Simple, Compact, and Multiband Frequency Selective Surfaces Using Dissimilar Sierpinski Fractal Elements

This paper presents a design methodology for frequency selective surfaces (FSSs) using metallic patches with dissimilar Sierpinski fractal elements. The transmission properties of the spatial filters are investigated for FSS structures composed of two alternately integrated dissimilar Sierpinski fractal elements, corresponding to fractal levels k=1, 2, and 3. Two FSS prototypes are fabricated and measured in the range from 2 to 12 GHz to validate the proposed fractal designs. The FSSs with dissimilar Sierpinski fractal patch elements are printed on RT/Duroid 6202 high frequency laminate. The experimental characterization of the FSS prototypes is accomplished through two different measurement setups composed of commercial horns and elliptical monopole microstrip antennas. The obtained results confirm the compactness and multiband performance of the proposed FSS geometries, caused by the integration of dissimilar fractal element. In addition, the proposed FSSs exhibited frequency tuning ability on the multiband frequency responses. Agreement between simulated and measured results is reported

Análise e projeto de superfícies seletivas de frequência com elementos pré-fractais para aplicações em comunicações indoor

In this thesis, a frequency selective surface (FSS) consists of a two-dimensional periodic structure mounted on a dielectric substrate, which is capable of selecting signals in one or more frequency bands of interest. In search of better performance, more compact dimensions, low cost manufacturing, among other characteristics, these periodic structures have been continually optimized over time. Due to its spectral characteristics, which are similar to band-stop or band-pass filters, the FSSs have been studied and used in several applications for more than four decades. The design of an FSS with a periodic structure composed by pre-fractal elements facilitates the tuning of these spatial filters and the adjustment of its electromagnetic parameters, enabling a compact design which generally has a stable frequency response and superior performance relative to its euclidean counterpart. The unique properties of geometric fractals have shown to be useful, mainly in the production of antennas and frequency selective surfaces, enabling innovative solutions and commercial applications in microwave range. In recent applications, the FSSs modify the indoor propagation environments (emerging concept called wireless building ). In this context, the use of pre-fractal elements has also shown promising results, allowing a more effective filtering of more than one frequency band with a single-layer structure. This thesis approaches the design of FSSs using pre-fractal elements based on Vicsek, Peano and teragons geometries, which act as band-stop spatial filters. The transmission properties of the periodic surfaces are analyzed to design compact and efficient devices with stable frequency responses, applicable to microwave frequency range and suitable for use in indoor communications. The results are discussed in terms of the electromagnetic effect resulting from the variation of parameters such as: fractal iteration number (or fractal level), scale factor, fractal dimension and periodicity of FSS, according the pre-fractal element applied on the surface. The analysis of the fractal dimension s influence on the resonant properties of a FSS is a new contribution in relation to researches about microwave devices that use fractal geometry. Due to its own characteristics and the geometric shape of the Peano pre-fractal elements, the reconfiguration possibility of these structures is also investigated and discussed. This thesis also approaches, the construction of efficient selective filters with new configurations of teragons pre-fractal patches, proposed to control the WLAN coverage in indoor environments by rejecting the signals in the bands of 2.4~2.5 GHz (IEEE 802.11 b) and 5.0~6.0 GHz (IEEE 802.11a). The FSSs are initially analyzed through simulations performed by commercial software s: Ansoft DesignerTM and HFSSTM. The fractal design methodology is validated by experimental characterization of the built prototypes, using alternatively, different measurement setups, with commercial horn antennas and microstrip monopoles fabricated for low cost measurementsCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorNesta tese, uma superfície seletiva de frequência (FSS) consiste de uma estrutura periódica bidimensional montada sobre um substrato dielétrico, que é capaz de selecionar sinais em uma ou mais faixas de frequências de interesse. Em busca da obtenção de um melhor desempenho, dimensões mais compactas, baixo custo de fabricação, entre outras características, estas estruturas periódicas têm sido continuamente otimizadas ao longo do tempo. Devido às suas características espectrais, que são similares as de filtros rejeita-faixa ou passa-faixa, as FSSs têm sido estudadas e usadas em aplicações diversas por mais de quatro décadas. O projeto de uma FSS com uma estrutura periódica composta de elementos préfractais facilita a sintonia destes filtros espaciais e o ajuste de seus parâmetros eletromagnéticos, possibilitando uma construção compacta, que, em geral, apresenta uma resposta estável em frequência e desempenho superior em relação à sua contrapartida euclidiana. As propriedades únicas dos fractais geométricos têm-se mostrado bastante úteis, principalmente para a construção de antenas e superfícies seletivas de frequência, permitindo soluções inovadoras e aplicações comerciais na faixa de micro-ondas. Em aplicações mais recentes, as FSSs modificam os ambientes de propagação indoor (conceito emergente chamado de wireless building ). Neste contexto, o uso de elementos pré-fractais também tem apresentado resultados promissores, tornando mais efetiva a filtragem de mais de uma faixa de frequências com uma estrutura de camada simples. Esta tese aborda o projeto de FSSs com elementos pré-fractais baseados nas geometrias de Vicsek, Peano e dos terágonos, que funcionam como filtros espaciais do tipo rejeita-faixa. As propriedades de transmissão das superfícies periódicas são analisadas para a concepção de dispositivos eficientes, compactos e com respostas estáveis em frequência, aplicáveis na faixa de micro-ondas e adequados para utilizações em comunicações indoor. Os resultados são discutidos em termos do efeito eletromagnético decorrente da variação de parâmetros como, número de iterações fractais (ou nível do fractal), fator de escala, dimensão fractal e periodicidade da FSS, de acordo com o elemento pré-fractal utilizado. A análise da influência da dimensão fractal sobre as propriedades de ressonância de uma FSS é uma contribuição nova no que diz respeito às pesquisas com dispositivos de micro-ondas que utilizam geometrias fractais. Devido às características próprias e a forma geométrica dos elementos pré-fractais de Peano, a possibilidade de reconfiguração destas estruturas também é investigada e discutida. Esta tese aborda ainda, a construção de filtros seletivos eficientes com novas configurações de patches pré-fractais do tipo terágonos, propostos para controle de cobertura WLAN em ambientes indoor, rejeitando os sinais nas faixas de 2,4~2,5 GHz (IEEE 802.11b) e 5,0~6,0 GHz (IEEE 802.11a). As FSSs são analisadas inicialmente por meio de simulações executadas pelos programas comerciais Ansoft DesignerTM e HFSSTM. A metodologia de projeto é validada através da caracterização experimental dos protótipos construídos utilizando, alternativamente, diferentes setups de medição, com antenas corneta comerciais e monopolos de microfita de fabricação própria para medições de baixo cust