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.

The subject of the present thesis is the study, design, optimization, deployment and use of technologies of smart switched arrays consisting of active and parasitic elements (Switched Parasitic Arrays, SPAs) and of planar inverted F antennas for applications in both wireless broadband systems and passive microwave radiometry. These are types of smart antennas, which belong to the sub-category of switched beam (SB) antennas. The dissertation focuses on the design of smart antenna systems that facilitate the signal reception systems of WiMAX/Wi-Fi and digital terrestrial television signal. More specifically, the DVB –T standard that is used across Europe is taken into consideration and more attention is paid to the development of smart switched parasitic arrays with extended operational bandwidth that operate at DVB-T & WiMAX frequency zones and satisfy the reception conditions (fixed, portable and mobile reception) determined by the above mentioned standard in an optimum manner. In case of mobile reception and because key role in the design of such antennas is playing the physical size and bandwidth, new techniques to achieve highly of these two criteria are investigating. New techniques for improving the characteristics of an antenna through disturbances (corrugations) and slots in its surface are examined, along with address signal detection circuits of intelligent antennas. In designing procedure this study is taking into account the standards IEEE 802.11, 802.16, 802.22 and antennas operating in frequency standard of DVB. Finally we study mutual resistance composite planar arrays, and the use of the latter for detecting temperature changes of human tissue using microwave radiometry. Initially the main characteristics of the specific operating protocols of these array-antennas are described. Below the types and operating principles of smart antennas are shown, and the benefits of integration into wireless systems broadcast and on passive microwave radiometry are discussed. Then, we see the provisions SPAs planar inverted F antennas witch studied in this thesis and highlights the importance of the electronic lock of the radiation pattern. Various provisions of smart antennas switching active and parasitic elements for applications are designed in signal reception frequencies of the standard Wi-Fi, WiMAX. Emphasis on structures that include an active element and the rest either short circuited or burdened with a load. Even out from the theory of the method of moments, which is used for the analysis of electromagnetic SPAs. The design of SPAs is made feasible with the aid of the stochastic search and optimization technique of genetic algorithms (GAs), which is recommended for the resolution of multi-parametric problems. Various design requirements are satisfied, concerning the shape of the radiation pattern, the gain value and the input impedance. The results prove the efficiency of the proposed design procedures. In addition, reference is made to the construction and experimental measurement of prototypes of the proposed switched parasitic arrays for a single switching state and in one case the prototype of a proposed array is evaluated in a realistic operational scenario utilizing comparison measurements results from an authenticated reference broadband antenna.