Novas técnicas de otimização de casamento de impedância de antenas planares para sistemas de comunicação sem fio
The work presented in this dissertation consists in the development of new techniques for the impedance matching optimization of printed antennas for wireless communication systems. The techniques proposed are based on the insertion of slots in the antenna feeding line or below it (in the ground...
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| Autor principal: | |
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| Outros Autores: | |
| Formato: | doctoralThesis |
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| Publicado em: |
Brasil
|
| Assuntos: | |
| Endereço do item: | https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/28350 |
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Antena de microfita Casamento de impedância Coeficiente de reflexão Microfita fendida Plano de terra fendido CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA |
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Antena de microfita Casamento de impedância Coeficiente de reflexão Microfita fendida Plano de terra fendido CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA Silva, André Nascimento da Novas técnicas de otimização de casamento de impedância de antenas planares para sistemas de comunicação sem fio |
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The work presented in this dissertation consists in the development of new techniques
for the impedance matching optimization of printed antennas for wireless communication
systems. The techniques proposed are based on the insertion of slots in the antenna feeding line
or below it (in the ground plane), enabling to keep unchanged the patch geometry of the
investigated microstrip antenna. The study was performed using a parametric analysis and
enabled the development of three new impedance matching techniques. In the first, the insertion
of the slot is carried out in the conducting strip of the microstrip line, being symmetrically
placed. In the second, the slot is introduced into the ground plane, but it is inserted below and
parallelly to the conducting strip of the microstrip line. In the third, the slot is also positioned
in the ground plane, but is aligned parallel to the lower edge of the conducting patch, i.e.
perpendicularly to the conducting strip of the microstrip line. The effect of the input impedance
matching on the performance of rectangular patch microstrip antennas printed on fiberglass
substrates (FR-4) was investigated. The antennas were fed by microstrip lines and designed for
operation at 1.8 GHz, 2.45 GHz, and 3.5 GHz. Simulation and parametric analyses were
performed using Ansoft Designer and Ansoft HFSS softwares, that implement the method of
moments (MoM) and the finite element method (FEM), respectively. In addition, the wave
concept iterative procedure (WCIP) was also used in the analysis, enabling a better comparison
between the obtained simulated results. For validation purpose, several prototypes were
fabricated and measured. The good agreement observed between simulated and measured
results confirms the efficiency and accuracy of the new impedance matching techniques. The
proposed techniques are easy to implement and allow considerable reductions in the reflection
coefficient value, | S11 | (dB), indicating that the antenna efficiency was significantly increased.
In the first case, for the slot inserted in the conducting strip of the microstrip, the value of | S11
| (dB) was reduced from -8.81 dB to -28.09 dB in the analysis for 2.45 GHz. In the second case,
for the slot inserted in the ground plane, below and parallel to the conducting strip of the
microstrip, the value of | S11 | (dB) was reduced from -7.62 dB to -37.17 dB in the analysis for
2.45 GHz. In the third case, for the slot inserted in the ground plane, parallel to the lower edge
of the conducting patch, the value of | S11 | (dB) was reduced from -10.11 dB to -34.1 dB in
the analysis for 1.8 GHz. The use of slots, as proposed in this work, enabled a good impedance
matching between the antenna and the microstrip feeding line, avoiding the use of high impedance microstrip lines, abrupt transitions in the width of microstrip lines, changes in the
shape of the antenna conducting patch, or increasing the antenna size. |
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D'Assunção, Adaildo Gomes |
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The study was performed using a parametric analysis and enabled the development of three new impedance matching techniques. In the first, the insertion of the slot is carried out in the conducting strip of the microstrip line, being symmetrically placed. In the second, the slot is introduced into the ground plane, but it is inserted below and parallelly to the conducting strip of the microstrip line. In the third, the slot is also positioned in the ground plane, but is aligned parallel to the lower edge of the conducting patch, i.e. perpendicularly to the conducting strip of the microstrip line. The effect of the input impedance matching on the performance of rectangular patch microstrip antennas printed on fiberglass substrates (FR-4) was investigated. The antennas were fed by microstrip lines and designed for operation at 1.8 GHz, 2.45 GHz, and 3.5 GHz. Simulation and parametric analyses were performed using Ansoft Designer and Ansoft HFSS softwares, that implement the method of moments (MoM) and the finite element method (FEM), respectively. In addition, the wave concept iterative procedure (WCIP) was also used in the analysis, enabling a better comparison between the obtained simulated results. For validation purpose, several prototypes were fabricated and measured. The good agreement observed between simulated and measured results confirms the efficiency and accuracy of the new impedance matching techniques. The proposed techniques are easy to implement and allow considerable reductions in the reflection coefficient value, | S11 | (dB), indicating that the antenna efficiency was significantly increased. In the first case, for the slot inserted in the conducting strip of the microstrip, the value of | S11 | (dB) was reduced from -8.81 dB to -28.09 dB in the analysis for 2.45 GHz. In the second case, for the slot inserted in the ground plane, below and parallel to the conducting strip of the microstrip, the value of | S11 | (dB) was reduced from -7.62 dB to -37.17 dB in the analysis for 2.45 GHz. In the third case, for the slot inserted in the ground plane, parallel to the lower edge of the conducting patch, the value of | S11 | (dB) was reduced from -10.11 dB to -34.1 dB in the analysis for 1.8 GHz. The use of slots, as proposed in this work, enabled a good impedance matching between the antenna and the microstrip feeding line, avoiding the use of high impedance microstrip lines, abrupt transitions in the width of microstrip lines, changes in the shape of the antenna conducting patch, or increasing the antenna size. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) O trabalho descrito nesta Tese consiste no desenvolvimento de novas técnicas de otimização de casamento da impedância de entrada de antenas de microfita para aplicações em sistemas de comunicação sem fio. As técnicas propostas se baseiam na inserção de fendas na linha de alimentação da antena ou abaixo dela, no plano de terra, permitindo manter inalterada a geometria do patch da antena de microfita. O estudo realizado através de análise paramétrica, permitiu o desenvolvimento de três novas técnicas de casamento de impedâncias. Na primeira, a inserção da fenda é realizada na fita condutora da linha de microfita, sendo posicionada simetricamente. Na segunda, a fenda é introduzida no plano de terra, ou seja, é inserida abaixo e paralelamente à fita condutora da linha de microfita. Na terceira, a fenda também é posicionada no plano de terra, porém é alinhada paralelamente à borda inferior do patch condutor, ou seja, perpendicularmente à fita condutora da linha de microfita. Foram investigados os efeitos do casamento de impedâncias de entrada de antenas de microfita com patch retangulares, impressas sobre substratos de fibra de vidro (FR-4) e alimentadas por linhas de microfita, projetadas para operação nas frequências de 1,8 GHz, 2,45 GHz e 3,5 GHz. A simulação e a análise paramétrica dessas antenas foram realizadas através dos softwares Ansoft Designer e Ansoft HFSS, que implementam o método dos momentos (method of moments - MoM) e o método dos elementos finitos (finite element method - FEM), respectivamente. Adicionalmente, o método das ondas (wave concept iterative procedure - WCIP) também foi empregado na análise, possibilitando uma melhor comparação entre os resultados simulados obtidos. Para fins de validação dos resultados simulados, foram fabricados e medidos vários protótipos. A boa concordância observada entre os resultados simulados e medidos, confirma a eficiência e a acurácia das novas técnicas de casamento de impedâncias. As técnicas propostas são de fácil implementação e permitem obter reduções consideráveis no valor do coeficiente de reflexão, |S11| (dB), indicando que a eficiência da antena foi significativamente aumentada. No primeiro caso, para a fenda inserida na fita condutora da microfita, o valor de |S11| (dB) foi reduzido de -8,81 dB para -28,09 dB, na análise para 2,45 GHz. No segundo caso, para a fenda inserida no plano terra, abaixo e paralelamente à fita condutora da microfita, o valor de |S11| (dB) foi reduzido de -7,62 dB para -37,17 dB, na análise para 2,45 GHz. No terceiro caso, para a fenda inserida no plano terra, alinhada paralelamente à borda inferior do patch, o valor de |S11| (dB) foi reduzido de -10,11 dB para -34,1 dB, na análise para 1,8 GHz. O uso de fendas, nas formas propostas, permitiu uma boa adaptação, em relação ao casamento de impedâncias, entre as antenas e as linhas de alimentação correspondentes, dispensando o uso de linhas de microfita de alta impedância e evitando transições abruptas na largura de linhas de microfita, alterações na forma do patch da antena, ou o aumento do tamanho final da antena. 2020-01-22T21:45:52Z 2020-01-22T21:45:52Z 2019-05-27 doctoralThesis SILVA, André Nascimento da. Novas técnicas de otimização de casamento de impedância de antenas planares para sistemas de comunicação sem fio. 2019. 135f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e de Computação) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2019. https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/28350 pt_BR Acesso Aberto application/pdf Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO |