Αναδιαρθρωσιμότητα κεραιών με χρήση μαγνητο-διηλεκτρικών υλικών: μοντελοποίηση, σχεδίαση και αξιολόγηση

Abstract

The rapid development of wireless communications has significantly increased the need for low profile, efficient compact antennas that can adapt their operating characteristics depending on the communication channel conditions or specific system requirements. This fact has prompted antenna engineers to use novel materials in place of conventional dielectrics in antenna design. This PhD thesis focuses on the modeling, design and evaluation of reconfigurable microstrip patch antennas using magneto-dielectric materials that exhibit anisotropic behavior and tunable permeability by applying variable DC magnetic field. The use of magneto-dielectric materials in antenna design offers dynamic control of the antenna impedance and radiation characteristics in an easy and controllable manner, keeping at the same time the design complexity and implementation cost relatively low.Initially, emphasis is given on the modeling of the permeability of the magneto-dielectric material. The magnetic bias field acts as a “switching mechanism” that enables the transition of the material between two states, the demagnetized state (absence of magnetic field) and the magnetically biased state, and thus the antenna operation in two discrete states. The key factors for the accurate simulation in both operating states are determined, and a proper methodology is proposed for the design and simulation of reconfigurable antennas with magneto-dielectric materials. Subsequently, the design, simulation and fabrication of a proximity-coupled fed microstrip patch antenna with a sample of magneto-dielectric material placed in the upper substrate is presented. It is proved that when a magnetic bias field is applied, two resonance frequencies appear and antenna polarization changes. Also, a comparative study between simulation and measurement results is presented to validate the proposed methodology.Then, a suppression technique of mutual coupling between antennas of a multiple antenna system using magneto-dielectric materials is proposed. The design of a system consisting of two patch antenna elements with two cylindrical samples of magneto-dielectric material placed in the substrate is presented, and the reduction of the mutual coupling between the elements is investigated for various combinations related to the magnetization state of each sample. The idea is to exploit the polarization reconfigurable properties of each antenna element under the application of magnetic field. It is proved that the magnetization state of each element along with the direction and magnitude of the applied static magnetic field play significant role in the reduction of the mutual coupling.Aiming to overcome fabrication difficulties that arise by replacing part of the dielectric substrate with a bulk sample of magneto-dielectric material, the design and fabrication of microstrip patch antennas printed on a substrate consisting of ferrite particles homogeneously dispersed into a non magnetic polymer matrix are studied. Frequency and polarization reconfigurability is investigated by applying static magnetic field with intentionally varying strength. Also, the influence of the dielectric and magnetic losses of the substrate material on the antenna radiation efficiency is investigated and the feasibility study of fabricating a composite substrate with improved characteristics is presented. Finally, using the cavity model, the operation of a microstrip circular patch antenna on a polymer-magnetodielectric material substrate in the magnetically biased state is analyzed.The Thesis is concluded with the overview of the evaluation of the reconfigurable antennas that were designed and fabricated in this research study. The evaluation is performed through measurements of the input matching and operating frequency bandwidth, the axial ratio, the radiation patterns and the radiation efficiency of the proposed antennas in both operating states.

Η αλματώδης ανάπτυξη των ασύρματων επικοινωνιών αύξησε σημαντικά την ανάγκη για χαμηλού προφίλ, αποδοτικές, συμπαγείς κεραίες οι οποίες μπορούν να προσαρμόζουν τα χαρακτηριστικά τους ανάλογα με το περιβάλλον διάδοσης ή τις ειδικές απαιτήσεις του συστήματος. Το γεγονός αυτό, ώθησε τους μηχανικούς κεραιών να χρησιμοποιήσουν καινοτόμα υλικά, αντί των συμβατικών διηλεκτρικών υλικών, στη σχεδίαση των κεραιών. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή εστιάζει στη μοντελοποίηση, στη σχεδίαση και στην αξιολόγηση αναδιαρθρώσιμων κεραιών μικροταινιακού καλύμματος με τη χρήση ανισοτροπικών μαγνητο-διηλεκτρικών υλικών των οποίων η μαγνητική διαπερατότητα μεταβάλλεται υπό την επίδραση ενός εξωτερικού στατικού μαγνητικού πεδίου του οποίου η ένταση μπορεί να μεταβάλλεται κατά βούληση, ανάλογα με την κατάσταση στην οποία επιδιώκεται να οδηγηθεί η λειτουργία της κεραίας. Η ενσωμάτωση των υλικών αυτών στη δομή της κεραίας προσφέρει τη δυνατότητα μεταβολής των χαρακτηριστικών εμπέδησης και ακτινοβολίας της με εύκολο και ελεγχόμενο τρόπο, διατηρώντας ταυτόχρονα την πολυπλοκότητα σχεδίασης και το κόστος υλοποίησης σε χαμηλά επίπεδα.Αρχικά, δίνεται έμφαση στη μοντελοποίηση της μαγνητικής διαπερατότητας του μαγνητο-διηλεκτρικού υλικού. Το μαγνητικό πεδίο πόλωσης μπορεί να θεωρηθεί ως ένας “μηχανισμός μεταγωγής” που επιτρέπει τη μετάβαση του υλικού μεταξύ δύο καταστάσεων, την αμαγνήτιστη (απουσία μαγνητικού πεδίου) και την πλήρως μαγνητισμένη, και συνεπώς τη λειτουργία της κεραίας σε δύο διακριτές καταστάσεις. Προσδιορίζονται οι κρίσιμες παράμετροι που επηρεάζουν την ακρίβεια των αριθμητικών αποτελεσμάτων στις δύο καταστάσεις λειτουργίας και προτείνεται κατάλληλη μεθοδολογία για τη σχεδίαση και την ηλεκτρομαγνητική προσομοίωση αναδιαρθρώσιμων κεραιών με μαγνητο-διηλεκτρικά υλικά. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η σχεδίαση, η προσομοίωση και η κατασκευή μιας κεραίας μικροταινιακού καλύμματος με τροφοδοσία σύζευξης μέσω γειτνίασης και ενσωματωμένο δείγμα μαγνητο-διηλεκτρικού υλικού στο ανώτερο υπόστρωμά της. Αποδεικνύεται ότι η μετάβαση από την αμαγνήτιστη στην πλήρως μαγνητισμένη κατάσταση, οδηγεί στη δημιουργία δύο ζωνών συχνοτήτων λειτουργίας καθώς και στη μεταβολή της πόλωσης της κεραίας. Επιπλέον, παρουσιάζεται μια συγκριτική μελέτη μεταξύ των αριθμητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων με στόχο την επαλήθευση της προτεινόμενης μεθοδολογίας.Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μια τεχνική καταπίεσης της αμοιβαίας σύζευξης η οποία αξιοποιεί τη χρήση μαγνητο-διηλεκτρικών υλικών. Παρουσιάζεται η σχεδίαση ενός συστήματος αποτελούμενο από δύο κεραιοστοιχεία μικροταινιακού καλύμματος με δυο κυλινδρικά δοκίμια μαγνητο-διηλεκτρικού υλικού ενσωματωμένα στο υπόστρωμα και μελετάται η μείωση της αμοιβαίας σύζευξης μεταξύ των στοιχείων για τις διάφορες καταστάσεις μαγνήτισης των δύο μαγνητο-διηλεκτρικών δοκιμίων. Η βασική ιδέα της προτεινόμενης τεχνικής είναι να αξιοποιηθεί η αναδιαρθρωσιμότητα πόλωσης που παρουσιάζει το κάθε κεραιοστοιχείο υπό την παρουσία στατικού μαγνητικού πεδίου. Αποδεικνύεται ότι η επιτεύξιμη μείωση της αμοιβαίας σύζευξης καθορίζεται από την κατάσταση μαγνήτισης των δοκιμίων και την πολικότητα του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου.Με στόχο να ξεπεραστούν οι κατασκευαστικές δυσκολίες που προκύπτουν όταν μέρος του συμβατικού διηλεκτρικού υποστρώματος αντικαθίσταται από δείγμα μαγνητο-διηλεκτρικού υλικού σε συμπαγή μορφή, μελετάται η σχεδίαση και η ανάπτυξη κεραιών μικροταινιακού καλύμματος πάνω σε υπόστρωμα αποτελούμενο από σωματίδια μαγνητο-διηλεκτρικού υλικού τα οποία βρίσκονται ομοιογενώς διεσπαρμένα σε μη μαγνητική πολυμερική μήτρα. Εξετάζεται η δυνατότητα μεταβολής της συχνότητας συντονισμού και της πόλωσής τους υπό την επίδραση μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου. Επίσης, διερευνάται η επίδραση των διηλεκτρικών και των μαγνητικών ιδιοτήτων του υλικού του υποστρώματος στην απόδοση ακτινοβολίας της κεραίας και παρουσιάζεται η μελέτη εφικτότητας παρασκευής ενός σύνθετου υλικού πολυμερικής μήτρας-φερρίτη με βελτιωμένες ιδιότητες. Τέλος, χρησιμοποιώντας το μοντέλο κοιλότητας, αναλύεται η λειτουργία μιας κεραίας μικροταινιακού καλύμματος σε υπόστρωμα πολυμερικής μήτρας-μαγνητοδιηλεκτρικού υλικού στην πλήρως μαγνητισμένη κατάσταση.Η Διατριβή ολοκληρώνεται με τη σύνοψη των αξιολογήσεων των επιδόσεων των δύο διαφορετικών κατηγοριών αναδιαρθρώσιμων κεραιών που σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν στα πλαίσια της διδακτορικής έρευνας. Η αξιολόγηση των επιδόσεών τους πραγματοποιείται μέσω μετρήσεων της προσαρμογής εισόδου και του εύρους ζώνης συχνοτήτων λειτουργίας, της πόλωσης, των διαγραμμάτων ακτινοβολίας και της απόδοσης ακτινοβολίας των προτεινόμενων κεραιών στις δύο καταστάσεις λειτουργίας τους.