Σχεδίαση και υλοποίηση κεραιών πολλαπλών εισόδων - εξόδων (ΜΙΜΟ) για συστήματα ασύρματων επικοινωνιών με χρήση της τεχνολογίας των μεταϋλικών

Abstract

The present doctoral dissertation is dealing with the design and fabrication of multiple input - multiple output (MIMO) antennas for wireless communication systems with the use of metamaterials. At first there is a short introduction about the basic principles of metamaterials, we examine the main categories and the basic properties of metamaterials. Afterwards, we examine MIMO antenna systems. We concentrate our study on the MIMO cube and we calculate the system channel capacity for variable side length, along with the number of independent channels. Then, we focus our research on split ring resonator metamaterials. We examine a single unit cell, and we calculate its scattering parameters. By varying its basic geometric dimensions we can estimate the impact each one of them has on the resonance of the SRR. We combine SRR unit cells along with straight and L-shaped monopole antennas, in order to introduce new resonant frequencies. We, thus, create electrically small, metamaterial-based completely planar, monopole antennas. By comparing each antenna's quality factor to the theoretic Chu limit, we show that the antennas perform quiet well. Our research goes on with the design and fabrication of MIMO antennas, enhanced by metamaterials, with reduced mutual coupling. Based on the simple monopole antennas with metamaterials, we construct electrically small, closely packed, MIMO antennas. We initially use SRR close to each monopole antenna in order to introduce new resonant frequencies and then we use a different type of metamaterial cell in order to reduce mutual coupling among neighbor monopoles. Results show a clear reduction in mutual coupling, while radiation efficiency is very high for such closely packed antennas. Finally, after having shown that closely spaced antennas can be decoupled, we try to investigate whether system channel capacity can be maximized, not by decoupling closely spaced antennas but by controlling their near-field mutual coupling in order to decouple their far fields and thus increasing the overall system channel capacity.

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.