Σχεδίαση και βελτιστοποίηση πολυσυχνοτικών στοιχειοκεραιών

Abstract

The main subject of this doctoral thesis is the design and optimization of multi-frequency antenna arrays. Specifically, the analysis and extension of the Orthogonal Method (OM) is performed to solve complex array design problems. The thesis is divided into five chapters. Chapter 1 includes an introduction to the antenna arrays. Relevant characteristic parameters and indices are also given. In Chapter 2 the specific characteristics of linear, planar and three-dimensional (3D) arrays are given while the properties of their elements are also analyzed. In particular, starting from isotropic sources, the elementary, the specific length as well as the crossed dipoles are analyzed. The properties of the horn antennas are then explained. In addition a numerical methodology of horn design with optimal characteristics is described, which is also one of the contributions of this thesis. The chapter concludes with the description of the microstrip antennas. Chapter 3 describes the design procedure of linear arrays with or without constraints. The constraints relate to the zeroing of the radiation pattern at specific directions (angles), the minimization of the pattern in specific angular sectors, the determination of the level of specific side lobes and the combination of all of the above. Also in this chapter is developed the Perturbation Method which in combination with the Orthogonal Method determines the positions of the antenna elements. Finally, the Orthosynthesis is analyzed, which is a new variant of the OM. In the context of the contribution of the thesis, specific detailed examples are given in all the above procedures. Chapter 4 describes the Orthogonal Perturbation Method (OPM) under constraints. The OPM is applied in planar antenna arrays with a large number of elements. The cost function and processing is done in the form of matrices. It is noted that the radiation pattern is given as an analytical function or in mask form. A set of examples shows the capabilities and accuracy of the method. Examples include cases involving satellite antennas. These antennas are required to be multi-frequency. This was achieved by using the Orthogonal Method. The specifications of the antennas under study were established by the European Space Agency (ESA) and the results were particularly satisfactory. The last part of the thesis is Chapter 5. This explains the numerical difficulties of the OM and describes the mathematical methods by which they are treated. The optimization methods used to check the validity of the results are also analyzed. The dissertation ends with the final conclusions and the list of publications that emerged from the research process.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά στην σχεδίαση και βελτιστοποίηση πολυσυχνοτικών στοιχειοκεραιών. Συγκεκριμένα πραγματοποιείται η ανάλυση και επέκταση της Ορθογωνικής Μεθόδου (ΟΜ) για την επίλυση σύνθετων προβλημάτων σχεδίασης Στοιχειοκεραιών. Η διατριβή διαρθρώνεται σε πέντε Κεφάλαια. Στο 1ο Κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις στοιχειοκεραίες και δίνονται σχετικές χαρακτηριστικές παράμετροι και δείκτες. Στο 2ο Κεφάλαιο αναπτύσσονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των γραμμικών, των επίπεδων και των στοιχειοκεραιών τριών διαστάσεων ενώ αναλύονται και οι ιδιότητες των στοιχείων τους. Ειδικά αρχίζοντας από τις ισοτροπικές πηγές, αναλύονται τα στοιχειώδη, τα συγκεκριμμένου μήκους καθώς και τα διασταυρούμενα δίπολα. Στην συνέχεια εξηγούνται οι ιδιότητες των Χοανών. Μάλιστα, περιγράφεται μια αριθμητική μεθοδολογία σχεδίασης χοάνης με βέλτιστα χαρακτηριστικά, η οποία αποτελεί και μία από τις συνεισφορές της παρούσας διατριβής. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την περιγραφή των μικροταινιακών κεραιών. Στο 3ο Κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία σχεδίασης γραμμικών στοιχειοκεραιών με ή χωρίς προϋποθέσεις. Οι προϋποθέσεις αφορούν στους μηδενισμούς του διαγράμματος ακτινοβολίας σε συγκεκριμένες διευθύνσεις, στην ελαχιστοποίηση του διαγράμματος σε συγκεκριμμένους γωνιακούς τομείς, στον καθορισμό του επιπέδου συγκεκριμμένων πλευρικών λοβών και στον συνδυασμό όλων των παραπάνω. Επίσης σε αυτό το κεφάλαιο αναπτύσσεται η μεθοδολογία των διαταραχών που σε συνδυασμό με την ορθογωνική μέθοδο καθορίζει τις θέσεις των στοιχείων της κεραίας. Τέλος, γίνεται ανάλυση της Ορθοσύνθεσης η οποία είναι μια νέα παραλλαγή της ορθογωνικής μεθόδου. Στα πλαίσια της συνεισφοράς της διατριβής, σε όλες τις παραπάνω διαδικασίες δίνονται συγκεκριμμένα αναλυτικά παραδείγματα. Στο 4ο κεφάλαιο περιγράφεται η ορθογωνική μέθοδος των διαταραχών (ΟΜΔ) με πρϋποθέσεις. Η ΟΜΔ αφορά επίπεδες στοιχειοκεραίες με μεγάλο αριθμό στοιχείων. Η συνάρτηση κόστους και η επεξεργασία γίνεται σε μορφή μητρώων. Σημειώνεται ότι το διάγραμμα ακτινοβολίας δίνεται ως αναλυτική συνάρτηση ή σε μορφή μάσκας. Ένα σύνολο παραδειγμάτων δείχνει τις δυνατότητες και την ακρίβεια της μεθόδου. Μεταξύ των άλλων στα παραδείγματα παρατίθενται περιπτώσεις που αφορούν στις κεραίες δορυφόρων. Οι κεραίες αυτές απαιτείται να έχουν, εκτός των άλλων, πολυσυχνοτικό χαρακτήρα. Αυτό επιτεύχθηκε με την χρήση της ορθογωνικής μεθόδου. Οι προδιαγραφές των υπό μελέτη κεραιών καθορίστηκαν από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ΕΟΔ) και τα αποτελέσματα ήταν ιδιαίτερα ικανοποιητικά. Η διατριβή ολοκληρώνεται με το 5ο Κεφάλαιο. Σε αυτό εξηγούνται οι αριθμητικές δυσκολίες της ορθογωνικής μεθόδου και περιγράφονται οι μαθηματικές μέθοδοι με τις οποίες αντιμετωπίζονται. Επίσης αναλύονται οι μέθοδοι βελτιστοποίησης που χρησιμοποιήθηκαν για τον έλεγχο της εγκυρότητας των αποτελεσμάτων. Η διατριβή ολοκληρώνεται με τα τελικά συμπεράσματα και τον κατάλογο των δημοσιεύσεων που προέκυψαν από την ερευνητική διαδικασία.