iluminadas por uma fonte pontual com diagrama circularmente simétrico. A interface da lente (interface do dielétrico-ar) será modelada utilizando as aproximações da Ótica Geométrica e da Física Ótica. Da Ótica Geométrica, o controle da densidade de potência em campo distante é obtido pela aplicação de conservação de energia no interior dos tubos de raios que emergem do centro de fase da fonte e a determinação da direção dos raios que emergem da superfície do dielétrico é obtida através da aplicação da Lei de Snell para os raios incidentes na interface. Da Física Ótica, é possível obter as correntes elétrica e magnética na superfície externa da lente para determinar o campo radiado na integração dessas correntes pela superfície a partir da suposição de que as dimensões da lente e da curvatura da interface sejam muito maiores que um comprimento de onda no espaço livre. Devido a simetria circular, simplificações na formulação e nos esquemas numéricos para a solução serão apresentadas, resultando em técnica de projeto mais eficientes. A descrição da superfície da interface da lente é obtida através de técnica numérica. / [en] This work aims to apply a technique of optical synthesis of symmetrically circular dielectric lenses, which are illuminated by a point source with a symmetrically circular diagram. The lens interface (dielectric-air interface) will be modeled using the approximations of Geometric Optics and Physical Optics. From Geometric Optics, control of the power density in the far field is obtained by applying energy conservation inside the ray tubes that emerge from the phase center of the source and the determination of the direction of the rays emerging from the dielectric surface is obtained through the application of Snell’s law for the incident rays at the interface. From Physical Optics, it is possible to obtain the electric and magnetic currents on the external surface of the lens to determine the radiated field in the integration of these currents along the surface assuming that the lens dimensions and interface curvature are much larger than a wavelength in free space. Due to circular symmetry, simplifications in formulation and numerical schemes for the solution will be presented, resulting in a more efficient design technique. The description of the lens interface surface is obtained through numerical technique.