Βελτιστοποίηση μη περιοδικών οπτικών στοιχειοκεραιών

Abstract

Η εργασία αυτή αφορά τη βελτιστοποίηση στοιχειοκεραιών που λειτουργούν στο οπτικό φάσμα και συγκεκριμένα στο εγγύς υπέρυθρο. Οι οπτικές στοιχειοκεραίες (optical phased arrays) αποτελούν μια ιδιαίτερα ελκυστική τεχνολογία σε εφαρμογές οπτικών τηλεπικοινωνιών (optical wireless communications), τηλεπισκόπησης (LiDAR) ή βιοϊατρικής απεικόνισης, όπου απαιτείται γρήγορη σάρωση μιας οπτικής δέσμης, καθώς επιτρέπουν τη στροφή της με ηλεκτρονικό τρόπο, χωρίς τη χρήση μηχανικών μερών. Μια από τις σημαντικότερες προκλήσεις στις οπτικές στοιχειοκεραίες είναι η τοποθέτηση των στοιχείων σε κοντινές ηλεκτρικές αποστάσεις, προκειμένου να επιτυγχάνονται επιθυμητά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας. Συγκεκριμένα, όταν τα στοιχεία τοποθετούνται σε αποστάσεις μεγαλύτερες του μισού μήκους κύματος λειτουργίας, σχηματίζονται ανεπιθύμητοι λοβοί στο διάγραμμα ακτινοβολίας, οι οποίοι αποτελούν αντίγραφα του κεντρικού λοβού. Στην παρούσα εργασία επικεντρωνόμαστε στην τεχνική καταπίεσης των λοβών αυτών, η οποία βασίζεται στη μη ομοιόμορφη τοποθέτηση των ακτινοβολητών και στη μελέτη στοχαστικών αλγορίθμων για τη βελτιστοποίηση αυτών των διατάξεων. Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται μια εισαγωγή στο πλαίσιο της εργασίας και στο Κεφάλαιο 2 γίνεται αναφορά στη θεωρία των κεραιών. Το Κεφάλαιο 3 επικεντρώνεται στη θεωρία των οπτικών στοιχειοκεραιών, με στόχο τη δημιουργία του απαραίτητου θεωρητικού υποβάθρου για την κατανόηση των βασικών εννοιών που χαρακτηρίζουν μια οπτική στοιχειοκεραία και της μεταξύ τους συσχέτισης. Το Κεφάλαιο 4 ασχολείται με τη θεωρία των αλγορίθμων βελτιστοποίησης, αναλύοντας τη λειτουργία, τα διαφορετικά γνωρίσματα και τις παραμέτρους των αλγορίθμων που χρησιμοποιήθηκαν. Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η πλατφόρμα προσομοιώσεων που αναπτύχθηκε στο Matlab, μέσω της οποίας υλοποιήθηκε η διαδικασία βελτιστοποίησης. Στο πρώτο μέρος του κεφαλαίου περιγράφεται ο τρόπος αναπαράστασης των στοιχειοκεραιών στον χώρο του προβλήματος και ο υπολογισμός βασικών μεγεθών, όπως ο παράγοντας διάταξης, το διάγραμμα ακτινοβολίας και το ποσοστό καταπίεσης πλευρικών λοβών. Τα μεγέθη αυτά έχουν αναλυθεί θεωρητικά στα προηγούμενα κεφάλαια, ενώ εδώ επεξηγείται η μεθοδολογία υπολογισμού τους στην πλατφόρμα του Matlab. Ακολούθως, παρουσιάζεται η διαδικασία παραμετροποίησης του Γενετικού Αλγορίθμου (Genetic Algorithm) και του Αλγορίθμου Σμήνους Σωματιδίων (Particle Swarm Optimization), με χρήση του Global Optimization Toolbox. Εξετάζουμε δύο αντικειμενικές συναρτήσεις για κάθε αλγόριθμο: το ποσοστό καταπίεσης πλευρικών λοβών στις 20° (Side Lobe Suppression Ratio - SLSR) και το εμβαδόν κάτω από την καμπύλη του SLSR σε όλο το εύρος σάρωσης. Στο δεύτερο μέρος του κεφαλαίου παρατίθενται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και πλήθος διαγραμμάτων που επιτρέπουν την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων. Μελετήσαμε διατάξεις στα 1550 nm και 790 nm με 16, 32 και 64 στοιχεία, ενώ η πλατφόρμα που αναπτύξαμε μπορεί να υποστηρίξει και τη μελέτη κεραιών με περισσότερα στοιχεία. Καταλήγουμε σε συμπεράσματα για την αποτελεσματικότητα της μεθόδου βελτιστοποίησης και την επίδραση των παραμέτρων της μη ομοιόμορφης στοιχειοκεραίας — όπως το πλήθος των στοιχείων και η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των ακτινοβολητών — στα χαρακτηριστικά του διαγράμματος ακτινοβολίας. Τέλος, στο Κεφάλαιο 6 συνοψίζονται τα συμπεράσματα της εργασίας και προτείνονται μελλοντικές προεκτάσεις και βελτιώσεις της μεθοδολογίας που αναπτύχθηκε.