Σχεδίαση ευφυών κεραιών για ευρυζωνικές εφαρμογές σε ψηφιακά συστήματα ευρυεκπομπής

Abstract

The subject of the present thesis is the study, design and deployment in digital broadcasting systems of smart switched arrays consisting of active and parasitic elements (Switched Parasitic Arrays, SPAs). 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 reception of digital terrestrial television signal. More specifically, the DVB -T standard that is used across Europe is taken into consideration and more attention is paid to the development of smart switched parasitic arrays with extended operational bandwidth that operate at DVB-T frequency zones (especially at UHF Band) 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 DVB-T 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 digital terrestrial television system. Furthermore, dipole 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 two active (adjacent) peripheral elements with the remaining elements being short-circuited, structures that consist of a central active element surrounded by open-circuited or short-circuited elements and the ESPAR antenna, where a central active element is encircled by a ring of passive elements loaded with variable reactive loads. 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 SPAs 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 prototypes of the proposed switched parasitic arrays for a single switching state and in one case the prototype of a proposed array is evaluated in a realistic operational scenario utilizing comparison measurements results from an authenticated reference broadband antenna.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη, σχεδίαση και αξιοποίηση σε ψηφιακά συστήματα ευρυεκπομπής ευφυών στοιχειοκεραιών μεταγωγής ενεργών και παρασιτικών στοιχείων (Switched Parasitic Arrays, SPAs). Πρόκειται για έναν τύπο 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 τη λήψη σήματος επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης. Πιο συγκεκριμένα, λαμβάνεται υπόψη το πρότυπο DVB-T που χρησιμοποιείται στον ευρωπαϊκό χώρο και επομένως δίνεται περισσότερη έμφαση στην ανάπτυξη ευφυών κεραιοδιατάξεων μεταγωγής ενεργών και παρασιτικών στοιχείων με εκτεταμένο λειτουργικό εύρος ζώνης που λειτουργούν στις ζώνες συχνοτήτων του DVB-T (και κυρίως στην UHF ζώνη) 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 DVB-T. Ακολούθως παρουσιάζονται τα είδη και οι αρχές λειτουργίας των ευφυών κεραιών, καθώς και τα πλεονεκτήματα που συνεπάγεται η ενσωμάτωση τους σε ένα σύστημα ψηφιακής τηλεόρασης. Στη συνέχεια αναπτύσσονται οι διατάξεις SPAs δίπολων που μελετώνται στην παρούσα διατριβή και τονίζεται η σημασία της ηλεκτρονικής στροφής του διαγράμματος ακτινοβολίας. Σχεδιάζονται διάφορες διατάξεις από ευφυείς κεραίες μεταγωγής ενεργών και παρασιτικών στοιχείων που προορίζονται για εφαρμογές λήψης σήματος ψηφιακής επίγειας τηλεόρασης. Δίνεται έμφαση σε δομές που περιλαμβάνουν δύο ενεργά (γειτονικά) περιφερειακά στοιχεία με τα υπόλοιπα βραχυκυκλωμένα, σε δομές που αποτελούνται από ένα κεντρικό σταθερό ενεργό στοιχείο που περιστοιχίζεται από ανοιχτοκυκλωμένα ή βραχυκυκλωμένα στοιχεία και στην κεραία ESPAR, όπου ένα σταθερό ενεργό στοιχείο περιστοιχίζεται από έναν δακτύλιο παθητικών στοιχείων φορτωμένων με μεταβλητά φανταστικά φορτία. Ακόμη παρατίθενται στοιχεία από τη θεωρία της μεθόδου των ροπών, η οποία χρησιμοποιείται για την ηλεκτρομαγνητική ανάλυση των SPAs. Η σχεδίαση των SPAs 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 των προτεινόμενων ευφυών στοιχειοκεραιών μεταγωγής ενεργών και παρασιτικών στοιχείων για μια κατάσταση μεταγωγής και σε μια περίπτωση το πρωτότυπο μιας προτεινόμενης κεραίας αποτιμάται σε ένα ρεαλιστικό σενάριο λειτουργίας χρησιμοποιώντας συγκριτικά αποτελέσματα μετρήσεων από μια πιστοποιημένη ευρυζωνική κεραία αναφοράς.