Μελέτη και προσομοίωση παράγοντα διάταξης και διαγράμματος ακτινοβολίας επίπεδων στοιχειοκεραιών ανεστραμμένου F (PIFA)

Abstract

Έχοντας ως γνώμονα τις ραγδαίες εξελίξεις που σημειώνονται σήμερα στα συστήματα των κινητών επικοινωνιών, την μεγάλη ανάγκη για καλή ποιότητα υπηρεσίας και την εξέλιξη των κινητών τερματικών, είναι αρκετά τα αντικείμενα έρευνας σε όλους τους τομείς. Ένα από αυτά τα αντικείμενα είναι και η σχεδίαση κεραιών για κινητές επικοινωνίες οι οποίες πρέπει να παρουσιάζουν ένα ικανοποιητικό κέρδος, να είναι ομοιοκατευθυντικές, να έχουν μικρές διαστάσεις, και να προσαρμόζονται εύκολα σε όλα τα κινητά τερματικά. Μια ιδανική κεραία η οποία παρουσιάζει τα πιο πάνω χαρακτηριστικά και έχει ευρεία χρήση στα συστήματα κινητών επικοινωνιών και ειδικά στην κινητή τηλεφωνία είναι η επίπεδη κεραία ανεστραμμένου F, PIFA. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται περαιτέρω βελτίωση της κεραίας PIFA δημιουργώντας μια στοιχειοκεραία PIFA. Αρχικά με την βοήθεια του λογισμικού Supernec παίρνουμε το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας PIFA, και εφαρμόζοντας την θεωρία των στοιχειοκεραιών καταλήγουμε στο διάγραμμα ακτινοβολίας μιας στοιχειοκεραίας PIFA 2 στοιχείων. Στην συνέχεια παίρνουμε ξανά το διάγραμμα ακτινοβολίας της στοιχειοκεραίας PIFA 2 στοιχείων, αλλά αυτή τη φορά μετά από προσομοιώσεις στο πρόγραμμα Supernec, για ίδια τιμή της συχνότητας και για διάφορες τιμές της απόστασης των στοιχείων της. Με αυτό τον τρόπο διαπιστώνουμε ότι η θεωρία των στοιχειοκεραιών επαληθεύεται και για κεραίες PIFA 2 στοιχείων. Ένα άλλο αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής είναι και η μελέτη της αμοιβαίας αντίστασης μεταξύ των στοιχείων μιας στοιχειοκεραίας PIFA M – στοιχείων και το πως αυτή επηρεάζει το διάγραμμα ακτινοβολίας και την αντίσταση εισόδου της στοιχειοκεραίας. Για να γίνει ο υπολογισμός της αμοιβαίας αντίστασης μεταξύ 2 στοιχείων της στοιχειοκεραίας, παίρνουμε την αντίσταση εισόδου του ενός εκ των δύο στοιχείων μέσω προσομοίωσης, για διάφορες τιμές της μεταξύ τους απόστασης, και μέσω της αντίστασης εισόδου του στοιχείου αυτού καταλήγουμε σε τιμές της αμοιβαίας αντίστασης μεταξύ 2 οποιονδήποτε στοιχείων της στοιχειοκεραίας PIFA που μελετάμε ανάλογα με τις αποστάσεις που αυτά είναι τοποθετημένα. Μέσω της ποιο πάνω διαδικασίας, εφόσον καταλήξουμε στην αμοιβαία αντίσταση μεταξύ ενός οποιουδήποτε ζεύγους στοιχείων της στοιχειοκεραίας, είμαστε σε θέση να υπολογίσουμε μέσω της επίλυσης ενός συστήματος εξισώσεων ΜxM όπου Μ τα στοιχεία της στοιχειοκεραίας όλους τους ρευματικούς συντελεστές των ρευμάτων που επάγονται στα στοιχεία της. Οπόταν έτσι είμαστε σε θέση να υπολογίσουμε τον παράγοντα διάταξης της στοιχειοκεραίας PIFA που μελετάμε, και αντίστοιχα το διάγραμμα ακτινοβολίας της. Ακόμη με μεταβολή των αποστάσεων μεταξύ των στοιχείων της στοιχειοκεραίας, είναι δυνατόν να δημιουργήσουμε οποιοδήποτε διάγραμμα ακτινοβολίας εμείς επιθυμούμε και το οποίο θα είναι σαφώς βελτιωμένο σε σύγκριση με αυτό της απλής κεραίας PIFA.

The rapid development of the wireless communication technology, the big need for a good quality of service and the big development of mobile communications provide multiple research subjects in a large variety of fields. These subjects include antenna designing for wireless communications. A satisfying gain, isotropic characteristics, limited dimensions and easy adjustment to all mobile devices are necessary features for these kinds of antennas. An ideal antenna which is consistent with all the above features and has also a wide use on wireless communication technology and especially on mobile phones is the planar inverted F antenna, PIFA. The objective of this diploma thesis is the further optimization of PIFA in order to design a multiple element PIFA. At the beginning, we extract the radiation pattern of the PIFA antenna, using the Supernec software. By applying the multiple element antenna theory, we extrapolate the radiation pattern of a 2 element PIFA. Afterwards we extract again the radiation pattern of the 2 element PIFA, but this time using simulations with the Supernec software, with the same frequency and for different distances of the PIFA elements. This enables us to compare the radiation pattern we extracted from the theory, and the radiation pattern we extracted from the simulations, and conclude that the multiple element antenna theory stands for two element PIFAs. Another objective of this diploma thesis is the study of the mutual impedance of the elements of a M-element PIFA, and how this mutual impedance affects the radiation pattern and the input impedance of the antenna. In order to calculate the mutual impedance of 2 elements of the antenna, we extract from the simulations the input impedance of the first of the 2 elements for various distances between the 2 elements, and as a result, we are able to calculate the mutual impedance of any 2 elements, depending on the distance between them. By knowing the mutual impedance of any 2 elements of the antenna, if we solve a MxM equations system (M is the number of the antenna elements), we can calculate all the rheumatic coefficients of the currents which induce on the antenna elements. So, we are able to calculate the antenna factor and the radiation pattern of the M-element PIFA we study. Also, we are able to create a radiation pattern of our choice by changing the distances between the PIFA elements. This radiation pattern will be substantially better than the one of the single PIFA.