Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Neste trabalho, foram investigadas as propriedades estruturais e dielÃtricas da fase monoclÃnica da cerÃmica ferroelÃtrica Na2Nb4O11 com adiÃÃo de diÃxido de titÃnio (TiO2) e PentÃxido de vanÃdio (V2O5) nas proporÃÃes de 2, 5 e 10% em massa. Os pÃs Na2Nb4O11 foram produzidos pelo mÃtodo convencional de reaÃÃo em estado sÃlido. ApÃs a calcinaÃÃo, as amostras foram prensadas na forma de pastilhas cilÃndricas e, em seguida, sinterizadas. O estudo da estrutura e da composiÃÃo das amostras foi feito atravÃs de difraÃÃo de raios-X e Refinamento Rieteveld e um estudo da morfologia foi realizado atravÃs de Microscopia EletrÃnica de Varredura. As medidas de densidade foram obtidas atravÃs da picnometria. A caracterizaÃÃo dielÃtrica foi realizada na faixa de radiofrequÃncias e de micro-ondas. Em ambos os casos, foram realizados um estudo das propriedades em relaÃÃo à variaÃÃo da temperatura para possÃvel aplicaÃÃo em dispositivos que atuam em RadiofrequÃncia e Microondas. O objetivo principal desse trabalho foi obter ressoadores dielÃtricos cerÃmicos com permissividade dielÃtrica alta, baixas perdas dielÃtricas e estabilidade tÃrmica, pois essas propriedades sÃo necessÃrias para as aplicaÃÃes em filtros e antenas dielÃtricas. Nas medidas realizadas em temperatura ambiente de 25ÂC obtivemos um alto valor da permissividade dielÃtrica (εâr = 129.29 ) com o NN2V ( 2% de V2O5) e um valor da tangente de perda, relativamente baixo ( tanδ = 3.25x10-2 ) em 1 MHz. Na temperatura de 400ÂC e numa frequÃncia fixa de 1 MHz, foi obtido um alto valor da permissividade dielÃtrica com εâr= 358.23 e um valor de perda dielÃtrica em torno de 3,49 x10-1 para amostra NN2Ti. A medida do coeficiente de temperatura da frequÃncia de ressonÃncia (τf) mostrou a possibilidade de atingir a estabilidade tÃrmica (τf = 0) com o aumento do nÃvel de adiÃÃo de V2O5. Para a amostra NN00, obtivemos um τf= -3378,42 ppm/ÂC. Com a adiÃÃo do V2O5, este valor vai se aproximando do zero e atinge τf = -1348,618ppm/ÂC para o NN10V. As medidas na faixa de micro-ondas foram obtidas utilizando-se o mÃtodo Hakki-Coleman. Uma simulaÃÃo numÃrica foi realizada com cada amostra, verificando-se a reciprocidade com os dados experimentais. Neste estudo obtivemos uma cerÃmica NN10V, Ãtil para a aplicaÃÃo em dispositivos de antenas omnidirecionais de baixo ganho.

Esta tese propõe a síntese e o estudo de uma nova técnica de cavidades de borda aplicada a antenas Vivaldi, com o intuito de melhorar suas características de diretividade. Embora as antenas do tipo Vivaldi possuam características diretivas, elas produzem radiações laterais indesejáveis, o que se reflete nos elevados índices de lóbulos laterais devido a correntes superficiais que fluem ao longo das bordas metalizadas nas laterais da antena. Estas correntes são a origem das radiações laterais que vêm sendo mitigadas pela aplicação de cavidades ressonantes, triangulares ou retangulares, que aprisionam tais correntes e, consequentemente, atenuam os lóbulos laterais, sem o incremento do lóbulo principal, uma vez que toda a energia dos lóbulos laterais é apenas confinada nos ressonadores e por isso literalmente perdida. Ao contrário desses esforços, este trabalho propõe cavidades radiantes tanto na forma de abertura exponencial, como na forma do fractais de Koch, que funcionam como radiadores auxiliares (antenas auxiliares), canalizando as correntes de borda e aproveitando-as para aumentar os níveis do lóbulo principal, mitigando os níveis de lóbulo lateral. A síntese desta nova técnica foi implementada em uma antena Vivaldi antipodal com características de baixa diretividade, como qualquer antena Vivaldi, o que foi corrigido e a aplicação da técnica de cavidades radiantes deu origem a duas novas antenas Vivaldis efetivamente diretivas. Os resultados foram obtidos através de simulações do modelo numérico no CST Microwave Studio e confirmados com medidas de laboratório, o que evidenciou a melhora das características de diretividade da antena pela aplicação da nova técnica de cavidades radiantes. / This work presents a new Slot Edge technique applied to Vivaldi antennas to improve their characteristics of directivity, resulting in two new Vivaldi antennas: the Palm Tree Vivaldi antenna and the Koch Vivaldi antenna. This new technique proposes to add lateral radiators which reduce the side lobe level, increasing the gain of the main lobe in an unprecedented way. This technique is called radiating slot edges, and acts as parasitic antennas, surface currents draining edges of the antenna, and using them to increase the gain in the main lobe. The development was done systematically, starting with an extensive literature review, design and simulation in CST, as well as prototyping and measurements of several antenna designs. All this effort proved the functionality of this technique.

[pt] O modelamento de superfícies refletoras embarcadas em satélites tem se apresentado como uma alternativa eficiente à síntese de conjuntos de alimentadores. Existem várias técnicas disponíveis para a determinação do formato adequado para esta superfície, baseados em aproximações da ótica geométrica ou da ótica física. Neste trabalho, estudamos a aplicação da técnica das Projeções Sucessivas, um método interativo genérico, à síntese de superfície refletora e à síntese da distribuição de fase sobre a abertura. Este método é baseado nas aproximações da Ótica Física, o que garante uma boa precisão. Entre suas principais vantagens, estão a sua simplicidade e a sua eficiência computacional. / [en] The shaping of reflector surfaces for satellites hás been considered na efficient alternative to the available for the determination of the optimum shape for this surface, base don Geometrical Optics or Physical Optics approximations. This work investigates the application of the Technique of Sucessive Projections, a generic interative method, to the synthesis of a single reflector antenna and to the phase distribution on the aperture. This method is based on Physical Optics Techniques, which guarantees a good precision. Among its main advantages are its simplicity and its computational.

[pt] Neste trabalho, a técnica de interpolação de superfícies definidas numericamente por pseudo-splines é aplicada a antenas refletoras offset e com alto grau de modelagem. É feito um estudo comparativo com técnica de interpolação alternativa levando-se em conta os diversos métodos de análise de antenas refletoras. / [en] In this work, the pseudo-spline technique for numerically defined surfaces is applied to the approximation of single and dual-shaped offset reflector antennas. A comparative study with an usual alternative technique is undertaken, emphasizing the implications observed when different methods are employed for the evaluation of the antenna radiation field.

[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.

In today’s technologically driven world, antennas play an essential role in enabling wireless communications over long distances and allow communities to interact on a global scale. Typically, this is done using large networks of antenna systems on the ground and in space to ensure signals reliably arrive at their destinations, which can be very expensive in terms of replacement cost and maintenance as the number of nodes increase. We shall be discussing a new method for deploying space-borne antennas via CubeSats that will enable high speed communications with the ground and other satellites at a fraction of the cost and complexity of traditional communication systems. Specifically, the focus will be on the design of a phased array line feed and the backend systems for a CubeSat deployable inflatable spherical reflector that is electronically steerable to any direction in azimuth and elevation.

In September 2016, work was initiated on the subprojects which comprise the Conformal C-Band/Multiband Antenna project: SARD #1: Broadband Conformal C-Band Missile Wraparound Antennas; SARD #2: Beam Switching Array Antennas; SARD #3: Multiband Conformal Antennas for Aircraft Applications; SARD #4: High Altitude Coronal Efforts on Antenna Performance; and SARD #5: Small, Medium Gain Multiband Receive Antennas. A brief status of each of them will be discussed and detail the technology areas being developed by each.

La demande toujours croissante de connectivité et de débit de données requiert une rupture dans la conception des futurs réseaux de communication et systèmes radio. Plusieurs applications émergentes en bande millimétrique, notamment les réseaux mobiles de cinquième génération (5G) et les communications satellites, exigent des antennes large bande qui assurent une grande couverture angulaire, tout en étant à la fois compactes, facilement intégrables et à bas coût.Cette thèse propose des systèmes antennaires multifaisceaux large bande et à très grande couverture angulaire, appelés «Continuous Transverse Stub Antenna» (CTS), pour réaliser un bon compromis de l’ensemble de ces objectifs. L’architecture de l’antenne comprend un réseau de fentes longues excitées par un réseau d’alimentation en chandelier, basé sur des guides d’onde à plans parallèles. Cette structure est excitée par un formateur de faisceaux quasi-optique co-intégré. La première partie du manuscrit présent des nouveaux modèles numériques qui facilitent la conception de chaque sous-système de l’antenne et permettent l’analyse des performances globales, soit en termes d’adaptation, soit en termes de diagrammes de rayonnement. Ces outils sont exploités pour la conception d’antenne et pour étudier les limites en balayage. La thèse se poursuit en présentant de nouvelles solutions technologiques et de nouveaux design pour intégrer les antennes CTS dans des modules multicouches planaires et à faible profil. La conception et la caractérisation de deux antennes intégrées en technologie LTCC pour des points d’accès 5G à 60 GHz sont discutées. L’une des deux est à faisceau fixe, l’autre est à balayage électronique, avec une couverture de ±40°, de faibles lobes secondaires et un niveau élevé de recoupement des faisceaux. Enfin, nous proposons l’association de radomes polarisants planaires à faible profil aux antennes CTS, pour réaliser des systèmes rayonnants en polarisation circulaire. Une méthodologie systématique pour la conception de polarisateurs à très large bande est présentée, ainsi qu’un design couvrant entièrement la bande Ka pour des applications satellites. / The ever-growing demand for fast and seamless connectivity shows the need of new wireless standards and technologies. Novel broadband, wide-angle scanning antennas achieving an optimal trade-off among size, gain, efficiency and costs are crucial to the development of emerging applications at millimeter waves, such as fifth-generation (5G) mobile networks and satellite communications. In this thesis, multibeam parallel-fed continuous transverse stub (CTS) array antennas are proposed as possible candidates for future mm-wave communications and are developed to tackle these requirements. The antenna architecture comprises an array of long slots, a corporate feed network based on parallel plate waveguides (PPWs) and an integrated quasi-optical beamformer. First, novel numerical models for the analysis of each subsystem and of the overall antenna, are presented, which enable an efficient and modular design of CTS antennas. These tools are exploited to derive design guidelines and assess the scanning performance. Then, novel design and technological solutions for the integration of CTS antennas in flat, low-profile multilayer modules are discussed. The design and characterization of two prototypes in LTCC technology, for 60-GHz mobile access points are presented: a fixed beam array and a switched-beam antenna with a field of view of ±40°, low SLLs and high beam overlap. Finally, planar linear-to-circular polarization converters are proposed to realize circularly polarized CTS antenna systems. A procedure to achieve an ultra-wideband, low-loss polarization conversion is outlined and a design for Ka-band satellite application is presented.

The design of antenna arrays involves, amongst others, the selection of the array elements and geometry, as well as the element excitations. The feeding network to obtain the desired excitations can become quite complex, and hence expensive. One possible alternative would be to make use of micros trip wire-grid antenna arrays. These arrays are composed of staggered interconnected rectangular loops of dimensions a half¬wavelength by a wavelength (in the presence of the dielectric). It is because the short sides are considered to be discrete elements fed via micros trip transmission lines, that these antennas are viewed as arrays. While considerable success has been achieved in the design of these antennas, published work has been either of an entirely experimental nature or based on approximate (albeit clever) network models which do not allow for fine control of the array element excitations or off-centre-frequency computations generally. It is the purpose of this thesis to perform an almost rigorous numerical analysis of these arrays in order to accurately predict their element excitations. Models used to study microstrip antennas range from simplified ones, such as transmission-line models up to more sophisticated and accurate integral-equation models. The mixed-potential integral equation formulation is one of these accurate models which allows for the analysis of arbitrarily shaped microstrip antennas with any combination of frequency and dielectric thickness. The model treats the antenna as a single entity so that physical effects such as radiation, surface waves, mutual coupling and losses are automatically included. According to this formulation, the microstrip antenna is modelled by an integral equation which is solved using the method of moments. By far the most demanding part of the integral equation analysis is its actual numerical implementation. For this reason a complete description of the numerical implementation of the formulation is given in this thesis. To verify the accuracy of the implementation, rectangular microstrip patch antennas were analysed and surface current distributions were shown to compare favourably with published results. The formulation is then applied to the analysis of micros trip wire-grid antenna arrays which makes it possible to accurately predict surface current distributions on these arrays. Radiation patterns are determined directly from computed current distributions in the presence of the dielectric substrate and groundplane, and are essentially exact except for finite groundplane effects. To verify theoretically predicted results for wire-grid antenna arrays, several arrays were fabricated and actual radiation patterns were measured. Good correspondence between measured and predicted co-polar radiation patterns was found, while the overall cross¬polarization behaviour in cases with large groundplanes could also be predicted. The fact that numerical experimentation can be performed on wire-grid antenna arrays to examine element excitations, means that it is now possible to carefully design for some desired aperture distribution. / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2010. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted