Σκέδαση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από επιφάνειες, ορθογωνικές δομές και σύνθετες κυλινδρικές διατάξεις, με τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές

Abstract

The aim of this dissertation is to study problems related to the scattering of electromagnetic waves over surfaces, orthogonal structrures, and circular cylindrical dielectric complexes. Through the appropriate for each case adopted modeling, semianalytical solutions for the scattered field of plane electromagnetic waves are provided and radiation diagrams are extracted, for various telecommunication applications. More specifically, in Chapter 1, a demarcation of electromagnetic scattering problems for objects with canonical or non-canonical form in conjunction with the scattering problems examined in this dissertation, is carried out. Furthermore, the basic steps of the overall analysis and solution procedures of these scattering problems, as well as the importance of the results for radiation and transmission issues, are exposed. In Chapter 2, the mathematical framework for treating scattering problems is introduced. Moreover, a review of the assumptions as well as of the approaches for solving specific scattering problems, is presented. In addition, an overview of these approaches from a computational point of view, along with their limitations, drawbacks and benefits, is provided. Finally, a short survey of the application areas of electromagnetic scattering is included, whereas focus is given to the realistic modeling of scattering due to anomalous reflection for the realization of the so called smart radio environment.In Chapter 3, the solution to the direct scattering problem of a plane electromagnetic wave with arbitrary polarization impinging with an arbitrary angle of incidence on a complex cylindrical structure consisting of a group of parallel stratified circular lossy dielectric cylinders, embedded in a dielectric circular cylindrical region and surrounded by unbounded dielectric space, is presented. The resultant semianalytical solution allows the extraction of the relevant far field radiation diagrams, as well as of the corresponding total scattering diagrams for various values of the geometrical and electromagnetic parameters of the overall structure. In Chapter 4, the impact of scattering from buildings that are within the near field of a broadcast antenna (i.e., either a monopole or a two-element linear antenna) on the far field radiation characteristics of these antennas, is theoretically studied and commented from a practical point of view. Before proceeding to the solution of this direct scattering problem, the modeling assumptions for the broadcast antennas, the electromagnetic transmission itself and the buildings (i.e., the wire-grid model), are explained in detail. Based on the approaches followed and the results presented in previous chapters, along with additional mathematical tools and techniques, the epilogue of this dissertation contains relevant implications and proposes further research directions for new open scattering problems arising in the telecommunications area.

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με την μελέτη προβλημάτων σκέδασης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από επιφάνειες, ορθογωνικές δομές και σύνθετες κυλινδρικές διατάξεις. Μέσω της κατά περίπτωση κατάλληλης μοντελοποίησης, δίδονται ημιαναλυτικές λύσεις για το σκεδαζόμενο πεδίο επίπεδων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και εξάγονται διαγράμματα ακτινοβολίας που αφορούν διάφορες τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές.Ειδικότερα, στο Κεφάλαιο 1, γίνεται μία γενική οριοθέτηση των προβλημάτων ηλεκτρομαγνητικής σκέδασης σε αντικείμενα με κανονική ή μη δομή, σε συνδυασμό με τα προβλήματα σκέδασης που εξετάστηκαν στην παρούσα διατριβή. Παρουσιάζονται, επίσης, τα κύρια βήματα της όλης διαδικασίας ανάλυσης και επίλυσης αυτών των προβλημάτων σκέδασης, καθώς και η σημαντικότητα των αποτελεσμάτων σε πρακτικό επίπεδο για την αντιμετώπιση θεμάτων ακτινοβολίας και ραδιομετάδοσης. Στο Κεφάλαιο 2 εισάγεται το μαθηματικό πλαίσιο επίλυσης προβλημάτων σκέδασης και γίνεται μία ανασκόπηση των υποθέσεων που έχουν υιοθετηθεί και των μεθόδων που έχουν ακολουθηθεί στην βιβλιογραφία για την επίλυση συγκεκριμένων προβλημάτων σκέδασης. Παρουσιάζονται, επίσης, από υπολογιστικής πλευράς οι ποικίλες βασικές προσεγγίσεις αντιμετώπισης των προβλημάτων σκέδασης με τους συναφείς σχετικούς περιορισμούς, μειονεκτήματα και πλεονεκτήματα. Γίνεται, επιπλέον, μία επισκόπηση των τεχνολογικών περιοχών εφαρμογής της σκέδασης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, με ιδιαίτερη έμφαση στο θέμα της ρεαλιστικής μοντελοποίησης φαινομένων σκέδασης για την πραγμάτωση ενός έξυπνου περιβάλλοντος ραδιοεπικοινωνίας.Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η επίλυση του ευθέως προβλήματος σκέδασης ενός επίπεδου ηλεκτρομαγνητικού κύματος με τυχαία πόλωση και τυχαία γωνία πρόσπτωσης που σκεδάζεται από μία σύνθετη κυλινδρική δομή. Η δομή αυτή αποτελείται από ένθετες παράλληλες στρωματοποιημένες διηλεκτρικές και με απώλειες κυλινδρικές ράβδους κυκλικής διατομής, και η οποία περιβάλλεται από έναν χωρίς όρια διηλεκτρικό χώρο. Μέσω της προκύπτουσας ημιαναλυτικής λύσης είναι δυνατή η λήψη σχετικών διαγραμμάτων ακτινοβολίας στο μακρινό πεδίο και της συνολικής διατομής σκέδασης της σύνθετης κυλινδρικής δομής για διάφορες τιμές γεωμετρικών και ηλεκτρικών παραμέτρων αυτής. Στο Κεφάλαιο 4, μελετάται θεωρητικά και εξετάζεται από πρακτικής πλευράς η επίδραση της σκέδασης κτιρίων που βρίσκονται στο εγγύς πεδίο ακτινοβολίας δύο τύπων κεραιών ευρυεκπομπής (μονόπολο και γραμμική στοιχειοκεραία δύο στοιχείων) στα σχετικά διαγράμματα ακτινοβολίας των υπόψη κεραιών στο μακρινό πεδίο. Πριν την επίλυση και αυτού του ευθέως προβλήματος σκέδασης, προηγήθηκε η κατάλληλη μοντελοποίηση των κεραιών ευρυεκπομπής, της ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης, και των κτιρίων όπου υιοθετήθηκε το αναφερόμενο ως wire- grid μοντέλο. Τέλος, στον Επίλογο, και στην βάση τόσο των προσεγγίσεων και των αποτελεσμάτων της παρούσας διατριβής, αλλά και της χρήσης επιπρόσθετων μαθηματικών εργαλείων και τεχνικών, αναφέρονται συγκεκριμένες κατευθύνσεις για περαιτέρω έρευνα των φαινομένων σκέδασης σε νέα ανοικτά προβλήματα που αφορούν τον τομέα των τηλεπικοινωνιών.