Estruturas com múltiplas camadas dielétricas cilíndricas concêntricas, excitadas por fontes de natureza elétrica, são analisadas neste trabalho. Utilizando a capacidade de cálculo simbólica do Mathematica, expressões fechadas para os campos eletromagnéticos transformados e respectivas funções de Green, são determinadas. A flexibilidade do procedimento empregado possibilita avaliar as expressões disponíveis na literatura em busca de possíveis erros. Um modelo circuital para a estrutura em análise é desenvolvido mostrando-se promissor no cálculo numérico de funções de Green transversais. Formas assintóticas dos campos eletromagnéticos distantes são estabelecidas e validadas através dos programas MCES e Cylindrical desenvolvidos. A degradação da razão axial de antenas circularmente polarizadas, ocasionada pelo raio de curvatura do cilindro, é compensada atuando-se nas amplitudes e fases das correntes de alimentação. Este procedimento, aplicado ao projeto de uma rede circunferencial de quatro antenas de microfita circularmente polarizadas, produz resultados concordantes com os simulados no HFSS. Seu circuito de alimentação, projetado no HFSS utilizando tecnologia de microfita e realizado com auxílio da matriz de Butler, é analisado detalhadamente. Diagramas de dipolo girante, simulados no MCES e no HFSS na condição estabelecida para as correntes de alimentação, pela matriz de Butler, estão em excelente concordância e apresentam o apontamento desejado. Exemplo de projeto de antena wraparound embutida no corpo do modelo do míssil Sparrow também é realizado. Efeitos das empenas e da posição da antena no diagrama de irradiação são analisados. Impedâncias de entrada de antenas de microfita cilíndricas são analisadas com auxílio do método dos momentos. Especial atenção é dedicada ao pré-tratamento analítico das funções de Green e à utilização de formas assintóticas no cálculo numérico das funções de Bessel-Hankel de pequenos e grandes argumentos. Resultados são condizentes com os simulados no HFSS e os obtidos experimentalmente. Protótipos construídos validam os projetos realizados. Modelo em escala é utilizado na medição em câmara anecóica dos diagramas de irradiação de uma antena para GPS posicionada sobre a fuselagem da aeronave EMB-120. Resultados experimentais estão em excelente concordância com os simulados no HFSS, Cylindrical e MCES.

Neste trabalho é desenvolvida uma ferramenta computacional para a análise de estruturas multicamadas isotrópicas, utilizando um modelo semi-empírico que associa funções de Green espectrais com expressões aproximadas para as densidades de corrente. Para ilustrar a aplicabilidade da ferramenta dipolos impressos e fendas eletromagnéticas são analisados.Inicialmente são determinados os campos eletromagnéticos transformados para cada camada da estrutura. O campo elétrico na região de Fraunhofer é obtido utilizando-se o método da fase estacionária. Em seguida, considerando a versatilidade dessa estrutura, são analisadas as características de irradiação de dipolos impressos e de fendas eletromagnéticas. O programa Mathematica foi o escolhido para se implementar a ferramenta. Com base no desenvolvimento teórico para os dipolos e fendas, redes lineares uniformemente espaçadas, alimentadas com correntes não uniformes são também analisadas, com uma atenção especial à análise de redes pelo método de Dolph-Tchebyscheff. Diagramas de irradiação das redes simulados no Mathematica são comparados com os gerados no programa Ensemble, apresentando uma excelente concordância.Em seguida, as condições para a síntese de uma rede de antenas capaz de satisfazer os requisitos de rejeição de sinais refletidos pelo solo em sistemas GPS (Global Positioning System) são estabelecidas. Alternativas para minimizar este efeito são estudadas, culminando com o estabelecimento de um diagrama de irradiação com uma forma pré-determinada. Este diagrama é sintetizado utilizando-se o método da série de Fourier. Redes de antenas são analisadas no Mathematica e no Ensemble. Os resultados das simulações, também neste caso, estão em excelente concordância.Uma vez estabelecida a rede linear, foram projetados e construídos protótipos com três e cinco fendas eletromagnéticas. Novamente, comparações entre os resultados do programa proposto e o comercial são realizadas. Medidas de impedância de entrada, perda de retorno e de diagramas de irradiação são apresentadas, verificando-se boa concordância entre os resultados teóricos e os experimentais. Fotografias dos protótipos construídos são mostradas ao longo do trabalho.

Submitted by Sandro Camargo (sandro.camargo@unipampa.edu.br) on 2015-05-09T23:05:48Z No. of bitstreams: 1 117110020.pdf: 13178438 bytes, checksum: f29a9ebb8c16cd912a974177b062c58e (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-09T23:05:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 117110020.pdf: 13178438 bytes, checksum: f29a9ebb8c16cd912a974177b062c58e (MD5) Previous issue date: 2014-04-04 / Neste trabalho é apresentado um estudo de redes lineares de antenas com elementos isotrópicos e projetos em tecnologia de microfita, com diagrama de irradiação conformado e controle dos lóbulos secundários. A especificação a ser cumprida éa de uma antena para estações rádio-base operando na frequência alocada par a tecnologia 4G no Brasil. O trabalho descreve ferramentas computacionais que auxiliem na síntese de redes de antenas. Como resultado do processo de otimização, os coeficientes de excitação dos diversos elementos que compõem as redes de antenas são obtidos. Primeiramente é descrito o sistema de telefonia móvel celular, apresentando os principais pontos de interesse neste trabalho, tais como evolução dos sistemas de comunicação sem fio, conceito de reuso de frequência, capacidade do sistema, interferência co-canal e posicionamento das estações rádio-base no sistema celular, além das principais características elétricas das antenas utilizadas atualmente no atendimento aos assinantes. Em seguida, considera-se a existência de uma linha de visada entre a estação rádio-base e o usuário, possibilitando a obtenção do nível aproximado de potência recebida à medida este se afasta da torre. Como meta, deseja-se a distribuição uniforme da potência até o limite da célula, que resulta em um diagrama de irradiação para a antena na forma de cossecante ao quadrado. Além disso, busca-se a minimização da interferência co-canal e a redução do percentual de energia irradiada na região do horizonte. Métodos de síntese de diagrama são estudados e implementados em Matlab visanado a obtenção do diagrama desejado a partir dos coeficientes de excitação dos elementos da rede linear, tais como, método da Transformada de Fourier, de Woodward-Lawson e dos mínimos quadrados. Apesar destes métodos serem vastamente utilizados, não foi possível obter uma síntese adequada do diagrama desejado. Desta forma, métodos de otimização iterativos foram investigados visando ao controle dos lóbulos secundários e a conformação do diagrama. Optou-se pela combinação do algoritmo genético com a programação quadrática sequencial, empregado para a busca de um mínimo local tendo como partida a melhor solução encontrada pelo algoritmo genético. Tal combinação permitiu rápida convergência na obtenção dos coeficientes de excitação da rede. Em seguida uma rede de antenas de microfita foi projetada no software HFSS para reproduzir o diagrama na forma de cossecante ao quadrado quando excitadas pelos coeficientes calculados com a ferramenta computacional. Durante o processo de síntese, todos os efeitos observados em uma rede de antenas foram considerados, tais como acoplamento mútuo e efeito de borda. Após conhecidos o coeficientes de excitação, projetou-se um sistema alimentador em tecnologia de microfita para fornecer os respectivos valores de correntes às antenas que compõem a rede. Por fim, é realizada a comparação entre o diagrama sintetizado e o obtido, o que permitiu a validação da ferramenta computacional. / In this work, the development of a computational tool that performs the synthesis of linear antenna arrays is presented and extensively discussed. The main intended applications is the design of an antenna suitable for radio-base stations of mobile communications systems, whereby uniform power distribution should be achieved inside the cell. The present work starts with the presentation of a review about mobile communication systems, whereby the main aspects are briefly discussed. An analysis is carried out to derive an expression that relates the antenna radiation pattern to the uniform power distribution inside a cell. This feature is achieved if the radiation pattern of the transmitting structure exhibits squared-cosecant shaped. Classical methods for pattern synthesis have been implemented in Matlab and have tested for the case of a squared-cosecant shape. Neither the Fourier Transform nor the Woodward-Lawson techniques could synthesize such a pattern satisfactorily. Thus iterative methods have been studied and implemented. The first iterative technique was based on the minimization of least-square errors, which has been used successfully for beamforming purposes. However, this technique proved to be unsuitable for the synthesis of squared-cosecant shaped patterns. Acceptable results could only be obtained by means of a genetic algorithm-square quadratic programming combined approach, which allowed obtaining fast convergence of the optimization of the excitation coefficients for the linear array elements. In order to demonstrate the efficiency of the developed tool, two microstrip antenna arrays that operate in the frequency band allocated for the Brazilian 4G systems have been studied. The embedded radiation pattern of each array element has been taken into account during the synthesis of the squared-cosecant shaped pattern. This approach allowed mutual coupling, as well as the truncation of the ground plane, to be compensated during the optimization process. The synthesized pattern enabled to reduce the power radiated above the horizon, as well as the co-channel interference. In order to validate the technique, a complete array including the power divider has been designed using the electromagnetic simulator HFSS. Good agreement has been obtained between the synthesized pattern and the simulated one in HFSS.

Submitted by Sandro Camargo (sandro.camargo@unipampa.edu.br) on 2015-05-09T22:22:57Z No. of bitstreams: 1 126110018.pdf: 3775876 bytes, checksum: 4a58f20709bf7c39682924a84079246d (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-09T22:22:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 126110018.pdf: 3775876 bytes, checksum: 4a58f20709bf7c39682924a84079246d (MD5) Previous issue date: 2014-09-08 / Neste trabalho, são apresentadas diferentes técnicas que possibilitam a obtenção de característica dupla-faixa para antenas de microfita especificamente voltadas para aplicações em estações rádio-base de telefonia móvel celular no Brasil. As faixas de frequência de interesse encontram-se no intervalo de 0,824 GHz a 0,960 GHz para a banda inferior e 1,710 GHz a 2,165 GHz para a banda superior. Além de atender as especificações técnicas de faixa de passagem, devem ser atendidos os requisitos de coeficiente de reflexão, polarização, ganho, largura de feixe de irradiação e impedância de entrada na faixa de interesse. Primeiramente, para obtenção de antenas de microfita com característica multibanda, descreve-se a técnica em que são dispostas fendas nos elementos irradiadores, onde são estudadas três topologias de antenas, explicando-se os princípios de funcionamento e destacando-se as particularidades de cada geometria. As três antenas são analisadas e projetadas com o auxílio do software comercial de simulação eletromagnética Ansoft Designer ® , visando levantar os parâmetros elétricos através de diversos estudos paramétricos em função da variação das dimensões das antenas para compreender melhor o comportamento de cada estrutura simulada. A antena com elemento irradiador em forma de H foi a única que cumpriu os requisitos em termos de faixa de passagem e diagramas de irradiação para operação em sistemas de telefonia móvel celular. No entanto, esta geometria resultou em dimensões físicas consideráveis, pois necessita da utilização de múltiplas camadas dielétricas, acarretando em um protótipo de volume considerável e de elevado custo de produção. Outra técnica estudada foi a sobreposição de elementos irradiadores, porém a mesma não é investigada detalhadamente em função de o custo de produção da antena ser mais elevado em comparação a topologias coplanares. Em seguida, uma técnica com irradiadores em fenda anelar e dupla alimentação é proposta. A antena é projetada considerando-se duas portas independentes, uma para cada banda de operação, formando uma antena de dois acessos altamente isolados. Simulações com o software HFSS TM mostraram que é possível satisfazer as especificações para operação em estações rádio-base de telefonia móvel celular. A grande vantagem desta estrutura é a possibilidade de utilização de apenas um laminado de micro-ondas, o que reduz o custo de produção em comparação a outras topologias. Protótipos foram construídos e caracterizados experimentalmente para validar o projeto realizado no simulador eletromagnético. Constatou-se a presença de discrepâncias entre os resultados simulados e medidos. Após simulações paramétricas, verificou-se que o processo de construção alterou a geometria do protótipo em relação ao modelo de simulação. Após a inclusão das imperfeições do processo construtivo no modelo, foi possível estimar as mudanças necessárias no protótipo. Após os devidos ajustes realizados em bancada, os resultados medidos exibiram boa concordância com a previsão teórica. Por fim, realizou-se um estudo de viabilidade da utilização da antena em fenda anelar dupla-faixa para composição de uma rede de antenas para estações rádio-base. A análise teve como principal objetivo verificar a possibilidade de síntese de diagramas de irradiação em forma de cossecante ao quadrado em ambas as bandas de operação. Excelente resultado foi obtido para a banda inferior, enquanto que algumas limitações foram encontradas na banda superior. / In this work we present different techniques for achieving the dual-band feature for microstrip antennas aimed to be used in the mobile communication base stations of Brazil. The focused frequency range for lower and higher bands is in the 0.824-0.960 GHz and 1.710-2.165 GHz intervals, respectively. In addition to comply with the technical specifications, the solution is also supposed to meet the requirements of return loss, polarization, gain, beamwidth radiation and input impedance in the focused frequency range. Initially, in order to obtain microstrip antennas with dual-band characteristic, we describe the technique in which slots are placed in the irradiating elements. Three antenna topologies are analyzed in its operation principles, emphasizing the particularities of each geometry. The antennas are designed with support of Ansoft Designer ® , a commercial software that simulates electromagnetic features, in order to find out the electrical parameters through parametric studies and to better understand the behavior of each simulated structure. These studies considered the variation in the dimensions of antennas. The H-shaped microstrip antenna was the only one able to fulfill the requirements of bandwidth and irradiation diagrams for operation in mobile communication. However, this geometry originated an antenna of considerable physical dimensions, because it requires the use of multiple dielectric layers, resulting in a prototype of considerable volume and high production cost. Another technique studied was the stacking of irradiating elements. However it isn’t investigated in detail because of the production cost of the antenna, which is higher than the ones of coplanar topologies. After all that, we propose a technique based in annular-slot antennas and double feed. The antenna is designed considering two independent ports, one for each band of operation, making an antenna of two highly insulated accesses. Simulations by the HFSS TM software have shown that it’s possible to comply with the specifications for operation in base stations of the mobile communication. The biggest advantage of this structure over other topologies is that it may be made of only one microwave laminate, reducing the production cost. Prototypes were built and measured to validate the design in the electromagnetic simulator. It was noted the discrepancies between the simulated and measured results. After running parametric simulations, we found out that the building process of the prototype changed the geometry of the simulation model. We included these imperfections in the model and it was possible to estimate the necessary changes in the prototype. After inclusion of the adjustments, the measured results behaved just alike the theoretical prediction. Finally, we’ve done a feasibility study on the use of the dual-band annular slot antenna for making an array of antennas for base stations. The study aimed to verify the suitability of synthetizing squared-cosecant shaped pattern in both operation bands. We got excellent results for the lower band, although some limitations were found for the higher band.