Τεχνολογίες Ενεργειακά Αποδοτικών, Ευρυζωνικών Και Συμπαγών Κεραιοσυστημάτων Υψηλών Συχνοτήτων Για Κινητά Τερματικά Και Προηγμένα Ασύρματα Δίκτυα Επικοινωνιών

Abstract

H εκρηκτική ανάπτυξη των ασύρματων επικοινωνιών αύξησε σημαντικά την ανάγκη για συμπαγείς κεραίες, οι οποίες συνεπάγονται στενό εύρος ζώνης, κακή προσαρμογή και χαμηλή αποδοτικότητα ακτινοβολίας. Συνεπώς, αξιόπιστες τεχνικές για τη σχεδίαση, την υλοποίηση και τον χαρακτηρισμό των συμπαγών κεραιών είναι άκρως επιθυμητές. Η σημασία που έχουν οι κεραίες για τη σωστή λειτουργία των κινητών τερματικών και των προηγμένων ασύρματων δικτύων επικοινωνιών δε μπορεί να τονιστεί αρκετά. H ανάπτυξη των δικτύων κινητών και προσωπικών επικοινωνιών έφερε μεγάλη άνθιση στη σχεδίαση κεραιών για κινητά τηλέφωνα, η οποία επεκτάθηκε σε φορητούς υπολογιστές, PDAs, smartphones και RFIDs.Αντίθετα, η βιομηχανική και ακαδημαϊκή έρευνα είχε επιδείξει μέχρι σήμερα μικρό ενδιαφέρον για τα κεραιοσυστήματα μιας ιδιαίτερης κατηγορίας τερματικών: τους κόμβους των Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων (ΑΔΑ). Οι κόμβοι των ΑΔΑ είναι αυτόνομοι, μικροσκοπικοί, ασύρματοι αισθητήρες που έχουν ως βασική προδιαγραφή τη μεγάλη διάρκεια ζωής. Απαραίτητη προϋπόθεση για τη σωστή λειτουργία των μικρο-αισθητήρων είναι η παρουσία συμπαγών, ενεργειακά αποδοτικών κεραιοσυστημάτων με το απαιτούμενο εύρος ζώνης για τις ανάγκες της εφαρμογής: η σχεδίαση, η υλοποίηση και ο χαρακτηρισμός τους αποτελούν το αντικείμενο της Διατριβής. Οι κεραίες υλοποιήθηκαν σε δομές τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB), μιας και τα PCBs αποτελούν βιώσιμη λύση για την κατασκευή μικρο-αισθητήρων.Η αρχική μελέτη τυπωμένων μονοπόλων Ευκλείδειας και Φράκταλ γεωμετρίας έδειξε ότι τα επιτεύξιμα όρια της σμίκρυνσής τους περιορίζονται λόγω αυτο-βραχυκύκλωσης. Δημιουργήθηκε μια κλάση κεραιών που αμβλύνει την αυτο-βραχυκύκλωση: οι κεραίες αναλυτικής γεωμετρίας. Αναπτύχθηκε αρχικά η ημιτονοειδής κεραία, η οποία είναι ενδογενώς συμπαγής, ευρυζωνική και ενεργειακά αποδοτική. Δόθηκε ιδιαίτερη βαρύτητα στην επίδραση του επιπέδου γείωσης, το οποίο, αντίθετα με αυτό που είναι ευρύτερα αντιληπτό, αποτελεί βασικό τμήμα του ακτινοβολητή. Προτάθηκε ένα ευέλικτο κριτήριο ποιότητας το οποίο συνδυάζει τις τρεις θεμελιώδεις ιδιότητες μιας κεραίας. Στη συνέχεια, παρουσιάστηκε η σχεδίαση και οι επιδόσεις της μονοπολικής κεραίας Chebyshev, η οποία συνδυάζει την επαγωγική με τη χωρητική φόρτιση, και έδειξε ότι η επιλογή διαφορετικής αναλυτικής συνάρτησης μπορεί να αποφέρει κέρδη στην απόκριση. Η μελέτη ολοκληρώθηκε με την εξίσου καινοτόμο, πολυζωνική, γενικευμένη ημιτονοειδή κεραία Chirp, η οποία εισάγει την έννοια της Αναλυτικής Αυθομοιότητας στο πεδίο των κεραιών.Σε πυκνές στοιχειοκεραίες, το πρόβλημα της αμοιβαίας σύζευξης είναι οξύτατο: είναι απαραίτητη μια τεχνική για την καταπίεσή της. Η προτεινόμενη τεχνική είναι κυκλωματική, ενσωματώνεται εύκολα στο αναλογικό RF τμήμα του πομποδέκτη, και στοχεύει στην ενεργειακά αποδοτική επικοινωνία ανάμεσα στους κόμβους των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Συγκεκριμένα, σχεδιάστηκε μια δομή ατελούς επιπέδου γείωσης (ΑΕΓ) η οποία καταλαμβάνει ελάχιστο χώρο πάνω στο τυπωμένο κύκλωμα και ενσωματώνεται ανάμεσα στα κεραιοστοιχεία. H προταθείσα τεχνική ανακτά και το λειτουργικό εύρος ζώνης που χάνεται λόγω σύζευξης. Αποδείχθηκε ότι η προτεινόμενη τεχνική συγκεντρώνει βασικά πλεονεκτήματα έναντι των υπαρχουσών τεχνικών, έχει μόνο ένα (ανεκτό) μειονέκτημα, και αποτελεί τον ηλεκτρικά μικρότερο αποσυζεύκτη επιπέδου κεραίας που έχει εμφανιστεί μέχρι σήμερα στη βιβλιογραφία.Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η σχεδίαση μιας κυκλικά πολωμένης, ηλεκτρικά μικρής, μικροταινιακής κεραίας για ένα διαφορετικό τύπο κινητού τερματικού: έναν pico-δορυφόρο τύπου CubeSat. Αυτή η τόσο απαιτητική εφαρμογή εξαναγκάζει σε σμίκρυνση της κεραίας στο 1/14 της ονομαστικής επιφάνειάς της, αλλά ταυτόχρονα χρησιμεύει ως ένας οδηγός σχεδίασης για τις επαγωγικά φορτισμένες μικροταινιακές κεραίες με περιφερειακές εγκοπές. Η τεχνική φόρτισης με περιφερειακές εγκοπές επεκτάθηκε διαφοροποιώντας τα μήκη των εγκοπών και επιβάλλοντας χωρική διαμόρφωση της κατανομής τους. Αποδείχθηκε ότι η ρύθμιση της χωρικής κατανομής των εγκοπών αποφέρει ακόμα μεγαλύτερη μείωση μεγέθους, ενώ ταυτόχρονα αποτελεί μέσο χειρισμού της εμπέδησης εισόδου. Η κεραία του CubeSat είναι η ηλεκτρικά μικρότερη που έχει αναφερθεί ως τώρα στη βιβλιογραφία.Η επαγωγική φόρτιση των κεραιών ανεστραμμένης-F γεωμετρίας με Ευκλείδειες και Φράκταλ σχισμές καταφέρνει σχεδόν να τετραπλασιάσει το λειτουργικό εύρος ζώνης των μονοζωνικών κεραιών, ενώ εναλλακτικά προκαλεί διζωνικότητα με ρυθμιζόμενη άνω ζώνη. Η μελέτη των διζωνικών κεραιών έδειξε ότι το αθροιστικό κλασματικό εύρος ζώνης μιας PIFA κινείται εντός στενών ορίων, και ο σχεδιαστής απλά ανακατανέμει ό,τι είναι διαθέσιμο από τη δομή της κεραίας. Δίδεται, επίσης, η σχεδίαση της καινοτόμου, ηλεκτρικά μικρής, σύμμορφης, κυκλικής κεραίας ανεστραμμένης-F γεωμετρίας (CIFA), η οποία είναι μια τυπωμένη κεραία που πλησιάζει ικανοποιητικά τα θεμελιώδη όρια των συμπαγών κεραιών. Το μοντέλο συστήματος της CIFA οδήγησε σε ένα μοντέλο πρόβλεψης της απαιτούμενης συχνότητας μετάδοσης συναρτήσει του μεγέθους του κόμβου: για επιφάνεια κόμβου ίση με 1 mm^2, η συχνότητα εκπομπής και λήψης πρέπει να εισέλθει στη χιλιοστομετρική περιοχή.Η Διατριβή ολοκληρώνεται με την επέκταση της μεθόδου Wheeler Cap για τη μέτρηση της αποδοτικότητας ακτινοβολίας των συμπαγών κεραιών μέσα από μια ολιστική σχεδίαση κοιλοτήτων Wheeler σταθερής γεωμετρίας. Στόχος ήταν η πραγματοποίηση ευρυζωνικών μετρήσεων της αποδοτικότητας τυπωμένων/επίπεδων κεραιών, οι οποίες να είναι απαλλαγμένες από συντονισμούς κοιλότητας. Αναπτύχθηκε ένα αναλυτικό από κοινού μοντέλο συστήματος κεραίας-κοιλότητας, το οποίο προβλέπει θεωρητικά τις ηλεκτρικές επιδόσεις των κοιλοτήτων και το φάσμα ιδιοσυχνοτήτων τους. Έτσι, υιοθετήθηκε μια συγκεντρωτική προσέγγιση για τη σχεδίαση παραλληλεπίπεδων, σφαιρικών και κυλινδρικών κοιλοτήτων. Η μελέτη αυτή είναι η πρώτη ενοποιημένη, ντετερμινιστική μεθοδολογία σχεδίασης και για τους τρεις διαχωρίσιμους τύπους κοιλοτήτων, ανεξαρτήτως μεγέθους κεραίας και συχνότητας. Η μεθοδολογία προβλέπει τον κατάλληλο τύπο και μέγεθος κοιλότητας δεδομένης της κεραίας, αλλά και εκτιμά το μετρήσιμο μέγεθος και εύρος ζώνης της κεραίας σε δεδομένη κοιλότητα.