Design and fabrication of helical antennas with non-uniform cross-section wire via metal additive manufacturing
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Data
0024-03-22
Autores
Orientador
Penchel, Rafael Abrantes 
Coorientador
Santos, Denilson Paulo Souza dos
Pós-graduação
Engenharia Elétrica - FESJBV/ICTS 33004170002P2
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Dissertação de mestrado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (inglês)
This dissertation presents a study on helical antennas, introducing a new mathematical
formulation for representing the helix, in which the diameter, spacing, and cross-section of
the metal wire are non-uniform. It is demonstrated how these modifications, combined
with optimization techniques, can be used to improve the electromagnetic performance
of designed antennas. Precisely defining the transition region between the helix and the
central feeding point, a thicker wire was strategically employed at the base to enhance
both the antenna’s operational bandwidth and mechanical strength, eliminating the need
for additional support structures. The wire diameter was linearly reduced towards the top
of the helix to improve radiation characteristics. To address the manufacturing challenges
presented by the complex geometries of non-uniform helical antennas, the additive metal
manufacturing process was employed. Maraging steel was chosen for its ability to withstand
severe environmental conditions and temperature fluctuations without experiencing significant deformations, distinguishing it from polymer alternatives. The proposed formulation
was explored using three models tailored for the X-band (8 GHz to 12 GHz): Model I) A
standard helical antenna featuring uniform diameter and helix spacing; Model II) a helical
antenna with non-uniform diameter and helix spacing; and Model III) a helical antenna
with non-uniform diameter, cross-section, and helix spacing. The findings illustrate that
the helical antenna utilizing a tapered cross-section wire (thicker at the base and thinner
at the tip) exhibits significantly superior performance compared to the control models.
Specifically, we present an eight-turn helical antenna that attained a measured reflection
coefficient below −10dB and an axial ratio of less than 1dB across the X-band, with a
peak realized gain in right-hand circular polarization (RHCP) of 10.8dBic.
Resumo (português)
Esta dissertação apresenta um estudo sobre antenas helicoidais, introduzindo uma nova
formulação matemática para a representação da hélice, no qual o diâmetro, espaçamento e
seção transversal do fio metálico não são uniformes. É demonstrado como essas modificações,
combinadas à técnicas de otimização, pode ser utilizadas para melhorar o desempenho
eletromagnético das antenas projetadas. Definindo de forma precisa a região de transição
entre a hélice e o ponto de alimentação central, um fio mais grosso foi estrategicamente
empregado na base para aprimorar tanto a largura de banda operacional da antena
quanto a resistência mecânica, eliminando a necessidade de estruturas de suporte adicionais. O diâmetro do fio foi linearmente reduzido até o topo da hélice para melhorar
as características de radiação. Para lidar com os desafios de fabricação apresentados
pelas geometrias complexas das antenas helicoidais não uniformes foi utilizado o processo
de manufatura aditiva de metais. Foi escolhido aço Maraging por apresentar a suporte
condições ambientais severas e flutuações de temperatura sem experimentar deformações
significativas, distinguindo-a das alternativas de polímeros. A formulação proposta foi
explorada usando três modelos projetados para a banda X (8 GHz a 12 GHz): Modelo I)
Uma antena helicoidal padrão apresentando diâmetro e espaçamento das hélices uniformes;
Modelo II) uma antena helicoidal com diâmetro e espaçamento das hélices não uniformes;
e Modelo III) uma antena helicoidal com diâmetro, seção transversal e espaçamento das
hélices não uniformes. Os resultados mostram que a antena helicoidal utilizando um fio de
seção transversal cônica (mais grosso na base e mais fino na ponta) exibe desempenho
significativamente superior em comparação com os modelos de controle. Especificamente,
apresentamos uma antena helicoidal de oito voltas que alcançou um coeficiente de reflexão medido abaixo de −10 dB e uma razão axial de menos de 1 dB em toda a banda
X, com um ganho máximo realizado em polarização circular à direita (RHCP) de 10.8 dBic.
Descrição
Palavras-chave
Idioma
Inglês
Como citar
MARTINS, N. F. Design and fabrication of helical antennas with non-uniform cross-section wire via metal additive manufacturing. 2024. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) — Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho", São João da Boa Vista, 2024.