Development of ultra-wideband and super-shaped antennas based of a frequency pulling technique for applications to software defined radio

Abstract

The goal of this dissertation is the establishment of a methodology that can be used to design antennas with enhanced bandwidth as a necessary step toward the implementation of software defined radio or 5G and 6G networks. This methodology is called Frequency Pulling Technique (FPT) as its main feature is the shift-pull of resonances with the same center frequency in a way that a wider bandwidth is formed. The FPT theory is based on the application of bandpass filter (BPF) design procedure to antenna design as it offers the possibility to select the operation bandwidth beforehand. The FPT offers multiplicative bandwidth enhancement based on the number of identical antennas or symmetrical feeding points in a single antenna. When multiple antennas are used, the arrays designed suffer from a beam squint on their radiation pattern as well as their increased size. On the other hand when multiple feeding points are utilized, compact antennas are produced which offer enhance bandwidth and the same surface size but with double thickness. The FPT can be used to design an antenna completely from scratch with the help of classic antenna design techniques or can be applied to already design antenna to enhance their bandwidth. The only limitation to the enhancement is posed by the radiation efficiency bandwidth because if it is exceeded by the enhanced impedance bandwidth, the antenna loses its ability to radiate efficiently. The FPT has been tested, simulated and verified through measurement of manufactured prototypes on a plethora of microstrip antennas but there are no indications that it cannot be applied to other antennas as well.

Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η θεμελίωση μιας μεθοδολογίας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το σχεδιασμό κεραιών με ενισχυμένο εύρος ζώνης ως απαραίτητο βήμα προς την υλοποίηση του λογισμικά οριζόμενου ράδιο ή των δικτύων 5G και 6G. Αυτή η μεθοδολογία ονομάζεται Τεχνική Έλξης Συχνότητας (ΤΕΣ) καθώς το κύριο χαρακτηριστικό της είναι η μετατόπιση-ολίσθηση συντονισμών που έχουν την ίδια κεντρική συχνότητα με τέτοιο τρόπο ώστε να διαμορφώνεται ένα ευρύτερο εύρος ζώνης. Η Τεχνική βασίζεται στην εφαρμογή της διαδικασίας σχεδιασμού του φίλτρου διέλευσης ζώνης (BPF) στο σχεδιασμό κεραιών, καθώς προσφέρει τη δυνατότητα εκ των προτέρων επιλογής του εύρους ζώνης λειτουργίας. Η ΤΕΣ προσφέρει πολλαπλασιαστική βελτίωση του εύρους ζώνης με βάση τον αριθμό των πανομοιότυπων κεραιών ή συμμετρικών σημείων τροφοδοσίας όταν χρησιμοποιείται μία μόνο κεραία. Όταν χρησιμοποιούνται πολλαπλές κεραίες, οι συστοιχίες που σχεδιάζονται παρουσιάζουν μια στροφή της δέσμης του διαγράμματος ακτινοβολίας τους καθώς και αυξημένο μέγεθος. Από την άλλη πλευρά, όταν χρησιμοποιούνται πολλαπλά σημεία τροφοδοσίας, σχεδιάζονται συμπαγείς κεραίες που προσφέρουν ενίσχυση του εύρους ζώνης και το ίδιο μέγεθος επιφάνειας αλλά με διπλάσιο πάχος-ύψος. Η ΤΕΣ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σχεδιαστεί μια κεραία εντελώς από την αρχή με τη βοήθεια κλασικών τεχνικών σχεδιασμού κεραιών ή μπορεί να εφαρμοστεί σε μια ήδη γνωστή γεωμετρία για να αυξήσει το εύρος ζώνης της. Ο μόνος περιορισμός στη βελτίωση τίθεται από το εύρος ζώνης της απόδοσης ακτινοβολίας, επειδή εάν ξεπεραστεί από το εύρος ζώνης της αντίστασης, η κεραία χάνει την ικανότητά της να ακτινοβολεί αποτελεσματικά. Το όριο του εύρους ζώνης ακτινοβολίας προκύπτει από το όριο του Fano για το εύρος ζώνης όταν χρησιμοποιείται ένας πεπερασμένος αριθμός κυκλωμάτων προσαρμογής μεταξύ πηγής και φορτίου. Η ΤΕΣ έχει δοκιμαστεί, προσομοιωθεί και επαληθευτεί μέσω μέτρησης κατασκευασμένων πρωτοτύπων σε μια πληθώρα κεραιών μικροταινίας, αλλά δεν υπάρχουν ενδείξεις ότι δεν μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλες κεραίες.