Development of beamforming techniques for antenna arrays
Authors: Γράβας Ιωάννης 
Published: October 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με δύο σημαντικά προβλήματα μορφοποίησης δέσμης ακτινοβολίας. Το πρώτο πρόβλημα μορφοποίησης δέσμης που απασχολεί την παρούσα διδακτορική διατριβή, είναι αυτό της στατικής μορφοποίησης του διαγράμματος ακτινοβολίας. Σε τέτοιες περιπτώσεις, δεν υπάρχει ανάγκη για μορφοποίηση του διαγράμματος ακτινοβολίας σε πραγματικό χρόνο, αλλά στόχος είναι η επίτευξη ενός σταθερού κατευθυντικού διαγράμματος ακτινοβολίας που ανταποκρίνεται σε συγκεκριμένες προδιαγραφές. Τέτοιες κεραίες για παράδειγμα χρησιμοποιούνται στην εκπομπή τηλεοπτικού σήματος. Στην παρούσα διατριβή έγινε σχεδιασμός στοιχειοκεραιών που ανταποκρίνονται σε συγκεκριμένες προδιαγραφές, μέσω εξελικτικών αλγορίθμων βελτιστοποίησης. Οι προδιαγραφές αυτές συμπεριλαμβάνουν την μεγιστοποίηση του κέρδους και της αποδοτικότητας της κεραίας και την ελαχιστοποίηση του λόγου στάσιμου κύματος και του ύψους των πλευρικών λοβών. Επιπρόσθετα, ερευνήθηκε η δυνατότητα σχεδιασμού του δικτύου τροφοδοσίας της στοιχειοκεραίας χωριστά από τον σχεδιασμό της κεραίας, όταν είναι γνωστές μόνο οι ενεργές αντιστάσεις εισόδου των στοιχείων της κεραίας. Το συμπέρασμα της άνω έρευνας ήταν θετικό, κάτι το οποίο είναι αρκετά χρήσιμο για τους σχεδιαστές δικτύων τροφοδοσίας και στοιχειοκεραιών.Το δεύτερο πρόβλημα μορφοποίησης δέσμης αφορά την μορφοποίηση του διαγράμματος ακτινοβολίας σε πραγματικό χρόνο, την λεγόμενη προσαρμοστική μορφοποίηση δέσμης, μια διαδικασία που στοχεύει στην εύρεση των κατάλληλων βαρών τροφοδοσίας που επιτυγχάνουν την στροφή του κύριου λοβού προς την κατεύθυνση του επιθυμητού εισερχόμενου σήματος (ΕΕΣ), και την τοποθέτηση μηδενισμών προς τις κατευθύνσεις των ανεπιθύμητων εισερχομένων σημάτων (ΑΕΣ). Η διαδικασία αυτή είναι πολύπλοκη καθώς οι κατευθύνσεις άφιξης του ΕΕΣ και των ΑΕΣ αλλάζουν σε πραγματικό χρόνο, και για τον λόγο αυτό τα βάρη τροφοδοσίας πρέπει να υπολογίζονται ξανά και ξανά.Οι περισσότερες μέθοδοι προσαρμοστικής μορφοποίησης δέσμης ακτινοβολίας με σκοπό να υπολογίσουν τα κατάλληλα βάρη τροφοδοσίας, βασίζονται στην σωστή εκτίμηση των διανυσμάτων οδήγησης των εισερχόμενων σημάτων. Αυτή η εκτίμηση γίνεται από τις περισσότερες μεθόδους σε θεωρητικό επίπεδο, καθώς δεν λαμβάνουν υπόψη ούτε την αμοιβαία σύζευξη μεταξύ των στοιχείων της κεραίας, ούτε το μη-ισοτροπικό διάγραμμα ακτινοβολίας των στοιχείων, θεωρώντας πως τα στοιχεία συμπεριφέρονται απλά σαν ισοτροπικές πηγές. Συνεπώς, κατασκευάζουν τα διανύσματα οδήγησης λαμβάνοντας υπόψη μόνο τις διαφορές φάσεων των ηλεκτρικών πεδίων των πηγών, λόγω των διαφορετικών τους θέσεων στο χώρο. Στην παρούσα διατριβή, πραγματοποιήθηκε προσπάθεια βελτίωσης των προσαρμοστικών τεχνικών μορφοποίησης μέσω μιας νέας μεθόδου η οποία λαμβάνει υπόψη την αμοιβαία σύζευξη μεταξύ των στοιχείων της κεραίας και το μη-ισοτροπικό διάγραμμα ακτινοβολίας των στοιχείων. Η επίτευξη αυτού γίνεται μέσω της κατασκευής των διανυσμάτων οδήγησης από ρεαλιστικές τιμές του ηλεκτρικού πεδίου στοιχειοκεραιών, οι οποίες έχουν εξαχθεί μέσω κυματικής ανάλυσης. Μέσω αυτής της προσέγγισης, είναι αναμενόμενο να αυξηθεί η ακρίβεια των μεθόδων μορφοποίησης, πράγμα που επαληθεύθηκε στην διατριβή μέσω εκτενών στατιστικών αναλύσεων και προσομοιώσεων. Επιπρόσθετα, έγινε προσπάθεια ανάπτυξης ενός αλγόριθμου που ελέγχει το ύψος των πλευρικών λοβών των διαγραμμάτων ακτινοβολίας που δημιουργούν οι συμβατικές μέθοδοι μορφοποίησης δέσμης. Η σημασία τέτοιων αλγορίθμων είναι μεγάλη, καθώς σε κάποια χρονική στιγμή που ο μορφοποιητής δέσμης επεξεργάζεται ένα συγκεκριμένο μπλοκ πληροφοριών, μπορεί να υπάρξει εμφάνιση νέων ΑΕΣ σε διάφορες κατευθύνσεις, τα οποία δεν είχαν ληφθεί υπόψη και για τον λόγο αυτό το τρέχον σετ βαρών τροφοδοσίας δεν μπορεί να τα εξαλείψει στην έξοδο του μορφοποιητή. Γίνεται λοιπόν κατανοητό πως οι μέθοδοι μορφοποίησης που δεν λαμβάνουν υπόψη το ύψος των πλευρικών λοβών, είναι εκτεθειμένοι σε σήματα παρεμβολής τα οποία δεν είχαν προβλεφθεί. Η σημασία όλων των παραπάνω μεθόδων/αλγορίθμων που αναπτύχθηκαν στην διατριβή είναι μεγάλη, καθώς την περίοδο που διεξαγόταν η διδακτορική διατριβή τα δίκτυα τηλεπικοινωνιών πέμπτης γενιάς ήταν υπό ένταξη, και η μορφοποίηση δέσμης ακτινοβολίας σε πραγματικό χρόνο ήταν μία από τις σημαντικές καινοτόμες λειτουργίες που εισήγαγαν. Συγκεκριμένα, η μορφοποίηση δέσμης ακτινοβολίας σε πραγματικό χρόνο βελτιώνει την λήψη/εκπομπή σήματος και επίσης συμβάλλει στην αντιμετώπιση των προβλημάτων της μιλιμετρικής μπάντας, δηλαδή, τις αυξημένες απώλειες διάδοσης και την ευπάθεια των κυμάτων σε αυτή την ζώνη σε εμπόδια.