Implementação de uma antena ressoadora magneto-dielétrica cilíndrica baseada na matriz YIG para o controle dos modos de propagação HEM11δ, TE01δ e TM01δ.

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: COSTA, Andrécia Pereira da.
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFCG
Texto Completo: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/20430
Resumo: As antenas ressoadoras magneto-dielétricas, (MDRA, magnetic dielectric resonant antennas) estão sendo investigadas por diversos pesquisadores por suas variadas características e aplicações. Dentre essas características, alta constante dielétrica e magnética, fundamentaispara sua miniaturização, baixas perdas dielétricas, comparadas aos materiais metálicos, facilidade de excitação visando a geração de modos de propagação e seletividade de magnetização. Neste trabalho são apresentados os resultados do estudo de uma MDRA com geometria cilíndrica, baseada na matriz (Yttrium Iron Garnet, YIG), visando controlar os modos de propagação HEM11δ, TE01δ e TM01δ, que podem ser controlados individualmente na mesma antena, ou excitar cada porta independentemente ao mesmo tempo ou não, permitindo excitar um modo de cada vez em cada porta. São apresentados resultados analíticos a partir das expressões matemáticas disponíveis na literatura especializada, resultados numéricos obtidos utilizando o programa computacional CST Studio e resultados experimentais, observando-se uma concordância entre os mesmos. É apresentado o projeto de três MDRAs, todas alimentadas por linha de microfita com impedância de entrada de 50 Ω. A primeira antena gerou a frequência medida de 5,78 GHz para o modo HEM11δ, a segunda antena excitou os modos HEM11δ, TE01δ para as frequências medidas 5,78 GHz e 6,75 GHz, respectivamente, e a terceira antena gerou os modos HEM11δ, TE01δ e TM01δ para as frequências medidas 5,75 GHz, 6,86 GHz e 8,37 GHz, controladas independentemente. As antenas foram fabricadas em substrato de fibra de vidro FR4 de baixo custo e possui plano de terra. O ressoador magneto-dielétrico foi fabricado usando o material cerâmico magnético originado das ferritas YIG de composição Y3Fe2(FeO4)3 ou Y3Fe5O12, sendo o mesmo posicionado sobre o substrato dielétrico. Foram analisados os parâmetros de espalhamento S, nas faixas de frequência de 4,9 GHz a 9,5 GHz, em que esses resultados estão dentro do esperado. Também foram apresentados os diagramas de irradiação em 2-D e 3-D. As três MDRAs projetadas foram analisadas numericamente, sendo possível fabricar e caracterizar experimentalmente as três MDRAs propostas. O controle dos modos foi obtido a partir da segunda e terceira antena projetadas, sendo possível excitar os modos HEM11δ, TE01δ e TM01δ e controlá-los de forma independente. Também foram obtidos resultados referentes ao efeito do campo magnético da segunda antena, característica importante na seletividade de magnetização, podendo ser controlada eletronicamente. Diante disso, a MDCRA apresentou características de miniaturização, modos de propagação e frequência controlados individualmente, com potencial para aplicação nos sistemas de comunicações sem fio.
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Dentre essas características, alta constante dielétrica e magnética, fundamentaispara sua miniaturização, baixas perdas dielétricas, comparadas aos materiais metálicos, facilidade de excitação visando a geração de modos de propagação e seletividade de magnetização. Neste trabalho são apresentados os resultados do estudo de uma MDRA com geometria cilíndrica, baseada na matriz (Yttrium Iron Garnet, YIG), visando controlar os modos de propagação HEM11δ, TE01δ e TM01δ, que podem ser controlados individualmente na mesma antena, ou excitar cada porta independentemente ao mesmo tempo ou não, permitindo excitar um modo de cada vez em cada porta. São apresentados resultados analíticos a partir das expressões matemáticas disponíveis na literatura especializada, resultados numéricos obtidos utilizando o programa computacional CST Studio e resultados experimentais, observando-se uma concordância entre os mesmos. É apresentado o projeto de três MDRAs, todas alimentadas por linha de microfita com impedância de entrada de 50 Ω. A primeira antena gerou a frequência medida de 5,78 GHz para o modo HEM11δ, a segunda antena excitou os modos HEM11δ, TE01δ para as frequências medidas 5,78 GHz e 6,75 GHz, respectivamente, e a terceira antena gerou os modos HEM11δ, TE01δ e TM01δ para as frequências medidas 5,75 GHz, 6,86 GHz e 8,37 GHz, controladas independentemente. As antenas foram fabricadas em substrato de fibra de vidro FR4 de baixo custo e possui plano de terra. O ressoador magneto-dielétrico foi fabricado usando o material cerâmico magnético originado das ferritas YIG de composição Y3Fe2(FeO4)3 ou Y3Fe5O12, sendo o mesmo posicionado sobre o substrato dielétrico. Foram analisados os parâmetros de espalhamento S, nas faixas de frequência de 4,9 GHz a 9,5 GHz, em que esses resultados estão dentro do esperado. Também foram apresentados os diagramas de irradiação em 2-D e 3-D. As três MDRAs projetadas foram analisadas numericamente, sendo possível fabricar e caracterizar experimentalmente as três MDRAs propostas. O controle dos modos foi obtido a partir da segunda e terceira antena projetadas, sendo possível excitar os modos HEM11δ, TE01δ e TM01δ e controlá-los de forma independente. Também foram obtidos resultados referentes ao efeito do campo magnético da segunda antena, característica importante na seletividade de magnetização, podendo ser controlada eletronicamente. Diante disso, a MDCRA apresentou características de miniaturização, modos de propagação e frequência controlados individualmente, com potencial para aplicação nos sistemas de comunicações sem fio.The magneto-dielectric resonator antennas (MDRA, magnetic dielectric resonant antennas) have been investigated by several researchers for their varied characteristics and applications. Among these characteristics, high dielectric and magnetic constant, fundamental for the miniaturization of resonator antennas, low dielectric losses compared to metallic materials, ease in the excitation aiming the generation of modes of propagation and selective magnetization. This work presents the results of the study of an MDRA with cylindrical geometry, based on the matrix (Yttrium Iron Garnet, YIG), aiming to control the HEM11δ, TE01δ and TM01δ propagation modes, which can be controlled individually on the same antenna, or excite each port independently at the same time or not, allowing to excite one mode at a time on each port. Analytical results are presented from the mathematical equations available in the specialized literature, numerical results obtained using the CST Studio software and experimental results show a very good agreement among them. The designs of three MDRAs are presented, all fed by microstrip line with 50 Ω input impedance. The first antenna generates the measured frequency from 5.78 GHz to the HEM11δ mode, the second antenna excites the HEM11δ, TE01δ modes for measured frequencies 5.78 GHz and 6.75 GHz, respectively, and the third antenna generates modes HEM11δ, TE01δ and TM01δ for the simulated frequencies 5.75 GHz, 6.86 GHz and 8.37 GHz, independently controlled. The antennas were manufactured from a low cost FR4 fiberglass substrate and have a common ground plane. The magneto-dielectric resonator is manufactured using the magnetic ceramic material originated from the ferrites (Yttrium Iron Garnet, YIG) of composition Y3Fe2(FeO4)3 or Y3Fe5O12, which is positioned on the dielectric substrate. The scattering parameters S were analyzed in the frequency bands from 4.9 GHz to 9.5 GHz, with results within the expected range. The 2-D and 3-D irradiation diagrams are also presented. Three MDRAs were designed and analyzed numerically, making it possible to manufacture and measure the three proposed MDRAs. The mode control was obtained from the second and third projected antenna, being possible to excite the HEM11δ, TE01δ and TM01δ modes and to control them independently. Results were also obtained regarding the effect of the magnetic field of the second antenna, an important characteristic in the selectivity of magnetization, which can be controlled electronically. Therefore, MDCRA presented characteristics of miniaturization, modes of propagation and frequency individually controlled, with potential for application in wireless communication systems.CapesUniversidade Federal de Campina GrandeBrasilCentro de Engenharia Elétrica e Informática - CEEIPÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICAUFCGFONTGALLAND, Glauco.FONTGALLAND, G.http://lattes.cnpq.br/4256595317953538GOMES NETO, Alfrêdo.GOMES NETO, A.http://lattes.cnpq.br/1403715441701958FELIX, Raquel Aline Araújo Rodrigues.SOMBRA, Antonio Sérgio Bezerra.ANDRADE, Humberto Dionísio de.PEIXEIRO, Custódio José Oliveira.COSTA, Andrécia Pereira da.2021-05-212021-08-06T13:58:03Z2021-08-062021-08-06T13:58:03Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesishttp://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/20430COSTA, A. P. da. Implementação de uma antena ressoadora magneto-dielétrica cilíndrica baseada na matriz YIG para o controle dos modos de propagação HEM11δ, TE01δ e TM01δ. 2021. 119 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica ) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro de Engenharia Elétrica e Informática, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2021.porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFCGinstname:Universidade Federal de Campina Grande (UFCG)instacron:UFCG2021-08-06T13:58:03Zoai:localhost:riufcg/20430Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://bdtd.ufcg.edu.br/PUBhttp://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/oai/requestbdtd@setor.ufcg.edu.br || bdtd@setor.ufcg.edu.bropendoar:48512021-08-06T13:58:03Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFCG - Universidade Federal de Campina Grande (UFCG)false
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