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 mm2, 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.

The explosive growth of wireless communications has significantly increased the need for compact antennas, which tend to behave as narrowband, inefficient and low-gain radiators. Reliable techniques for the design, fabrication and measurement of small antennas are highly desirable. The significance of antennas to the proper function of advanced mobile terminals cannot be overemphasized. Rapid advances in mobile and personal communication networks have caused antenna design targeting cellphones, portable computers, PDAs, smartphones and RFIDs to flourish. Contrary to the above, industrial and academic research has displayed little interest in the antenna system of a special category of portable terminals: nodes comprising Wireless Sensor Networks (WSNs). Wireless sensors are autonomous, tiny devices built around specifications that opt for the longest possible network lifetime. A vital prerequisite to the proper function of wireless microsensors is the availability of miniature, energy-efficient antenna systems covering the application band. The design, development, and characterization of such antennas are the major topics addressed in the Thesis. The antennas were built in printed circuit technology, since PCBs are a realistic and viable solution to the fabrication of wireless sensors. A study of Euclidean and Fractal printed monopoles during the initial stages of the Thesis showed that their achievable miniaturization limits are constrained by a short-circuiting phenomenon. A new class of antennas that alleviate the problem are Analytical Geometry Antennas. The sinusoidal antenna was initially developed, which is inherently small, wideband and efficient. Particular attention was given to the effect of the ground plane (GNDP) which, contrary to what is generally understood, is an integral part of the overall radiator. A flexible figure-of-merit (FoM) was suggested, to merge the fundamental properties of small antennas into a single quantity. The genre of Analytical Antennas was augmented by the addition of Chebyshev antennas, which combine inductive and capacitive (top-hat) loading and demonstrate that the choice of analytical function can produce gains in antenna response. The study of Analytical Antennas was completed with the equally innovative, multi-band, generalized-sinusoidal Chirp antenna. The Chirp radiator introduces the concept of Analytical Self-Similarity. In dense arrays, the mutual coupling problem is extremely severe, rendering coupling suppression techniques indispensable. The technique proposed herein works at the RF circuit level, is easily embedded in the analog RF part of the transceiver, and targets robust, energy-efficient communication between wireless sensor nodes. Getting into the specifics, a defect was inserted (etched away) into the ground plane, occupying minimal real estate in the ground region between adjacent elements. The defected ground structure (DGS) technique also recovers the operating bandwidth that is partially lost due to coupling. It is proven that the DGS technique features some serious advantages compared to existing techniques and displays a single, tolerable drawback. Moreover, it is the electrically smaller antenna-level decoupler displayed thus far in the literature. Next, the Thesis describes the design of a circularly polarized, electrically small, microstrip antenna for a different kind of mobile terminal: a CubeSat pico-satellite. This demanding application forces the patch antenna to reduce its area to 1/14 of the nominal, and at the same time serves as a design guide for inductively-loaded microstrip antennas by use of an array of peripheral slits. The slit-loading technique was extended by spatially modulating the length of the slit array. The design revealed that the adjustment of the spatial distribution of slits produces even greater miniaturization degree, whereas it also serves as a means to adjust the input impedance. The CubeSat patch prototype is the electrically smaller miniature-satellite antenna to date. The inductive loading of inverted–F antennas (IFAs) by Euclidean and Fractal slots is a technique that managed to nearly quadruple the operating bandwidth of single-band antennas, and alternatively produces dual-band antennas with an adjustable upper band. The study of dual-band antennas revealed that the aggregate fractional bandwidth of PIFAs is strictly limited, and the designer merely manages to re-distribute whatever bandwidth is inherently available by the antenna. The design of the innovative, electrically small, conformal circular IFA (CIFA) is also described, which is a printed radiator that manages to approach the fundamental limits of small antennas within close range. The system model of the CIFA lead to a prediction model for the operating frequency as a function of node size: for maximum node area equal to 1 mm2, Tx/Rx frequencies must enter deep into the mm-wave band. The Thesis is concluded with an improvement of the Wheeler Cap radiation efficiency measurement technique through a holistic design approach targeting fixed-geometry caps. The goal was to perform radiation efficiency measurements of printed/planar antennas that are free of cavity resonances. A joint antenna–cavity system model was developed, which predicts analytically the measurement capacity and eigenfrequency spectrum of separable cavities: a unified approach to the design (eigenspectrum shaping) of rectangular, spherical and cylindrical cavities was adopted. This study is the first systematic, deterministic design methodology for the three cavity types regardless of antenna size or operating frequency in Wheeler Cap literature. The methodology predicts the suitable type and size of cavity given the specifications of the antenna, estimates the measurable antenna size and bandwidth in a given cavity, and is readily applicable to 1-D and 3-D antennas.