Μελέτη και προσομοίωση του φαινομένου των πτυχώσεων ή σχισμών στη συμπεριφορά των χαρακτηριστικών της κεραίας PIFA και βελτιστοποίησή της με χρήση γενετικών αλγορίθμων στη συχνότητα του προτύπου DVB-T

Abstract

Η ραγδαία ανάπτυξη των ασυρμάτων επικοινωνιών που έχει σημειωθεί τα τελευταία χρόνια καθώς και των υπηρεσιών και εφαρμογών που συνεχώς αναπτύσσονται, έχουν δημιουργήσει μεγαλύτερες απαιτήσεις από τις κεραίες των τερματικών. Για το λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί κεραίες που παρουσιάζουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, όπως μεγάλο εύρος ζώνης, καλή προσαρμογή (χαμηλό λόγο στάσιμων κυμάτων) στη συχνότητα ενδιαφέροντος, και υψηλή απολαβή, ειδικά για κινητές λήψης. Η επίπεδη κεραία ανεστραμμένου-F (PIFA) αποτελεί μια καλή επιλογή ικανοποιώντας αρκετές από τις παραπάνω απαιτήσεις έχοντας επιπροσθέτως, χαμηλό κόστος και πολυπλοκότητα κατασκευής. Επίσης, για να είναι δυνατή η βελτίωση κάποιων χαρακτηριστικών των υπό χρήση κεραιών έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές, όπως η προσθήκη σχισμών ή πτυχώσεων. Η ψηφιακή τηλεόραση αντικαθιστά πλέον την παλιά αναλογική, προσφέροντας πολλές επιπλέον δυνατότητες στο χρήστη. Η υπηρεσία που προσφέρει είναι καλύτερης ποιότητας σε εικόνα και ήχο, ενώ λόγω συμπίεσης του τηλεοπτικού προγράμματος εξοικονομείται εύρος ζώνης. Ενόψει, βέβαια και του switch-off της αναλογικής εκπομπής σήματος (στο σταθμό βάσης του Υμηττού έγινε τον Αύγουστο του 2012), η επίγεια ψηφιακή τηλεόραση (DVB-T) αποτελεί ελκυστικό τομέα για ανάπτυξη νέων συστημάτων κεραιών. Αυτό ενισχύεται από το γεγονός ότι με την εξοικονόμηση εύρους ζώνης που θα προκύψει μένει κενό ένα διάστημα της ζώνης συχνοτήτων 470 – 862 MHz που χρησιμοποιούνται μέχρι τώρα, το οποίο καλείται ψηφιακό μέρισμα και για την Ευρώπη έχει προβλεφτεί να καλύπτει τις συχνότητες 790 – 862 MHz. Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε προσπάθεια να αναπτυχθεί μια δομή κεραίας PIFA, η οποία μπορεί να λαμβάνει στη ζώνη συχνοτήτων 470 – 862 MHz, την οποία χρησιμοποιεί το πρότυπο DVB-T. Επίσης, η προσπάθεια αυτή έγινε για την κάλυψη του ψηφιακού μερίσματος (790 – 862 MHz στην Ευρώπη, 698 – 862 MHz στην Αμερική και την Ασία). Για να επιτευχθεί αυτό μελετήθηκε και η επίδραση από την προσθήκη σχισμών ή πτυχώσεων στη διάταξη, και το πώς αυτή επηρεάζει χαρακτηριστικά όπως το εύρος ζώνης, την προσαρμογή και την απολαβή. Για την υλοποίηση της κεραίας χρησιμοποιήθηκε η πλατφόρμα SuperNEC, ενώ η βελτιστοποίηση έγινε με χρήση του ενσωματωμένου στο SuperNEC, λογισμικού γενετικών αλγόριθμων GA Optimiser. Στο κεφάλαιο 1, λοιπόν, παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο για τις PIFA, ενώ παραθέτονται και κάποιες εφαρμογές τους. Στο κεφάλαιο 2 αναλύεται το πρότυπο της επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης (DVB-T), δίνεται έμφαση στο κομμάτι του ψηφιακού μερίσματος, ενώ περιγράφονται και οι γνωσιακές ραδιοεπικοινωνίες (cognitive radios) Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται η εφαρμογή σχισμών ή πτυχώσεων σε κεραίες (Corrugations). Στα κεφάλαια 4 και 5 περιγράφονται οι γενετικοί αλγόριθμοι και η λειτουργία του SuperNEC, αντίστοιχα. Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις, και αναλύονται ανά περίπτωση οι επιδράσεις των σχισμών (corrugations) στην κεραία PIFA.

The rapid growth of wireless communications has been made in recent years, as well as services and applications constantly being developed, have created a greater demand on the antennas of terminals. Therefore there have been deployed antennas with specific characteristics such as wide bandwidth, good impedance matching (low standing wave ratio) in the frequency of interest, and high gain, especially for mobile receivers. The Planar Inverted-F Antenna (PIFA) is a good choice to satisfy many of these requirements having additionally, low manufacturing cost and complexity. Also, various techniques such as the addition of slots or corrugations have been developed, in order to improve some characteristics of antennas. Digital TV now replaces old analog transmission, offering several additional features to the user. The new service offer better picture and sound quality, while compressing the data of the television program saves bandwidth. Furthermore, waiting the switch-off of analogue broadcasting signal (at the base station of Hymettus it happened in August of 2012), the digital terrestrial television (DVB-T) is an attractive area for development of new antenna systems. This is reinforced by the fact that due to the bandwidth savings white spaces or an entire, narrow, empty band in spectrum will occur among frequencies 470 - 862 MHz used so far, which is called digital dividend and in Europe is predicted to cover the frequencies 790 - 862 MHz. In this diploma thesis an attempt was made to develop a PIFA structure, which operate in the band of 470 - 862 MHz, used by the DVB-T standard. Also, an attempt was made to cover the digital dividend (790 - 862 MHz in Europe, 698 - 862 MHz in the Americas and Asia). To achieve this, we studied the effect of adding slots or corrugations in the layout, and how this affects characteristics such as bandwidth, impedance matching and gain. To implement the antenna, SuperNEC platform was used, while optimization was performed using the built-in SuperNEC, software genetic algorithms GA Optimiser. In chapter 1, the theoretical background of PIFA is presented, while some applications are mentioned. In Chapter 2, the model of digital terrestrial television (DVB-T) is explained, emphasizing the part of the digital dividend and explaining cognitive radios. In Chapter 3 the implementation of slots and corrugation in antennas is examined, through various applications In Chapters 4 and 5 the genetic algorithms and function of SuperNEC are described, respectively. Chapter 6 presents the results obtained from the optimizations and simulations as well, the effects on the antenna PIFA of the slots (or corrugations) is analyzed in each case.