Αναπτυξη Ολοκληρωμενου Συστηματος Στοιχειοκεραιας Φασικης Συνθεσης Σε Τεχνολογιας Τυπωμενων Κυκλωματων Μεταβλητης Διηλεκτρικης Επιτρεπτοτητας

Abstract

Η ανάγκη για ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών υψηλής, ως προς την ταχύτητα και το προσφερόμενο εύρος ζώνης, απόδοσης σπρώχνει προς την κατεύθυνση της χρήσης χιλιοστομετρικών συχνοτήτων με μήκη κύματος μεταξύ 10mm<λ<15mm. Από την άλλη πλευρά, η ανάγκη για ελαχιστοποίηση του κόστους καθώς και περιβαλλοντικοί περιορισμοί απαιτούν από τα μελλοντικά μικροκυματικά συστήματα προσαρμοστικότητα και ευελιξία. Είναι, επομένως, αναγκαία η χρήση ηλεκτρομαγνητικών κυκλωμάτων με βελτιωμένη απόδοση και αυξημένες δυνατότητες. Παραδείγματα τέτοιων κυκλωμάτων είναι ο διακόπτης υψηλής ταχύτητας ή varactor (πυκνωτής μεταβλητής χωρητικότητας), οι ημιαγωγοί (PIN diodes, FET) και οι μικροηλεκτρομηχανικοί διακόπτες (ΜΕΜ), προσφέροντας στον τελικό χρήστη ευελιξία και απλότητα. Συγκρινόμενοι με αυτές τις τεχνολογίες οι διατάξεις που χρησιμοποιούν φερροηλεκτρικά μέσα πλεονεκτούν στο μέγεθος, το βάρος και την κατανάλωση ισχύος. Η ευκολία στη χρήση και λειτουργία τους επιτρέπει την άμεση και απλή ολοκλήρωσή τους σε πολύπλοκα μικροκυματικά συστήματα.Η εξάρτηση, από το εφαρμοζόμενο DC πεδίο, της διηλεκτρικής σταθεράς των φερροηλεκτρικών μέσων, τα καθιστά ιδανικά για την ανάπτυξη ενός αρκετά μεγάλου εύρους ηλεκτρομαγνητικών διατάξεων, όπως είναι οι μεταβλητοί συντονιστές, οι στροφείς φάσης, τα συντονιζόμενα φίλτρα και οι μεταβλητοί διαιρέτες ισχύος, με αυξημένες δυνατότητες και λειτουργίες. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιείται η σχεδίαση ενός χιλιοστομετρικού συστήματος στοιχειοκεραίας, για εφαρμογές σημείο-προς-πολλαπλά σημεία ασυρμάτων δικτύων LMDS, βασιζόμενη στην ολοκλήρωση φερροηλεκτρικών μέσων πάνω σε ένα μόνο ισοτροπικό υπόστρωμα.Η βελτιστοποίηση του διαγράμματος ακτινοβολίας της μελετηθείσας στοιχειοκεραίας και ο προσδιορισμός των μιγαδικών ρευματικών διεγέρσεων αυτής πραγματοποιείται μέσω μίας καινοτόμας μεθόδου βελτιστοποίησης, βασισμένης στη μέθοδο των γενετικών αλγορίθμων, η οποία έχει εφαρμοστεί στο παρελθόν με επιτυχία σε διάφορα προβλήματα ηλεκτρομαγνητισμού. Η προτεινόμενη μέθοδος αξιοποιεί την εξάρτηση του γενετικού κώδικα τόσο από τον αριθμό των χρωμοσωμάτων ανά πληθυσμό όσο και από τον αριθμό των δυαδικών ψηφίων, μέσω των οποίων κωδικοποιείται κάθε μεταβλητή του προβλήματος βελτιστοποίησης, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνει βελτίωση της σύγκλισης της μεθόδου των γενετικών αλγορίθμων και την επίτευξη καλύτερης λύσης σε προβλήματα βελτιστοποίησης (υψηλότερη τελική τιμή αντικειμενικής συνάρτησης). Παράλληλα, η ανοικτή αρχιτεκτονική της προτεινόμενης υποδομής προσφέρει τη δυνατότητα παράλληλης επεξεργασίας μέσω ενός δικτύου υπολογιστών, επιτυγχάνοντας με αυτόν τον τρόπο την κατανομή του φόρτου εργασίας και τη μείωση του χρόνου προσομοίωσης.Παράλληλα, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, μελετώνται διάφορες επίπεδες μικροκυματικές διατάξεις κεραιών, διαιρετών ισχύος και στροφέων φάσης, σε τεχνολογία μικροταινίας. Η διατριβή ολοκληρώνεται με την ηλεκτρομαγνητική ανάλυση ενός κυματοδηγού δύο παράλληλων αγώγιμων λωρίδων, ο οποίος επικάθεται σε διηλεκτρικό υπόστρωμα πεπερασμένου πάχους, η άνω πλευρά του οποίου εμφανίζει ηλεκτρική ανισοτροπία. Εφαρμόζεται η μέθοδος Galerkin με συναρτήσεις βάσης ολικού εύρους και αναπτύσσεται κώδικας, σε περιβάλλον Matlab, για τον αριθμητικό υπολογισμό των αγνώστων σταθερών διάδοσης β της διάταξης. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων του κώδικα με τα αντίστοιχα εμπορικών πακέτων επιβεβαιώνει την ακρίβεια και την ορθότητα της εφαρμοζόμενης μεθόδου.