Caracterização banda larga de antenas impressas sobre substratos com pequenas perdas: uma abordagem via FDTD/WP-PML e expansão em multipolos esféricos no domínio do tempo

• Main Author: Glaucio Lopes Ramos
• Other Authors: Cassio Goncalves do Rego
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de Minas Gerais 2013
• Online Access: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-9GMH5R

=== In this work the characterization of wide-band printed antennas with lossy substrates is introduced by means of an approach based on time-domain computacional electromagnetics methods, namely, the finite-difference time-domain method with well-posed perfectly matched layers (FDTD/WP-PML) and a recently developed time-domain sphericalmultipole expansion. The application of the FDTD/WP-PML to printed antennas typical geometries allows the determination of their electrical properties as circuit elements: the return loss and input impedance. The equivalence principle is applied to the tangencial fields all over the FDTD/WP-PML spatial grid and the use of the spherical-multipole expansion leads to a near-to-far-field transformation, and energy and power norms of temporal signals are used to obtain the antenna radiation patterns for transient and steady-state responses. Time-domain computational electromagnetics methods have been chosen in this work because of the state of the art in printed antennas characterization intended to their application in modern digital multi-band communication systems, multiple-input multiple-output (MIMO) and ultrawide band systems (UWB). The main advantage of time domain multipole approach is that the radiated fields can be obtained for an antenna excited by any sources with pulsed temporal behavior and thus it allows the characterization of its radiation pattern in time and frequency domains. Such approach is very useful on performing an unified characterization of UWB antennas. Results are obtained for the return loss of MIMO multi-band and UWB antennas, as well as for the radiation pattern of an UWB antenna, and compared to those determined from standard methods available in the scientific literature in order to show the applicability of the methodology that has been developed herein. === O objetivo deste trabalho é a implementação de uma metodologia que permita a caracterização completa de antenas impressas sobre substratos de pequenas perdas em faixas de frequência arbitrariamente largas. Para isso foi desenvolvida uma abordagem baseada em métodos em eletromagnetismo computacional no domínio do tempo, a saber, diferenças finitas no domínio do tempo com camadas perfeitamente casadas bem posicionadas (FDTD/WP-PML) e uma expansão em multipolos esféricos desenvolvida recentemente. A aplicação criteriosa do FDTD/WP-PML sobre geometrias típicas de antenas impressas permite a determinação acurada de suas propriedades elétricas como elementos de circuito: perda de retorno e impedância de entrada. O princípio da equivalência é empregado de maneira a usar os campos tangenciais sobre a grade espacial do FDTD/WP-PML em conjunto com a expansão em multipolos esféricos para se obter uma transformação de campos próximos em campos distantes, de forma que normas de sinais temporais de potência e energia podem ser aplicadas para o cálculo de diagramas de radiação, tanto em regime transiente quanto em regime permanente. Métodos computacionais no domínio do tempo foram escolhidos na metodologia aqui desenvolvida por permitirem uma caracterização de antenas aplicadas a modernos sistemas de comunicação digitais multi-banda e de faixa ultra-larga (UWB). A principal vantagem das técnicas no domínio do tempo baseadas nos multipolos esféricos é que estas técnicas permitem a obtenção do diagrama de radiação das antenas no domínio do tempo e no domínio da frequência, sendo, portanto, muito útil na caracterização unificada de antenas UWB no domínio do tempo e da frequência. Resultados são apresentados para a perda de retorno de antenas multi-banda típicas e de antena UWB, bem como para diagramas de radiação de uma antena UWB, atestando a aplicabilidade da metodologia aqui apresentada.