Τεχνολογίες Και Εφαρμογές Ευφυών Κεραιών

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη, σχεδίαση, βελτιστοποίηση, κατασκευή και αξιοποίηση τεχνολογιών ευφυών στοιχειοκεραιών μεταγωγής ενεργών και παρασιτικών στοιχείων (Switched Parasitic Arrays, SPAs), καθώς και επίπεδων κεραιών ανεστραμμένου F (Planar Inverted - F Antennas, PIFAs) για εφαρμογές τόσο σε ασύρματα συστήματα ευρυεκπομπής όσο και σε παθητικά συστήματα μικροκυματικής ραδιομετρίας. Πρόκειται για έναν τύπο ευφυών κεραιών (Smart Antennas), οι οποίες εντάσσονται στην επιμέρους κατηγορία των κεραιών στρεφόμενου λοβού (Switched Beam, SB). Η διατριβή εξειδικεύεται στη σχεδίαση ευφυών κεραιοσυστημάτων, που διευκολύνουν τη λήψη σήματος συστημάτων WIMAX, Wi-Fi καθώς και επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης. Συγκεκριμένα, λαμβάνoνται υπόψη τα πρότυπα DVB-T και WIMAX, που χρησιμοποιούνται στον ευρωπαϊκό χώρο, και επομένως δίνεται περισσότερη έμφαση στην ανάπτυξη ευφυών κεραιοδιατάξεων μεταγωγής ενεργών και παρασιτικών στοιχείων με εκτεταμένο λειτουργικό εύρος ζώνης, που λειτουργούν στις ζώνες συχνοτήτων των παραπάνω τεχνολογιών και ικανοποιούν κατά βέλτιστο τρόπο τις συνθήκες λήψης (σταθερή, φορητή και κινητή λήψη), που ορίζονται από τα εν λόγω πρότυπα. Όσον αφορά την περίπτωση της κινητής λήψης και επειδή καθοριστικό ρόλο στο σχεδιασμό τέτοιων κεραιών παίζει το φυσικό μέγεθος και το εύρος ζώνης εξετάζονται τεχνικές για την επίτευξη ιδιαίτερα αυτών των δυο κριτηρίων. Ειδικότερα, εξετάζονται τεχνικές για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών μιας κεραίας μέσω διαταραχών και σχισμών στην επιφάνεια της καθώς και κυκλώματα ανίχνευσης διεύθυνσης σήματος ευφυών κεραιών. Λαμβάνονται υπόψη για τον σχεδιασμό τα πρότυπα IEEE 802.11, 802.16, 802.22 καθώς και κεραιοδιατάξεις που λειτουργούν στη συχνότητα του προτύπου DVB. Τέλος, γίνεται μελέτη της αμοιβαίας αντίστασης σύνθετων επίπεδων στοιχειοκεραιών καθώς και η χρήση των τελευταίων για ανίχνευση θερμοκρασιακών μεταβολών του ανθρώπινου ιστού με τη βοήθεια της μικροκυματικής ραδιομετρίας. Αρχικά, περιγράφονται τα κύρια χαρακτηριστικά των πρωτοκόλλων λειτουργίας των συγκεκριμένων κεραιοδιατάξεων. Ακολούθως, παρουσιάζονται τα είδη και οι αρχές λειτουργίας των ευφυών κεραιών, καθώς και τα πλεονεκτήματα που συνεπάγεται η ενσωμάτωση τους σε ασύρματα συστήματα ευρυεκπομπής και σε παθητικά συστήματα μικροκυματικής ραδιομετρίας. Κατόπιν, αναπτύσσονται οι διατάξεις SPAs επίπεδων κεραιών ανεστραμμένου F, που μελετώνται στην παρούσα διατριβή, και τονίζεται η σημασία της ηλεκτρονικής στροφής του διαγράμματος ακτινοβολίας. Σχεδιάζονται διάφορες διατάξεις από ευφυείς κεραίες μεταγωγής ενεργών και παρασιτικών στοιχείων, που προορίζονται για εφαρμογές λήψης σήματος στις συχνότητες των προτύπων Wi-Fi και WiMAX. Δίνεται έμφαση σε δομές, οι οποίες περιλαμβάνουν ένα ενεργό στοιχείο, ενώ τα υπόλοιπα είναι είτε βραχυκυκλωμένα, είτε ανοιχτοκυκλωμένα ή είναι συνδεδεμένα με κάποιο φορτίο. Ακόμη, παρατίθενται στοιχεία από τη θεωρία της μεθόδου των ροπών, η οποία χρησιμοποιείται για την ηλεκτρομαγνητική ανάλυση των SPAs. Η σχεδίαση των 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. Ικανοποιούνται διάφορες σχεδιαστικές απαιτήσεις, οι οποίες αφορούν τη μορφή του διαγράμματος ακτινοβολίας, την τιμή του κέρδους και την αντίσταση εισόδου. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την ευελιξία και την αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων διαδικασιών σχεδίασης. Επιπλέον, γίνεται αναφορά στην κατασκευή και πειραματική μέτρηση πρωτοτύπων των προτεινόμενων ευφυών στοιχειοκεραιών μεταγωγής ενεργών και παρασιτικών στοιχείων για μια κατάσταση μεταγωγής και σε μια περίπτωση το πρωτότυπο μιας προτεινόμενης κεραίας αποτιμάται σε ένα ρεαλιστικό σενάριο λειτουργίας χρησιμοποιώντας συγκριτικά αποτελέσματα μετρήσεων από μια πιστοποιημένη ευρυζωνική κεραία αναφοράς.