Προηγμένα υβριδικά συστήματα εκπομπής - λήψης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας για δίκτυα ασύρματων κινητών επικοινωνιών

Abstract

The research conducted in the PhD thesis focused on designing antenna arrays that could improve a wireless communications network. The main goal was to synthesize a system with attributes that could contribute to the increase of the network’s performance without requiring any additional equipment, thus reducing the complexity of the system. The arrays were designed to operate in the UMTS frequency range (1.92GHz -2.17GHz), with the following features: 1) Low profile compared to conventional antennas 2) The highest possible gain 3) Lower mutual coupling among the antenna array elements and lower correlation coefficient compared to conventional antenna designs. Since conventional antenna synthesis methods cannot adequately design antennas that meet the aforementioned special requirements of modern applications, Electromagnetic Band-Gap (EBG) structures were chosen to provide the antenna array with the above specifications. The classical uniform EBG grids behave as Perfect Magnetic Conductors (PMC) which can potentially lead to increased antenna gain for antennas placed near their surface, creating very low-profile systems. In order to reduce the coupling between the antenna elements, an innovative modification of the classical EBG grid formation has been carried out leading to non-uniform and non-periodic EBG grids. The new hybrid EBG structures were accurately defined in order to achieve focusing of the reflected rays at a certain point a few millimeters above their surface. This focusing phenomenon contributes to the increased gain and coupling reduction for antenna elements positioned at that point. The hybrid EBG linear grid array antenna systems verified the theory, met the expectations for improved operating characteristics and proved effective for antenna designs with the above features. Next, the non-uniform EBG structures were optimized as far as it concerns their structural characteristics via the development and application of software based Genetic Algorithms (GA). The optimization process lowered the focusing point (5mm-8mm height was achieved) and minimized the correlation coefficient of the received signals. The antenna gain increased more than 3dB and some double EBG layer structures achieved PEC equivalent gain having the advantage of low profile. Furthermore, the non-uniform EBG increased the isolation between antenna elements by 10dB, leading to correlation coefficient values less than 0.1 and lower than those recorded by the uniform EBG structures. The GA algorithm minimized the correlation coefficient for a wide range of XPR values, an index regarding the ability of the antenna to mitigate signal polarization changes which is a common phenomenon when signals propagate in a structured mobile communications environment. The hybrid EBG’s multi-mode behavior was studied based on the periodic structure’s theory and combined with successive simulations resulted in a new EBG structure with multi-frequency operation in three frequency bands: 2.03 GHz (UMTS), 3.98 GHz (S-Band) and 5.045 GHz (Wi-Fi).The last part of the research dealt with the study of the performance of a non-uniform EBG antenna in a “Multiple Input-Multiple Output” (MIMO) system. The best structure formed a 2x2 MIMO system and its study was based on the Kronecker model and the Spatial Channel Model in the 3GPP TR standard 25996 V6.1.0 (2003-09

Η Έρευνα που εκπονήθηκε στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής είχε σαν στόχο τη σύνθεση στοιχειοκεραιών που θα μπορούσαν να βελτιώσουν τη λειτουργία ενός ασύρματου δικτύου επικοινωνιών. Βασική επιδίωξη ήταν, το κειραιοσύστημα να παρουσιάζει τα κατάλληλα χαρακτηριστικά λειτουργίας ώστε αυτοδυνάμως να συμβάλλει, όσον αφορά στη δική του βαθμίδα, στην αύξηση των επιδόσεων του δικτύου χωρίς να απαιτείται επιπλέον εξοπλισμός, μειώνοντας κατά τον τρόπο αυτό την πολυπλοκότητα του συστήματος. Η έρευνα επικεντρώθηκε στη σχεδίαση στοιχειοκεραιών, για τη συχνοτική περιοχή UMTS(1.92GHz -2.17GHz), με χαρακτηριστικά: 1) Προφίλ χαμηλό σε σχέση με εκείνο των συμβατικών κεραιών 2) Απολαβή κατά το δυνατόν υψηλή 3) Σύζευξη μεταξύ των στοιχείων χαμηλότερη σε σχέση με εκείνη των κοινών κεραιών και αντίστοιχα χαμηλότερο συντελεστή συσχέτισης των λαμβανόμενων σημάτων. Καθώς οι συμβατικές μέθοδοι σύνθεσης κεραιών συχνά δεν επαρκούν για τη σχεδίαση κεραιών που να ικανοποιούν όλες ταυτόχρονα τις ειδικές απαιτήσεις των σύγχρονων εφαρμογών, επιλέχθηκε, για τη σύνθεση κεραιών με τις παραπάνω προδιαγραφές, η χρήση μικροταινιακών πλεγμάτων Ηλεκτρομαγνητικού Χάσματος Ζώνης (Electromagnetic Band-Gap _EBG). Για τη βελτίωση της ιδιότητας της χαμηλής σύζευξης μεταξύ των στοιχείων της κεραίας, πραγματοποιήθηκε μια καινοτόμος τροποποίηση της δομής του κλασσικού πλέγματος ΕΒG η οποία οδήγησε σε ανομοιόμορφα μή περιοδικά πλέγματα. Προσδιορίστηκαν οι κανόνες σύνθεσης των νέων δομών ώστε να παρουσιάζουν περιοχές εστίασης των ακτίνων σε μικρό ύψος πάνω από την επιφάνειά τους, φαινόμενο που συντελεί τόσο στην επιπλέον αύξηση της απολαβής της κεραίας που θα τοποθετηθεί στο ύψος αυτό, όσο και στη μείωση της σύζευξης μεταξύ των στοιχείων της. Τα υβριδικά κεραιοσυστήματα γραμμικών διπόλων-πλεγμάτων EBG, που σχεδιάστηκαν, επαληθεύουν τη θεωρία που αναπτύχθηκε, ικανοποιούν τις προσδοκίες για βελτίωση των χαρακτηριστικών λειτουργίας, πληρούν τις απαιτούμενες προδιαγραφές και αποδεικνύουν ότι η προτεινόμενη μεθοδολογία είναι αποτελεσματική για τη σχεδίαση κεραιών με τα παραπάνω χαρακτηριστικά. Πραγματοποιήθηκε επίσης βελτιστοποίηση των τιμών των δομικών χαρακτηριστικών των υβριδικών κεραιοσυστημάτων, με ανάπτυξη και εφαρμογή λογισμικού που είχε σα βάση Γενετικούς Αλγορίθμους (Genetic Algorithms_GA). Η βελτιστοποίηση πραγματοποιήθηκε ως προς το μικρότερο δυνατό ύψος εστίασης (επιτεύχθηκε ύψος 5mm-8mm), αλλά και ως προς την ελαχιστοποίηση του συντελεστή συσχέτισης των λαμβανόμενων σημάτων. Συγκεκριμένα όλες οι δομές που σχεδιάστηκαν, έχουν μικρές διαστάσεις και χαμηλό προφίλ και θα ήταν εφικτή η χρήση τους σε φορητές διατάξεις. Επιτεύχθηκε αύξηση της απολαβής των κεραιών τουλάχιστον κατά 3dB, και σε ορισμένες δομές, αποτελούμενες από διστρωματικά πλέγματα, η απολαβή έφθασε εκείνη των κεραιών με ανακλαστήρα PEC, έχοντας το σχετικό πλεονέκτημα της πολύ μικρής πλάγιας κάτοψης. Η βελτιστοποίηση ως προς την ελαχιστοποίηση του συντελεστή συσχέτισης, πραγματοποιήθηκε για ένα μεγάλο εύρος τιμών του δείκτη XPR που αφορά στην πόλωση των προσπιπτόντων κυμάτων με στόχο την ανοχή του συντελεστή στις μεταβολές της πόλωσης των σημάτων, φαινόμενο σύνηθες όταν τα σήματα διαδίδονται σε δομημένο περιβάλλον κινητών επικοινωνιών. Η έρευνα ολοκληρώθηκε μελετώντας την απόδοση της στοιχειοκεραίας ανομοιόμορφου πλέγματος EBG σε ένα σύστημα «Πολλαπλών Εισόδων-Πολλαπλών Εξόδων» (Multiple Input–Multiple Output, MIMO). Επιλέγοντας την καλύτερη δομή σχηματίστηκε ένα 2×2 MIMO σύστημα το οποίο μελετήθηκε με το πρότυπο Kronecker και εν συνεχεία με το πρότυπο Χωρικού καναλιού (Spatial Channel Model) κατά το πρότυπο 3GPP TR 25.996 V6.1.0 (2003-09).