Alcançar altas taxas de dados em comunicações sem fio é difícil. Altas taxas de dados para redes locais sem fio tornou-se comercialmente um sucesso por volta do ano de 2000. Redes de longa distância sem fio ainda são projetados e utilizados principalmente para serviços de voz em baixas taxas. Apesar de muitas tecnologias promissoras, a realidade de uma rede de área ampla que atenda muitos usuários com altas taxas de dados e largura de banda e consumo de energia razoáveis, além de uma boa cobertura e qualidade no serviço ainda é um desafio. O objetivo do IEEE 802.16 é projetar um sistema de comunicação sem fio para obter uma internet de banda larga para usuários móveis em uma área metropolitana. É importante perceber que o sistema WIMAX tem que enfrentar desafios semelhantes aos existentes sistemas celulares e seu desempenho eventual será delimitado pelas mesmas leis da física e da teoria da informação. Em muitas áreas da engenharia elétrica, tem-se direcionado atenção à miniaturização de componentes e equipamentos. Em particular, antenas não são exceções. Desde que Wheeler iniciou estudos sobre os limites fundamentais de miniaturização de antenas, o assunto tem sido discutido por muitos estudiosos e várias contribuições nesse sentido foram feitas desde então. Os avanços das últimas décadas na área de microeletrônica permitiram a miniaturização dos demais componentes empregados no desenvolvimento de equipamentos eletrônicos e disponibilizaram o uso de aparelhos compactos, leves e com diversas funcionalidades e aplicações comerciais. No entanto, ainda que a integração de circuitos seja uma realidade, a integração completa de um sistema de comunicação sem fio, incluindo a antena, é ainda um dos grandes desafios tecnológicos. No caso de antenas impressas procura-se continuamente desenvolver antenas que, além de compactas, apresentem maior largura de banda, ou operação em múltiplas bandas dada sua inerente característica de banda estreita em projetos convencionais. Neste trabalho, o foco está na miniaturização de antenas impressas através da aplicação de fractais. São apresentadas comparações entre antenas fractais quadradas de Minkowski e fractais triangulares de Koch. Inicialmente, antenas 6 impressas com geometrias convencionais quadradas e triangulares foram projetadas para ter a mesma frequência de ressonância. Depois disso, as estruturas fractais de Minkowski Island e Koch Loop foram implementadas nas antenas quadrada e triangular, respectivamente, até a terceira iteração. As frequências escolhidas foram as de 2,4 GHz, 3,5 GHz, 5,0 GHz e 5,8 GHz. Diversos protótipos foram construídos em dois substratos de permissividade diferentes, o FR-4 e o DUROID 5870. Para validar os resultados foram construídas antenas na frequência de 3,5 GHz para as geometrias quadrada e triangular e suas iterações fractais. A contribuição deste trabalho está na análise sobre as vantagens e desvantagens de cada uma das estruturas propostas. Dependendo dos requisitos de um projeto, a opção pode ser por antenas miniaturizadas com maior largura de banda, como normalmente acontece em alguns projetos comerciais. Entretanto, o interesse por bandas estreitas muitas vezes pode ser um requisito, principalmente para emprego militar, onde por vezes a máxima discrição na transmissão é uma exigência. Além disso, também foi feita uma análise sobre as geometrias que atingiram maior miniaturização. / Achieving high data rates in wireless communication is difficult. High data rates for wireless local area networks became commercially successful only around 2000. Wide area wireless networks are still designed and used primarily for low rate voice services. Despite many promising technologies, the reality of a wide area network that services many users at high data rates with reasonable bandwidth and power consumption, while maintaining high coverage and quality of service has not been achieved. The goal of the IEEE 802.16 was to design a wireless communication system processing to achieve a broadband internet for mobile users over a wide or metropolitan area. It is important to realize that WIMAX system have to confront similar challenges as existing cellular systems and their eventual performance will be bounded by the same laws of physics and information theory. In many areas of electrical engineering, miniaturization has been an important issue. Antennas are not an exception. After Wheeler initiated studies on the fundamental limits for miniaturization of antennas, this subject has been extensively discussed by several scholars and many contributions have been made. The advances of recent decades in the field of microelectronics enabled the miniaturization of components and provided the use of compact, lightweight, equipments with many features in commercial applications. Although circuit integration is a reality, the integration of a complete system, including its antenna, is still one of the major technological challenges. In the case of patch antennas, the search is for compact structures with increased bandwidth, due to the inherent narrowband characteristic of this type of antenna. In this work the focus is on a comparison between the Minkowski and the Koch Fractal Patch Antennas. Initially, patch antennas with conventional square and triangular geometries were simulated to present the same resonance frequency. After that, fractal Minkowski and Koch Island Loop antennas were implemented in the square and triangular geometries, respectively, to the third iteration. A comparison was made for two substrates of different permittivities FR-4 and DUROID 5870 at the frequencies of 2,4 GHz; 3,5 GHz; 5,0 GHz and 5,8 GHz. 8 Prototype antennas were built using FR-4 and DUROID 5870 to resonate at a frequency of 3,5 GHz to validate simulation results. The contribution of this work is the analysis of the advantages and disadvantages of each proposed fractal structure. According to the project requirements, the best option can be use a miniaturized antenna with a wider band, as in commercial projects. Particularly in military applications, a narrow band antenna can be a requirement, as sometimes maximum discretion in transmission is a paramount. An additional analysis was performed to verify which of the geometries fulfilled the miniaturization criteria of Hansen.

Alcançar altas taxas de dados em comunicações sem fio é difícil. Altas taxas de dados para redes locais sem fio tornou-se comercialmente um sucesso por volta do ano de 2000. Redes de longa distância sem fio ainda são projetados e utilizados principalmente para serviços de voz em baixas taxas. Apesar de muitas tecnologias promissoras, a realidade de uma rede de área ampla que atenda muitos usuários com altas taxas de dados e largura de banda e consumo de energia razoáveis, além de uma boa cobertura e qualidade no serviço ainda é um desafio. O objetivo do IEEE 802.16 é projetar um sistema de comunicação sem fio para obter uma internet de banda larga para usuários móveis em uma área metropolitana. É importante perceber que o sistema WIMAX tem que enfrentar desafios semelhantes aos existentes sistemas celulares e seu desempenho eventual será delimitado pelas mesmas leis da física e da teoria da informação. Em muitas áreas da engenharia elétrica, tem-se direcionado atenção à miniaturização de componentes e equipamentos. Em particular, antenas não são exceções. Desde que Wheeler iniciou estudos sobre os limites fundamentais de miniaturização de antenas, o assunto tem sido discutido por muitos estudiosos e várias contribuições nesse sentido foram feitas desde então. Os avanços das últimas décadas na área de microeletrônica permitiram a miniaturização dos demais componentes empregados no desenvolvimento de equipamentos eletrônicos e disponibilizaram o uso de aparelhos compactos, leves e com diversas funcionalidades e aplicações comerciais. No entanto, ainda que a integração de circuitos seja uma realidade, a integração completa de um sistema de comunicação sem fio, incluindo a antena, é ainda um dos grandes desafios tecnológicos. No caso de antenas impressas procura-se continuamente desenvolver antenas que, além de compactas, apresentem maior largura de banda, ou operação em múltiplas bandas dada sua inerente característica de banda estreita em projetos convencionais. Neste trabalho, o foco está na miniaturização de antenas impressas através da aplicação de fractais. São apresentadas comparações entre antenas fractais quadradas de Minkowski e fractais triangulares de Koch. Inicialmente, antenas 6 impressas com geometrias convencionais quadradas e triangulares foram projetadas para ter a mesma frequência de ressonância. Depois disso, as estruturas fractais de Minkowski Island e Koch Loop foram implementadas nas antenas quadrada e triangular, respectivamente, até a terceira iteração. As frequências escolhidas foram as de 2,4 GHz, 3,5 GHz, 5,0 GHz e 5,8 GHz. Diversos protótipos foram construídos em dois substratos de permissividade diferentes, o FR-4 e o DUROID 5870. Para validar os resultados foram construídas antenas na frequência de 3,5 GHz para as geometrias quadrada e triangular e suas iterações fractais. A contribuição deste trabalho está na análise sobre as vantagens e desvantagens de cada uma das estruturas propostas. Dependendo dos requisitos de um projeto, a opção pode ser por antenas miniaturizadas com maior largura de banda, como normalmente acontece em alguns projetos comerciais. Entretanto, o interesse por bandas estreitas muitas vezes pode ser um requisito, principalmente para emprego militar, onde por vezes a máxima discrição na transmissão é uma exigência. Além disso, também foi feita uma análise sobre as geometrias que atingiram maior miniaturização. / Achieving high data rates in wireless communication is difficult. High data rates for wireless local area networks became commercially successful only around 2000. Wide area wireless networks are still designed and used primarily for low rate voice services. Despite many promising technologies, the reality of a wide area network that services many users at high data rates with reasonable bandwidth and power consumption, while maintaining high coverage and quality of service has not been achieved. The goal of the IEEE 802.16 was to design a wireless communication system processing to achieve a broadband internet for mobile users over a wide or metropolitan area. It is important to realize that WIMAX system have to confront similar challenges as existing cellular systems and their eventual performance will be bounded by the same laws of physics and information theory. In many areas of electrical engineering, miniaturization has been an important issue. Antennas are not an exception. After Wheeler initiated studies on the fundamental limits for miniaturization of antennas, this subject has been extensively discussed by several scholars and many contributions have been made. The advances of recent decades in the field of microelectronics enabled the miniaturization of components and provided the use of compact, lightweight, equipments with many features in commercial applications. Although circuit integration is a reality, the integration of a complete system, including its antenna, is still one of the major technological challenges. In the case of patch antennas, the search is for compact structures with increased bandwidth, due to the inherent narrowband characteristic of this type of antenna. In this work the focus is on a comparison between the Minkowski and the Koch Fractal Patch Antennas. Initially, patch antennas with conventional square and triangular geometries were simulated to present the same resonance frequency. After that, fractal Minkowski and Koch Island Loop antennas were implemented in the square and triangular geometries, respectively, to the third iteration. A comparison was made for two substrates of different permittivities FR-4 and DUROID 5870 at the frequencies of 2,4 GHz; 3,5 GHz; 5,0 GHz and 5,8 GHz. 8 Prototype antennas were built using FR-4 and DUROID 5870 to resonate at a frequency of 3,5 GHz to validate simulation results. The contribution of this work is the analysis of the advantages and disadvantages of each proposed fractal structure. According to the project requirements, the best option can be use a miniaturized antenna with a wider band, as in commercial projects. Particularly in military applications, a narrow band antenna can be a requirement, as sometimes maximum discretion in transmission is a paramount. An additional analysis was performed to verify which of the geometries fulfilled the miniaturization criteria of Hansen.

El control dinámico y determinístico de la luz en una escala espacial por debajo de la longitud de onda es un requisito clave para ampliar los conceptos y las funcionalidades de la macro-óptica hasta la escala nanométrica. Un mayor nivel de control también tendrá implicaciones importantes en nuestra comprensión de los fenómenos ópticos en la nanoescala. Uno de los principales problemas en nano-óptica tiene como objetivo describir cómo y con qué precisión es posible controlar la distribución espacial de la luz de forma dinámica en la nanoescala. Desafortunadamente, un límite fundamental de la física – el límite de difracción de la luz – afecta nuestra capacidad de seleccionar ópticamente puntos separados por menos de media longitud de onda de la luz. El campo de la plasmónica ofrece una oportunidad única para cerrar la brecha entre el límite de difracción y la escala nanométrica. Nanoantenas metálicas pueden acoplarse eficientemente a luz propagante y focalizarla en volúmenes nanométricos, y viceversa. Además, estas nanoantenas prometen mejorar significativamente la eficiencia de procesos como le fotodetección, la emisión de luz, sensores, transferencia de calor, y espectroscopía a la escala nanométrica. Aprender a controlar de forma precisa la respuesta óptica de estas nanoantenas representa un enfoque muy prometedor para controlar la distribución espacial y temporal de la luz a la escala nanométrica. Tradicionalmente, se han desarrollado dos principales estrategias para el control de la respuesta óptica de nanoantenas plasmónicas: la primer estrategia (estrategia estática) tiene como objetivo la optimización del diseño geométrico de las nanoantenas acorde a su aplicación, mientras que la segunda estrategia (estrategia dinámica) tiene como objetivo la modulación reversible del campo cercano de una nanoestructura dada a través de la manipulación de la luz de excitación en el tiempo y el espacio. El trabajo presentado en esta Tesis extiende el estado del arte de estas dos estrategias, y desarrolla nuevas herramientas, tanto experimentales como teóricas, para ampliar el nivel de control que tenemos sobre la distribución espacial de la luz debajo del límite de difracción. Después de presentar una visión general de los principios básicos de nano-óptica y de la óptica de lo plasmones de superficie, el Capítulo 1 repasa los avances en el control de la respuesta óptica de nanoestructuras metálicas – sea por una estrategia estática o dinámica – en el momento en que se inició este trabajo de investigación. La modificación de la geometría y las dimensiones de las nanpartículas metálicas sigue siendo un ingrediente fundamental para controlar las resonancias plasmónicas y los campos de luz a la escala nanométrica. Como ejemplos novedosos de control estático, por lo tanto, los Capítulos 2 y 3 estudian nuevos diseños de estructuras plasmónicas con capacidades sin precedentes de modelar campos de luz a la escala nanométrica, en particular un diseño fractal y una nanoantena unidireccional tipo Yagi-Uda. Los Capítuols 4 y 5 describen una nueva herramienta teórica y experimental para el control dinámico y determinístico de la respuesta óptica de nanoantenas basada en la modulación espacial de la fase de la luz de excitación: el campo óptico cercano, que resulta de la interacción entre la luz y las nanoestructuras plasmónicas, es normalmente determinado por la geometría del sistema metálico y las propiedades de la luz incidente, como su longitud de onda y su polarización; sin embargo, el control exacto y dinámico del campo óptico cercano debajo de límite de difracción de la luz – independientemente de la geometría de la nanoestructura – es también un ingrediente importante para el desarrollo de futuros dispositivos nano-ópticos y para ampliar los conceptos y las funcionalidades de la óptica macroscópica a la escala nanométrica. Finalmente, la Conclusión resume los resultados de este trabajo y ofrece una visión general de algunos estudios paralelos a esta tesis. Algunas de las observaciones finales permiten echar un vistazo a las perspectivas y estrategias futuras para complementar el control estático y el control dinámico en una única herramienta, que podría avanzar enormemente nuestra capacidad de controlar la respuesta óptica de nanoantennas debajo del límite de difracción. / El control dinámico y determinístico de la luz en una escala espacial por debajo de la longitud de onda es un requisito clave para ampliar los conceptos y las funcionalidades de la macro-óptica hasta la escala nanométrica. Un mayor nivel de control también tendrá implicaciones importantes en nuestra comprensión de los fenómenos ópticos en la nanoescala. Uno de los principales problemas en nano-óptica tiene como objetivo describir cómo y con qué precisión es posible controlar la distribución espacial de la luz de forma dinámica en la nanoescala. Desafortunadamente, un límite fundamental de la física – el límite de difracción de la luz – afecta nuestra capacidad de seleccionar ópticamente puntos separados por menos de media longitud de onda de la luz. El campo de la plasmónica ofrece una oportunidad única para cerrar la brecha entre el límite de difracción y la escala nanométrica. Nanoantenas metálicas pueden acoplarse eficientemente a luz propagante y focalizarla en volúmenes nanométricos, y viceversa. Además, estas nanoantenas prometen mejorar significativamente la eficiencia de procesos como le fotodetección, la emisión de luz, sensores, transferencia de calor, y espectroscopía a la escala nanométrica. Aprender a controlar de forma precisa la respuesta óptica de estas nanoantenas representa un enfoque muy prometedor para controlar la distribución espacial y temporal de la luz a la escala nanométrica. Tradicionalmente, se han desarrollado dos principales estrategias para el control de la respuesta óptica de nanoantenas plasmónicas: la primer estrategia (estrategia estática) tiene como objetivo la optimización del diseño geométrico de las nanoantenas acorde a su aplicación, mientras que la segunda estrategia (estrategia dinámica) tiene como objetivo la modulación reversible del campo cercano de una nanoestructura dada a través de la manipulación de la luz de excitación en el tiempo y el espacio. El trabajo presentado en esta Tesis extiende el estado del arte de estas dos estrategias, y desarrolla nuevas herramientas, tanto experimentales como teóricas, para ampliar el nivel de control que tenemos sobre la distribución espacial de la luz debajo del límite de difracción. Después de presentar una visión general de los principios básicos de nano-óptica y de la óptica de lo plasmones de superficie, el Capítulo 1 repasa los avances en el control de la respuesta óptica de nanoestructuras metálicas – sea por una estrategia estática o dinámica – en el momento en que se inició este trabajo de investigación. La modificación de la geometría y las dimensiones de las nanpartículas metálicas sigue siendo un ingrediente fundamental para controlar las resonancias plasmónicas y los campos de luz a la escala nanométrica. Como ejemplos novedosos de control estático, por lo tanto, los Capítulos 2 y 3 estudian nuevos diseños de estructuras plasmónicas con capacidades sin precedentes de modelar campos de luz a la escala nanométrica, en particular un diseño fractal y una nanoantena unidireccional tipo Yagi-Uda. Los Capítuols 4 y 5 describen una nueva herramienta teórica y experimental para el control dinámico y determinístico de la respuesta óptica de nanoantenas basada en la modulación espacial de la fase de la luz de excitación: el campo óptico cercano, que resulta de la interacción entre la luz y las nanoestructuras plasmónicas, es normalmente determinado por la geometría del sistema metálico y las propiedades de la luz incidente, como su longitud de onda y su polarización; sin embargo, el control exacto y dinámico del campo óptico cercano debajo de límite de difracción de la luz – independientemente de la geometría de la nanoestructura – es también un ingrediente importante para el desarrollo de futuros dispositivos nano-ópticos y para ampliar los conceptos y las funcionalidades de la óptica macroscópica a la escala nanométrica. Finalmente, la Conclusión resume los resultados de este trabajo y ofrece una visión general de algunos estudios paralelos a esta tesis. Algunas de las observaciones finales permiten echar un vistazo a las perspectivas y estrategias futuras para complementar el control estático y el control dinámico en una única herramienta, que podría avanzar enormemente nuestra capacidad de controlar la respuesta óptica de nanoantennas debajo del límite de difracción.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται µία µελέτη τυπωµένων κεραιών γεωµετρίας φράκταλ για ασύρµατες τερµατικές συσκευές, µε έµφαση στις εφαρµογές των κινητών επικοινωνιών και των ασύρµατων τοπικών δικτύων. Η ραγδαία εξέλιξη των ασύρµατων επικοινωνιών είχε ως αποτέλεσµα την σηµαντική µείωση των διαστάσεων των τερµατικών συσκευών, την ολοκλήρωση διαφορετικών υπηρεσιών διαφορετικών συχνοτήτων λειτουργίας στην ίδια συσκευή και την ανάγκη πολλαπλών κεραιών για την αντιµετώπιση του φαινοµένου της διάλειψης και της διασυµβολικής παρεµβολής του ασύρµατου καναλιού. Αυτές οι εξελίξεις έθεσαν καινούργιες απαιτήσεις στην σχεδίαση της κεραίας οδηγώντας στην ανάγκη κεραιών εξαιρετικά µικρών διαστάσεων, πολυσυχνοτικών, χαµηλού κόστους, υψηλής απόδοσης και επιθυµητών χαρακτηριστικών ακτινοβολίας κατά περίπτωση. Στα πλαίσια της διατριβής διερευνήθηκε η ικανότητα σµίκρυνσης και παραγωγής πολυσυχνοτικής συµπεριφοράς που παρουσιάζουν τα σχήµατα γεωµετρίας φράκταλ αν χρησιµοποιηθούν σαν κεραίες. Αρχικά προτείνεται µία καινούργια κατηγορία κεραιών, οι τυπωµένες µονοπολικές κεραίες γεωµετρίας φράκταλ και συγκρίνονται διάφορες γεωµετρίες φράκταλ τόσο ως προς την ικανότητα σµίκρυνσης όσο και ως προς τα χαρακτηριστικά εµπέδησης και ακτινοβολίας που παρουσιάζουν. Εξετάζεται ο καθοριστικός ρόλος του επιπέδου γείωσης αυτής της κατηγορίας κεραιών και εξάγονται γενικά συµπεράσµατα για την εκµετάλλευσή του µε τον βέλτιστο δυνατό τρόπο. Επιπλέον διερευνήθηκε η χρήση των σχηµάτων φράκταλ για την µείωση των διαστάσεων των µικροταινιακών κεραιών. Η φράκταλ ορθογώνια καµπύλη προτείνεται για εφαρµογές γραµµικής και κυκλικής πόλωσης, η οποία παρουσιάζει σηµαντική ικανότητα σµίκρυνσης και προσφέρει πολλούς σχεδιαστικούς βαθµούς ελευθερίας που µπορούν να χρησιµοποιηθούν είτε για περαιτέρω µείωση του µεγέθους της είτε για την διατήρηση του εύρους ζώνης της σε ικανοποιητικά επίπεδα. Λόγω του συµπαγούς σχήµατος και των επιθυµητών χαρακτηριστικών των τυπωµένων µονοπολικών και µικροταινιακών κεραιών φράκταλ, µελετάται περαιτέρω η χρησιµοποίησή τους για την υλοποίηση συστηµάτων πολλαπλών κεραιών µε σκοπό την βελτίωση της ποιότητας του λαµβανοµένου σήµατος. Ακόµη µελετάται η ικανότητα παραγωγής πολυσυχνοτικής συµπεριφοράς της µονοπολικής κεραίας Sierpinski και προτείνεται µία τροποποίηση η οποία µειώνει σηµαντικά το µέγεθος της κεραίας και καθίσταται δυνατόν να τυπωθεί σε ασύρµατες συσκευές µικρού µεγέθους. Επιπλέον, διερευνώνται διάφορες τεχνικές για να ελεγχθούν οι συχνότητες συντονισµού της κεραίας και να συµπέσουν µε τις εκάστοτε επιθυµητές µπάντες λειτουργίας. Τέλος εξετάζεται η επίδραση των διαστάσεων του επιπέδου γείωσης στα χαρακτηριστικά εµπέδησης του συστήµατος. / This Ph.D. thesis presents a comprehensive study on printed fractal antennas for wireless terminal devices, with emphasis on mobile and wireless local area network applications. The rapid evolution of wireless communications resulted in a decrease of terminal devices’ dimensions, in the integration of different services, operating in different spectra, in the same device and finally in the deployment of multiple antenna systems to mitigate the phenomena of fading and intersymbol interference of wireless channel. These evolutions, in turn, set new demands on antenna’s design leading to the necessity of exceptionally small, multiband and low cost radiators possessing high efficiency and desirable radiation characteristics. In the context of the present work, the miniaturization and multiband ability of fractal shaped antennas is examined. Initially a new antenna type is proposed, that of printed fractal monopole antennas, and several innovative fractal shaped monopoles are compared with respect to their miniaturization ability, input impedance and radiation characteristics. The important role of the ground plane is also investigated and general conclusions are drawn to exploit its effects in the most appropriate way. The application of fractals on microstrip antennas was further studied with the fractal rectangular curve (frc) microstrip antenna being proposed for linear and circular polarization applications. The frc microstrip antenna proved to possess a noticeable miniaturization ability and a geometry with several degrees of freedom that can be used either to reduce further its size, or to keep the bandwidth to a satisfactory level. Due to the compact size and desirable electrical characteristics of printed monopole and microstrip fractal antennas, they were further considered for the implementation of multi element antenna systems in order to improve the SNR of the received signal. Finally, the multiband ability of the Sierpinski monopole antenna is investigated and a modification is proposed to decrease the overall antenna height making it feasible to be printed in small terminal devices. Several techniques to allocate the desirable bands of interest are also discussed along with the effect the ground plane dimension’s on the system’s input impedance.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:55:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MarceloRS.pdf: 2073600 bytes, checksum: e2793a47da1f2a66e002106dee02b631 (MD5) Previous issue date: 2008-12-29 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / The characteristic properties of the fractal geometry have shown to be very useful for the construction of filters, frequency selective surfaces, synchronized circuits and antennas, enabling optimized solutions in many different commercial uses at microwaves frequency band. The fractal geometry is included in the technology of the microwave communication systems due to some interesting properties to the fabrication of compact devices, with higher performance in terms of bandwidth, as well as multiband behavior. This work describes the design, fabrication and measurement procedures for the Koch quasi-fractal monopoles, with 1 and 2 iteration levels, in order to investigate the bandwidth behavior of planar antennas, from the use of quasi-fractal elements printed on their rectangular patches. The electromagnetic effect produced by the variation of the fractal iterations and the miniaturization of the structures is analyzed. Moreover, a parametric study is performed to verify the bandwidth behavior, not only at the return loss but also in terms of SWR. Experimental results were obtained through the accomplishment of measurements with the aid of a vetorial network analyzer and compared to simulations performed using the Ansoft HFSS software. Finally, some proposals for future works are presented / As propriedades ?nicas da geometria fractal t?m-se mostrado bastante ?teis para a constru??o de filtros, superf?cies seletivas em freq??ncia, circuitos sintonizados e antenas, possibilitando solu??es otimizadas para uma variedade de usos comerciais na faixa de microondas. A geometria fractal est? inclu?da na tecnologia dos sistemas de comunica??o por microondas devido a algumas propriedades interessantes para a fabrica??o de dispositivos compactos, com desempenho superior em termos de largura de banda, bem como, comportamento multibanda. Neste trabalho, descrevem-se os procedimentos para o projeto, constru??o e medi??o de monopolos quase-fractais de Koch, com n?veis 1 e 2, projetados para se investigar o efeito produzido na largura de banda de antenas planares, a partir da utiliza??o de estruturas quase-fractais nos seus patches retangulares. O efeito eletromagn?tico da varia??o do n?vel dos fractais, bem como, da miniaturiza??o das estruturas, foram avaliados. Tamb?m foram realizadas parametriza??es com o intuito de se verificar o comportamento da largura de banda, tanto para a perda de retorno quanto para o SWR. Os resultados foram obtidos atrav?s de medi??es realizadas por um analisador de redes vetorial e por meio de simula??es no Ansoft HFSS. Algumas propostas para trabalhos futuros foram citadas

Research on multiple antenna systems has been a hot topic in recent years due to the demands for higher transmission rate and more reliable link in rich scattering environment in wireless communications. Using multiple antennas at both the transmitter side and the receiver side increases the channel capacity without additional frequency spectrum and transmitted power. However, due to the limited space at the size-limited terminal devices, the most critical problem in designing multiple antennas is the severe mutual coupling among them. The aim of this thesis is to provide compact, decoupled and efficient multiple antenna designs for terminal devices. At the same time, we propose a simple and cost effective method in multiple antenna measurement. All these efforts contribute to the development of terminal devices for the fourth generation wireless communication. The background and theory of multiple antenna systems are introduced first, in which three operating schemes of multiple antenna systems are discussed. Critical factors influencing the performance of multiple antenna systems are also analyzed in details. To design efficient multiple antenna systems in compact terminals, several decoupling methods, including defected ground plane, current localization, orthogonal polarization and decoupling networks, are proposed. The working mechanism and design procedure of each method are introduced, and their effectiveness is compared. Those methods can be applied to most of the terminal antennas, reducing the mutual coupling by at least 6dB. In some special cases, especially for low frequency bands below 1GHz, the chassis of the device itself radiates like an antenna, which complicates the antenna decoupling. Thus, we extend the general decoupling methods to the cases when the chassis is excited. Based on the characteristic mode analysis, three different solutions are provided, i.e., optimizing antenna locations, localizing antenna currents and creating orthogonal modes. These methods are applied to mobile phones, providing a more reliable link and a higher transmission rate, which are evaluated by diversity gain and channel capacity, respectively. In order to measure the performance of multiple antenna systems, it is necessary to obtain the correlation coefficients. However, the traditional measurement technique, which requires the phase and polarization information of the radiation patterns, is very expensive and time consuming. In this thesis, a more practical and convenient method is proposed. Fairly good accuracy is achieved when it is applied to various kinds of antennas. To design a compact and efficient multiple antenna system, besides the reduction of mutual coupling, the performance of each single antenna is also important. The techniques for antenna reconfiguration are demonstrated. Frequency and pattern reconfigurable antennas are constructed, providing more flexibility to multiple antenna systems. / QC 20120604

Fractal is a recursively-generated object describing a family of complex shapes that possess an inherent self-similarity in their geometrical structure. When used in antenna engineering, fractal geometries provide multi-band characteristics and lowering resonance frequencies by enhancing the space filling property. Moreover, utilizing fractal arrays, controlling side lobe-levels and radiation patterns can be realized. In this thesis, the performance of Koch curve as antenna is investigated. Since fractals are complex shapes, there is no well&ndash / established for mathematical formulation to obtain the radiation properties and frequency response of Koch Curve antennas directly. The Koch curve antennas became famous since they exhibit better frequency response than their Euclidean counterparts. The effect of the parameters of Koch geometry to antenna performance is studied in this thesis. Moreover, modified Koch geometries are generated to obtain the relation between fractal properties and antenna radiation and frequency characteristics.

Antenas fractais são estruturas irradiadoras geradas recursivamente a partir da aplicação reiterada de um fator de conjunto gerador, possuindo a característica marcante de ser auto semelhante. São baseadas na teoria dos fractais desenvolvida por Mandelbrot e cuja aplicação se encontra presente em quase todos os ramos da ciência. Tais antenas possuem hoje inúmeras aplicações, de celulares a antenas de satélites, e têm se mostrado uma alternativa atraente para aplicações que requeiram característica de multibanda associada a alto ganho e miniaturização. O presente trabalho procura apresentar de forma sistemática a teoria básica envolvendo antenas fractais, tendo-se por base não apenas as contribuições pioneiras de pesquisadores no mundo todo, mas também a teoria básica de antenas, a partir das quais é possível chegar-se a formulações importantes na área. O foco é para antenas de microfita, dada a grande popularidade que têm encontrado nas últimas décadas. Além de vasta bibliografia, contou-se com o auxílio da ferramenta computacional HFSS da Ansoft®, um software que simula estruturas em alta frequência. Este programa é utilizado para simular uma antena fractal de microfita proposta pelo autor, e os resultados são analisados tendo-se um duplo propósito: exemplificar o uso de uma antena fractal, por um lado, e fornecer um protótipo que porventura poderá ser utilizado em aplicações especiais, por algum projetista de antenas. Os principais parâmetros fundamentais de antenas são analisados, como Perda de Retorno, VSWR, Ganho, etc., mas será dada ênfase especial à aplicação de estruturas fractais de microfita em dois tipos de aplicações: antenas eletricamente pequenas e antenas independentes da frequência. / Fractal Antennas are radiating structures generated recursively from the reiterated application of a generating array, having the remarkable feature of being self similar. They are based on the theory of fractal developed by Mandelbrot and whose application is present in almost every branches of science. Such antennas have many applications today, from cell phones to satellite antennas, and have proved to be an attractive alternative for applications that required multiband characteristic associated with high gain and miniaturization. This paper aims do present systematically the basic theory involving fractal antennas, and is based not only on the pioneering contributions of researchers around the world, but also the basic theory of antennas, from which is possible to reach important formulations in the area. Besides the extensive bibliography, was used the computational tool HFSS by Ansoft®, a software that simulates high frequency structures. This program is used to simulate a fractal microstrip antenna proposed by the author, and the results are analyzed, having a dual propose: to exemplify the use of fractal antenna on the one hand, and providing a prototype which could possible be used in special applications, for some designer of antennas. The main fundamental parameters of antennas are analyzed, such as Return Loss, VSWR, Gain, etc., but special emphasis will be given to the application of fractal microstrip structures in two kinds of applications: electrically small antennas and frequency independent antennas. / Dissertação (Mestrado)