Σχεδίαση ευφυών κεραιών για ασύρματα δίκτυα και συστήματα εκπομπής

Abstract

The subject of the present thesis is the study, design and deployment in wireless communication systems of smart antenna arrays of various types (Switched Parasitic Arrays (SPAs), Planar Inverted F Antennas (PIFA)). These are types of smart antennas, which belong to the sub-category of switched beam (SB) antennas. The dissertation focuses on the design of smart antenna systems that facilitate the broadcast and reception of WiFi, mobile WiMAX and mobile telephony (GSM) signal. More specifically, the IEEE 802.11 standard that is widely used is taken into consideration and more attention is paid to the development of smart antenna arrays with extended operational bandwidth that operate at WiFi, mobile WiMAX frequency zones and satisfy the reception conditions (fixed, portable and mobile reception) determined by the above mentioned standard in an optimum manner. Initially the major characteristics of ΙΕΕΕ 802.11 are described. In the following, the kinds and operation principles of smart antennas are presented, together with the advantages offered by their incorporation in a wireless local network system. Furthermore, SPAs studied in the present thesis are developed and the importance of electronic steering of the radiation pattern is stressed. Emphasis is laid on structures that include a corner reflector and dipoles, two active peripheral elements with the remaining elements being short-circuited, and on structures that consist of PIFAs, active or parasitic, symmetrically placed upon a plate. Moreover, elements from the theory of method of moments (MoM) are provided, as this method is used for the electromagnetic analysis of SPAs. The design of the antenna arrays is made feasible with the aid of the stochastic search and optimization technique of genetic algorithms (GAs), which is recommended for the resolution of multi-parametric problems. Various design requirements are satisfied, concerning the shape of the radiation pattern, the gain value and the input impedance. The results prove the efficiency of the proposed design procedures.In addition, reference is made to the construction and experimental measurement of the prototype of a proposed switched parasitic PIFA arrays for a single switching state.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη, σχεδίαση και αξιοποίηση σε ασύρματα συστήματα επικοινωνιών ευφυών στοιχειοκεραιών διαφόρων τύπων (Switched Parasitic Arrays (SPAs), Planar Inverted F Antennas (PIFA)). Πρόκειται για τύπους ευφυών κεραιών (Smart Antennas), οι οποίες εντάσσονται στην επιμέρους κατηγορία των κεραιών στρεφόμενου λοβού (Switched Beam, SB). Η διατριβή εξειδικεύεται στη σχεδίαση ευφυών κεραιοσυστημάτων που διευκολύνουν την εκπομπή και λήψη σήματος ασύρματων τοπικών δικτύων (WiFi, mobile WiMAX) καθώς και δικτύων κινητής τηλεφωνίας (GSM). Πιο συγκεκριμένα, όσον αφορά τα ασύρματα τοπικά δίκτυα, λαμβάνεται υπόψη το πρότυπο IEEE 802.11 που χρησιμοποιείται ευρέως και δίνεται περισσότερη έμφαση στην ανάπτυξη ευφυών κεραιοδιατάξεων με λειτουργικό εύρος ζώνης που λειτουργούν στις ζώνες συχνοτήτων του WiFi, mobile WiMAX και ικανοποιούν κατά βέλτιστο τρόπο τις συνθήκες λήψης (σταθερή, φορητή και κινητή λήψη) που ορίζονται από το εν λόγω πρότυπο. Αρχικά περιγράφονται τα κύρια χαρακτηριστικά του ΙΕΕΕ 802.11. Ακολούθως παρουσιάζονται τα είδη και οι αρχές λειτουργίας των ευφυών κεραιών, καθώς και τα πλεονεκτήματα που συνεπάγεται η ενσωμάτωση τους στα ασύρματα τοπικά δίκτυα. Στη συνέχεια αναπτύσσονται οι διατάξεις SPAs που μελετώνται στην παρούσα διατριβή και τονίζεται η σημασία της ηλεκτρονικής στροφής του διαγράμματος ακτινοβολίας. Σχεδιάζονται διατάξεις από ευφυείς κεραίες μεταγωγής ενεργών και παρασιτικών στοιχείων που προορίζονται για εφαρμογές λήψης σήματος WiFi, mobile WiMAX τοπικών δικτύων καθώς επίσης και κινητής τηλεφωνίας. Δίνεται έμφαση σε δομές που περιλαμβάνουν γωνιακό ανακλαστήρα με δίπολα, δύο ενεργά περιφερειακά στοιχεία με τα υπόλοιπα βραχυκυκλωμένα και σε δομές που αποτελούνται στοιχεία τύπου PIFA, ενεργά ή παρασιτικά, συμμετρικά τοποθετημένα πάνω σε αγώγιμο έδαφος. Ακόμη παρατίθενται στοιχεία από τη θεωρία της μεθόδου των ροπών, η οποία χρησιμοποιείται για την ηλεκτρομαγνητική ανάλυση των SPAs. Η σχεδίαση των κεραιοσυστημάτων πραγματοποιείται με τη βοήθεια της στοχαστικής τεχνικής αναζήτησης και βελτιστοποίησης των γενετικών αλγορίθμων (Genetic Algorithms, GAs), η οποία συνίσταται για την επίλυση πολυπαραμετρικών προβλημάτων. Ικανοποιούνται διάφορες σχεδιαστικές απαιτήσεις που αφορούν στη μορφή του διαγράμματος ακτινοβολίας, την τιμή του κέρδους και την αντίσταση εισόδου. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την ευελιξία και αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων διαδικασιών σχεδίασης. Επιπλέον γίνεται αναφορά στην κατασκευή και πειραματική μέτρηση πρωτοτύπων μιας προτεινόμενης ευφυούς στοιχειοκεραίας μεταγωγής ενεργών και παρασιτικών στοιχείων PIFA για μια κατάσταση μεταγωγής.