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Desenvolvimento de um ressoador retangular de fenda com múltiplas camadas de substrato e com utilização de material PBG para sistema de comunicação sem fio

By Humberto Dionísio de Andrade

Abstract

No mundo globalizado moderno, as telecomunicações assumiram um papel fundamental dentro das sociedades, provocando um grande aumento da demanda por tecnologia de comunicação sem fio, isto vem acontecendo nos últimos anos e tem aumentado bastante o número de aplicações que utilizam esta tecnologia. Em decorrência dessa demanda, novos materiais são desenvolvidos no sentido de possibilitar novos mecanismos de controle e propagação de ondas eletromagnéticas. A pesquisa para o desenvolvimento de novas tecnologias para comunicação sem fios apresenta um caráter multidisciplinar que abrange desde o estudo de novas geometrias para antenas passivas e ativas até o de desenvolvimento de materiais para dispositivos que melhorem o desempenho naquela faixa de frequência de operação. Recentemente as antenas planares tem despertado interesses devido as suas características e vantagens que oferecem quando comparadas com os demais tipos de antenas. Na área de comunicações móveis a necessidade de antenas desse tipo tem se tornado cada vez maior, devido ao seu intenso desenvolvimento, que necessita de antenas que operem em multifrequência e em banda larga. As antenas de microfita apresentam largura de banda estreita devido às perdas no dielétrico geradas pela irradiação. Outra limitação é a degradação do diagrama de irradiação devido à geração de ondas de superfície no substrato. Algumas técnicas estão sendo desenvolvidas para minimizar esta limitação de banda, como é o caso do estudo de materiais do tipo PBG Photonic Band Gap, para compor o material dielétrico. Este trabalho tem como objetivo principal o desenvolvimento do projeto de um ressoador de fenda com múltiplas camadas e com a utilização de substrato do tipo PBG, onde foi realizada a otimização a partir da analise numérica e em seguida, projetado o dispositivo proposto inicialmente para a faixa do espectro eletromagnético compreendida entre 3-9 GHz, que inclui basicamente a banda S até X. Foi utilizado como material dielétrico o RT/Duroid 5870 e RT/Duroid 6010.2LM onde ambos são laminados cerâmicos PTFE com constantes dielétricas de 2.33 e 10.2, respectivamente. Através de uma investigação experimental foi realizada uma análise dos resultados simulados versus medidos observando o comportamento das xvi características de radiação a partir da variação da altura das multicamadas de subtrato dielétrico. Foi utilizado também o método LTT às estruturas ressoadoras retangulares de fenda com múltiplas camadas, para a obtenção da freqüência de ressonância bem como toda a teoria que envolva os parâmetros eletromagnéticos da estrutura em estudo. As análises desenvolvidas neste trabalho foram realizadas com utilização do método LTT Linha de Transmissão Transversa, no domínio da Transformada de Fourier que utiliza uma componente de propagação na direção y (transversa à direção real de propagação z), tratando assim as equações gerais dos campos elétricos e magnéticos em função de yE e yH . A teoria PBG será aplicada para a obtenção da permissividade relativa para as polarizações s e p dos substratos compostos de material fotônico. Os resultados são obtidos com o software comercial Ansoft HFSS, usado para a análise precisa do comportamento eletromagnético do dispositivo planar em estudo, por meio do Método dos Elementos Finitos (FEM). Resultados numérico-computacionais são apresentados em forma de gráfico em duas e três dimensões, para aos parâmetros de perda de retorno, frequência de radiação, e diagrama de radiação, eficiência de radiação e densidade superficial de corrente para o dispositivo em estudo, e que tem como substratos, materiais fotônicos e que fora simulado em uma ferramenta computacional apropriada. . No que diz respeito ao projeto do dispositivo planar em estudo são apresentados os resultados medidos e os simulados que apresentam boa concordância com as medições efetuadas. Estes resultados consistem principalmente na identificação dos modos de ressonância e na determinação das características do dispositivo projetado, como freqüência de ressonância, perda de retorno e diagrama de radiaçãoIn the globalized world modern telecommunications have assumed key role within the company, causing a large increase in demand for the wireless technology of communication, which has been happening in recent years have greatly increased the number of applications using this technology. Due to this demand, new materials are developed to enable new control mechanisms and propagation of electromagnetic waves. The research to develop new technologies for wireless communication presents a multidisciplinary study that covers from the new geometries for passive antennas, active up to the development of materials for devices that improve the performance at the frequency range of operation. Recently, planar antennas have attracted interest due to their characteristics and advantages when compared with other types of antennas. In the area of mobile communications the need for antennas of this type has become increasingly used, due to intensive development, which needs to operate in multifrequency antennas and broadband. The microstrip antennas have narrow bandwidth due to the dielectric losses generated by irradiation. Another limitation is the degradation of the radiation pattern due to the generation of surface waves in the substrate. Some techniques have been developed to minimize this limitation of bandwidth, such as the study of type materials PBG - Photonic Band Gap, to form the dielectric material. This work has as main objective the development project of a slot resonator with multiple layers and use the type PBG substrate, which carried out the optimization from the numerical analysis and then designed the device initially proposed for the band electromagnetic spectrum between 3-9 GHz, which basically includes the band S to X. Was used as the dielectric material RT/Duroid 5870 and RT/Duroid 6010.LM where both are laminated ceramic-filled PTFE dielectric constants 2.33 and 10.2, respectively. Through an experimental investigation was conducted an analysis of the simulated versus measured by observing the behavior of the radiation characteristics from the height variation of the dielectric multilayer substrates. We also used the LTT method resonators structures rectangular slot with multiple layers of material photonic PBG in order to obtain the resonance frequency and the entire theory involving the electromagnetic parameters of the structure under consideration. xviii The analysis developed in this work was performed using the method LTT - Transverse Transmission Line, in the field of Fourier transform that uses a component propagating in the y direction (transverse to the real direction of propagation z), thus treating the general equations of the fields electric and magnetic and function. The PBG theory is applied to obtain the relative permittivity of the polarizations for the sep photonic composite substrates material. The results are obtained with the commercial software Ansoft HFSS, used for accurate analysis of the electromagnetic behavior of the planar device under study through the Finite Element Method (FEM). Numerical computational results are presented in graphical form in two and three dimensions, playing in the parameters of return loss, frequency of radiation and radiation diagram, radiation efficiency and surface current for the device under study, and have as substrates, photonic materials and had been simulated in an appropriate computational tool. With respect to the planar device design study are presented in the simulated and measured results that show good agreement with measurements made. These results are mainly in the identification of resonance modes and determining the characteristics of the designed device, such as resonant frequency, return loss and radiation patter

Topics: Antena de fenda. Ressoador retangular de fenda. Banda fotônica proibida. Múltiplas camadas. Método da linha de transmissão transversa, Slot antennas. Slot rectangular resonator. Photonic band gap. Multi layers. Transverse transmission line method, CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Publisher: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Year: 2014
OAI identifier: oai:agregador.ibict.br.RI_UFRN:oai:repositorio:123456789/15223
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