Neste trabalho é estabelecido um procedimento para a obtenção dos campos eletromagnéticos em estruturas com múltiplas camadas, anisotrópicas ou não, e respectivas funções de Green. Os cálculos são efetuados no domínio de Fourier com auxílio da programação simbólica do Mathematica. Análises das características de irradiação são realizadas para dipolos de meia onda e antenas de microfita retangulares e circulares, sobre substratos isotrópicos. Síntese de redes de antenas circulares, para aplicação em satélites de órbita baixa, também são contemplados. Empregando o formalismo desenvolvido, um programa em linguagem simbólica é implementado para a obtenção das funções de Green espectrais de estruturas com substratos anisotrópicos. Este programa é usado na análise do comportamento de um dipolo elétrico curto impresso sobre um substrato de ferrite polarizado. O método dos momentos é estruturado para a análise rigorosa de antenas de microfita alimentadas por acoplamento eletromagnético. Aplicação para um dipolo elétrico imerso em camadas biaxiais é efetuada e efeitos sobre a impedância de entrada são estudados. Resultados teóricos são comparados com os simulados por programas comerciais. Experimentos são realizados com um protótipo construído. Boa concordância entre os resultados experimentais e os previstos pelos programas desenvolvidos validam o procedimento estabelecido.

Apresenta-se neste trabalho um modelo dinâmico para a análise de estruturas quirais multicamadas. Utilizando o formalismo de Fourier, que encaminha o problema para o domínio espectral, expressões simples e compactas para os campos eletromagnéticos transformados, no espaço livre e nas camadas quirais, são determinadas considerando-se a estrutura como um problema de contorno onde as densidades superficiais de corrente elétrica são as fontes virtuais desses campos. Expressões assintóticas para os campos distantes também são determinadas. Características de irradiação de dipolos impressos em estruturas com um e com duas camadas quirais são analisadas. Efeitos da quiralidade sobre essas características são discutidos. Destacam-se os fenômenos relacionados com a rotação e a deformação dos diagramas para campos distantes. Modos de propagação em guias planares com substratos quirais são analisados detalhadamente. Atenção especial é dedicada ao comportamento das componentes dos campos eletromagnéticos nas proximidades do plano de terrra e da interace entre o substrato quiral e o espaço livre. Campos próximos excitados por dipolos impressos também são discutidos. Integrais de Sommerfeld são calculadas numericamente para a obtenção dos campos no domínio espacial. O comportamento peculiar da componente do campo magnético perpendicular às intefaces da estrutura é analisado. Para o caso particular de uma antena de microfita retangular com substrato quiral, alimentada por uma prova coaxial, são estabelecidas as equações integrais para o cálculo, via método dos momentos, de sua impedância de entrada. A escolha do tipo e do número de funções base é realizada criteriosamente. Como resultado, nota-se que a quiralidade não afeta substancialmente a forma da impedância de entrada. Entretanto, o seu aumento provoca um decréscimo na freqüência de ressonância de antena com poralização linear e na freqüência na qual a razão axial de antenas circularmente polarizadas é ótima. Tal fenômeno éparticularmente importante para antenas eletricamente finas.

Na tese apresenta-se a aplicação da Abordagem de Domínio Espectral para o estudo de moduladores eletroópticos integrados com substratos estratificados. As configurações dos moduladores utilizam estruturas de microondas do tipo ondas caminhantes, com seção transversal limitada por paredes condutoras. Os substratos são constituídos por material eletroóptico e camadas dielétricas isotrópicas. A rede de eletrodos planos, utilizada para configurar o campo de modulação, é posicionada em uma interface apropriada do substrato estratificado, e os guias ópticos do tipo canal, estão localizados na camada eletroóptica. A modelagem da interação eletroóptica, para um modulador faixa larga, deve levar em consideração as características de propagação do sinal óptico e do campo elétrico de modulação. Para os guias ópticos obtém-se uma representação análitica para o campo óptico, aplicando-se hipóteses simplificadoras. Por outro lado, o estudo do campo elétrico de modulação, levando-se em consideração os efeitos de dielétricos em multicamadas, da rede de eletrodos com assimetria geométrica e da blindagem elétrica, é realizado através do método de Abordagem de Domínio Espectral. A formulação desenvolvida é aplicada para moduladores com substratos cujos eixos cristalinos são orientados arbitrariamente em relação aos geométricos. Contudo, ênfase especial especial é dedicada aos moduladores que utilizam CPS e CPW com substratos de LiNbO3 ou LiTaO3, com cortes -Z ou -X e buffer-layer de SiO2, por apresentarem grande importância prática. Para moduladores com multi eletrodos, que utilizam um modo de propagação dominante quase-TEM, é apresentado um modelo fundamentado na representação do sinal de modulação através de uma linha de transmissão equivalente. Leva-se em consideração os efeitos do descasamento entre as velocidades dos sinais óptico e de modulação, e os coeficientes de reflexão nas estremidades dos eletrodos. A largura de faixa e a tensão de meia-onda de moduladores são discutidas em detalhes para diversas configurações de interesse prático.

Antenas e redes de antenas de microfita híbridas planas e cilíndricas, com patches retangulares e operando no modo TM11, são os tópicos deste trabalho. Alimentadas por pontas de prova coaxiais, diferentemente das convencionais, esses irradiadores podem exibir baixos níveis de polarização cruzada em seus planos H. Partindo da topologia híbrida convencional, antenas embutidas (flush-mounted microstrip antennas) são analisadas, projetadas, implementadas e ensaiadas na faixa do ISM da banda S. Modelos analíticos, como o da cavidade ressonante e o da corrente elétrica superficial, são utilizados na análise e no pré-projeto desses irradiadores. Procedimentos originais são estabelecidos para o cálculo das funções de Green de correntes verticais, enquanto que um novo modelo é proposto para caracterizar a ponta de prova coaxial de alimentação. Como resultado, a assimetria do diagrama de irradiação no plano E, ocasionada pela ponta de prova coaxial de alimentação, pôde ser descrita adequadamente. Estes modelos também são utilizados na análise e pré-projeto de redes lineares e circunferenciais de antenas híbridas. Com as dimensões de pré-projeto determinadas a partir dos modelos analíticos, otimizações foram conduzidas no HFSS de modo a estabelecer as dimensões de construção dos protótipos. Quatro antenas embutidas são confeccionadas em tecnologia SIW: um elemento plano, uma rede colinear de quatro antenas e dois elementos cilíndricos. Os bons resultados experimentais obtidos atestam os procedimentos estabelecidos para os projetos dos irradiadores e os processos de construção dos protótipos.

This thesis picks up from the full-wave spectral-domain formalism developed at ITA's Antenna and Propagation Laboratory (LAP) for the analysis of electromagnetic radiation, scattering and propagation in structures composed of multiple layers made up of complex media. Besides the analysis and design of planar, cylindrical and spherical microstrip antennas, the methodology has also been successfully extended to remote sensing applications. Either way, a representative model needs to account for the geometric and electromagnetic characteristics of the particular structure, and for the electromagnetic excitation mechanism. Nonetheless, the focus so far had been on applications whose sources were distributed along the layer interfaces. So the goal in Chapters 2 and 3 is to extend the model coverage to vertical electric and magnetic sources embedded in planar structures made up of isotropic dielectric layers. Their spectral Green's functions are calculated using the auxiliary vector potential approach. In addition, horizontal electrical and magnetic sources are analyzed using LAP's technique, thus providing a consistent formalism to handle any combination. The limit case of infinitesimal current elements is derived, as well as that of a dipole holding a sinusoidal current distribution. Careful analysis of the boundary conditions affecting the tangential field components produces two uncoupled systems, one on the spectral electric field amplitudes, and another on the magnetic field, cutting down the mathematical workload and processing time. Hybrid microstrip antennas provide interesting means to overcome conventional antenna drawbacks, such as the significant H-plane cross-polarization level. Probe-fed hybrid microstrip antennas are analyzed in Chapter 4 via the resonant cavity and surface electric current models. The primary goal of systematically determining adequate design criteria is achieved and proved by predesigning an antenna for operation in 2.45 GHz. The design criteria are also validated by excellent experimental results for an antenna prototype that was manufactured and tested. As a side benefit, the use of analytical models permits the analysis of effects such as a radiation pattern asymmetry in the E plane, and a systematic study of its cross-polarization. Stratified layered structures containing scattering elements are used for modeling distributed natural targets. Their electromagnetic properties can be synthesized by the scattering matrix, which describes the dependence on signal polarization. From the scattering matrix, mathematical models for natural targets and other polarimetric target descriptors can be derived. Chiral effects and the stratified layer representation for certain natural targets are accounted for in the analysis presented in Chapter 5.From the target modeling, the scattering matrix elements are determined for planar, thin electric and magnetic dipoles embedded in a three-layer planar structure consisting of a chiral layer between free space and an isotropic ground. In addition, the full-wave equivalent circuit technique was efficiently utilized in the determination of the Green's functions of stratified structures.

Orientador: Claudio Kitano / Resumo: Sistemas ópticos operando em altas frequências utilizam modulação externa do laser, em especial através de moduladores baseados no efeito eletroóptico linear, onde se aplicam guias de ondas de dimensões reduzidas com eletrodos planares. Assim, é importante e conveniente determinar as propriedades e a distribuição do campo elétrico modulador de modo a conhecer outras características da estrutura, como resposta em frequência e potência de modulação. Neste trabalho, isto foi feito através do método de abordagem de domínio espectral. Contudo, este método apresenta imprecisões em estruturas com assimetria de eletrodos, aplicando-se então o método das imagens, clássico no eletromagnetismo, aliado à técnica de abordagem de domínio espectral. Esta nova abordagem permite a obtenção de funções de base adequadas à análise de parâmetros como o campo elétrico, assim como os demais parâmetros característicos dos guias de ondas planos. Este trabalho apresenta esta abordagem e seus resultados comparando-os à simples translação das funções de base para estruturas simétricas, validando a técnica proposta, bem como se propõe a desenvolver um conjunto de rotinas numéricas utilizando para isso o software Matlab. Através do processo de desenvolvimento das rotinas numéricas são apresentadas as dificuldades e metodologias de solução para implementação do método automatizado. Além de permitir a automatização de todo o processo de cálculo, minimizando a interferência humana, neste trabalho também é de... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

Neste trabalho é analisado o espalhamento eletromagnético causado por microfitas excitadas por ondas planas. Inicialmente é apresentado o procedimento para o cálculo, no domínio espectral, dos campos eletromagnéticos em estruturas com múltiplas camadas isotrópicas, tendo como fontes densidades superficiais de correntes elétrica e magnética localizadas nas interfaces entre as referidas camadas. Funções de Green espectrais são estabelecidas para duas estruturas de particular interesse prático. Expressões assintóticas para os campos distantes também são determinadas. Modos de propagação em guias planares com múltiplas camadas dielétricas são analisados detalhadamente, baseado no fato das soluções para as ondas no domínio espectral serem formalmente equivalentes às do domínio espacial. Esta abordagem permite estabelecer uma conexão direta com a solução espectral. O método dos momentos é empregado na solução das equações integrais para a determinação da densidade de corrente induzida no espalhador por uma onda plana elipticamente polarizada. Funções de base adequadas são introduzidas para permitir a realização das integrações numéricas de forma eficiente. Analiticamente o esforço exigido pelo emprego do método é grande. Do ponto de vista computacional e numérico o esforço é igualmente considerável e requer cuidados na sua implementação por causa da complexidade e das peculiaridades de convergência de integrais. Parte do trabalho é dedicada à discussão desse aspecto da técnica.Campos espalhados por dipolos impressos e elementos retangulares, calculados com os programas desenvolvidos, estão em boa concordância com as simulações realizadas com o programa comercial IE3DTM.

A modelagem do espalhamento eletromagnético de alvos, na faixa de micro-ondas, é abordada neste trabalho, sendo estes alvos representados por estruturas com múltiplas camadas quirais (meios bi-isotrópicos recíprocos) confinadas entre a região de espaço livre e um meio linear, homogêneo e isotrópico. Interfaces planas separam as camadas destas estruturas, onde se admite a existência de elementos espalhadores capazes de suportar densidades superficiais de corrente elétrica e/ou magnética. Os campos eletromagnéticos em tais estruturas são determinados através da técnica de onda completa no domínio espectral, possibilitando, assim, a obtenção das correspondentes funções de Green espectrais. Estes cálculos são realizados com auxílio de um novo formalismo que utiliza um conjunto mínimo destas funções. A excitação das estruturas em consideração é realizada através de ondas planas e uniformes, elipticamente polarizadas. A partir do conhecimento dos campos espalhados em cada interface é possível estabelecer um sistema de equações integrais, o qual é resolvido numericamente através do método dos momentos no domínio espectral. Método este que permite a determinação das componentes das densidades superficiais de corrente induzidas sobre os elementos espalhadores. Na aplicação do método dos momentos tais densidades superficiais de corrente, que podem ser elétrica ou magnética, são modeladas através de funções de base triangulares de subdomínios. Expressões assintóticas para as componentes do campo elétrico distante produzido pelos espalhadores também são estabelecidas. A potencialidade da modelagem eletromagnética desenvolvida é demonstrada através da caracterização eletromagnética de estruturas isotrópicas e quirais contendo elementos espalhadores simples (dipolos elétrico e/ou magnético planos), assim como da simulação de imagens SAR polarimétricas. Esta caracterização é realizada através de atributos polarimétricos comumente usados no processamento de imagens SAR para a discriminação de alvos na superfície terrestre. A geração de imagens SAR polarimétricas é realizada a partir de estruturas que contêm somente camadas lineares, homogêneas e isotrópicas, sendo estas imagens avaliadas a partir de características intrínsecas de imagens SAR reais.

Neste trabalho é estabelecido um modelo para análise dos campos eletromagnéticos irradiados por uma abertura eletromagnética localizada no plano de terra de uma microfita. Neste modelo, a antena é tratada como um problema de contorno e as equações de ondas para os campos eletromagnéticos, no vácuo e no substrato de microficha, são resolvidas no domínio de Fourier. Inicialmente são determinados os campos eletromagnéticos irradiados pela estrutura em questão, na hipótese da microfita de alimentação ser sustentada por um substrato chiral. Expressões assintóticas para os campos distantes irradiados pela antena, isto é, campos na região de Fraunhofer, são obtidas com o auxílio do método da fase estacionária. Em seguida, considerando a versatilidade dessa estrutura, são analisadas as características de irradiação de um dipolo elétrico curto impresso sobre o substrato chiral de uma fenda eletromagnética (dipolo magnético curto) coberta por uma camada chiral. São discutidos os efeitos da chiralidade sobre as diretividades dessas antenas e sobre os diagramas de irradiação, com destaque para os fenômenos relacionados com a rotação desses diagramas. Para o caso particular em que a fita de alimentação é sustentada por substrato achiral, são determinadas as expressões para os campos eletromagnéticos e respectivas funções de Green espectrais. A partir dessas, são estabelecidas as equações integrais cujas incógnitas são a densidade de corrente elétrica sobre a fita e a componente tangencial do campo elétrico ao longo da abertura. As soluções dessas equações são estruturadas com o auxílio do método dos momentos. Impedâncis de entradas de antenas de microfita retangulares e de fitas condutoras são apresentadas como resultado do programa ANTIB, implementado em FORTRAN 77. Um protótipo de uma fenda eletromagnética alimentada por uma microfita foi construído e ensaiado. Os resultados obtidos estão em boa concordância com os previstos pelo programa ENSEMBLE (marca registrada).

Neste trabalho é apresentado um modelo dinâmico para a análise de uma estrutura multicamadas anisotrópicas uniaxiais, com o eixo óptico normal ao plano das interfaces. Utilizando o formalismo de Fourier, que encaminha o problema para o domínio espectral, são obtidas expressões simples e fechadas para as amplitudes dos campos transformados, nas diversas camadas da estrutura. O modelo é empregado, inicialmente, na análise de uma antena de microfita excitada por uma abertura localizada no plano terra de uma linha de fita. São determinadas e analisadas suas funções de Green espectrais. Modos de propagação em um guia de placas paralelas com substratos anisotrópicos uniaxiais são também estudados, pois tais modos poderão ser excitados nos substratos da linha de fita que alimenta a antena em consideração. Para o caso particular de uma antena de fenda retangular, coberta por uma camada de proteção e alimentada com uma linha de fita, são estabelecidas as equações integrais para o cálculo, via método dos momentos, da densidade de corrente magnética ao longo da fenda, da densidade de corrente elétrica, da impedância característica, da constante de propagação e do coeficiente de reflexão da linha de fita que alimenta a fenda. Efeitos da anisotropia uniaxial sobre os parâmetros acima citados são apresentados e discutidos. Desses, são particularmente interessantes os produzidos sobre as impedâncias de entrada da antena de fenda e da linha de fita terminada abruptamente. Outros resultados importantes, que auxiliaram na validação do programa desenvolvido, foram obtidos para estruturas com substratos isotrópicos. Esses resultados estão em boa concordância com os calculados por programas comerciais.