Projeto e análise de metasuperfícies condutoras magnéticas artificiais utilizando condições de contorno generalizadas
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Data de Publicação: | 2022 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFMG |
Texto Completo: | http://hdl.handle.net/1843/51243 |
Resumo: | Estruturas bidimensionais cujas características podem ser projetadas para alcançar propriedades eletromagnéticas vantajosas e não usuais são denominadas metasuperfícies. Estas estruturas possuem diversas aplicações no controle de ondas eletromagnéticas e, dentre elas, as metasuperfícies condutoras magnéticas artificiais (Artificial Magnetic Conductors - AMCs) têm sido bastante utilizadas, principalmente, no contexto de antenas. O projeto destas estruturas utiliza, comumente, métodos baseados em expressões analíticas ou aplicação de técnicas de otimização, levando a limitações em termos de flexibilidade de geometrias e custo computacional, respectivamente. Tais limitações também ocorrem na análise de desempenho da metasuperfície uma vez que o método convencional de cálculo dos parâmetros de caracterização depende da simulação computacional das diversas condições de incidência. Este trabalho apresenta a aplicação das condições de contorno generalizadas (Generalized Boundary Conditions - GBCs) no projeto e análise de metasuperfícies AMC, visando reduzir as limitações apresentadas pelos métodos convencionais, a partir da representação da superfície eletromagnética pelas susceptibilidades elétrica e magnética superficiais. Para isto são apresentados os principais conceitos relacionados aos condutores magnéticos artificiais e às GBCs, bem como a descrição dos passos e equações necessárias para aplicação do método no projeto e análise das estruturas. A funcionalidade do método de projeto proposto na obtenção de AMCs com quatro geometrias diferentes de espalhadores metálicos (quadrado, anel quadrado, cruz de Jerusalem e fractal Tapete de Sierpinski), é avaliada em dois estudos de caso com substratos dielétricos diferentes utilizando o software comercial High Frequency Structure Simulator - HFSS para simulação, apresentando custo computacional reduzido e comportamento AMC em todos os casos analisados. Adicionalmente, é avaliado o desempenho das AMCs projetadas quanto a largura de banda de operação, estabilidade angular e de polarização, e como refletores de antena impressa. Apresenta-se, também, o desenvolvimento das equações que relacionam os parâmetros de caracterização das AMCs com as susceptibilidades superficiais do modelo GBCs, possibilitando uma avaliação qualitativa e quantitativa da metasuperfície de maneira rápida. |
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Elson José da Silvahttp://lattes.cnpq.br/2345499859996413Úrsula do Carmo ResendeMarco Aurélio de Oliveira SchroederSandro Trindade Mordente GonçalvesRicardo Luiz da Silva AdrianoDiogo Batista de Oliveirahttp://lattes.cnpq.br/0862734683047770Guilherme Lopes de Figueiredo Brandão2023-03-27T16:06:51Z2023-03-27T16:06:51Z2022-11-23http://hdl.handle.net/1843/512430000-0001-6673-9877Estruturas bidimensionais cujas características podem ser projetadas para alcançar propriedades eletromagnéticas vantajosas e não usuais são denominadas metasuperfícies. Estas estruturas possuem diversas aplicações no controle de ondas eletromagnéticas e, dentre elas, as metasuperfícies condutoras magnéticas artificiais (Artificial Magnetic Conductors - AMCs) têm sido bastante utilizadas, principalmente, no contexto de antenas. O projeto destas estruturas utiliza, comumente, métodos baseados em expressões analíticas ou aplicação de técnicas de otimização, levando a limitações em termos de flexibilidade de geometrias e custo computacional, respectivamente. Tais limitações também ocorrem na análise de desempenho da metasuperfície uma vez que o método convencional de cálculo dos parâmetros de caracterização depende da simulação computacional das diversas condições de incidência. Este trabalho apresenta a aplicação das condições de contorno generalizadas (Generalized Boundary Conditions - GBCs) no projeto e análise de metasuperfícies AMC, visando reduzir as limitações apresentadas pelos métodos convencionais, a partir da representação da superfície eletromagnética pelas susceptibilidades elétrica e magnética superficiais. Para isto são apresentados os principais conceitos relacionados aos condutores magnéticos artificiais e às GBCs, bem como a descrição dos passos e equações necessárias para aplicação do método no projeto e análise das estruturas. A funcionalidade do método de projeto proposto na obtenção de AMCs com quatro geometrias diferentes de espalhadores metálicos (quadrado, anel quadrado, cruz de Jerusalem e fractal Tapete de Sierpinski), é avaliada em dois estudos de caso com substratos dielétricos diferentes utilizando o software comercial High Frequency Structure Simulator - HFSS para simulação, apresentando custo computacional reduzido e comportamento AMC em todos os casos analisados. Adicionalmente, é avaliado o desempenho das AMCs projetadas quanto a largura de banda de operação, estabilidade angular e de polarização, e como refletores de antena impressa. Apresenta-se, também, o desenvolvimento das equações que relacionam os parâmetros de caracterização das AMCs com as susceptibilidades superficiais do modelo GBCs, possibilitando uma avaliação qualitativa e quantitativa da metasuperfície de maneira rápida.Two-dimensional structures whose characteristics can be designed to obtain advantageous and unusual electromagnetic properties are called metasurfaces. These structures have several applications in the control of electromagnetic waves and among them artificial magnetic conductor (AMCs) metasurfaces have been widely used, especially in the context of antennas. These structures are commonly designed using methods based on analytical expressions or optimization techniques, leading to limitations in terms of flexibility of geometries and computational cost, respectively. Such limitations also occur in metasurface performance analysis, since the conventional method of calculating the characterization parameters depends on computer simulation of the various incidence conditions. This work presents the application of the generalized boundary conditions (GBCs) in the design and analysis of AMC metasurfaces, aiming to reduce the limitations presented by conventional methods, from the representation of the electromagnetic surface by the superficial electric and magnetic susceptibilities. For this purpose, the main concepts related to the artificial magnetic conductors and the GBCs are presented, as well as the description of the steps and equations necessary to apply the method in the design and analysis of AMC metasurfaces. The functionality of the proposed design method in obtaining AMCs with four different metallic scatterers geometries (square, square ring, Jerusalem cross and Sierpinski Carpet fractal), is evaluated in two cases with different dielectric substrates using the commercial software High Frequency Structure Simulator - HFSS for simulation, presenting reduced computational cost and AMC behavior in all analysed cases. In addition, the performance of the designed AMCs is evaluated for operating bandwidth, angular and polarization stability, and as printed antenna reflectors. The development of equations that relate the characterization parameters of the AMCs to the surface susceptibilities of the GBCs model is also presented, enabling a qualitative and quantitative metasurface evaluation in a fast way.CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoporUniversidade Federal de Minas GeraisPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUFMGBrasilENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICAEngenharia elétricaAntenas (Eletrônica)EletromagnetismoCondutores magnéticos artificiaisCondições de contorno generalizadasMetasuperfíciesSusceptibilidades superficiaisProjeto e análise de metasuperfícies condutoras magnéticas artificiais utilizando condições de contorno generalizadasinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFMGinstname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)instacron:UFMGLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82118https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/51243/2/license.txtcda590c95a0b51b4d15f60c9642ca272MD52ORIGINALTese Guilherme - versão final PDFA.pdfTese Guilherme - versão final PDFA.pdfapplication/pdf11294553https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/51243/1/Tese%20Guilherme%20-%20vers%c3%a3o%20final%20PDFA.pdf844f133ead2ba6d30db38a09c4c925b1MD511843/512432023-03-27 13:06:51.767oai:repositorio.ufmg.br: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ório de PublicaçõesPUBhttps://repositorio.ufmg.br/oaiopendoar:2023-03-27T16:06:51Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)false |
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