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Title: Otimização de estruturas DGS e PBG em antenas de microfita retangular usando algoritmo genético
Authors: Sena, Francisco das Chagas Barbosa de
Keywords: Antena de microfita;Otimização;Algoritmo genético;DGS e PBG
Issue Date: 13-Apr-2018
Citation: SENA, Francisco das Chagas Barbosa de. Otimização de estruturas DGS e PBG em antenas de microfita retangular usando algoritmo genético. 2018. 134f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e de Computação) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2018.
Portuguese Abstract: As antenas de microfita têm atraído a atenção de pesquisadores no mundo inteiro por possuírem características interessantes a diversas aplicações. Contudo, desvantagens como baixo ganho, estreita largura de banda e baixa eficiência de radiação podem limitar o seu uso em um determinado sistema. Além disso, esse tipo de antena pode excitar modos de ordem superior em adição ao fundamental. Essa característica é particularmente importante para sistemas que possuem múltiplas frequências de operação, nos demais casos, faz-se necessário o uso de filtros para eliminar os modos indesejados. Alternativamente, pode-se adicionar arranjos de defeitos ao plano de terra ou ao substrato da antena para cumprir esse mesmo objetivo, sendo tais estruturas denominadas de Defected Ground Structure (DGS) e Photonic Band Gap (PBG), respectivamente. Entretanto, o desenvolvimento de projetos eficientes envolvendo esses tipos de estruturas apresenta grande dependência da correta especificação dos parâmetros físicos do arranjo utilizado. Nesse contexto, objetivando eliminar e/ou atenuar os modos de ordem superior, sem afetar significativamente o desempenho da antena em operação para o modo fundamental, o presente trabalho estudou a aplicação de um Algoritmo Genético (AG) no desenvolvimento de novos modelos de estruturas DGS e PBG. Os modelos propostos são constituídos de furos circulares, preenchidos com ar, nos padrões hexagonal e retangular, para a configuração periódica, e com padrão micro estruturado, para a configuração quase periódica. O AG proposto foi responsável por especificar os seguintes parâmetros dos arranjos analisados: diâmetro dos furos, distância de separação entre os mesmo e o posicionamento do arranjo ao longo do comprimento da antena. Todas as antenas analisadas foram construídas manualmente, através do uso de uma fresadora e/ou corrosão por percloreto de ferro. Com base nos resultados simulados e medidos, verificou-se que o AG proposto foi capaz de otimizar as estruturas estudadas de maneira a preservar o modo fundamental, ao passo que os de ordem superior foram eliminados e/ou consideravelmente atenuados. Verificou-se que para o mesmo tipo de arranjo, as antenas com DGS apresentaram melhor desempenho em relação às com PBG, considerando o coeficiente de reflexão do modo fundamental. Além disso, as estruturas otimizadas não provocaram variações significativas no valor do ganho total ou na forma do diagrama de radiação e, no caso dos DGS, exibiram características importantes para miniaturização das antenas. Os resultados obtidos são particularmente importantes, partindo do pressuposto de que as estruturas otimizadas podem ser utilizadas para eliminar modos indesejados em aplicações com antenas de microfita passivas ou ativas, que operam também como ressoadores.
Abstract: Microstrip antennas have attracted the attention of researchers worldwide because of their interesting features for various applications. However, disadvantages such as low gain, narrow bandwidth and low radiation efficiency can limit its use in a given system. Besides, this type of antenna can excite higher order modes in addition to the fundamental. This feature is particularly important for systems with multiple operating frequencies, in other cases, it is necessary to use filters to eliminate the unwanted modes. Alternatively, arrangement of defects can be added to the antenna‟s ground plane or substrate to achieve the same aim, such structures are called Defected Ground Structure (DGS) and Photonic Band Gap (PBG), respectively. However, the development of really efficient projects involving these types of structures presents great dependence on the correct specification of the physical parameters of the used arrangement. In this context, aiming at eliminating and/or attenuating higher order modes, without significantly affecting the performance of the antenna to the fundamental mode, the present work studied the application of a Genetic Algorithm (GA) in the development of new models of DGS and PBG structures. The proposed models consist of circular holes, filled with air, in the hexagonal and rectangular patterns, for the periodic configuration, and with micro structured pattern, for the quasi periodic configuration. The proposed AG was responsible for specifying the following parameters of the analysed arrangements: diameters of the holes, distance among them and the location of the arrangement along the length of the antenna. All the analysed antennas were constructed manually, by using a milling machine and/or corrosion by iron perchloride. Based on the simulated and measured results, was verified that the proposed GA was able to optimize the studied structures in order to preserve the fundamental mode, while the higher ones were eliminated and/or considerably attenuated. It was verified that for the same type of arrangement, the antennas with DGS presented better performance in relation to those with PBG, considering the reflection coefficient of the fundamental mode. In addition, the optimized structures did not cause significant changes in the total gain value or in the shape of the radiation pattern and, in the case of the DGS, exhibited important characteristics for miniaturization of the antennas. The obtained results are particularly important, assuming that the optimized structures can be used to eliminate unwanted modes in applications with passive or active microstrip antennas, which also operates as resonators.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/25608
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