Μικροταινιακά συστήματα κινητών επικοινωνιών

Abstract

Wireless communications have experienced enormous advances that have led to countless applications. Mobile communications (GSM and UMTS) and wireless networks (Wi-Fi and Wi-Max) are perhaps the most characteristic examples of such modern applications. The role of an antenna at a wireless link is of great importance and therefore several types of antennas are evolving to support wireless network devices. The specifications for the electrical characteristics are defined by the bandwidth, gain, directivity, and polarization requirements of each application. Moreover, in mobile communications networks, the probability of a deep fade of the signal is high, due to the propagation in a non-uniform structured environment. Therefore, more specifications are needed, such as high mean effective gain and performance independent of the polarization of the impinging waves and the statistical distribution of the direction of arrival of the signals. The fulfilment of some of them leads to the degradation of others. In the present Ph.D. dissertation, two types of antennas that could be used in a wireless communication system are studied and proposed, namely: the microstrip antennas and the simple wire dipole antennas. Both types were evolved, in the dissertation, to antenna systems which, while attaining the characteristics of their simple form, they obtained all the properties that would make them attractive choices for wireless networks. A methodology has been developed based on the design and training of Neural Networks and their use to find the optimized geometrical characteristics of Electromagnetic Bandgap Surfaces (EBG), in order to have special reflection properties. Using this methodology, a parametric study of low profile dipole antennas has been performed, with the polarization dependent electromagnetic bandgap surface (PDEBG) as a ground plane. The structures under study integrate one or two dipoles and a comparison is carried out with the case of using a conventional ground plane (PEC). Furthermore, the designed structures were theoretically evaluated as of their capability to provide polarization and space diversity in mobile communications propagation environments. Finally, an analytical methodology was developed about the improvement of the radiation features of higher order modes of triangular printed antennas, with the use of an EBG ground plane composed of triangular patches. The goal was to design microstrip antennas that operate at two frequency bands, attaining the same operational characteristics.

Η ραγδαία εξέλιξη στο χώρο των ασύρματων επικοινωνιών έχει οδηγήσει σε πλήθος εφαρμογών. Οι κινητές επικοινωνίες (GSM και UMTS) και τα ασύρματα δίκτυα (Wi-Fi και Wi-Max) αποτελούν ίσως τα πιο χαρακτηριστικά παραδείγματα σύγχρονων εφαρμογών αυτού του είδους. Στις ασύρματες ζεύξεις, σημαντικός είναι ο ρόλος των κεραιών και γι’ αυτό αναπτύσσονται διάφοροι τύποι κεραιών για την υποστήριξη των συσκευών ασύρματων δικτύων. Οι προδιαγραφές για τα φυσικά χαρακτηριστικά καθορίζονται από τις ανάγκες του χώρου εγκατάστασης ενώ για τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά καθορίζονται από τις απαιτήσεις σε εύρος ζώνης, απολαβή, κατευθυντικότητα και πόλωση που ορίζει κάθε εφαρμογή. Επιπλέον, σε δίκτυα κινητών επικοινωνιών, η πιθανότητα διάλειψης του σήματος είναι αυξημένη, λόγω της διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε ανομοιόμορφα δομημένο περιβάλλον. Επομένως, κατά τη σχεδίαση των κεραιοσυστημάτων, επιβάλλονται επιπλέον προδιαγραφές όπως η αύξηση της μέσης ενεργού απολαβής και λειτουργικές επιδόσεις ανεξάρτητες κατά το δυνατόν από την πόλωση των προσπιπτόντων κυμάτων καθώς και από το στατιστικό εύρος της κατανομής των διευθύνσεων άφιξης των σημάτων. H επίτευξη ορισμένων από τα παραπάνω χαρακτηριστικά συνεπάγεται την υποβάθμιση κάποιων άλλων. Η παρούσα διατριβή προτείνει δύο τύπους κεραιών που θα μπορούσαν να εξυπηρετήσουν ένα σύστημα ασύρματων επικοινωνιών: τις μικροταινιακές κεραίες και τις απλές διπολικές κεραίες σύρματος. Αμφότεροι οι τύποι εξελίχθηκαν σε κεραιοσυστήματα τα οποία, χωρίς να χάσουν τα χαρακτηριστικά της απλής τους μορφής, απέκτησαν όλες τις ιδιότητες που θα τις καθιστούσαν ελκυστικές επιλογές για ασύρματα δίκτυα. Αναπτύχθηκε μεθοδολογία για τη σχεδίαση και την εκπαίδευση νευρωνικών δικτύων για την εύρεση των βέλτιστων γεωμετρικών χαρακτηριστικών επιφανειών ηλεκτρομαγνητικού χάσματος ζώνης (EBG), ώστε αυτές να εμφανίζουν συγκεκριμένες επιθυμητές ιδιότητες ανάκλασης. Με τη χρήση της μεθοδολογίας αυτής, πραγματοποιήθηκε συστηματική παραμετρική μελέτη διπολικών κεραιών χαμηλού προφίλ με χρήση επιπέδου γείωσης EBG με φάση ανάκλασης εξαρτώμενη από την πόλωση (PDEBG). Η σχεδίαση έγινε στην περιοχή συχνοτήτων κινητών επικοινωνιών τρίτης γενιάς (UMTS). Οι δομές αποτελούνται από ένα ή δύο δίπολα και γίνεται σύγκριση των λειτουργικών χαρακτηριστικών τους με τα αντίστοιχα για τις περιπτώσεις δομών με συμβατικό επίπεδο γείωσης (PEC). Επιπλέον, έγινε αξιολόγηση της διαφορικής λήψης που παρέχουν οι δομές διπολικών κεραιών που σχεδιάστηκαν, μέσω υπολογισμού μεγεθών που χαρακτηρίζουν τη διαφορική λήψη σε περιβάλλοντα διάδοσης κινητών επικοινωνιών. Τέλος, αναπτύχθηκε αναλυτική μεθοδολογία για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών ακτινοβολίας των ρυθμών υψηλότερης τάξης μικροταινιακών κεραιών, με τη χρήση επιπέδου γείωσης EBG αποτελούμενου από τριγωνικά στοιχεία. Στόχος της μεθοδολογίας ήταν η σχεδίαση μικροταινιακών κεραιών που λειτουργούν σε δύο ζώνες συχνοτήτων διατηρώντας τα ίδια χαρακτηριστικά ακτινοβολίας.