Μελέτη και βελτιστοποίηση μικρών μικροταινιακών κεραιών
Authors: Μαυρίδης Γεώργιος 
Published: January 2014

Στην περιοχή των σύγχρονων κινητών επικοινωνιών υπάρχει μία έντονη ζήτηση για όλο και πιο περιορισμένου μεγέθους κεραίες, με διαστάσεις πολύ μικρότερες από το συνηθισμένο μισό μήκος κύματος, οι οποίες συγχρόνως να είναι και ικανές να παρουσιάζουν λειτουργίες που κανονικά θα απαιτούσαν μία συστοιχία κεραιών για να επιτευχθούν. Ο τομέας των μικρών κεραιών αποτελεί μία ισχυρή πρόταση που μπορεί να ικανοποιήσει τις παραπάνω απαιτήσεις. Ο στόχος της εργασίας αυτής είναι η ανάπτυξη και η μελέτη (α) λειτουργικά μικρών κεραιών, οι οποίες παρουσιάζουν το χαρακτηριστικό της επίτευξης αυξημένης λειτουργικότητας χωρίς απαραίτητα μεγάλη αύξηση των διαστάσεων τους και (β) ηλεκτρικά μικρών κεραιών που από την άποψη των φυσικών τους διαστάσεων μπορούν να περιοριστούν μέσα σε μία σφαίρα ακτίνας λ/2π (το όριο μικρής κεραίας). Στα πλαίσια της πρώτης κατηγορίας η συνεισφορά της διατριβής είναι η ανάπτυξη, ο σχεδιασμός και η κατασκευή μια κεραίας διαφορικής λήψης δύο κλάδων που λειτουργεί στις περιοχές 2400-2484 ΜΗz και 5150-5350 MHz της ζώνης συχνοτήτων ISM. Η διάταξη προορίζεται για χρήση κυρίως σε φορητούς υπολογιστές, τοποθετούμενη πίσω από την οθόνη ή σε ασύρματους δρομολογητές. Οι μετρήσεις των ηλεκτρικών μεγεθών του πρωτοτύπου βρέθηκαν σε απόλυτη συμφωνία με τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και επιβεβαίωσαν την επιτυχία του σχεδιασμού. Έτσι αποδείχθηκε ότι πληρούνται τα κριτήρια λειτουργίας διαφορικής λήψης ενώ συγχρόνως η κεραία παρουσιάζει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά της περιορισμένης επιφάνειας και του εκτεταμένου εύρους ζώνης. Στην κατηγορία των ηλεκτρικά μικρών κεραιών, στην παρούσα διατριβή διερευνάται η διαδικασία σμίκρυνσης ορθογωνικών μικροταινιακών κεραιών με τη χρήση σχισμών παράλληλα προς τις ακτινοβολούσες πλευρές και ελέγχεται η ισχύς εφαρμογής ακριβών και προσεγγιστικών εκφράσεων για τον υπολογισμό του συντελεστή ποιότητας της κεραίας που έχουν προταθεί και χρησιμοποιηθεί σε κεραίες σύρματος. Κατά τη διαδικασία εφαρμογής της σμίκρυνσης, παρατηρείται σημαντική μείωση της συχνότητας συντονισμού εξαρτώμενη από το μήκος και το πλάτος της σχισμής αλλά με ταυτόχρονη χειροτέρευση της απόδοσης και του εύρους ζώνης λειτουργίας της κεραίας. Η συμπεριφορά των εκφράσεων για τον υπολογισμό του παράγοντα ποιότητας ελέγχθηκε με προσομοιώσεις και μετρήσεις των πρωτοτύπων που κατασκευάστηκαν και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με το θεμελιώδες όριο του Chu καθώς και με το όριο μικρής κεραίας του Wheeler. Οι προκύπτουσες κεραίες μπορούν να χαρακτηρισθούν ως ηλεκτρικά μικρές σύμφωνα με τα θεμελιώδη όρια. Επιλέγοντας μια μέση μείωση μεγέθους, επιτυγχάνεται ικανοποιητική απόδοση ακτινοβολίας ενώ συγχρόνως το διάγραμμα ακτινοβολίας των κεραιών διατηρείται αναλλοίωτο. Ειδικότερα, για μείωση της συχνότητας συντονισμού περίπου κατά 50% επιτυγχάνεται μείωση της επιφάνειας του ακτινοβολούντος στοιχείου της τάξης του 44%, διατηρώντας τις επιτυγχανόμενες αποδόσεις στο 50%, ενώ το εύρος ζώνης μειώνεται περαιτέρω στο 0.5%. Τα διαγράμματα ακτινοβολίας όλων των διατάξεων παρέμειναν πρακτικά ανεπηρέαστα από τη διαδικασία σμίκρυνσης της κεραίας. Τα δύο τελευταία χαρακτηριστικά είναι κι αυτά που παρουσιάζουν ενδιαφέρον στο πεδίο των ηλεκτρικά μικρών κεραιών: η εφαρμογή και χρησιμοποίησή τους σε συστήματα μικρών δεκτών (όπως στην τεχνολογία RF-tag και NFC), όπου απαιτούνται αναλλοίωτα διαγράμματα ακτινοβολίας ενώ γίνονται παραχωρήσεις στον τομέα της απόδοσης, αλλά και του εύρους ζώνης.