Submitted by Marlucy Farias Medeiros (marlucy.farias@unipampa.edu.br) on 2017-10-02T18:23:28Z No. of bitstreams: 1 Marcelo Pereira Magalhães - 2017.pdf: 16186012 bytes, checksum: dc2e2c4f42a58ebcadb895281114a36d (MD5) / Approved for entry into archive by Marlucy Farias Medeiros (marlucy.farias@unipampa.edu.br) on 2017-10-04T17:35:03Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Marcelo Pereira Magalhães - 2017.pdf: 16186012 bytes, checksum: dc2e2c4f42a58ebcadb895281114a36d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-04T17:35:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marcelo Pereira Magalhães - 2017.pdf: 16186012 bytes, checksum: dc2e2c4f42a58ebcadb895281114a36d (MD5) Previous issue date: 2017-05-12 / This thesis presents the design and analysis of an antenna array system for mobile communication services in a scenario using high altitude platforms (HAPs). For this purpose, a dual-band and dual-polarized microstrip antenna array has been designed, whereby the array should receive the signal in one band and resend it in the other operating band. These requirements have been fulfilled by using a stacked arrangement, whereby each patch has been fed by independent feed lines. Circular polarization was obtained by the use of square patches with truncated corners. Optimizations were needed so as to compensate the effects of mutual coupling on the axial ratio level. To perform the radiation pattern synthesis for the transmission function, an algorithm to calculate the required excitation coefficients was employed to steer the main beam and to control the side lobe level. Additionally to the array design, the development of the high-frequency (HF) circuitry for the retransmission is described. The design of the transmitter was done using off-the-shelf components, which have been tested individually prior to the final integration into the final layout. During the tests, the need of knowledge of the electromagnetic properties of the printed circuit layout and the active/passive components is crucial for a successful design. In order to accelerate the development of HF circuitry, a procedure to perform electromagnetic simulations of HF printed circuit boards is proposed. Experimental results demonstrated that this procedure yielded accurate engineering predictions. / Este trabalho apresenta o projeto e análise de um sistema de rede de antenas para serviços de comunicações móveis em um cenário empregando plataformas de alta altitude (HAPs). Para este fim, uma rede de antenas de microfita foi projetada para operar em dupla-banda e dupla-polarização, onde a rede deve receber o sinal em uma banda e reenviá-lo em outra. Esses requisitos foram cumpridos usando uma rede de antenas com m´ultiplas camadas, onde cada patch foi alimentado por linhas de alimentação independentes. A polarização circular foi obtida pelo uso de patches quadrados com os cantos truncados. Foram necessárias otimizações para compensar os efeitos de acoplamento mútuo no nível da razão axial. Para realizar o controle do diagrama de irradiação para o modo de transmissão, utilizou-se um algoritmo para calcular os pesos necessários para apontar o lóbulo principal e controlar o nível dos lóbulos laterais. Adicionalmente ao projeto da rede, o desenvolvimento de um circuito em alta frequência (HF) para a retransmissão foi descrito. O projeto do circuito transmissor foi realizado empregando componentes comerciais, que foram testados individualmente antes da integração final. Durante os testes em bancada, ficou evidente a necessidade de predição do comportamento eletromagnético do layout da placa de circuito impresso e dos componentes ativos/passivos para obtenção de bons resultados. Com o intuito de acelerar o processo de desenvolvimento de circuitos em HF, um procedimento para a realização de simulações eletromagnéticas de placas de circuito impresso foi proposto. Os resultados experimentais demonstraram que este procedimento produziu bons resultados.

Submitted by Marlucy Farias Medeiros (marlucy.farias@unipampa.edu.br) on 2018-05-11T18:52:52Z No. of bitstreams: 1 Daniel_Lemes - 2018.pdf: 18189235 bytes, checksum: 1ee5df4451f15272b5fcd3e07ef614e8 (MD5) / Approved for entry into archive by Dayse Pestana (dayse.pestana@unipampa.edu.br) on 2018-05-14T12:00:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Daniel_Lemes - 2018.pdf: 18189235 bytes, checksum: 1ee5df4451f15272b5fcd3e07ef614e8 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-14T12:00:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Daniel_Lemes - 2018.pdf: 18189235 bytes, checksum: 1ee5df4451f15272b5fcd3e07ef614e8 (MD5) Previous issue date: 2018-04-05 / The main goal of this work was to develop a MATLAB-based co de capable of finding the optimum values for amplitudes, phases and spacings of a non-uniformly spaced linear antenna array for a specified purpose. This tool allowed investigating the influence of the relative spacings between the elements of an antenna array in its radiation pattern. Two optimization methods were implemented: PSO (Particle swarm optimization), which is an evolutionary heuristic based on the social interaction and movement of swarms, and Taguchi’s method, which is based on orthogonal arrays to reduce the number of experiments needed to find the optimum value of a given variable. Different optimization goals were investigated, so that a comparison between these techniques has been done. The developed co de was applied to solve two practical problems. In the first one, a dual-band antenna array for base stations of mobile communication systems was modeled and its amplitudes, phases and spacings were optimized. By doing so, it was possible to mitigate the granting lobes that app eared in the pattern in the higher band, because the relative spacings between the elements could not be smaller than λ0. The pattern of this array was also shaped following a squared cosecant contour, in order to illuminate a pico-cell with uniform power. The results of the optimizations in both bands were validated using the commercial software Ansys HFSS and a study about the influence of the mutual coupling in the pattern was done. The second practical problem was to design an antenna array with beamshaping. By using the proposed code, it was possible to reduce the number of array elements from seven to four comparing to an uniformly spaced array. The optimization was split into two parts in order to mitigate the influence of the mutual coupling. A passive feeder for the optimized array was designed and a prototype was manufactured. The results were validated using HFSS and by measurements. The complete development of the array and of the feeder are detailed in this work. Finally, the design of a transmitter for adaptive beamshaping is described. The architecture nis capable to change the phase and power level of the signal, hence allowing to deliver the weights optimized by the proposed code to the antenna array. A modular concept was chosen in order to increase the flexibility of the transmitter. The device translates the input frequency from 500 MHz to 7 GHz, in order to deliver the weights to the antenna array. Eight transmitters were assembled and they were coupled to the antenna array in order to test their functionality. The patterns were measured in an anechoic chamber. All measured results of the transmitter are presented. / O principal objetivo deste trabalho foi desenvolver uma ferramenta computacional em MATLAB capaz de otimizar as fases, as amplitudes e os espaçamentos de uma rede de antenas, a fim de satisfazer um determinado objetivo. De posse dessa ferramenta, foi possível analisar a influência do espaçamento relativo entre os elementos de uma rede no diagrama da mesma. Dois métodos de otimização foram implementados: PSO (Particle Swarm Opmitization), baseado na interação social e no movimento de um enxame, e o método de Taguchi, que utiliza matrizes ortogonais para diminuir o número de testes necessários para otimizar uma variável. Diferentes cenários foram analisados de forma a permitir uma comparação entre os dois métodos. O código desenvolvido foi aplicado a dois problemas práticos. No primeiro deles, uma rede de antenas dupla-faixa para emprego em estações rádio base de sistemas de comunicações móveis foi modelada e suas amplitudes, fases e espaçamentos foram otimizados. Como na banda mais alta o espaçamento entre os elementos não podia ser menor que λ0., fez-se necessário otimizar os espaçamentos para controle dos grating lobes. O diagrama dessa rede foi também conformado seguindo um contorno em cossecante ao quadrado, para iluminar uma certa região com potência uniforme. Os resultados de todas as otimizações em ambas bandas foram validados usando o software Ansys HFSS e um estudo sobre a influência do acoplamento mútuo foi feito. O segundo caso consistiu na otimização de uma rede de antenas com conformação de feixe. Foi possível diminuir o número de elementos de sete para quatro em comparação a uma rede com elementos uniformemente espaçados. A otimização foi dividida em duas partes para compensar o efeito do acoplamento mútuo. Para a rede otimizada, um sistema alimentador passivo foi desenvolvido e um protótipo foi fabricado. Os resultados foram validados com simulações no software comercial Ansys HFSS e, também, por medições. Todo o projeto da rede e do alimentador é detalhado neste trabalho. Finalmente, o desenvolvimento de um circuito transmissor para beamshaping adaptativo ´e detalhado. Tal sistema é composto por um defasador e um amplificador de ganho variável, com os quais é possível inserir as amplitudes e fases, otimizadas pelo código proposto, em uma rede de antenas. Desenvolveu-se um transmissor modular, a fim de aumentar a flexibilidade do sistema. A frequência de entrada do transmissor é de 500 MHz, que é transladada para 7 GHz antes de ser entregue à rede de antenas. Foram fabricados oito transmissores, os quais foram acoplados a uma rede de antenas para testar suas funcionalidades. Os diagramas de irradiação foram medidos em câmera anecóica. Todo o desenvolvimento e medições de cada componente do transmissor são também mostrados neste trabalho.