Superfícies seletivas em frequência - FSS : concepção e projeto de absorvedores planares de micro-ondas para aplicação em WLAN, WIMAX e radar

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Maurício Weber Benjó da, 1980-
Data de Publicação: 2014
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1622529
Resumo: Orientador: Luiz Carlos Kretly
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spelling Superfícies seletivas em frequência - FSS : concepção e projeto de absorvedores planares de micro-ondas para aplicação em WLAN, WIMAX e radarFrequency selective surfaces - FSS : conception and design of planar microwave absorbers for application in WLAN, WIMAX and radarEletromagnetismoAbsorvedoresMicro-ondasEstruturas periódicasFrequency selective surfacesElectromagnetismAbsorbersMicrowavePeriodic structuresOrientador: Luiz Carlos KretlyTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Neste trabalho, as diferentes propriedades de superfícies seletivas em frequência, FSS - Frequency Selective Surfaces, são analisadas. As FSS são estruturas planares com células periódicas e podem ser classificadas como uma classe de metamateriais. Para tanto, o mecanismo de trabalho dessas estruturas foi extensivamente estudado, e um método próprio, baseado no modelo de circuito equivalente em conjunto com simulações de onda completa foi proposto. A ferramenta desenvolvida é útil para uma análise preliminar rápida de FSS, a qual foi utilizada para criar uma base de dados de elementos conhecidos na literatura. Diferente dos modelos de análise clássicos, a modelagem analítica proposta, que é uma das principais contribuições do trabalho, usa um simples algoritmo para aproximar a resposta de superfícies seletivas em frequência com geometrias arbitrárias, para incidências normal e oblíqua e para substratos com quaisquer espessuras. Nesse sentido, após a simulação eletromagnética da estrutura, é possível computar a resposta de uma FSS com diferentes parâmetros sem o consumo de tempo das simulações de onda completa. O modelo usa as características peculiares de superfícies de alta impedância, HIS - High Impedance Surface, que dentro de determina faixa comporta-se como condutor magnético perfeito, PMC - Perfect Magnetic Conductor, enquanto no restante da banda tem comportamento de um condutor elétrico perfeito, PEC - Perfect Electric Conductor, para sintetizar absorvedores finos e planares de micro-ondas. As estruturas, compostas de superfície seletiva em frequência resistivas sobre um substrato dielétrico aterrado, são projetadas visando aplicação em diferentes faixas de frequência de absorção e diferentes larguras de banda. Na faixa de 5,5 GHz, objetivou-se satisfazer as especificações dos sistemas WIMAX, WLAN, com os padrões IEEE 802.11a, bem como sistemas de radar, enquanto sinais de outras faixas podem trafegar com atenuação mínima ou nula. Para a faixa mais elevada, projetou-se uma estrutura que oferece absorção sobre a faixa de frequências de 10 GHz a 18 GHz, que pode ser empregada visando aplicações na banda-X e banda-Ku. O método de modelagem para a FSS e para os absorvedores propostos foi validado fisicamente através de montagens experimentais e instrumentação, especialmente desenvolvidas para estas estruturas. Os protótipos dos absorvedores fabricados são extremamente finos e foram medidos por meio de setups de medida em campo aberto e em câmara anecóica. As estruturas projetadas mostraram excelente desempenho para as faixas medidas, mantendo refletividade tipicamente abaixo de -10 dB ao longo de toda a banda. A metodologia desenvolvida nesta pesquisa pode ser ampliada para diferentes faixas de frequências, larguras de banda e aplicaçõesAbstract: In this work, the different properties of frequency selective surfaces - FSS are analyzed. Frequency selective surfaces are planar structures with periodic cells and can be classified as a kind of metamaterials. To this end, the working mechanism of these structures has been extensively studied, and a proper method based on the equivalent circuit model in conjunction with full-wave simulations was proposed. The developed tool is useful for a fast preliminary analysis of FSS, which was used to create a database of known elements presented in the literature. Unlike of classical analysis model, the proposed analytical modeling, which is one of the main thesis contributions, uses a simple algorithm for approximate the response of frequency selective surfaces with arbitrary shape, for normal and oblique incidence and for substrates with all thicknesses. In this sense, after the electromagnetic simulation of the structure, it is possible to compute the response of an FSS with different parameters without the time consuming full-wave simulations. The model uses the unique characteristics of High-Impedance Surfaces - HIS, which for certain frequency range, behaves as Perfect Magnetic Conductor - PMC, while outside this band behaves as a Perfect Electric Conductor - PEC, for synthesizing thin planar microwave absorbers. The structures, comprising resistive frequency selective surfaces over a grounded dielectric substrate, are designed aiming different absorption frequency bands and different bandwidths. In the 5.5 GHz frequency range, the aim was to satisfy the specifications of WiMAX, WLAN systems, in view of the IEEE 802.11a standards, as well as radar systems, while signals from other bands can travel across with zero or minimal attenuation. To the highest range, the designed structure provides absorption over 10 GHz to 18 GHz frequency range, and can be applied to the X- and Ku- band. The modeling method for the FSS and the proposed absorbers was physically validated through experimental setups and instrumentation, especially developed for these structures. The prototype of the fabricated absorbers are extremely thin and were characterized by using free space and anechoic chamber measurement setups. The designed structures showed excellent performance for measurements ranges, with reflectivity typically below -10 dB over the entire band. The methodology developed in this research can be extended to different frequency bands, bandwidth and applicationsDoutoradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaDoutor em Engenharia Elétrica[s.n.]Kretly, Luiz Carlos, 1950-Barbin, Silvio ErnestoCesar, Amilcar CareliBarreto, GilmarTatsch, Peter JürgenUniversidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASSilva, Maurício Weber Benjó da, 1980-20142014-06-05T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf123 p. : il.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1622529SILVA, Maurício Weber Benjó da. Superfícies seletivas em frequência - FSS: concepção e projeto de absorvedores planares de micro-ondas para aplicação em WLAN, WIMAX e radar . 2014. 123 p. Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1622529. 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