Προηγμένα υβριδικά συστήματα εκπομπής - λήψης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας για δίκτυα ασύρματων κινητών επικοινωνιών
Authors: Μούρτζιος Χρήστος 
Published: September 2021

Η Έρευνα που εκπονήθηκε στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής είχε σαν στόχο τη σύνθεση στοιχειοκεραιών που θα μπορούσαν να βελτιώσουν τη λειτουργία ενός ασύρματου δικτύου επικοινωνιών. Βασική επιδίωξη ήταν, το κειραιοσύστημα να παρουσιάζει τα κατάλληλα χαρακτηριστικά λειτουργίας ώστε αυτοδυνάμως να συμβάλλει, όσον αφορά στη δική του βαθμίδα, στην αύξηση των επιδόσεων του δικτύου χωρίς να απαιτείται επιπλέον εξοπλισμός, μειώνοντας κατά τον τρόπο αυτό την πολυπλοκότητα του συστήματος. Η έρευνα επικεντρώθηκε στη σχεδίαση στοιχειοκεραιών, για τη συχνοτική περιοχή UMTS(1.92GHz -2.17GHz), με χαρακτηριστικά: 1) Προφίλ χαμηλό σε σχέση με εκείνο των συμβατικών κεραιών 2) Απολαβή κατά το δυνατόν υψηλή 3) Σύζευξη μεταξύ των στοιχείων χαμηλότερη σε σχέση με εκείνη των κοινών κεραιών και αντίστοιχα χαμηλότερο συντελεστή συσχέτισης των λαμβανόμενων σημάτων. Καθώς οι συμβατικές μέθοδοι σύνθεσης κεραιών συχνά δεν επαρκούν για τη σχεδίαση κεραιών που να ικανοποιούν όλες ταυτόχρονα τις ειδικές απαιτήσεις των σύγχρονων εφαρμογών, επιλέχθηκε, για τη σύνθεση κεραιών με τις παραπάνω προδιαγραφές, η χρήση μικροταινιακών πλεγμάτων Ηλεκτρομαγνητικού Χάσματος Ζώνης (Electromagnetic Band-Gap _EBG). Για τη βελτίωση της ιδιότητας της χαμηλής σύζευξης μεταξύ των στοιχείων της κεραίας, πραγματοποιήθηκε μια καινοτόμος τροποποίηση της δομής του κλασσικού πλέγματος ΕΒG η οποία οδήγησε σε ανομοιόμορφα μή περιοδικά πλέγματα. Προσδιορίστηκαν οι κανόνες σύνθεσης των νέων δομών ώστε να παρουσιάζουν περιοχές εστίασης των ακτίνων σε μικρό ύψος πάνω από την επιφάνειά τους, φαινόμενο που συντελεί τόσο στην επιπλέον αύξηση της απολαβής της κεραίας που θα τοποθετηθεί στο ύψος αυτό, όσο και στη μείωση της σύζευξης μεταξύ των στοιχείων της. Τα υβριδικά κεραιοσυστήματα γραμμικών διπόλων-πλεγμάτων EBG, που σχεδιάστηκαν, επαληθεύουν τη θεωρία που αναπτύχθηκε, ικανοποιούν τις προσδοκίες για βελτίωση των χαρακτηριστικών λειτουργίας, πληρούν τις απαιτούμενες προδιαγραφές και αποδεικνύουν ότι η προτεινόμενη μεθοδολογία είναι αποτελεσματική για τη σχεδίαση κεραιών με τα παραπάνω χαρακτηριστικά. Πραγματοποιήθηκε επίσης βελτιστοποίηση των τιμών των δομικών χαρακτηριστικών των υβριδικών κεραιοσυστημάτων, με ανάπτυξη και εφαρμογή λογισμικού που είχε σα βάση Γενετικούς Αλγορίθμους (Genetic Algorithms_GA). Η βελτιστοποίηση πραγματοποιήθηκε ως προς το μικρότερο δυνατό ύψος εστίασης (επιτεύχθηκε ύψος 5mm-8mm), αλλά και ως προς την ελαχιστοποίηση του συντελεστή συσχέτισης των λαμβανόμενων σημάτων. Συγκεκριμένα όλες οι δομές που σχεδιάστηκαν, έχουν μικρές διαστάσεις και χαμηλό προφίλ και θα ήταν εφικτή η χρήση τους σε φορητές διατάξεις. Επιτεύχθηκε αύξηση της απολαβής των κεραιών τουλάχιστον κατά 3dB, και σε ορισμένες δομές, αποτελούμενες από διστρωματικά πλέγματα, η απολαβή έφθασε εκείνη των κεραιών με ανακλαστήρα PEC, έχοντας το σχετικό πλεονέκτημα της πολύ μικρής πλάγιας κάτοψης. Η βελτιστοποίηση ως προς την ελαχιστοποίηση του συντελεστή συσχέτισης, πραγματοποιήθηκε για ένα μεγάλο εύρος τιμών του δείκτη XPR που αφορά στην πόλωση των προσπιπτόντων κυμάτων με στόχο την ανοχή του συντελεστή στις μεταβολές της πόλωσης των σημάτων, φαινόμενο σύνηθες όταν τα σήματα διαδίδονται σε δομημένο περιβάλλον κινητών επικοινωνιών. Η έρευνα ολοκληρώθηκε μελετώντας την απόδοση της στοιχειοκεραίας ανομοιόμορφου πλέγματος EBG σε ένα σύστημα «Πολλαπλών Εισόδων-Πολλαπλών Εξόδων» (Multiple Input–Multiple Output, MIMO). Επιλέγοντας την καλύτερη δομή σχηματίστηκε ένα 2×2 MIMO σύστημα το οποίο μελετήθηκε με το πρότυπο Kronecker και εν συνεχεία με το πρότυπο Χωρικού καναλιού (Spatial Channel Model) κατά το πρότυπο 3GPP TR 25.996 V6.1.0 (2003-09).