Σχεδίαση εξελιγμένων κεραιών και διατάξεων οδήγησης ηλεκτρομαγνητικού κύματος με τη χρήση υλικών με τεχνητές ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες
Authors: Μπουργής Νεκτάριος 
Published: August 2021

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την ανάλυση και σχεδίαση εξελιγμένων κεραιών και συστημάτων οδήγησης ηλεκτρομαγνητικού κύματος με τη χρήση απλών υλικών δομών, οι οποίες παρουσιάζουν τεχνητές ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες. Οι υπό μελέτη δομές είναι κυρίως τα μονοαρνητικά μεταϋλικά, τα οποία παρουσιάζουν είτε αρνητική διηλεκτρική σταθερά, είτε αρνητική μαγνητική διαπερατότητα σε ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων. Το βασικότερο κίνητρο για την ενασχόληση με τα μονοαρνητικά μεταϋλικά υπήρξε η ραγδαία ανάπτυξή τους, κυρίως την τελευταία δεκαετία, η οποία είχε ως αποτέλεσμα την εκρηκτική εμφάνιση μιας πληθώρας πρακτικών εφαρμογών. Παράλληλα, στην αρχική επιλογή του θέματος της διατριβής συνετέλεσε η διαπίστωση της απουσίας στην υπάρχουσα βιβλιογραφία, της συστηματικής χρήσης μη περιοδικών μοναδιαίων κελιών μεταϋλικών σε επίπεδες μονοπολικές κεραίες και συστήματα οδήγησης. Τα μοναδιαία κελιά μεταϋλικών, αν και λειτουργούν ως απλές συντονιστικές μονάδες, παρόλα αυτά εμφανίζουν, εν μέρει, τις τεχνητές ιδιότητες των περιοδικών διατάξεων που συγκροτούν. Η αλληλεπίδραση των ακτινοβολούντων κυμάτων των κεραιών με κατάλληλα σχεδιασμένες τεχνητές δομές μπορεί να οδηγήσει σε μεταβολή των χαρακτηριστικών τους, κυρίως την συχνότητα λειτουργίας τους. Συνεπώς, είναι δυνατός ο σχεδιασμός συμπαγών κεραιών, οι οποίες παρουσιάζουν μικρές ηλεκτρικές διαστάσεις στις επιθυμητές ζώνες συχνοτήτων συντονισμού. Επιπρόσθετα, η ευρεία χρήση συστημάτων κεραιών MIMO σε σύγχρονες τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές, ώστε να επιτευχθεί αύξηση της χωρητικότητας και της ποιότητας των ασύρματων ζεύξεων, απαιτεί την αποσύζευξη μεταξύ των ακτινοβολούντων στοιχείων, για την αποδοτική λειτουργία τους. Οι μονοαρνητικοί, εμπνευσμένοι από τα μεταϋλικά, συντονιστές θεωρούνται άριστες δομές απόσβεσης της μη επιθυμητής ηλεκτρομαγνητικής σύζευξης που εμφανίζεται μεταξύ των στοιχείων των διατάξεων ΜΙΜΟ, και είναι σε θέση, όπως θα παρουσιαστεί, να προσφέρουν ισχυρή απομόνωση. Δεν πρέπει να λησμονηθεί ακόμα, ότι η συμφόρηση που παρουσιάζει το φάσμα συχνοτήτων στις χαμηλές μικροκυματικές περιοχές και παράλληλα η ολοένα και μεγαλύτερη ανάγκη για μικρότερου μεγέθους τηλεπικοινωνιακά συστήματα, καθώς και για μεγαλύτερες ταχύτητες δεδομένων των καναλιών ζεύξεων σε σύγχρονες εφαρμογές, έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη ολοκληρωμένων συστημάτων οδήγησης, των αποκαλούμενων ολοκληρωμένων κυματοδηγών υποστρώματος, σε υψηλότερες χιλιοστομετρικές συχνότητες. Τα συστήματα αυτά διαθέτουν τα πλεονεκτήματα των συμβατικών κυματοδηγών ενώ η γεωμετρία τους είναι παρόμοια των κλασικών επίπεδων γραμμών μεταφοράς. Παρόλα αυτά, η οδήγηση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος σε αυτές τις διατάξεις, βασίζεται σε πολύπλοκες κατασκευαστικά, πλευρικές κατακόρυφες συνδέσεις (vias) μεταξύ των επιπέδων του διηλεκτρικού υποστρώματος, οι οποίες αντικαθιστούν ηλεκτρικά τα πλευρικά τοιχώματα του ισοδύναμου κυματοδηγού. Το μικρό πάχος του διηλεκτρικού υποστρώματος, καθώς και η μεγάλη περιοδικότητα των πλευρικών συνδέσεων είναι δυνατό να εμφανίσουν μηχανικές καταπονήσεις στη διάταξη. Στην παρούσα διατριβή θα μελετηθεί μια εναλλακτική πρότυπη εφαρμογή, ειδικά σχεδιασμένων επίπεδων μεταϋλικών συντονιστών, για την αντικατάσταση των κατακόρυφων συνδέσεων και τον περιορισμό του οδηγούμενου κύματος στη διάταξη.