Σχεδίαση και υλοποίηση κεραιών πολλαπλών εισόδων - εξόδων (ΜΙΜΟ) για συστήματα ασύρματων επικοινωνιών με χρήση της τεχνολογίας των μεταϋλικών
Authors: Ντάικος Δημήτριος 
Published: August 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως θέμα τη σχεδίαση και υλοποίηση κεραιών πολλαπλών εισόδων - εξόδων (ΜΙΜΟ) για συστήματα ασύρματων επικοινωνιών με χρήση της τεχνολογίας των μεταϋλικών. Αρχικά γίνεται μια μικρή εισαγωγή στη θεωρία των μεταϋλικών, αναφέρονται οι κυριότεροι τύποι τους καθώς και οι ιδιότητές τους. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στα συστήματα ΜΙΜΟ. Αναφέρονται οι κυριότερες κατηγορίες τους και εξετάζεται ο κύβος ΜΙΜΟ. Υπολογίζεται η χωρητικότητα του συστήματος για μεταβλητό μήκος ακμής του κύβου ΜΙΜΟ καθώς και ο αριθμός των ανεξάρτητων μεταξύ τους καναλιών του συστήματος. Ακολούθως, εξετάζονται τα μεταϋλικά τύπου SRR. Μελετάται το μοναδιαίο κελί του διπλού συντονιστή διακεκομμένου δακτυλίου και εξάγονται οι παράμετροι σκέδασης αυτού. Παράλληλα εξηγείται και ο τρόπος με τον οποίο μπορεί κανείς να μετρήσει τέτοιου είδους μοναδιαία κελιά μεταϋλικών. Διερευνάται επίσης και ο τρόπος με τον οποίο η μεταβολή των βασικών γεωμετρικών διαστάσεων του μοναδιαίου κελιού επηρεάζει την απόκρισής του σε συνάρτηση με τη συχνότητα. Έπειτα μελετώνται, σχεδιάζονται και κατασκευάζονται ηλεκτρικά μικρές, επίπεδες κεραίες μεταϋλικών με πολλαπλές ζώνες λειτουργίας. Αρχικά σχεδιάζονται μονοπολικές κεραίες, τόσο ευθύγραμμες όσο και σχήματος L και στη συνέχεια τοποθετούνται μοναδιαία κελιά SRR κοντά τους. Αναλύεται η συμπεριφορά των κεραιών αυτών και εξάγονται οι παράμετροι σκέδασης σε συνάρτηση με τη συχνότητα τόσο μέσω προσομοίωσης, όσο και από μετρήσεις στις κατασκευασμένες κεραίες. Γίνεται σύγκριση του συντελεστή ποιότητας των κεραιών με το θεωρητικό όριο Chu για ηλεκτρικά μικρές κεραίες και αποδεικνύεται πως ο σχεδιασμός είναι ιδιαίτερα επιτυχημένος. Κατόπιν, η έρευνα επεκτείνεται σε κεραίες ΜΙΜΟ. Βασιζόμενοι στα αποτελέσματα των απλών κεραιών με μεταϋλικά, σχεδιάζονται και υλοποιούνται εντελώς επίπεδες κεραίες μεταϋλικών ΜΙΜΟ. Αρχικά τοποθετούνται κοντά στις κεραίες μοναδιαία κελιά SRR ώστε να εμφανιστούν συντονισμοί στις επιθυμητές ζώνες συχνοτήτων, ενώ στη συνέχεια γίνεται προσπάθεια ώστε να αποσυζευχθούν οι πλησίον βρισκόμενες μονοπολικές κεραίες μεταϋλικών. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση νέων μοναδιαίων κελιών μεταϋλικών, διαφορετικού τύπου από ότι πριν, τα οποία αποτρέπουν τη διάδοση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από τη μία κεραία στις άλλες. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης παρουσιάζουν αξιοσημείωτη ταύτιση με τα μετρούμενα αποτελέσματα, αλλά και μέσω του συντελεστής συσχέτισης για τα γειτονικά στοιχεία της κεραίας αποδεικνύεται πως έχει επιτευχθεί σχεδόν πλήρης αποσύζευξη των στοιχείων της κεραίας ΜΙΜΟ. Τέλος, μελετάται η δυνατότητα μεγιστοποίησης της συνολικής χωρητικότητας του καναλιού του συστήματος μέσω ρύθμισης της αμοιβαίας σύζευξης των κεραιών. Αρχικά αποδεικνύεται ότι για δύο κεραίες λ/4 που βρίσκονται σε μικρές αποστάσεις μεταξύ τους μπορεί να επιτευχθεί ελαχιστοποίηση της αμοιβαίας τους σύζευξης, ενώ ακολούθως αποδεικνύεται ότι δεν είναι απαραίτητη η πλήρης αποσύζευξη των κεραιών ώστε να μεγιστοποιηθεί η συνολική χωρητικότητα του καναλιού, αλλά με κατάλληλη ρύθμιση της σύζευξης των κοντινών τους πεδίων επιτυγχάνεται αποσύζευξη των μακρινών πεδίων και κατά συνέπεια βελτιστοποίηση της χωρητικότητας του καναλιού συνολικά.