Coastal and Port State Jurisdiction

Como o objetivo de se utilizar o FDTD ´e extrair a resposta impulsional da antena, ´e necess´ario excitar a mesma com um pulso estreito j´a que o impulso (delta de Dirac) n˜ao ´e implement´avel (violaria a resolu¸c˜ao m´ınima da malha devido `as frequˆencias muito altas). O pulso Gaussiano estreito e a derivada do pulso Gaussiano estreito podem ser utilizados neste caso, como descrito em (2.75) e (2.77) com β = 32 [3], o que garantir´a que, para um dado passo de tempo, a m´axima frequˆencia presente no pulso n˜ao ir´a provocar dispers˜ao significativa.

Inicialmente a representa¸c˜ao do dipolo de meia onda ser´a realizada e a an´alise ser´a posteriormente estendida para outras frequˆencias de interesse a fim de verificar o compor- tamento da resposta atrav´es desta representa¸c˜ao em diferentes casos.

Defini¸c˜ao de Parˆametros

Inicialmente ´e necess´ario dimensionar as c´elulas e o passo de tempo no FDTD. ´E importante realizar o dimensionamento corretamente, pois a precis˜ao dos resultados ´e influenciada pela dispers˜ao num´erica, como visto na Se¸c˜ao 2.3.2. A frequˆencia de opera¸c˜ao do dipolo de meia onda ´e

f0 = c λ0 = c 2h = 3 × 108_m/s 2 × 0, 14 m = 1, 07 GHz. (4.1)

A frequˆencia m´axima de opera¸c˜ao ´e escolhida em rela¸c˜ao `a frequˆencia de opera¸c˜ao do di- polo. A escolha da frequˆencia m´axima como fmax= 2f0 ´e a aproxima¸c˜ao utilizada em [3] que produz bons resultados. Na realidade, frequˆencias superiores a estas existem, por´em a dispers˜ao causada ´e usualmente desprez´ıvel se a antena ´e dividida em um n´umero apro- priado de segmentos. Sabendo que Nλ = λmin/∆ para que a dispers˜ao seja minimizada e que fmaxλmin = c, ent˜ao ´e poss´ıvel escrever

Nλ = λmin ∆ ⇒ Nλ = c fmax∆ ⇒ ∆ = c Nλfmax. (4.2)

Invertendo os termos e multiplicando ambos por h que ´e o tamanho do dipolo tem-se: h

∆ =

hNλfmax

c . (4.3)

O termo h/∆ pode ser entendido como o n´umero de segmentos no qual a antena ´e di- vidida, Nseg _{∈ N. Assim, o n´umero de segmentos no qual a antena deve ser dividida} pode ser determinado de acordo com a frequˆencia m´axima que ´e inserida no ambiente computacional do FDTD, ou seja,

Nseg = IN T(hfmax

c Nλ

)

Considerando ent˜ao f0 = 1, 07 GHz e fmax = 2f0, ent˜ao fmax = 2, 14 GHz e assim Nseg = Nλ. Como discutido na Se¸c˜ao 2.3.2, baixos n´ıveis de dispers˜ao podem ser ob- tidos utilizando Nλ na faixa entre 10 e 20. Desta forma, ao utilizar Nλ = 10, tem-se que Nseg = 10. Como o dipolo ´e excitado atrav´es de uma fonte colocada no gap que se encontra no centro do mesmo, e o dipolo ´e sim´etrico, ent˜ao o n´umero de segmentos ´ımpar ´e apropriado, uma vez que o segmento exatamente no centro, ´e onde o gap ´e definido. Desta forma, para a antena em quest˜ao, o uso de Nseg= 11 ´e uma escolha apropriada.

Definindo as c´elulas do FDTD como c´ubicas e o n´umero dos segmentos que comp˜oem a antena esteja definido, o tamanho da c´elula na malha FDTD pode ser diretamente determinado. Assim a c´elula c´ubica de dimens˜ao ∆ ´e determinada como

∆ = h

Nseg =

0, 14 m

11 = 1, 2727 cm. (4.5)

O passo de tempo ´e determinado atrav´es da condi¸c˜ao de estabilidade de Courant, estabe- lecido na Se¸c˜ao 2.70, ou seja,

∆t = _√∆ 3c = 0, 012727 √ 3 · 3 × 108 = 2, 45 × 10 −11_{s. (4.6)}

Ap´os a defini¸c˜ao destes parˆametros, resta ainda definir o tamanho do espa¸co compu- tacional, ou seja, o n´umero de c´elulas que cada coordenada espacial ter´a. O espa¸co c´ubico foi definido como duas vezes o tamanho m´aximo da antena. Isso ´e suficiente j´a que o dipolo tem um m´ınimo de radia¸c˜ao na dire¸c˜ao do eixo em que est´a alinhado. As condi¸c˜oes de Mur s˜ao utilizadas como camada absorvente.

´

E importante salientar que, como o diˆametro da antena (2a = 0, 18667 cm) ´e muito menor do que a c´elula (∆ = 1, 2727 cm), a t´ecnica do fio fino ´e a melhor op¸c˜ao como descrito na Se¸c˜ao 2.3.3.

Excita¸c˜ao

Com todos os parˆametros definidos, o pulso Gaussiano estreito pode ser representado de acordo com a Equa¸c˜ao (2.75). As Figuras 4.1 e 4.2 s˜ao as representa¸c˜oes gr´aficas

obtidas atrav´es do c´odigo escrito para implementa¸c˜ao do FDTD. 0 1 2 3 4 5 6 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Pulso Gaussiano Estreito − Domínio do Tempo

Tempo (ns)

Amplitude (V)

Figura 4.1: Pulso gaussiano estreito com ∆t = 2, 45 × 10−11_s.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0

Pulso Gaussiano Estreito − Domínio da Freqüência

Freqüência (GHz)

Amplitude (dB)

Figura 4.2: Resposta em frequˆencia do pulso Gaussiano estreito com ∆t = 2, 45 × 10−11_s.

´e de aproximadamente −10 dB. As frequˆencias maiores do que fmax introduzir˜ao no ambiente de simula¸c˜ao um erro, que ´e a dispers˜ao num´erica. Tendo em vista que estas frequˆencias, causadoras desta dispers˜ao, tˆem amplitude pequena, usualmente elas s˜ao desprezadas sem que haja preju´ızo nos resultados. Se esta dispers˜ao n˜ao ´e suficientemente pequena para o problema, ou seja, se o n´ıvel de erro de dispers˜ao requerido ´e menor, uma solu¸c˜ao ´e aumentar a frequˆencia m´axima de an´alise. Por exemplo, se a frequˆencia m´axima requerida ´e dobrada em rela¸c˜ao `a anterior (para que algumas frequˆencias que antes causavam dispers˜ao indesejada n˜ao mais estejam fora da faixa garantida por Nλ), ent˜ao, de acordo com a Equa¸c˜ao (4.4) e considerando um n´umero ´ımpar de segmentos (ou c´elulas), tem-se que o n´umero de segmentos em que a antena ser´a dividida ´e aproximadamente o dobro do anterior, ou seja, Nseg = 21. Realizando esta simula¸c˜ao, obtemos as Figuras 4.3 e 4.4, nas quais ´e not´orio que o pulso ficou mais estreito j´a que a altera¸c˜ao de Nseg altera o tamanho das c´elulas ∆ de acordo com a Equa¸c˜ao (4.5) e, consequentemente, o passo de tempo ∆t de acordo com a Equa¸c˜ao (4.6).

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Pulso Gaussiano Estreito − Domínio do Tempo

Tempo (ns)

Amplitude (V)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0

Pulso Gaussiano Estreito − Domínio da Freqüência

Freqüência (GHz)

Amplitude (dB)

Figura 4.4: Resposta em frequˆencia do pulso Gaussiano estreito com ∆t = 1, 28 × 10−11_s.

A Figura 4.4 mostra que em fmax = 4, 28 GHz, a queda na amplitude ´e de aproxima- damente −10 dB. Assim, a presen¸ca de conte´udo espectral nas frequˆencias elevadas no ambiente computacional, sem a presen¸ca de dispers˜ao, requer, em contrapartida, maior n´umero de c´elulas, o que acarreta um aumento do custo computacional e do tempo de simula¸c˜ao.

H´a ainda uma alternativa, caso se queira menor dispers˜ao para um dado n´umero de segmentos. Para reduzir a dispers˜ao sem aumentar o n´umero de segmentos, ´e poss´ıvel definir o pulso com uma dura¸c˜ao arbitr´aria, mas mantendo o n´umero de segmentos da antena. Desta forma, a dura¸c˜ao do pulso seria independente da segmenta¸c˜ao da antena. Se uma antena ´e modelada com um grande n´umero de segmentos, de acordo com a Equa¸c˜ao (2.75) este pulso ser´a muito estreito e, consequentemente, ter´a altas frequˆencias, o que acarretar´a em dispers˜ao num´erica. Portanto, impondo um pulso menos estreito mas com frequˆencias com amplitude significativas na banda da antena, evita-se em certo n´ıvel, a dispers˜ao. Tal abordagem por´em se faz de forma manual e emp´ırica.

Caso seja necess´ario que baixas frequˆencias n˜ao sejam introduzidas no ambiente com- putacional, a derivada do pulso Gaussiano deve ser utilizada como excita¸c˜ao. A Figura 4.5 mostra a forma da derivada do pulso Gassiano usando os parˆametros fmax = 2, 14 GHz, Nseg = 11 e Nλ = 10. Observa-se que seu valor m´edio ´e nulo, o que indica que n˜ao h´a componente cont´ınua no sinal.

A Figura 4.6 ´e a resposta em frequˆencia da derivada do pulso Gaussiano. Observa-se que na frequˆencia zero n˜ao h´a resposta o que indica que a componente cont´ınua ´e nula. Al´em disso, ´e poss´ıvel observar que as componentes em baixa frequˆencia tem pequena amplitude dentro da faixa definida pela frequˆencia m´axima.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 −0.8 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

Derivada do Pulso Gaussiano Estreito − Domínio do Tempo

Tempo (ns)

Amplitude (V)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0

Derivada do Pulso Gaussiano Estreito − Domínio da Freqüência

Freqüência (GHz)

Amplitude (dB)

Figura 4.6: Derivada do pulso Gaussiano estreito com ∆t = 2, 45 × 10−11_s.