Influência da geometria dos elementos metálicos na miniaturização de condutores magnéticos artificiais com aplicações em antenas
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Data
Autor(es)
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Elson José da Silva
Renato Cardoso Mesquita
Úrsula do Carmo Resende
Glaucio Lopes Ramos
Fábio Júlio Fonseca Gonçalves
Renato Cardoso Mesquita
Úrsula do Carmo Resende
Glaucio Lopes Ramos
Fábio Júlio Fonseca Gonçalves
Resumo
Neste trabalho apresenta-se o estudo de condutores magnéticos artificiais (AMC)
sem vias para aplicação em antenas. O método de elementos finitos foi utilizado, por
meio do software comercial COMSOL MULTIPHYSICS, para obter os resultados desta
tese. A realização deste trabalho foi dividida em duas etapas que avaliam no primeiro
momento como a geometria das inclusões metálicas modifica a frequência de ressonância
do AMC, seguida de estudos sobre o acoplamento entre antena e o AMC devido às
diferentes formas geométricas das inclusões metálicas.
Na primeira etapa deste trabalho, diferentes formas geométricas foram analisadas.
Como contribuição, observou-se que a redução na frequência de ressonância do
AMC está associada ao aumento no comprimento efetivo das inclusões metálicas, desde
que esse aumento no comprimento efetivo ocorra na mesma direção de polarização da
onda incidente. Pautado nessa observação, a geometria meander line foi estudada e
comparada a um patch quadrado utilizado como referência. Nesse contexto, outra contribuição
refere-se à observação de uma redução na razão entre a primeira e a segunda
frequência de ressonância do AMC e o aparecimento de diferentes bandas de operação,
dependendo do número de meandros utilizados. De modo semelhante, ao utilizar a
geometria meander line em elementos condutores de superfícies seletivas em frequência
a miniaturização e o surgimento de diferentes bandas de operação também foram
observados. Na segunda parte deste trabalho é desenvolvido um estudo sobre a interação
entre antenas e AMC. Duas antenas são avaliadas, um dipolo e uma bowtie. Para os
planos terra AMC, quatro geometrias são analisadas, incluindo a quadrada, circular,
bowtie e a forma em U. As células unitárias são projetadas para a mesma frequência de
operação. Nesta etapa, como contribuição, observou-se que, devido à forma do remendo
metálico, a direção do ganho máximo no plano H pode ser rotacionada. Além disso, uma
melhoria na largura de feixe de meia potência (HPBW) da antena é reportada. Ainda, o
ganho, HPBW e a relação frente-costa dependem da posição da antena sobre o AMC e
do número de células unitárias presente na matriz AMC. Os resultados sugerem que uma
escolha cuidadosa da geometria do elemento condutor em um AMC, para aplicações de
antena, é de fundamental importância.
Palavras-chaves: Antenas, condutores magnéticos artificiais, metamateriais, metassuperfícies,
superfície seletivas em frequência.
Abstract
This thesis addresses the study of artificial magnetic conductors (AMC) without
vias for antennas applications. The results are supported by the commercial program
COMSOL MULTIPHYSICS, a finite element software. This work is divided into two
steps: first, it is evaluated how the metal inclusions geometry modify the AMC resonant
frequency; and second, coupling effects between the antenna and AMC due to different
geometric shapes for AMC metallic inclusions are studied.
In the first stage, different geometric forms were analyzed. As a contribution, it
was observed that the reduction in the resonant frequency of the AMC is associated with
the increase in the effective length of the metallic inclusions, provided that this increase
in effective length occurs in the same direction of incidente wave polarization. Based
on this observation, the meander line geometry was studied and compared to a square
patch, used as a reference. In this context, another contribution refers to the observation
of a reduction in the ratio between the first and second AMC resonant frequency and the
appearance of different operating bands, depending on the number of meanders used.
Similarly, when using meander line geometry in a frequency selective surfaces metallic
patch, the miniaturization and the appearance of different operating bands were also
observed.
In the second part of this work, a study on the interaction between antennas and
AMC is developed. Two antennas are evaluated, a dipole and a bowtie. For the AMC ground plane, four geometries are analyzed, including the square, circular, bowtie and
the U-shape. The unit cells are designed for the same operating frequency. In this step,
as contribution, it was observed that, due to the shape of the metallic patch, the direction
of the maximum gain in the H plane can be rotated. In addition, an improvement in the
half-power beam (HPBW) of the antenna is reported. Further, the gain, HPBW and the
front-back ratio depend on the antenna position over the AMC and the number of unit
cells present in the AMC array. The results suggest that a careful choice of conductor
element geometry in an AMC for antenna applications is of paramount importance.
Keywords: Antennas, artificial magnetic conductors, metamaterials, metasurfaces,
surface selectives frequency.
Assunto
Engenharia elétrica, Antenas, Metamateriais
Palavras-chave
Antenas, Condutores magnéticos artificiais, Metamateriais, Metassuperfícies, Superfície seletivas em frequência