Ανάλυση και σχεδίαση διατάξεων οδήγησης και ακτινοβολίας με βάση υλικά με τεχνητές ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες για σύγχρονα συστήματα ασύρματων επικοινωνιών
Authors: Πασσιά Μαρία-Θάλεια 
Published: September 2021

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη υπολογιστικών τεχνικών για τη σχεδίαση διατάξεων βασισμένων στην τεχνολογία των μεταϋλικών. Το ενδιαφέρον εστιάζεται κυρίως σε σύγχρονα συστήματα ασύρματων επικοινωνιών, με έμφαση στην περιοχή των χιλιοστομετρικών συχνοτήτων. Καθώς οι επικοινωνίες μετατοπίζονται σε ολοένα και υψηλότερες συχνότητες, καθίσταται ιδιαίτερα σημαντική η εύρεση κατάλληλων γραμμών μεταφοράς, που συνδυάζουν την επίπεδη μορφή και την ευκολία κατασκευής με χαμηλές απώλειες. Οι κυματοδηγοί ολοκληρωμένοι σε υπόστρωμα (SIW) αποτελούν την τρέχουσα κατάσταση για τις χιλιοστομετρικές συχνότητες, για αυτό και το πρώτο σκέλος της διατριβής αφιερώνεται στην υπολογιστική τους ανάλυση. Καθώς οι SIW είναι περιοδικές διατάξεις, εξετάζονται κατάλληλες υπολογιστικές τεχνικές, που βασίζονται στο θεώρημα Bloch-Floquet, και υλοποιούνται μέσω της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων (FEM). Βάσει της ανάλυσης των περιοδικών προβλημάτων ιδιοτιμών αλλά και προβλημάτων διέγερσης επιβεβαιώνονται τα χαρακτηριστικά διάδοσης του SIW. Ως επόμενο βήμα προτείνονται δύο νέοι κυματοδηγοί, που βασίζονται στον SIW, με τις κάθετες μεταλλικές διασυνδέσεις να έχουν αντικατασταθεί με κατάλληλες δομές μεταϋλικών. Οι νέοι κυματοδηγοί είναι πλήρως επίπεδοι, διατηρούν τις χαμηλές απώλειες του SIW, ενώ χαρακτηρίζονται από σημαντικά ευκολότερη διαδικασία κατασκευής. Ο πρώτος εξ’ αυτών είναι ο SIW που δομείται από ευρύπλευρα συζευγμένους συμπληρωματικούς συντονιστές διακεκομμένου δακτυλίου (BC-CSRR SIW). Ο δεύτερος αποτελεί μια εξέλιξη του πρώτου, με τους BC-CSRR να αντικαθίστανται με ακμιακά συζευγμένους CSRR (EC-CSRR), ώστε o κυματοδηγός να έχει ακόμα απλούστερη διαδικασία κατασκευής, χάρη στην μονοεπίπεδη μορφή του. Η ανάλυση των κυματοδηγών πραγματοποιείται μέσω περιοδικών προβλημάτων ιδιοτιμών, με τα αποτελέσματα να επιβεβαιώνονται μέσω προβλημάτων διέγερσης αλλά και μετρήσεων. Οι νέοι αυτοί κυματοδηγοί αξιοποιήθηκαν για τη σχεδίαση ενός διαιρέτη ισχύος 1 επί 2, ο οποίος βασίζεται στο φαινόμενο της συμβολής των ρυθμών ενός πολύρρυθμου ΒC-CSRR SIW, καθώς και για την υλοποίηση περιοδικών κεραιών κύματος διαρροής (PLWA). Αρχικά σχεδιάστηκαν ομοιόμορφες κεραίες κύματος διαρροής, μία για καθένα κυματοδηγό, οι οποίες χαρακτηρίζονται από υψηλό κέρδος, πλήρως επίπεδη μορφή αλλά και δυνατότητα στροφής του κύριου λοβού συναρτήσει της συχνότητας. Προτάθηκαν και ανομοιόμορφες PLWA βάσει του ΕC-CSRR SIW, ακολουθώντας κατανομή Taylor 20 dB, για μείωση των πλευρικών λοβών. Η επίτευξη υψηλότερου κέρδους, περίπου 21 dBi, κατέστη δυνατή, με σχεδίαση δισδιάστατων ανομοιόμορφων στοιχειοκεραιών PLWA 3 επί 21. Τα χαρακτηριστικά του κύματος διαρροής υπολογίστηκαν μέσω περιοδικών προβλημάτων ιδιοτιμών, και τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν μέσω προσομοιώσεων και μετρήσεων. Στο τελευταίο σκέλος της διατριβής η αξιοποίηση των μεταϋλικών επεκτείνεται σε διατάξεις μεγάλης κλίμακας με δισδιάστατη μορφή, τις λεγόμενες μεταεπιφάνειες. Προτείνεται η ανάλυση των δομών αυτών μέσω μιας ημιαναλυτικής μεθόδου, της θεωρίας συζευγμένων ρυθμών στο πεδίο του χρόνου (TCMT). Εξετάζονται ομοιόμορφες και ανομοιόμορφες μεταεπιφάνειες, με τα αποτελέσματα της CMT να συγκρίνονται με αυτά της FEM. Η σύγκριση εστιάζεται και στις υπολογιστικές απαιτήσεις, με τη CMT να αποδεικνύεται σημαντικά απλούστερη και ταχύτερη, προσφέροντας μια καλή εκτίμηση της απόκρισης των διατάξεων.