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Tipo: Tese
Título: Material and geometry effects of dielectric and conductive resonators on rectangular patch antennas
Autor(es): Fonseca, Cláudia de Magalhães Santos
Primeiro Orientador: Ribeiro, Moisés Vidal
Co-orientador: Díaz, Benigno Rodríguez
Co-orientador: Schroeder, Marco Aurélio de Oliveira
Membro da banca: Ramos, Glaucio Lopes
Membro da banca: Vitor, Ulysses Roberto Chaves
Membro da banca: Nóbrega, Rafael Antunes
Membro da banca: Camponogara, Ândrei
Resumo: A crescente demanda por sistemas de antenas compactos, leves e de alto desempenho tem sido impulsionada por aplicações como a Internet das Coisas (IoT), dispositivos wearable, redes de sensores sem fio e sistemas de comunicação 5G/6G. Dentre as estruturas radiantes disponíveis, as antenas de microfita são amplamente empregadas devido ao seu perfil reduzido e à facilidade de fabricação; entretanto, sua frequência de ressonância está intrinsecamente atrelada às dimensões físicas, o que impõe desafios significativos à miniaturização. Nesse contexto, materiais alternativos e técnicas de carregamento eletromagnético baseadas em ressonadores dielétricos e condutivos tornam-se essenciais para superar essa limitação sem um aumento proporcional no tamanho da antena. Esta tese investiga numericamente a integração de ressonadores dielétricos e condutivos em antenas de microfita retangulares. Como contribuição complementar, uma antena de microfita retangular sem carregamento é projetada, fabricada e caracterizada experimentalmente, de forma independente, para validar os modelos eletromagnéticos empregados. Primeiramente, é apresentado um estudo comparativo abrangente, avaliando quinze geometrias de ressonadores preenchidos com água destilada (distilled water, DW), glicerina e grafite sob as mesmas condições de antena de referência, substrato e simulação, demonstrando que o desempenho da antena depende da influência combinada do material e da geometria do ressonador, e não de apenas um desses fatores isoladamente. Com base nos resultados obtidos, um ressonador em formato de meio-toro é investigado como elemento de carregamento para miniaturização da antena, abordando a redução da frequência de ressonância ao mesmo tempo em que se preserva a área física original da antena. Por fim, como estudo complementar, uma antena de microfita retangular sem carregamento por ressonador é projetada, fabricada e caracterizada experimentalmente em um substrato distinto, permitindo avaliar a concordância entre os resultados simulados e medidos, bem como investigar a influência da caracterização do substrato na precisão dos modelos eletromagnéticos empregados. Os resultados obtidos indicam que combinações adequadas de material e geometria do ressonador constituem um meio eficaz de aprimorar o desempenho da antena de microfita e possibilitar sua miniaturização, ao passo que a caracterização experimental da antena sem carregamento evidencia a importância de uma modelagem precisa do substrato para melhorar a concordância entre simulação e medição.
Abstract: The growing demand for compact, lightweight, and high-performance antenna systems has been driven by applications such as the Internet of Things (IoT), wearable electronics, wireless sensor networks, and 5G/6G communication systems. Among the available radiating structures, microstrip patch antennas are widely employed due to their low profile and ease of fabrication; however, their resonant frequency is intrinsically tied to physical dimensions, imposing significant challenges to further miniaturization. In this context, alternative materials and electromagnetic loading techniques based on dielectric and conductive resonators become essential to overcome this limitation without a proportional increase in antenna size. This dissertation numerically investigates the integration of dielectric and conductive resonators into rectangular patch antennas. As a complementary contribution, an unloaded rectangular patch antenna is separately designed, fabricated, and experimentally characterized to validate the electromagnetic models employed. First, a comprehensive comparative study is presented, evaluating fifteen resonator geometries filled with distilled water (DW), glycerin, and graphite under the same reference antenna, substrate, and simulation conditions, showing that antenna performance depends on the combined influence of resonator material and geometry rather than on either factor alone. Based on the insights gained, a dedicated half-torus resonator is subsequently investigated as a loading element for antenna miniaturization, addressing resonant-frequency reduction while preserving the antenna’s original physical footprint. Finally, as a complementary study, a rectangular patch antenna without resonator loading is designed, fabricated, and experimentally characterized on a distinct substrate, allowing the agreement between simulated and measured results to be assessed and the influence of substrate characterization on the accuracy of the employed electromagnetic models to be investigated. The obtained results indicate that suitable combinations of resonator material and geometry provide an effective means of enhancing patch antenna performance and enabling miniaturization, while the experimental characterization of the unloaded antenna highlights the importance of accurate substrate modeling for improving agreement between simulation and measurement.
Palavras-chave: Água destilada
Antena patch
Geometrias de ressonadores
Glicerina
Grafite
Ressonador
Distilled water
Geometric shapes
Glycerin
Graphite
Patch antenna
Resonator
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Idioma: eng
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Sigla da Instituição: UFJF
Departamento: Faculdade de Engenharia
Programa: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Tipo de Acesso: Acesso Embargado
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Licenças Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/21561
Data do documento: 24-Set-2026
Aparece nas coleções:Doutorado em Engenharia Elétrica (Teses)



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