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Título: Análise e síntese de antenas e superfícies seletivas de frequência utilizando computação evolucionária e inteligência de enxames
Autor(es): Lins, Hertz Wilton de Castro
Palavras-chave: Antenas de microfita. Monopolos de microfita. Banda ultralarga. UWB. Superfícies seletivas de frequência. FSS. Inteligência computacional.;Microstrip antennas. Microstrip of monopoles. Ultra-wideband. UWB. Frequency selective surfaces. FSS. Computational intelligence.
Data do documento: 11-Out-2012
Editor: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Citação: LINS, Hertz Wilton de Castro. Análise e síntese de antenas e superfícies seletivas de frequência utilizando computação evolucionária e inteligência de enxames. 2012. 89 f. Tese (Doutorado em Automação e Sistemas; Engenharia de Computação; Telecomunicações) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2012.
Resumo: The frequency selective surfaces, or FSS (Frequency Selective Surfaces), are structures consisting of periodic arrays of conductive elements, called patches, which are usually very thin and they are printed on dielectric layers, or by openings perforated on very thin metallic surfaces, for applications in bands of microwave and millimeter waves. These structures are often used in aircraft, missiles, satellites, radomes, antennae reflector, high gain antennas and microwave ovens, for example. The use of these structures has as main objective filter frequency bands that can be broadcast or rejection, depending on the specificity of the required application. In turn, the modern communication systems such as GSM (Global System for Mobile Communications), RFID (Radio Frequency Identification), Bluetooth, Wi-Fi and WiMAX, whose services are highly demanded by society, have required the development of antennas having, as its main features, and low cost profile, and reduced dimensions and weight. In this context, the microstrip antenna is presented as an excellent choice for communications systems today, because (in addition to meeting the requirements mentioned intrinsically) planar structures are easy to manufacture and integration with other components in microwave circuits. Consequently, the analysis and synthesis of these devices mainly, due to the high possibility of shapes, size and frequency of its elements has been carried out by full-wave models, such as the finite element method, the method of moments and finite difference time domain. However, these methods require an accurate despite great computational effort. In this context, computational intelligence (CI) has been used successfully in the design and optimization of microwave planar structures, as an auxiliary tool and very appropriate, given the complexity of the geometry of the antennas and the FSS considered. The computational intelligence is inspired by natural phenomena such as learning, perception and decision, using techniques such as artificial neural networks, fuzzy logic, fractal geometry and evolutionary computation. This work makes a study of application of computational intelligence using meta-heuristics such as genetic algorithms and swarm intelligence optimization of antennas and frequency selective surfaces. Genetic algorithms are computational search methods based on the theory of natural selection proposed by Darwin and genetics used to solve complex problems, eg, problems where the search space grows with the size of the problem. The particle swarm optimization characteristics including the use of intelligence collectively being applied to optimization problems in many areas of research. The main objective of this work is the use of computational intelligence, the analysis and synthesis of antennas and FSS. We considered the structures of a microstrip planar monopole, ring type, and a cross-dipole FSS. We developed algorithms and optimization results obtained for optimized geometries of antennas and FSS considered. To validate results were designed, constructed and measured several prototypes. The measured results showed excellent agreement with the simulated. Moreover, the results obtained in this study were compared to those simulated using a commercial software has been also observed an excellent agreement. Specifically, the efficiency of techniques used were CI evidenced by simulated and measured, aiming at optimizing the bandwidth of an antenna for wideband operation or UWB (Ultra Wideband), using a genetic algorithm and optimizing the bandwidth, by specifying the length of the air gap between two frequency selective surfaces, using an optimization algorithm particle swarm
metadata.dc.description.resumo: As superfícies seletivas de freqüência, ou FSS (Frequency Selective Surfaces), são estruturas constituídas por arranjos periódicos de elementos condutores, denominados patches, geralmente muito finos e impressos sobre camadas dielétricas, ou de aberturas, perfuradas em superfícies metálicas muito finas, para aplicações nas faixas de microondas e ondas milimétricas. Estas estruturas são frequentemente utilizadas em aeronaves, mísseis, satélites, radomes, antenas de refletor, antenas de alto ganho e fornos de microondas, por exemplo. A utilização destas estruturas tem como objetivo principal filtrar bandas de freqüência, que podem ser de transmissão ou de rejeição, dependendo da especificidade da aplicação desejada. Por sua vez, os sistemas de comunicação modernos, tais como GSM (Global System for Mobile Communications), RFID (Radio Frequency Identification), Bluetooth, Wi-Fi e WiMAX, cujos serviços são altamente demandados pela sociedade, têm requerido o desenvolvimento de antenas que apresentem, como características principais, baixo custo e perfil, além de peso e dimensões reduzidas. Neste contexto, a antena de microfita se apresenta como uma excelente opção para os sistemas de comunicações atuais, pois (além de atenderem intrinsicamente aos requisitos mencionados) são estruturas planares de fácil fabricação e integração com outros componentes de circuitos de microondas. Em consequência, a análise e principalmente a síntese destes dispositivos, em face da grande possibilidade de formas, dimensões e periodicidade de seus elementos, tem sido efetuada através de modelos de onda completa, tais como o método dos elementos finitos, o método dos momentos e o método das diferenças finitas no domínio do tempo. Entretanto, estes métodos apesar de precisos requerem um grande esforço computacional. Neste contexto, a inteligência computacional (IC) tem sido utilizada com sucesso nos projetos e na otimização de estruturas planares de microondas, como uma ferramenta auxiliar e muito adequada, dada a complexidade das geometrias das antenas e das FSS consideradas. A inteligência computacional é inspirada em fenômenos naturais como: aprendizado, percepção e decisão, utilizando técnicas como redes neurais artificiais, lógica fuzzy, geometria fractal e computação evolucionária. Este trabalho realiza um estudo de aplicação de inteligência computacional utilizando metaheurísticas como algoritmos genéticos e inteligência de enxames na otimização de antenas e superfícies seletivas de frequência. Os algoritmos genéticos são métodos computacionais de busca baseados na teoria da seleção natural proposta por Darwin e na genética utilizados para resolver problemas complexos como, por exemplo, problemas em que o espaço de busca cresce com as dimensões do problema. A otimização por enxame de partículas tem como características a utilização da inteligência de forma coletiva sendo aplicada em problemas de otimização em diversas áreas de pesquisa. O objetivo principal deste trabalho consiste na utilização da inteligência computacional, na análise e síntese de antenas e de FSS. Foram consideradas as estruturas de um monopolo planar de microfita, do tipo anel, e de uma FSS de dipolos em cruz. Foram desenvolvidos os algoritmos de otimização e obtidos resultados para as geometrias otimizadas de antenas e FSS consideradas. Para a validação de resultados foram projetados, construídos e medidos vários protótipos. Os resultados medidos apresentaram excelente concordância com os simulados. Além disso, os resultados obtidos neste trabalho foram comparados com os simulados através de um software comercial, tendo sido observada também uma excelente concordância. Especificamente, a eficiência das técnicas de IC utilizadas foram comprovadas através de resultados simulados e medidos, objetivando a otimização da largura de banda de uma antena para operação em banda ultralarga, ou UWB (Ultra Wideband), com a utilização de um algoritmo genético e da otimização da largura de banda, através da especificação do comprimento do gap de ar entre duas superfícies seletivas de frequência, utilizando um algoritmo de otimização por enxame de partículas
URI: http://repositorio.ufrn.br:8080/jspui/handle/123456789/15196
Aparece nas coleções:PPGEE - Doutorado em Engenharia Elétrica e de Computação

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