Ανάλυση, σχεδίαση και βελτιστοποίηση μικροκυματικών διατάξεων με στόχο τη βελτίωση της επίδοσης τηλεπικοινωνιακών συστημάτων

Abstract

The scope of the present thesis is the analysis, design and optimization periodic microwave structures, especially electromagnetic band-gaps (EBG) and metamaterials, in order to improve the performance of telecommunication systems. It should be noted that, in the present thesis, for the design of microwave electromagnetic structures, the information of the dispersion diagram is the most important. Based on that, a compact, controllable, wide-band microwave filter with metamaterials and micro-electromechanic systems (MEMS) is proposed. Especially, for the lossy bianisotropic metamaterials, a new technique, based on the eigen-values (i.e. dispersion diagram) and eigen-vectors of the unit cell is developed in order to retrieve the effective parameters. The new technique takes consideration the periodicity of the geometry at the propagation direction and the inversion of trigonometric cosines function in no needed. Throughout the thesis, goal was the easy fabrication, therefore the structures studied are based solely on metallic surfaces on layer interfaces, without the use of vertical connections. Firstly, the geometry of the uniplanar, compact photonic band-gap (UC-PBG) is analyzed with a method based on vector elements, in terms of the dispersion diagram. It is shown that the obtained band-gap is different and more narrow than the initially published. Hence, the UC-PBG is modified and optimized with aspect to maximize the gap to mid-gap ratio (Δω/ω0), which is eventually improved at about 1000%. The optimized structure is used to reduce the mutual coupling of a MIMO antenna at 5.6 GHz (WiMAX) and the measured results shown that the transmission coefficient is reduced at about 12 dB. It is worth noted that the only information required in the latter technique is the dispersion diagram; hence, there is no need to optimize the whole geometry, a fact that significantly reduces the computational effort. Subsequently, in order to design uniplanar EBG structures with wider band-gap zones, the method of dyadic discretization with a genetic algorithm (GA) is used. The resulted geometry was commencing point for the proposal of four new uniplanar EBG structures with optimized characteristics. The proposed, easy to fabricate configurations, are optimized in order to maximize the resulted band-gap zone or to shift the band-gap to lower frequencies, which leads to the electrically compactization of the unit cell. Their use in low profile antenna applications and mutual coupling reduction of planar radiating elements is investigated. Especially, is design and simulated a low profile antenna with enchased gain (8 dB). Moreover, one of the four geometries is used to reduce mutual coupling of a MIMO antenna at 5.6 GHz (WiMAX), and the measured results shown that the transmission coefficient is reduced at about 13.5 dB. Finally, the absorbing potential of one of the four proposed EBG structures is tested, based on the information of the reflection coefficient amplitude. Particularly, a metallic cube is surrounded by EBG unit cells and the simulated monostatic and bistatic radio cross section is reduced at about 10 dB.

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής υπήρξε η μελέτη, η ανάλυση, η βελτιστοποίηση και η χρήση περιοδικών δομών (δομές διακένων ζώνης – ΔΔΖ – και μεταϋλικά) σε μικροκυματικές διατάξεις με στόχο τη βελτίωση της επίδοσης σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Ιδιαίτερη σημασία δόθηκε στο εξαγόμενο διάγραμμα διασποράς (ΔΔ) καθώς και στη διάκριση του είδους των κυμάτων σε επιφανειακά, ακτινοβολούμενα και επίπεδου κύματος. Έτσι, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε συμπαγές χαμηπερατό, ευρυζωνικό, αναπροσαρμόσιμο φίλτρο με ΔΔΖ μεταϋλικού και μικροηλεκτρομηχανικούς διακόπτες (MEMS). Ειδικότερα, στα μεταϋλικά, προτείνεται νέα μέθοδος εξαγωγής ισοδύναμων καταστατικών παραμέτρων διανισοτροπικών υλικών με απώλειες, η οποία βασίζεται στις ιδιοτιμές (ισοδύναμα στο ΔΔ), και στα ιδιοδιανύσματα της περιοδικής δομής, δηλαδή σε εκείνα τα χαρακτηριστικά που προσδιορίζουν μοναδικά ένα υλικό. Βασικά πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι ότι λαμβάνεται υπόψη η περιοδικότητα της γεωμετρίας κατά μήκος της διεύθυνσης διάδοσης ενώ κατά την επίλυση δεν απαιτείται αντιστροφή τριγωνομετρικής συνάρτησης, η οποία θα εισήγαγε το πρόβλημα της επιλογής κατάλληλου κλάδου κάθε φορά. Σε όλη τη διατριβή ζητούμενο υπήρξε η εύκολη κατασκευή, συνεπώς οι δομές που μελετήθηκαν και προτάθηκαν είναι ομοεπίπεδες ενώ επίσης απουσιάζουν και οι κάθετες αγώγιμες συνδέσεις. Αρχικά μελετήθηκε η δομή του ομοεπίπεδου συμπαγούς φωτονικού διακένου ζώνης (ΟΣ-ΦΔΖ). Διαπιστώθηκε ασυμφωνία ανάμεσα στο δημοσιευμένο ΔΔ και στο προκύπτον, βάσει της μεθόδου που προτείνεται στην παρούσα διατριβή. Ο νέος λόγος διακένου ζώνης προς μεσόκενο (Δω/ω0) είναι 1,9%, γεγονός που καθιστά τη δομή μη αποδοτική. Τα συμπεράσματα επαληθεύτηκαν αριθμητικά με δύο μεθόδους. Η ΟΣ-ΦΔΖ τροποποιείται και βελτιστοποιείται. Το νέο Δω/ω0 φτάνει τα 19% (αύξηση περίπου 1000%). Η τροποποιημένη δομή χρησιμοποιείται στη μείωση της αμοιβαίας σύζευξης στοιχειοκεραίας τύπου ΜΙΜΟ 1x2 στα 5,6 GHz (WiMAX). Η μείωση φτάνει τα 12 dB (αριθμητική και πειραματική επαλήθευση). Μέσω της μεθόδου της δυαδικής διακριτοποίησης προτείνεται νέα δομή με Δω/ω0 = 22,82%, η οποία αποτέλεσε και την αφετηρία για την πρόταση τεσσάρων νέων ΔΔΖ με βελτιωμένα χαρακτηριστικά όπως η εύκολη υλοποίηση, ο ευέλικτος σχεδιασμός και η υψηλή απόδοση (αυξημένο Δω/ω0). Τα ΔΔ επαληθεύονται αριθμητικά και πειραματικά μέσω νέας μετρητικής διάταξης. Μια από τις δομές χρησιμοποιείται και πάλι στη μείωση της αμοιβαίας σύζευξης στοιχειοκεραίας ΜΙΜΟ 1x2 στα 5,6 GHz (WiMAX). Η μείωση φτάνει τα 13,5 dB (αριθμητική και πειραματική επαλήθευση). Επίσης, με την ίδια ΔΔΖ, σχεδιάζεται και προσομοιώνεται κατευθυντική κεραία χαμηλού προφίλ με κέρδος περίπου 8 dB. Τέλος, η ΔΔΖ χρησιμοποιήθηκε στο σχεδιασμό απορροφητικών επιφανειών με μόνη πληροφορία το μέτρο του συντελεστή ανάκλασης επίπεδου κύματος που προσπίπτει σε αυτήν. Μεταλλικός κύβος καλύφθηκε με τη ΔΔΖ και από τον υπολογισμό της ενεργούς διατομής σκέδασης προέκυψε μείωση 10 dB για κάθετη πρόπτωση. Επιπρόσθετα, η ΔΔΖ βελτιστοποιήθηκε μέσω γενετικού αλγορίθμου με στόχο τόσο την αύξηση του Δω/ω0, φτάνοντας τα 31.87%, όσο και την ηλεκτρική μείωση του μεγέθους της δομής μέσω της μετατόπισης της ζώνης αποκοπής κατά 1 GHz σε χαμηλότερες συχνότητες.