Αναδιαρθρωσιμότητα Κεραιών με Χρήση Μαγνητο-Διηλεκτρικών Υλικών: Μοντελοποίηση, Σχεδίαση και Αξιολόγηση

Abstract

Η αλματώδης ανάπτυξη των ασύρματων επικοινωνιών αύξησε σημαντικά την ανάγκη για χαμηλού προφίλ, αποδοτικές, συμπαγείς κεραίες οι οποίες μπορούν να προσαρμόζουν τα χαρακτηριστικά τους ανάλογα με το περιβάλλον διάδοσης ή τις ειδικές απαιτήσεις του συστήματος. Το γεγονός αυτό, ώθησε τους μηχανικούς κεραιών να χρησιμοποιήσουν καινοτόμα υλικά, αντί των συμβατικών διηλεκτρικών υλικών, στη σχεδίαση των κεραιών. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή εστιάζει στη μοντελοποίηση, στη σχεδίαση και στην αξιολόγηση αναδιαρθρώσιμων κεραιών μικροταινιακού καλύμματος με τη χρήση ανισοτροπικών μαγνητο-διηλεκτρικών υλικών των οποίων η μαγνητική διαπερατότητα μεταβάλλεται υπό την επίδραση ενός εξωτερικού στατικού μαγνητικού πεδίου του οποίου η ένταση μπορεί να μεταβάλλεται κατά βούληση, ανάλογα με την κατάσταση στην οποία επιδιώκεται να οδηγηθεί η λειτουργία της κεραίας. Η ενσωμάτωση των υλικών αυτών στη δομή της κεραίας προσφέρει τη δυνατότητα μεταβολής των χαρακτηριστικών εμπέδησης και ακτινοβολίας της με εύκολο και ελεγχόμενο τρόπο, διατηρώντας ταυτόχρονα την πολυπλοκότητα σχεδίασης και το κόστος υλοποίησης σε χαμηλά επίπεδα. Αρχικά, δίνεται έμφαση στη μοντελοποίηση της μαγνητικής διαπερατότητας του μαγνητο-διηλεκτρικού υλικού. Το μαγνητικό πεδίο πόλωσης μπορεί να θεωρηθεί ως ένας “μηχανισμός μεταγωγής” που επιτρέπει τη μετάβαση του υλικού μεταξύ δύο καταστάσεων, την αμαγνήτιστη (απουσία μαγνητικού πεδίου) και την πλήρως μαγνητισμένη, και συνεπώς τη λειτουργία της κεραίας σε δύο διακριτές καταστάσεις. Προσδιορίζονται οι κρίσιμες παράμετροι που επηρεάζουν την ακρίβεια των αριθμητικών αποτελεσμάτων στις δύο καταστάσεις λειτουργίας και προτείνεται κατάλληλη μεθοδολογία για τη σχεδίαση και την ηλεκτρομαγνητική προσομοίωση αναδιαρθρώσιμων κεραιών με μαγνητο-διηλεκτρικά υλικά. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η σχεδίαση, η προσομοίωση και η κατασκευή μιας κεραίας μικροταινιακού καλύμματος με τροφοδοσία σύζευξης μέσω γειτνίασης και ενσωματωμένο δείγμα μαγνητο-διηλεκτρικού υλικού στο ανώτερο υπόστρωμά της. Αποδεικνύεται ότι η μετάβαση από την αμαγνήτιστη στην πλήρως μαγνητισμένη κατάσταση, οδηγεί στη δημιουργία δύο ζωνών συχνοτήτων λειτουργίας καθώς και στη μεταβολή της πόλωσης της κεραίας. Επιπλέον, παρουσιάζεται μια συγκριτική μελέτη μεταξύ των αριθμητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων με στόχο την επαλήθευση της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μια τεχνική καταπίεσης της αμοιβαίας σύζευξης η οποία αξιοποιεί τη χρήση μαγνητο-διηλεκτρικών υλικών. Παρουσιάζεται η σχεδίαση ενός συστήματος αποτελούμενο από δύο κεραιοστοιχεία μικροταινιακού καλύμματος με δυο κυλινδρικά δοκίμια μαγνητο-διηλεκτρικού υλικού ενσωματωμένα στο υπόστρωμα και μελετάται η μείωση της αμοιβαίας σύζευξης μεταξύ των στοιχείων για τις διάφορες καταστάσεις μαγνήτισης των δύο μαγνητο-διηλεκτρικών δοκιμίων. Η βασική ιδέα της προτεινόμενης τεχνικής είναι να αξιοποιηθεί η αναδιαρθρωσιμότητα πόλωσης που παρουσιάζει το κάθε κεραιοστοιχείο υπό την παρουσία στατικού μαγνητικού πεδίου. Αποδεικνύεται ότι η επιτεύξιμη μείωση της αμοιβαίας σύζευξης καθορίζεται από την κατάσταση μαγνήτισης των δοκιμίων και την πολικότητα του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. Με στόχο να ξεπεραστούν οι κατασκευαστικές δυσκολίες που προκύπτουν όταν μέρος του συμβατικού διηλεκτρικού υποστρώματος αντικαθίσταται από δείγμα μαγνητο-διηλεκτρικού υλικού σε συμπαγή μορφή, μελετάται η σχεδίαση και η ανάπτυξη κεραιών μικροταινιακού καλύμματος πάνω σε υπόστρωμα αποτελούμενο από σωματίδια μαγνητο-διηλεκτρικού υλικού τα οποία βρίσκονται ομοιογενώς διεσπαρμένα σε μη μαγνητική πολυμερική μήτρα. Εξετάζεται η δυνατότητα μεταβολής της συχνότητας συντονισμού και της πόλωσής τους υπό την επίδραση μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου. Επίσης, διερευνάται η επίδραση των διηλεκτρικών και των μαγνητικών ιδιοτήτων του υλικού του υποστρώματος στην απόδοση ακτινοβολίας της κεραίας και παρουσιάζεται η μελέτη εφικτότητας παρασκευής ενός σύνθετου υλικού πολυμερικής μήτρας-φερρίτη με βελτιωμένες ιδιότητες. Τέλος, χρησιμοποιώντας το μοντέλο κοιλότητας, αναλύεται η λειτουργία μιας κεραίας μικροταινιακού καλύμματος σε υπόστρωμα πολυμερικής μήτρας-μαγνητοδιηλεκτρικού υλικού στην πλήρως μαγνητισμένη κατάσταση. Η Διατριβή ολοκληρώνεται με τη σύνοψη των αξιολογήσεων των επιδόσεων των δύο διαφορετικών κατηγοριών αναδιαρθρώσιμων κεραιών που σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν στα πλαίσια της διδακτορικής έρευνας. Η αξιολόγηση των επιδόσεών τους πραγματοποιείται μέσω μετρήσεων της προσαρμογής εισόδου και του εύρους ζώνης συχνοτήτων λειτουργίας, της πόλωσης, των διαγραμμάτων ακτινοβολίας και της απόδοσης ακτινοβολίας των προτεινόμενων κεραιών στις δύο καταστάσεις λειτουργίας τους.