Σχεδίαση Και Εφαρμογές Ευφυών Στοιχειοκεραιών Μεταγωγής Ενεργών Και Παρασιτικών Στοιχείων Με Χρήση Γενετικών Αλγορίθμων

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη, σχεδίαση και αξιοποίηση σε ποικίλες ασύρματες τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές ευφυών στοιχειοκεραιών μεταγωγής ενεργών και παρασιτικών στοιχείων (Switched Parasitic Arrays, SPAs). Πρόκειται για έναν τύπο ευφυών κεραιών (Smart Antennas), οι οποίες εντάσσονται στην επιμέρους κατηγορία των κεραιών στρεφόμενου λοβού (Switched Beam, SB). Η εκτεταμένη έρευνα στην περιοχή των ευφυών κεραιών πηγάζει από την επιτακτική ανάγκη για ταυτόχρονη υποστήριξη πλήθους υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης και βελτιωμένης ποιότητας, σε συνδυασμό με την απαίτηση για αυξημένη χωρητικότητα χρηστών, στα συστήματα ασυρμάτων και κινητών επικοινωνιών. Αρχικά περιγράφονται η εξέλιξη και τα κύρια χαρακτηριστικά των ασυρμάτων συστημάτων και ορισμένες βασικές έννοιες που αφορούν στη διάδοση στο ραδιοδίαυλο. Ακολούθως παρουσιάζονται τα είδη, οι αρχές λειτουργίας και τα πλεονεκτήματα που συνεπάγεται η ενσωμάτωση των ευφυών κεραιών στα σύγχρονα συστήματα ασυρμάτων και κινητών επικοινωνιών. Στη συνέχεια αναπτύσσονται οι διατάξεις SPAs διπόλων που μελετώνται στην παρούσα διατριβή και τονίζεται η σημασία της ηλεκτρονικής στροφής του διαγράμματος ακτινοβολίας, μέσω RF διακοπτών και της εισαγωγής ψηφιακής λέξης στο κύκλωμα τροφοδότησης. Ακόμη παρατίθενται στοιχεία από τη θεωρία της μεθόδου επαγόμενης ηλεκτρεγερτικής δύναμης και της μεθόδου των ροπών, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την ηλεκτρομαγνητική ανάλυση των SPAs. Η σχεδίαση SPAs πραγματοποιείται με τη βοήθεια της στοχαστικής τεχνικής αναζήτησης και βελτιστοποίησης των γενετικών αλγορίθμων (Genetic Algorithms, GAs), η οποία συνίσταται για την επίλυση πολυπαραμετρικών προβλημάτων. Παρουσιάζεται η γενετική σχεδίαση γραμμικών, μη-γραμμικών, μη-συμμετρικών και συμμετρικών SPAs, ενώ ικανοποιούνται διάφορες σχεδιαστικές απαιτήσεις που αφορούν στη μορφή του διαγράμματος ακτινοβολίας, την τιμή του κέρδους και την αντίσταση εισόδου. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την ευελιξία και αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων διαδικασιών σχεδίασης. Επιπλέον γίνεται αναφορά στην κατασκευή και πειραματική μέτρηση μιας απλής ευφυούς στοιχειοκεραίας μεταγωγής με ηλεκτρονικά στρεφόμενο διάγραμμα ακτινοβολίας, που αποτελείται από ενεργά και ανοικτοκυκλωμένα στοιχεία.Οι γενετικά σχεδιασθείσες SPAs χρησιμοποιούνται σε ποικίλες εφαρμογές, όπου αναδεικνύονται τα πλεονεκτήματα και η λειτουργικότητά τους. Έτσι αναπτύσσεται μια μέθοδος εκτίμησης των γωνιών άφιξης και των σχετικών ισχύων των δύο κυριότερων σημάτων σε ένα περιβάλλον διάδοσης ευρείας ζώνης. Η μέθοδος στηρίζεται στην τεχνική των γενετικών αλγορίθμων και είναι κατάλληλη για εφαρμογές χαμηλής κινητικότητας. Επίσης εφαρμόζεται ο αλγόριθμος εύρεσης γωνιών άφιξης MUSIC σε SPAs και προκύπτει μια ενδιαφέρουσα παραλλαγή του. Επιπλέον εκτιμάται μέσω προσομοίωσης η επίδοση διαφορικής λήψης μιας κυκλικής SPA σε περιβάλλον εσωτερικού χώρου. Τέλος μελετάται, τόσο μέσω προσομοίωσης όσο και μέσω πειραματικών μετρήσεων, η κατανομή διαλείψεων μικρής κλίμακας σε παρόμοια περιβάλλοντα.