Μελέτη και βελτιστοποίηση μικρών μικροταινιακών κεραιών

Abstract

Today, there is an increasing demand in modern communication systems for smaller antennas, with size significantly less than the usual half wavelength and capable of presenting performance that normally would be achieved by a complicated antenna array. Small antenna concept is a challenging aspect that can provide answers and solutions to these problems. The purpose of this thesis is to analyze and to present suggestions in the field of a) functionally small antennas, which definition apply were additional performance has been achieved without increasing the antenna size and b) electrically small antennas which can be physically bounded by a sphere having a radius equal to λ/2π (the small antenna limit). In the first category, a two-branch diversity antenna using a simple printed dual band Double-T monopole and operating at 2.4 and 5.2 GHz of ISM band is presented in this dissertation. The proposed configuration could be used in laptop computers or wireless routers. A prototype of the proposed antenna has been constructed and tested. The measured results are in good agreement with the computed ones from simulation. Τhe diversity criteria are met, while the antenna acquires favorable characteristics such as reduced size and extended bandwidth. In the electrically small antenna category, the process of miniaturization of a rectangular microstrip patch antenna by the insertion of slits parallel to the radiating edges is investigated and a number of exact and approximate expressions, used to calculate the quality factor Q for wire antennas, are validated. During the miniaturization process significant decrease in the resonant frequency is observed, depending on the slit’s length and width but at the expense of radiation efficiency and operational bandwidth. The quality factor expressions behavior is checked for simulated and measured data, for the prototypes that have been constructed, and compared to the Chu fundamental limit and to Wheeler's electrically small antenna definition. The resultant antennas can be characterized as small antennas in accordance to the relevant fundamental limitations. By selecting a medium size reduction, satisfying radiation efficiency is achieved, while the radiation pattern remains unchanged. Specifically, for a 50% frequency decrease there is a size reduction equal to 44% and the efficiency remains relatively high around 50%, while the fractional bandwidth decreases to 0.5%. The radiation pattern remains practically unaltered by the miniaturization process. This is important since in the field of electrically small antennas the frequency reduction along with the radiation pattern are the two key characteristics in applications such as RF-tag and NFC technology where a compromise is acceptable as far as it concerns the efficiency and the bandwidth of the antenna.

Στην περιοχή των σύγχρονων κινητών επικοινωνιών υπάρχει μία έντονη ζήτηση για όλο και πιο περιορισμένου μεγέθους κεραίες, με διαστάσεις πολύ μικρότερες από το συνηθισμένο μισό μήκος κύματος, οι οποίες συγχρόνως να είναι και ικανές να παρουσιάζουν λειτουργίες που κανονικά θα απαιτούσαν μία συστοιχία κεραιών για να επιτευχθούν. Ο τομέας των μικρών κεραιών αποτελεί μία ισχυρή πρόταση που μπορεί να ικανοποιήσει τις παραπάνω απαιτήσεις. Ο στόχος της εργασίας αυτής είναι η ανάπτυξη και η μελέτη (α) λειτουργικά μικρών κεραιών, οι οποίες παρουσιάζουν το χαρακτηριστικό της επίτευξης αυξημένης λειτουργικότητας χωρίς απαραίτητα μεγάλη αύξηση των διαστάσεων τους και (β) ηλεκτρικά μικρών κεραιών που από την άποψη των φυσικών τους διαστάσεων μπορούν να περιοριστούν μέσα σε μία σφαίρα ακτίνας λ/2π (το όριο μικρής κεραίας). Στα πλαίσια της πρώτης κατηγορίας η συνεισφορά της διατριβής είναι η ανάπτυξη, ο σχεδιασμός και η κατασκευή μια κεραίας διαφορικής λήψης δύο κλάδων που λειτουργεί στις περιοχές 2400-2484 ΜΗz και 5150-5350 MHz της ζώνης συχνοτήτων ISM. Η διάταξη προορίζεται για χρήση κυρίως σε φορητούς υπολογιστές, τοποθετούμενη πίσω από την οθόνη ή σε ασύρματους δρομολογητές. Οι μετρήσεις των ηλεκτρικών μεγεθών του πρωτοτύπου βρέθηκαν σε απόλυτη συμφωνία με τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και επιβεβαίωσαν την επιτυχία του σχεδιασμού. Έτσι αποδείχθηκε ότι πληρούνται τα κριτήρια λειτουργίας διαφορικής λήψης ενώ συγχρόνως η κεραία παρουσιάζει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά της περιορισμένης επιφάνειας και του εκτεταμένου εύρους ζώνης. Στην κατηγορία των ηλεκτρικά μικρών κεραιών, στην παρούσα διατριβή διερευνάται η διαδικασία σμίκρυνσης ορθογωνικών μικροταινιακών κεραιών με τη χρήση σχισμών παράλληλα προς τις ακτινοβολούσες πλευρές και ελέγχεται η ισχύς εφαρμογής ακριβών και προσεγγιστικών εκφράσεων για τον υπολογισμό του συντελεστή ποιότητας της κεραίας που έχουν προταθεί και χρησιμοποιηθεί σε κεραίες σύρματος. Κατά τη διαδικασία εφαρμογής της σμίκρυνσης, παρατηρείται σημαντική μείωση της συχνότητας συντονισμού εξαρτώμενη από το μήκος και το πλάτος της σχισμής αλλά με ταυτόχρονη χειροτέρευση της απόδοσης και του εύρους ζώνης λειτουργίας της κεραίας. Η συμπεριφορά των εκφράσεων για τον υπολογισμό του παράγοντα ποιότητας ελέγχθηκε με προσομοιώσεις και μετρήσεις των πρωτοτύπων που κατασκευάστηκαν και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με το θεμελιώδες όριο του Chu καθώς και με το όριο μικρής κεραίας του Wheeler. Οι προκύπτουσες κεραίες μπορούν να χαρακτηρισθούν ως ηλεκτρικά μικρές σύμφωνα με τα θεμελιώδη όρια. Επιλέγοντας μια μέση μείωση μεγέθους, επιτυγχάνεται ικανοποιητική απόδοση ακτινοβολίας ενώ συγχρόνως το διάγραμμα ακτινοβολίας των κεραιών διατηρείται αναλλοίωτο. Ειδικότερα, για μείωση της συχνότητας συντονισμού περίπου κατά 50% επιτυγχάνεται μείωση της επιφάνειας του ακτινοβολούντος στοιχείου της τάξης του 44%, διατηρώντας τις επιτυγχανόμενες αποδόσεις στο 50%, ενώ το εύρος ζώνης μειώνεται περαιτέρω στο 0.5%. Τα διαγράμματα ακτινοβολίας όλων των διατάξεων παρέμειναν πρακτικά ανεπηρέαστα από τη διαδικασία σμίκρυνσης της κεραίας. Τα δύο τελευταία χαρακτηριστικά είναι κι αυτά που παρουσιάζουν ενδιαφέρον στο πεδίο των ηλεκτρικά μικρών κεραιών: η εφαρμογή και χρησιμοποίησή τους σε συστήματα μικρών δεκτών (όπως στην τεχνολογία RF-tag και NFC), όπου απαιτούνται αναλλοίωτα διαγράμματα ακτινοβολίας ενώ γίνονται παραχωρήσεις στον τομέα της απόδοσης, αλλά και του εύρους ζώνης.