ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Διπλωματική Εργασία Θέμα: Μελέτη και σχεδίαση επίπεδων ευρυζωνικών κεραιών για εφαρμογές επικοινωνιών υπερευρείας ζώνης (UWB). Ονοματεπώνυμο: Μακρή Αικατερίνη ΑΕΜ: 5410 Επιβλέπων καθηγητής: Δρ. Τραϊανός Β. Γιούλτσης Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2009

2 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ 5 1. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΠΕΡΕΥΡΕΙΑΣ ΖΩΝΗΣ Εισαγωγή Ιστορική εξέλιξη Ιδέες της UWB τεχνολογίας UWB σήματα Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα και προκλήσεις Ρυθμιστικές καταστάσεις Ρυθμίσεις της FCC Παγκόσμιες ρυθμιστικές προσπάθειες Περιορισμοί εκπομπής Εφαρμογές υπερευρείας ζώνης Διαφορές μεταξύ UWB και Spread Spectrum Κίνητρο για τη σχεδίαση UWB κεραιών ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΕΡΑΙΩΝ ΜΕ ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ COMSOL Multiphysics Σχετικά με το COMSOL Multiphysics Εφαρμογή σε τετραγωνική κεραία μικροταινίας τροφοδοτούμενη ασύμμετρα από γραμμή μικροταινίας Κεραία μικροταινίας-γενικά Προσομοίωση με το COMSOL Multiphysics μιας τετραγωνικής κεραίας τροφοδοτούμενης από γραμμή μικροταινίας Εφαρμογή σε μία επίπεδη μονοπολική UWB και σε μία επίπεδη διπολική UWB κεραία Γενικά Περιγραφή και προσομοίωση μιας σε σχήμα πιρουνιού UWB μονοπολικής κεραίας με αναδιπλωμένα strips Περιγραφή και προσομοίωση μιας ημιελλειπτικής διπολικής κεραίας τροφοδοτούμενης από μικροταινία (Microstrip Fed Semi- Elliptical Dipole Antenna, MFSEDA) 56 ΕΠΙΛΟΓΟΣ 67 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 68 3

4 4

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ H UWB εκπομπή έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον τόσο σε ακαδημαϊκό όσο και σε βιομηχανικό επίπεδο για εφαρμογές στις ασύρματες τηλεπικοινωνίες. Ένα UWB σύστημα ορίζεται ως οποιοδήποτε ραδιο-σύστημα που έχει εύρος ζώνης μεγαλύτερο από το 20% της κεντρικής του συχνότητας, στο σημείο των 10dB ή που έχει εύρος ζώνης ίσο ή μεγαλύτερο από 500 MHz, στο σημείο των 10dB. Τα ραδιοκύματα υπερ-ευρείας ζώνης (ultra-wideband, UWB) προβλέπεται να παίξουν έναν επαναστατικό ρόλο στο μέλλον των ασύρματων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Το μεγάλο ενδιαφέρον για τις UWB επικοινωνίες πυροδοτήθηκε από τους κυβερνώντες της FCC, το Φεβρουάριο του 2002, όταν ενέκριναν την ελεύθερη εμπορική εκμετάλλευση της UWB τεχνολογίας υπό έναν αυστηρό έλεγχο της ισχύος σε φάσμα 7500 MHz, που καταλαμβάνει τη ζώνη συχνοτήτων από 3.1GHz ως 10.6GHz. Αναμένεται ότι πολλές κλασικές αρχές και προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται στις μικρής εμβέλειας ασύρματες επικοινωνίες θα επανεκτιμηθούν και ότι ένας νέος βιομηχανικός τομέας για τις μικρής εμβέλειας ασύρματες επικοινωνίες (π.χ. 10m) θα εμφανιστεί. Αυτή η ταχέως αναδυόμενη τεχνολογία χρησιμοποιεί εξαιρετικά στενούς και μικρής ισχύος RF παλμούς για την εκπομπή και τη λήψη πληροφορίας. Η χρήση μικρής χρονικής διάρκειας παλμών, ως βασικών δομικών στοιχείων της επικοινωνίας, οδηγεί σε υπερβολικά ελκυστικά χαρακτηριστικά, περιλαμβανομένων του υψηλού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων, της μικρότερης απώλειας διαδρομής (path loss), της μεγαλύτερης ασφάλειας σε διάδοση πολλαπλών οδεύσεων, των φθηνότερων πομποδεκτών, της χαμηλότερης εκπεμπόμενης ισχύος και της ελάχιστης παρεμβολής, αλλά και σε αρκετές τεχνικές προκλήσεις, όπως η παραμόρφωση της λαμβανόμενης κυματομορφής, ο σχεδιασμός των κεραιών, ο συγχρονισμός των εκπεμπόμενων παλμών, η υποβάθμιση της λειτουργίας λόγω των καναλιών πολλαπλής πρόσβασης κ.α. Όπως είναι φυσικό, αυτά τα ελκυστικά πλεονεκτήματα αλλά και οι προκλήσεις της UWB τεχνολογίας έχουν επηρεάσει και τον τομέα της σχεδίασης κεραιών. Η επιτυχής εκπομπή και λήψη ενός UWB παλμού που καταλαμβάνει όλο το φάσμα GHz απαιτεί μια κεραία με γραμμική φάση, χαμηλή διασπορά (dispersion) και VSWR 2 σ όλη τη φασματική ζώνη. Η γραμμική φάση και η χαμηλή διασπορά συνεπάγονται μικρές τιμές καθυστέρησης ομάδας (group delay), κάτι που είναι επιτακτικό για την εκπομπή και λήψη παλμών με ελάχιστη παραμόρφωση. Απαιτείται VSWR 2 για σωστή προσαρμογή της σύνθετης αντίστασης σ όλο το φάσμα. Η συμβατότητα με ολοκληρωμένα κυκλώματα προϋποθέτει ένα διακριτικό, ηλεκτρικά μικρό σχήμα. Παρόλο που έχει αποδειχτεί ότι η UWB τεχνολογία είναι μια πολλά υποσχόμενη λύση για τις υψηλού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων ασύρματες τηλεπικοινωνίες μικρής εμβέλειας, επιπλέον εκτεταμένη έρευνα και πειράματα είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη αποτελεσματικών και ικανών UWB τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. 5

6 1. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΠΕΡΕΥΡΕΙΑΣ ΖΩΝΗΣ 1.1 Εισαγωγή Η ταχεία ανάπτυξη της τεχνολογίας και η επιτυχής εμπορική εξέλιξη των ασύρματων επικοινωνιών επηρεάζουν σημαντικά την καθημερινότητά μας. Η μετάβαση από τις αναλογικές στις ψηφιακές κινητές επικοινωνίες, η ανάδυση της τρίτης και τέταρτης γενιάς ραδιο-συστημάτων και η αντικατάσταση των ενσύρματων συνδέσεων από το Wi-Fi [1] και το Bluetooth [2] δίνουν τη δυνατότητα στο καταναλωτικό κοινό να έχει πρόσβαση σε ευρείας ποικιλίας πληροφορίες από οπουδήποτε και σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή. Καθώς η ζήτηση για μεγαλύτερη χωρητικότητα, ταχύτερη εξυπηρέτηση και ασφαλέστερες ασύρματες συνδέσεις αυξάνεται, νέες βελτιωμένες τεχνολογίες πρέπει να πάρουν τη θέση τους στο υπερπλήθες και ανεπαρκές φάσμα ραδιοσυχνοτήτων (radio frequency (RF) spectrum).και αυτό, επειδή κάθε ραδιοτεχνολογία καταλαμβάνει ένα συγκεκριμένο τμήμα του φάσματος, π.χ. τα τηλεοπτικά, τα ραδιοφωνικά ή τα σήματα κινητής τηλεφωνίας εκπέμπονται σε διαφορετικές συχνότητες για να αποφευχθεί μεταξύ τους παρεμβολή. Επομένως, οι περιορισμοί στη διαθεσιμότητα του ραδιοφάσματος γίνονται όλο και πιο αυστηροί με την εισαγωγή νέων υπηρεσιών. Η τεχνολογία υπερευρείας ζώνης (ultrawideband (UWB) technology) προσφέρει μια πολλά υποσχόμενη λύση στο πρόβλημα του ανεπαρκούς ραδιοφάσματος επιτρέποντας σε νέες υπηρεσίες να συμβιώνουν με τα ήδη υπάρχοντα ραδιοσυστήματα με ελάχιστη ή καθόλου μεταξύ τους παρεμβολή. Αυτή η συνύπαρξη έχει το πλεονέκτημα να αποφεύγονται τα ακριβά αντίτιμα που πρέπει να καταβάλλουν οι παροχείς (providers) των άλλων υπηρεσιών, για να εξασφαλίσουν την άδεια εκπομπής στο ραδιοφάσμα. [1]Ο όρος Wi-Fi (Wireless Fidelity, ασύρματη πιστότητα) χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει τις συσκευές που βασίζονται στην προδιαγραφή IEEE b/g και εκπέμπουν σε συχνότητες 2,4GHz. Ωστόσο, το Wi-Fi έχει επικρατήσει και ως όρος αναφερόμενος συνολικά στα ασύρματα τοπικά δίκτυα. Συνήθεις εφαρμογές του είναι η παροχή ασύρματων δυνατοτήτων πρόσβασης στο Internet, τηλεφωνίας μέσω διαδικτύου (VoIP) και διασύνδεσης μεταξύ ηλεκτρονικών συσκευών όπως τηλεοράσεις, ψηφιακές κάμερες, DVD Player και ηλεκτρονικοί υπολογιστές. [2]Βιομηχανικό πρότυπο για WLANs. Πρόκειται για μια ασύρματη τηλεπικοινωνιακή τεχνολογία μικρών αποστάσεων, η οποία μπορεί να μεταδώσει σήματα μέσω μικροκυμάτων σε ψηφιακές συσκευές. Επομένως, το Bluetooth είναι ένα πρωτόκολλο το οποίο παρέχει προτυποποιημένη, ασύρματη επικοινωνία ανάμεσα σε κινητά τηλέφωνα, laptops, PCs, εκτυπωτές, καθώς και ψηφιακές μηχανές ή ψηφιακές κάμερες, μέσω μιας ασφαλούς, φθηνής και παγκοσμίως διαθέσιμης χωρίς ειδική άδεια ραδιοσυχνότητας μικρής εμβέλειας. 6

7 1.2 Ιστορική εξέλιξη Οι επικοινωνίες υπερευρείας ζώνης διαφέρουν ουσιαστικά από τις υπόλοιπες, γιατί χρησιμοποιούν εξαιρετικά στενούς RF παλμούς για την επικοινωνία μεταξύ πομπών και αποδεκτών. Η χρήση μικρής χρονικής διάρκειας παλμών, ως δομικών στοιχείων για τις επικοινωνίες, δημιουργεί ένα πολύ ευρύ φάσμα και προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα, όπως συγκάλυψη, ευρωστία σε παρεμβολή παρασίτων και συνύπαρξη με ήδη υπάρχουσες υπηρεσίες στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων. Μπορεί η UWB τεχνολογία να αντιπροσωπεύει μια επαναστατική προσέγγιση των ασύρματων επικοινωνιών, αλλά σίγουρα, δεν αποτελεί καινούρια ιδέα. Στην πραγματικότητα, αρχικά εφαρμόστηκε από τον Guglielmo Marconi το 1898, όταν εξέπεμψε σήματα πέρα από τη Θάλασσα της Μάγχης, και λίγο αργότερα, το 1901, για τη μετάδοση ακολουθιών σημάτων του κώδικα Morse πέρα από τον Ατλαντικό ωκεανό. Ωστόσο, το όφελος του μεγάλου εύρους ζώνης και η δυνατότητα απασχόλησης πολλαπλών συστημάτων, που προσέφεραν οι ηλεκτρομαγνητικοί παλμοί, δεν αναγνωρίστηκαν εκείνη την εποχή. Περίπου πενήντα χρόνια μετά τον Marconi, ο νέος, τότε, τρόπος μετάδοσης βασισμένος σε παλμούς χρησιμοποιήθηκε ευρέως σε στρατιωτικές εφαρμογές με την τεχνολογία των impulse radars. Κάποιοι από τους πρωτοπόρους των νέων επικοινωνιών υπερευρείας ζώνης στις Η.Π.Α., στα τέλη της δεκαετίας του 1960, είναι οι Henning Harmuth of Catholic University of America και Gerald Ross and K. W. Robins of Sperry Rand Corporation. Κατά τη δεκαετία του 1960, σημαντική ερευνητική προσπάθεια έγινε από τους μηχανικούς Victor Rumsey και Dyson, οι οποίοι μελετούσαν λογαριθμικές σπιράλ κεραίες. Την περίοδο των δεκαετιών , αυτή η τεχνολογία περιοριζόταν σε στρατιωτικές εφαρμογές και υπηρεσίες του Υπουργείου Άμυνας (Department of Defense-DoD applications) υπό πολύ συγκεκριμένα και αυστηρά προγράμματα, για εξαιρετικά ασφαλείς επικοινωνίες. Ο όρος υπερ-ευρείας ζώνης ( ultra-wideband ) εισήχθη το1989 από το DoD και ας τον θεωρούμε ως ένα νέο όρο για μια μακράς διαρκείας τεχνολογία. Καθώς το ενδιαφέρον για την εμπορευματοποίηση της UWB τεχνολογίας έχει αυξηθεί τα τελευταία χρόνια, οι εταιρείες ανάπτυξης UWB συστημάτων άρχισαν να ασκούν πίεση στην FCC (Federal Communications Commission, Ομοσπονδιακή Επιτροπή Επικοινωνιών) [3] να εγκρίνει την UWB τεχνολογία για εμπορική χρήση. Το Φεβρουάριο του 2002, η FCC ενέκρινε αυτό το αίτημα, με την First Report and Order (R&O),αλλά υπό πολύ αυστηρά όρια εκπεμπόμενης ισχύος, για διάφορες συσκευές. Η εικόνα 1 συνοψίζει το χρονικό της ανάπτυξης της UWB τεχνολογίας. Εικ.1 Σύντομη ιστορική εξέλιξη της UWB τεχνολογίας. [3]Η αμερικάνικη κυβερνητική αρχή, με έδρα την Washington, υπεύθυνη για τη ρύθμιση των τηλεπικοινωνιών στις Η.Π.Α. 7

8 1.3 Ιδέες της UWB τεχνολογίας Τα παραδοσιακά τηλεπικοινωνιακά συστήματα στενής ζώνης (narrowband) διαμορφώνουν συνεχούς κυματομορφής (CW, continuous-waveform) RF παλμούς με μία συγκεκριμένη συχνότητα φέροντος (carrier frequency) για την εκπομπή και λήψη πληροφορίας. Ένα σήμα συνεχούς κυματομορφής έχει μια καλά ορισμένη ενέργεια σε μια στενή ζώνη συχνοτήτων, κάτι που το καθιστά εύκολα ανιχνεύσιμο και ευάλωτο σε παρεμπόδιση ή παρεμβολή. Η εικόνα 2 δείχνει ένα σήμα στενής ζώνης στα πεδία του χρόνου και της συχνότητας. Εικ.2. Σήμα στενής ζώνης στο πεδίο (a) του χρόνου και (b) της συχνότητας. Όπως προαναφέρθηκε, τα UWB συστήματα χρησιμοποιούν μικρής χρονικής διάρκειας (της τάξης των picoseconds-nanoseconds) παλμούς χωρίς χρήση φέροντος, με πολύ μικρό κύκλο λειτουργίας (duty cycle, μικρότερο από 0,5%) για εκπομπή και λήψη πληροφορίας. Ένας απλός ορισμός του κύκλου λειτουργίας είναι ο λόγος του χρόνου κατά τον οποίο είναι εμφανής ο παλμός προς το συνολικό χρόνο εκπομπής, όπως περιγράφουν η παρακάτω εξίσωση και η εικόνα 3. Εικ.3. Παλμός μικρού κύκλου λειτουργίας. Ο μικρός κύκλος λειτουργίας προσφέρει μικρή μέση ισχύ εκπομπής στα UWB τηλεπικοινωνιακά συστήματα, η οποία είναι της τάξης των μw,δηλαδή χίλιες φορές μικρότερη από την ισχύ εκπομπής των κινητών τηλεφώνων! Ωστόσο, η μέγιστη ή η στιγμιαία ισχύς κάποιων UWB παλμών μπορεί να είναι σχετικά μεγάλη [4], αλλά επειδή εκπέμπονται για πολύ σύντομο χρονικό διάστημα (Τ on <1ns), η μέση ισχύς θα γίνεται [4]Σε ορισμένες περιπτώσεις, η μέγιστη ισχύς των UWB παλμών έχει αναφερθεί ότι είναι περίπου 1Watt για το 1Mbps στο 1MHz. 8

9 αισθητά χαμηλή. Κατά συνέπεια, οι UWB συσκευές απαιτούν χαμηλή εκπεμπόμενη ισχύ χάρη σ αυτόν τον έλεγχο του κύκλου λειτουργίας, το οποίο ευθύς μεταφράζεται σε μεγαλύτερης διάρκειας ζωής μπαταρία για φορητό εξοπλισμό. Εφόσον η συχνότητα είναι αντιστρόφως ανάλογη του χρόνου, οι μικρής διάρκειας UWB παλμοί απλώνουν την ενέργειά τους σε μία μεγάλη ζώνη συχνοτήτων, από σχεδόν συνεχή (dc, μηδενική συχνότητα) μέχρι μερικά GHz με πολύ μικρή πυκνότητα φασματικής ισχύος (power spectral density, PSD) [5]. Στην εικόνα 4 φαίνονται UWB παλμοί στα πεδία του χρόνου και της συχνότητας. Εικ.4. UWB παλμός στο πεδίο (a) του χρόνου και (b) της συχνότητας. 1.4 UWB σήματα Όπως καθορίστηκε από την First Report and Order της FCC, τα UWB σήματα πρέπει να έχουν απόλυτο εύρος ζώνης μεγαλύτερο από 500MHz ή κλασματικό εύρος ζώνης μεγαλύτερο από 20% καθ όλη τη διάρκεια εκπομπής τους. Το κλασματικό εύρος ζώνης είναι ένας παράγοντας που χρησιμοποιείται για την ταξινόμηση των σημάτων ως στενής ζώνης, ευρείας ζώνης ή υπερευρείας ζώνης, και ορίζεται από το λόγο του εύρους ζώνης στο σημείο των 10dB [6] προς την κεντρική συχνότητα όπου f h και f l είναι η υψηλότερη και η χαμηλότερη, αντίστοιχα, συχνότητα αποκοπής (στο σημείο των 10dB) του φάσματος ενός UWB παλμού. Παρακάτω παρουσιάζεται η ταξινόμηση των σημάτων με βάση το κλασματικό εύρος ζώνης τους: Στενής ζώνης (Narrowband) B f <1% Ευρείας ζώνης (Wideband) 1%<B f <20% Υπερευρείας ζώνης (Ultra-wideband) B f >20% [5]Η φασματική πυκνότητα ισχύος είναι η ισχύς του σήματος στο πεδίο της συχνότητας. [6]Το σημείο των 10dB αντιπροσωπεύει τη φασματική ισχύ του σήματος 10dB χαμηλότερα από τη μέγιστη τιμή της. 9

10 1.5 Πλεονεκτήματα Η φύση των μικρής διάρκειας παλμών που χρησιμοποιούνται στην UWB τεχνολογία προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα συγκριτικά με τα στενής ζώνης τηλεπικοινωνιακά συστήματα Στη συνέχεια, παρατίθενται κάποια από τα σημαντικότερα οφέλη που η UWB τεχνολογία επέφερε στις ασύρματες επικοινωνίες. 1.Δυνατότητα από κοινού χρήσης του φάσματος συχνοτήτων. Η απαίτηση ισχύος της FCC στα -41.3dBm/MHz ή ισοδύναμα στα 75nW/MHz για τα UWB συστήματα, τα κατατάσσει στην κατηγορία των αυθόρμητων ακτινοβολητών (unintentional radiators), όπως π.χ. οι τηλεοράσεις. Αυτός ο περιορισμός ισχύος επιτρέπει στα UWB σήματα να παραμένουν κάτω από το επίπεδο θορύβου ενός τυπικού δέκτη στενής ζώνης και τους δίνει τη δυνατότητα να συνυπάρχουν με τα ήδη υπάρχοντα ραδιοσήματα με ελάχιστη ή καθόλου μεταξύ τους παρεμβολή. Βεβαίως, όλα αυτά εξαρτώνται από τον τύπο της διαμόρφωσης (modulation) που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά δεδομένων σ ένα UWB σύστημα. Η εικόνα 5 δείχνει τη γενική ιδέα της συνύπαρξης της UWB με τις τεχνολογίες στενής και ευρείας ζώνης. Εικ.5. Συνύπαρξη της UWB με τις τεχνολογίες στενής και ευρείας ζώνης. 2.Μεγάλη χωρητικότητα καναλιού. Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα του μεγάλου εύρους ζώνης για τους UWB παλμούς είναι η βελτιωμένη χωρητικότητα καναλιού. Η χωρητικότητα καναλιού (channel capacity) ή ρυθμός δεδομένων (data rate) ορίζεται ως η μέγιστη ποσότητα δεδομένων που μπορεί να μεταδοθεί ανά δευτερόλεπτο σ ένα τηλεπικοινωνιακό κανάλι. Η μεγάλη χωρητικότητα καναλιού των UWB τηλεπικοινωνιακών συστημάτων γίνεται προφανής από την εξίσωση των Hartley-Shannon: όπου C: η μέγιστη χωρητικότητα καναλιού, B: το εύρος ζώνης και SNR: ο λόγος σήματος προς θόρυβο. Όπως προκύπτει από την παραπάνω εξίσωση, η χωρητικότητα καναλιού C αυξάνεται γραμμικά με την αύξηση του εύρους ζώνης B. Συνεπώς, με μερικά GHz εύρους ζώνης διαθέσιμα για UWB σήματα, αναμένεται ένας ρυθμός δεδομένων της τάξης των 10

11 gigabits ανά δευτερόλεπτο (Gbps). Ωστόσο, λόγω του πρόσφατου περιορισμού εκπομπής UWB σημάτων από την FCC, αυτός ο υψηλός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων επιτυγχάνεται σε μικρή εμβέλεια, έως 10m. Αυτό καθιστά τα UWB συστήματα τέλειους υποψήφιους για μικρής εμβέλειας υψηλού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων ασύρματες εφαρμογές, όπως τα WPANs (Wireless Personal Area Networks) [7]. To trade-off ανάμεσα στην εμβέλεια και το ρυθμό δεδομένων κάνει την UWB τεχνολογία ιδανική για μια μεγάλη σειρά εφαρμογών στο στρατιωτικό, πολιτικό και εμπορικό τομέα. 3.Δυνατότητα λειτουργίας σε κανάλια με χαμηλό SNR. Η εξίσωση των Hartley-Shannon για τη μέγιστη χωρητικότητα καναλιού δείχνει επίσης ότι η χωρητικότητα καναλιού εξαρτάται μόνο λογαριθμικά από τη σηματοθορυβική σχέση (SNR). Επομένως, τα UWB τηλεπικοινωνιακά συστήματα δύνανται να λειτουργούν σε κανάλια με χαμηλό SNR και παρόλα αυτά να προσφέρουν υψηλό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων ως αποτέλεσμα του μεγάλου εύρους ζώνης τους. 4.Μικρή πιθανότητα παρεμπόδισης και ανίχνευσης. Λόγω της χαμηλής μέσης εκπεμπόμενης ενέργειάς τους, τα UWB τηλεπικοινωνιακά συστήματα έχουν μια εγγενή ανοσία στην παρεμπόδιση και ανίχνευση. Με τόσο χαμηλή ισχύ εκπομπής, ο ωτακουστής πρέπει να βρίσκεται πολύ κοντά στον πομπό (περίπου 1m) για να μπορεί να ανιχνεύσει τη μεταδιδόμενη πληροφορία. Επιπλέον, οι UWB παλμοί διαμορφώνονται στο χρόνο με κώδικες μοναδικούς για κάθε ζεύγος πομπού/δέκτη. Η χρονική διαμόρφωση εξαιρετικά στενών παλμών προσδίδει περισσότερη ασφάλεια στην UWB εκπομπή, αφού η ανίχνευση παλμών διάρκειας της τάξης των picoseconds χωρίς να γνωρίζουμε πότε θα φτάσουν είναι σχεδόν αδύνατη. Επομένως, τα UWB συστήματα υπόσχονται την επίτευξη υψηλής ασφάλειας επικοινωνιών με μικρή πιθανότητα παρεμπόδισης και ανίχνευσης (low probability of intercept and detection, LPI/D), κάτι που είναι απολύτως απαραίτητο σε στρατιωτικές εφαρμογές. 5.Αντίσταση σε παρεμβολές (jamming). Αντίθετα με το καλά ορισμένο στενής ζώνης συχνοτήτων φάσμα, τo UWB φάσμα καλύπτει μια τεράστια ζώνη συχνοτήτων από σχεδόν συνεχή μέχρι μερικά gigahertz και προσφέρει μεγάλο κέρδος επεξεργασίας για UWB σήματα. Το κέρδος επεξεργασίας (processing gain, PG) είναι ένα μέτρο για την αντίσταση του συστήματος σε παρεμβολές και ορίζεται ως ο λόγος του RF εύρους ζώνης (RF bandwidth) προς το εύρος ζώνης της πληροφορίας του σήματος (information bandwidth): Ο διαφορισμός στη συχνότητα που προκαλείται από το μεγάλο κέρδος επεξεργασίας καθιστά τα UWB σήματα σχετικά ανθεκτικά σε σκόπιμες ή απρόσκοπτες παρεμβολές, γιατί κανένας παρεμβολέας δεν μπορεί να παρεμβάλλει σε κάθε συχνότητα του UWB φάσματος ταυτόχρονα. Συνεπώς, αν κάποιες συχνότητες υποστούν παρεμβολή, υπάρχει ακόμη μεγάλη γκάμα συχνοτήτων που παραμένει ανέπαφη. Βέβαια, αυτή η αντίσταση σε παρεμβολές αναφέρεται συγκριτικά με τα συστήματα στενής ζώνης. [7]Ασύρματο δίκτυο που εξυπηρετεί μόνο ιδιωτικούς χρήστες, Συνήθως σχετίζεται με την τεχνολογία του Bluetooth. 11

12 6.Πολύ καλή λειτουργία σε κανάλια πολλαπλών οδεύσεων (multipath). Το φαινόμενο των πολλαπλών οδεύσεων είναι αναπόφευκτο σε ασύρματα τηλεπικοινωνιακά κανάλια. Προκαλείται από τις πολλαπλές ανακλάσεις του εκπεμπόμενου σήματος σε διάφορες επιφάνειες, όπως κτίρια, δέντρα και ανθρώπους. Η ευθεία γραμμή μεταξύ ενός πομπού και ενός δέκτη είναι η γραμμή οπτικής επαφής (line of sight, LOS). Τα ανακλώμενα σε επιφάνειες σήματα δεν είναι γραμμής οπτικής επαφής (non-line of sight, NLOS).Στην εικόνα 6 φαίνεται το φαινόμενο των πολλαπλών διαδρομών για σήματα στενής και υπερ-ευρείας ζώνης. Εικ.6.(a) Το φαινόμενο των πολλαπλών διαδρομών σε ασύρματες ζεύξεις. (b)επιδράσεις του φαινομένου σε σήματα στενής ζώνης. (c) Επιδράσεις του φαινομένου σε UWB σήματα. Όπως φαίνεται στην εικόνα 6, οι επιπτώσεις του φαινομένου των πολλαπλών διαδρομών είναι μάλλον σοβαρές στα σήματα στενής ζώνης: μπορεί να προκαλέσει εξασθένηση του σήματος μέχρι 40dB λόγω της πρόσθεσης των διαφορετικής φάσης LOS και NLOS συνεχών κυματομορφών. Από την άλλη πλευρά, η πολύ μικρή χρονική διάρκεια των UWB παλμών, τους καθιστά λιγότερο ευαίσθητους στις επιδράσεις του 12

13 φαινομένου. Καθώς η διάρκεια εκπομπής ενός UWB παλμού είναι μικρότερη από 1ns στις περισσότερες περιπτώσεις, ο ανακλώμενος παλμός έχει υπερβολικά μικρή πιθανότητα να συγκρουστεί με τον LOS παλμό και να προκαλέσει εξασθένηση. Παρόλο που η μικρή διάρκεια των UWB παλμών, τους καθιστά λιγότερο ευαίσθητους στις επιδράσεις του φαινομένου των πολλαπλών οδεύσεων συγκριτικά με τους παλμούς στενής ζώνης, αυτό δε σημαίνει ότι οι UWB επικοινωνίες είναι απολύτως ασφαλείς από την παραμόρφωση λόγω των πολλαπλών διαδρομών. Έρευνα πάνω στη μοντελοποίηση UWB καναλιών έχει αποδείξει ότι ανάλογα με το είδος της διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται, χαμηλής ισχύος UWB παλμοί μπορούν να υποστούν σημαντική παραμόρφωση σε κανάλια εσωτερικού χώρου, όπου υπάρχει μεγάλος αριθμός αντικειμένων και σκεδαστών. 7.Άριστες ιδιότητες διεισδυτικότητας. Σε αντίθεση με τα στενής ζώνης, τα UWB συστήματα μπορούν να διεισδύουν αποτελεσματικά σε διάφορα υλικά. Οι χαμηλές συχνότητες που περιλαμβάνονται στο ευρύ UWB φάσμα αντιστοιχούν σε μεγάλα μήκη κύματος, κάτι που επιτρέπει στα UWB σήματα να διεισδύουν σε πολλά υλικά συμπεριλαμβανομένων και τοίχων. Αυτή η ιδιότητα κάνει την UWB τεχνολογία κατάλληλη για επικοινωνίες διά μέσου τοίχων (through-the-wall communications) και για ραντάρ διείσδυσης στο έδαφος (groundpenetrating radars, GPR) [8]. Ωστόσο, η ιδιότητα διεισδυτικότητας των UWB σημάτων είναι χρήσιμη μόνο όταν επιτρέπεται να εκπέμπονται στις χαμηλές συχνότητες του ραδιο-φάσματος. 8.Απλή αρχιτεκτονική του πομποδέκτη. Όπως προαναφέρθηκε, η UWB εκπομπή γίνεται χωρίς τη χρήση φέροντος, που σημαίνει ότι τα δεδομένα δε διαμορφώνουν κάποια συνεχή κυματομορφή με συγκεκριμένη συχνότητα φέροντος, όπως στις στενής και ευρείας ζώνης τεχνολογίες. Η απαλλαγμένη φέροντος εκπομπή προϋποθέτει λιγότερες RF συνιστώσες απ ό,τι η εκπομπή με χρήση φέροντος. Γι αυτό το λόγο, η δομή του UWB ζεύγους πομπού/δέκτη είναι σημαντικά πιο απλή κι επομένως φθηνότερη. Η εικόνα 7 συγκρίνει τα block διαγράμματα ενός τυπικού στενής ζώνης πομποδέκτη και ενός UWB. Όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, η δομή του UWB πομποδέκτη είναι αισθητά λιγότερο σύνθετη. Η εκπομπή των χαμηλής ισχύος παλμών περιορίζει την ανάγκη για ενισχυτή ισχύος (power amplifier, PA) στους UWB πομπούς. Επιπλέον, αφού η UWB εκπομπή είναι απαλλαγμένη φέροντος, δεν υπάρχει ανάγκη για μείκτες (mixers) και τοπικούς ταλαντωτές (local oscillators). Κατά συνέπεια, παρακάμπτεται το στάδιο ανάκτησης φέροντος στο τέλος του δέκτη. Αυτή η απλότητα καθιστά πιθανή μια εξολοκλήρου CMOS (complementary metal-oxide semiconductors) εφαρμογή των UWB πομποδεκτών, που μεταφράζεται σε χαμηλότερο κόστος κατασκευής. Στον πίνακα 1 συνοψίζονται τα κυριότερα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η UWB τεχνολογία καθώς και τα σημαντικότερα οφέλη που απορρέουν από αυτά. [8]Τεχνική ανίχνευσης κατά την οποία RF παλμοί στέλνονται στο έδαφος και ανακλώνται από υλικά με διαφορετικές ηλεκτρικές ιδιότητες, βρίσκοντας έτσι πιθανές σεισμογενείς περιοχές. Χρησιμοποιείται ευρύτατα σε εφαρμογές της γεωφυσικής καθώς και σε διασωστικές προσπάθειες. 13

14 Εικ.7.(a) Δομή τυπικού στενής ζώνης πομποδέκτη. (b) Παράδειγμα αρχιτεκτονικής ενός UWB πομποδέκτη. Πλεονέκτημα Όφελος Συνύπαρξη με ήδη υπάρχουσες narrowband και wideband ραδιο-υπηρεσίες Αποφυγή καταβολής των αντιτίμων των ακριβών αδειών Μεγάλη χωρητικότητα καναλιού Το μεγάλο εύρος ζώνης μπορεί να υποστηρίξει real-time βίντεο Λειτουργία σε κανάλια μα χαμηλό SNR Πολύ καλή λειτουργία σε περιβάλλον θορύβου Μικρή εκπεμπόμενη ισχύς Μεγάλη ασφάλεια με μικρή πιθανότητα ανίχνευσης και παρεμπόδισης Αντίσταση στο jamming Αξιοπιστία σε εχθρικό περιβάλλον Καλή λειτουργία σε multipath channels Μεγαλύτερη αντίσταση του σήματος σε δυσμενείς συνθήκες Απλή δομή πομπού/δέκτη Δυνατότητα εκπομπής μικρής ισχύος, καλύτερος μέσος χρόνος μεταξύ σφαλμάτων, μειωμένο κόστος Πίνακας 1 14

15 1.6 Μειονεκτήματα και προκλήσεις Η UWB τεχνολογία για τις επικοινωνίες δεν παρουσιάζει μόνο πλεονεκτήματα. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν αρκετές προκλήσεις που εμπλέκονται με τη χρήση παλμών διάρκειας των nanoseconds. Κάποιες από τις κυριότερες δυσκολίες των UWB επικοινωνιών παρουσιάζονται στη συνέχεια. 1.Παραμόρφωση του σχήματος των παλμών. Τα χαρακτηριστικά εκπομπής των UWB παλμών είναι πιο σύνθετα από τα αντίστοιχα των συνεχών στενής ζώνης ημιτονοειδών κυματομορφών. Ένα στενής ζώνης σήμα παραμένει ημιτονοειδές συνεχώς στο κανάλι μετάδοσης. Αντίθετα, οι ασθενείς και χαμηλής ισχύος UWB παλμοί μπορούν να παραμορφωθούν σημαντικά. Αυτή η παραμόρφωση αποδεικνύεται μαθηματικά με την ευρέως χρησιμοποιούμενη εξίσωση του Friis : όπου P r και P t είναι η λαμβανόμενη και εκπεμπόμενη ισχύς αντίστοιχα, G t και G r είναι τα κέρδη των κεραιών εκπομπής και λήψης αντίστοιχα, c [9] είναι η ταχύτητα του φωτός, d είναι η απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη και f η συχνότητα του σήματος. Αυτή η εξίσωση δείχνει ότι η λαμβανόμενη ισχύς σήματος θα μειωθεί τετραγωνικά με την αύξηση της συχνότητας. Στα στενής ζώνης σήματα, η αλλαγή της συχνότητας ελάχιστα μεταβάλλει τη λαμβανόμενη ισχύ κι έτσι, μπορεί να παραβλεφθεί. Όμως, λόγω του μεγάλου εύρους συχνοτήτων που καταλαμβάνεται από το UWB φάσμα, η λαμβανόμενη ισχύς αλλάζει δραματικά με αποτέλεσμα να παραμορφώνει το σχήμα του παλμού. Αυτό περιορίζει τη λειτουργία των UWB δεκτών που συσχετίζουν το λαμβανόμενο παλμό με μια προκαθορισμένη μορφή όπως ένα τυπικό προσαρμοσμένο φίλτρο. 2.Εκτίμηση καναλιού (Channel Estimation). Η εκτίμηση καναλιού είναι βασικό θέμα για τη σχεδίαση του δέκτη στα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Επειδή είναι αδύνατη η μέτρηση κάθε ασύρματου καναλιού στο χώρο, είναι σημαντικό να χρησιμοποιήσουμε πιλοτικές αλληλουχίες για την εκτίμηση των παραμέτρων του καναλιού, π.χ. εξασθενήσεις και καθυστερήσεις της διαδρομής διάδοσης. Δεδομένου ότι οι περισσότεροι UWB δέκτες συσχετίζουν το λαμβανόμενο σήμα με ένα σήμα προκαθορισμένης μορφής, η εκ των προτέρων γνώση των παραμέτρων του ασύρματου καναλιού είναι απαραίτητη για την πρόβλεψη της μορφής του προκαθορισμένου σήματος που προσαρμόζεται στο λαμβανόμενο. Ωστόσο, ως αποτέλεσμα του μεγάλου εύρους ζώνης και της μειωμένης ισχύος του σήματος, οι UWB παλμοί υφίστανται σοβαρή παραμόρφωση. Έτσι, η εκτίμηση καναλιού στα UWB τηλεπικοινωνιακά συστήματα γίνεται πολύ περίπλοκη. 3.Συγχρονισμός σε υψηλή συχνότητα. Ο συγχρονισμός στο χρόνο είναι μια βασική πρόκληση και μια πλούσια περιοχή έρευνας στα UWB τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Όπως με οποιοδήποτε άλλο τηλεπικοινωνιακό σύστημα, ο συγχρονισμός στο χρόνο μεταξύ πομπού και δέκτη είναι επιτακτικός στα UWB συστήματα. Όμως, η δειγματοληψία και ο συγχρονισμός [9]Στο κενό, όλα τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός, c=3x10 8 m/s. 15

16 παλμών διάρκειας των nanoseconds θέτει σοβαρό περιορισμό στο σχεδιασμό των UWB συστημάτων. Προκειμένου να δειγματοληπτήσουμε αυτούς τους στενούς παλμούς, χρειάζονται πολύ γρήγοροι (της τάξης των gigahertz) μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό(analog-to-digital converters, ADCs). Επιπλέον, οι αυστηροί περιορισμοί ισχύος και η μικρή χρονική διάρκεια των παλμών καθιστούν τη λειτουργία των UWB συστημάτων εξαιρετικά ευαίσθητη σε λάθη συγχρονισμού. Αυτό αποτελεί κρίσιμο θέμα για την επιτυχία των δεκτών διαμόρφωσης θέσης παλμών (pulse-position modulation, PPM) [10], που βασίζονται στην ανίχνευση της ακριβούς θέσης του λαμβανόμενου σήματος. 4.Παρεμβολή πολλαπλής πρόσβασης (Multiple-Access Interference). Σε ένα πολλαπλών χρηστών (multiuser) ή πολλαπλής πρόσβασης τηλεπικοινωνιακό σύστημα, διάφοροι χρήστες ή συσκευές αποστέλλουν πληροφορία ανεξάρτητα και ταυτόχρονα σε ένα κοινό μέσο διάδοσης (όπως ο αέρας στις ασύρματες τηλεπικοινωνίες). Στο σημείο λήψης, ένας ή περισσότεροι δέκτες πρέπει να είναι σε θέση να ξεχωρίζουν τους χρήστες και να ανιχνεύουν την πληροφορία από τον κατάλληλο χρήστη. Η παρεμβολή από άλλους χρήστες ονομάζεται παρεμβολή πολλαπλής πρόσβασης (multiple-access interference, MAI) και αποτελεί περιοριστικό παράγοντα για τη χωρητικότητα του καναλιού και τη λειτουργία τέτοιων δεκτών. Η πρόσθεση της ΜΑΙ στον αναπόφευκτο θόρυβο καναλιού και στην παρεμβολή στενής ζώνης μπορεί να υποβαθμίσει σημαντικά τους χαμηλής ισχύος UWB παλμούς και να κάνει τη διαδικασία ανίχνευσης πολύ δύσκολη. Η εικόνα 8 δείχνει ένα UWB κανάλι πολλαπλής πρόσβασης. Εικ.8.UWB κανάλι πολλαπλής πρόσβασης. Όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα, η διάκριση της πληροφορίας κάθε χρήστη από το συνδυασμό των πολύ παραμορφωμένων και χαμηλής ισχύος UWB παλμών όλων των χρηστών είναι μια διαδικασία γεμάτη προκλήσεις. Στον πίνακα 2 παρουσιάζονται οι τεχνικές προκλήσεις που εμπλέκονται με την UWB τεχνολογία καθώς και τα προβλήματα που αυτές προκαλούν. [10]Είδος διαμόρφωσης σήματος κατά την οποία η ψηφιακή πληροφορία κωδικοποιείται με βάση την ακριβή θέση των παλμών σε μια αλληλουχία παλμών σήματος. 16

17 Πρόκληση Πρόβλημα Παραμόρφωση του σχήματος του παλμού Εκτίμηση καναλιού Συγχρονισμός σε μεγάλη συχνότητα Υποβάθμιση της λειτουργίας χρησιμοποιώντας δέκτες με προσαρμοσμένα φίλτρα Δυσκολία πρόβλεψης προκαθορισμένων σημάτων Πολύ γρήγοροι ADCs Παρεμβολή πολλαπλής πρόσβασης (MAI) Χαμηλή ισχύς εκπομπής Η ανίχνευση της πληροφορίας του επιθυμητού χρήστη είναι δυσκολότερη απ ό,τι στις narrowband επικοινωνίες Μικρή εμβέλεια Πίνακας Ρυθμιστικές καταστάσεις Ρυθμίσεις της FCC Εξ ορισμού, η UWB τεχνολογία αναφέρεται σε οποιοδήποτε ασύρματο σύστημα καταλαμβάνει απόλυτο εύρος ζώνης μεγαλύτερο από 500MHz ή κλασματικό ( σχετικό) εύρος ζώνης W/f c μεγαλύτερο ή ίσο από 20%, όπου W είναι το εύρος ζώνης εκπομπής και f c είναι η κεντρική συχνότητα, δηλαδή εύρος ζώνης μεγαλύτερο από το 20% της συχνότητας λειτουργίας. Τα περισσότερα συστήματα στενής ζώνης καταλαμβάνουν εύρος μικρότερο από το 10% της κεντρικής συχνότητας και εκπέμπουν κατά πολύ υψηλότερα επίπεδα ισχύος. Στις 14 Φεβρουαρίου 2002, η FCC αποφάσισε να απελευθερώσει ένα πρωτοφανές ποσοστό εύρους ζώνης για εμπορική ανάπτυξη της UWB τεχνολογίας. Έπειτα από αρκετή άσκηση πίεσης, είτε για να χαλαρώσουν είτε για να γίνουν αυστηρότεροι οι περιορισμοί της FCC, η τελευταία υπέκυψε στις παρακλήσεις πολλών υποστηρικτών. Έτσι, ένα χρόνο αργότερα, το Φεβρουάριο του 2003, η έκδοση της Memorandum Opinion and Order (MO&O) από την FCC διαβεβαίωσε τους ενδιαφερόμενους ότι η UWB τεχνολογία ήρθε και θα μείνει. Η γκάμα των ενδιαφερομένων περιλαμβάνει από ηγετικές εταιρείες στο χώρο των οικιακών δικτύων (home networking) μέχρι κολοσσούς ηλεκτρονικών, όπως οι Philips Electronics και Samsung Electronics και λογισμικού, όπως οι Intel, Texas Instruments και Microsoft, και ένα μεγάλο αριθμό εταιρειών ανάπτυξης UWB τεχνολογιών, όπως οι Multispectral Solutions, Pulse~LINK, Staccato Communications, Time Domain Corporation και XtremeSpectrum καθώς και αρκετές αμερικάνικες οργανώσεις, όπως η Ground Penetrating Radar Industry Coalition (GPRIC). 17

18 Η φασματική μάσκα (spectral mask) της FCC (δηλαδή, οι λειτουργικοί περιορισμοί των UWB στις Η.Π.Α.) καθορίζει 7.5 GHz χρησιμοποιούμενου φασματικού εύρους ζώνης μεταξύ των συχνοτήτων 3.1GHz και 10.6GHz για συσκευές τηλεπικοινωνιών. Επίσης, η FCC προστατεύει τους ήδη υπάρχοντες χρήστες που εκπέμπουν σ αυτό το φάσμα περιορίζοντας την ισχύ του εκπεμπόμενου UWB σήματος. Τα συντηρητικά επίπεδα της φασματικής πυκνότητας ισχύος των UWB συσκευών περιορίζονται στα dbm/mhz ή ισοδύναμα, 75nW/MHz Παγκόσμιες ρυθμιστικές προσπάθειες Προς το παρόν, η UWB τεχνολογία είναι νόμιμη μόνο στις Η.Π.Α. Ωστόσο, παγκόσμια ρυθμιστικά σωματεία επεξεργάζονται πιθανούς κανονισμούς και περιορισμούς εκπομπής που θα βοηθούσαν στη λειτουργία UWB συσκευών παγκοσμίως. Η Intel συνεργάζεται με προσπάθειες αρχών στην Ιαπωνία, την Ευρώπη και την Κίνα προκειμένου να επιτύχει ρυθμίσεις παρόμοιες με αυτές της FCC. Οι εναρμονισμένες ρυθμίσεις παγκοσμίως θα παρείχαν ένα σημαντικό όφελος για την UWB τεχνολογία, επιτρέποντας τη μετακίνηση συσκευών ανά τον κόσμο χωρίς διακοπή των υπηρεσιών. Παρόλο που τα ρυθμιστικά σωματεία εκτός των Η.Π.Α. είναι περισσότερο σκεπτικά σχετικά με τη βιωσιμότητα και τη νομιμοποίηση της UWB τεχνολογίας, διεξάγονται πολλές προσπάθειες ώστε αυτό να αλλάξει. Οι οδηγίες της FCC διαμορφώνουν το πλαίσιο για τους παγκόσμιους ρυθμιστικούς κανονισμούς, με τον Καναδά, την Ευρώπη, την Ιαπωνία, την Κορέα και τη Σιγκαπούρη να εμμένουν σ αυτούς. Η αποδοχή των ρυθμίσεων αναμένεται σύντομα στην Ευρώπη και την Ασία χάρη στις πιεστικές προσπάθειες των Intel, Philips, Sony, Sharp, Panasonic, STMicroelectronics, Texas Instruments, Motorola/XtremeSpectrum και Wisair. Ευρώπη Στην Ευρώπη υπάρχουν αρκετά UWB προγράμματα σε εξέλιξη, όπως τα Ultrawideband Concepts for Ad hoc Networks (UCAN), Ultra Wideband Audio Video Entertainment System (ULTRAWAVES) και Pervasive Ultra-wideband Low Spectral Energy Radio Systems (PULSERS) [11].Αυτές οι προσπάθειες καθοδηγούνται από εταιρείες, όπως οι STMicroelectronics, Philips, Wisair και XtremeSpectrum. Το πρόγραμμα UCAN έχει εκδώσει αναφορές που επικεντρώνονται στην απώλεια διάδοσης στο UWB κανάλι, στον έλεγχο πρόσβασης στο μέσο διάδοσης (medium access control, MAC) και στη δρομολόγηση πρωτοκόλλων καθώς και στρατηγικών για επιλογή της διαδρομής διάδοσης. Κάποια μέλη του UCAN συμμετέχουν στην προετοιμασία ενός προηγμένου προγράμματος, του FP6 (6 th Framework of the EU-IST Program) Integrated Project: PULSERS. Οι Philips και Wisair ηγούνται των προγραμμάτων PULSERS και ULTRAWAVES. Η προοπτική του ULTRAWAVES είναι να παρέχει λύσεις υψηλής ποιότητας λειτουργίας και χαμηλού κόστους για ασύρματες οικιακές συνδέσεις, που να υποστηρίζουν εφαρμογές υψηλής ποιότητας βίντεο και ευρυζωνικών πολυμέσων (broadband multimedia). Ένας από τους κύριους στόχους είναι να επικυρωθούν οι προσεγγίσεις του ULTRAWAVES, τα θέματα της συνύπαρξης και άλλα λειτουργικά ζητήματα, σε διάφορα επίπεδα [11]Ο στόχος του PULSERS είναι η ανάπτυξη νέων UWB συσκευών, ξεκινώντας από αποδείξεις παραδοχών και καταλήγοντας σε πλήρως λειτουργικά πρότυπα. 18

19 Παρόλο που η UWB τεχνολογία δεν ταιριάζει στο σύνηθες ρυθμιστικό παράδειγμα, η τακτική της Ευρωπαϊκής Κοινότητας είναι να είναι ανεκτική και να μην παρεμποδίζει ή καθυστερεί τις τεχνολογίες. Το European Resuscitation Council (ERC) αναπτύσσει ένα σχέδιο για το πότε μικρής εμβέλειας συσκευές (συμπεριλαμβανομένων των UWB συστημάτων) μπορούν να λειτουργούν υπό ειδικές συνθήκες. Ιαπωνία Το Σεπτέμβριο του 2002, μετά από παρακίνηση από εταιρείες όπως οι XtremeSpectrum, Texas Instruments, Intel, Sony, Sharp και Panasonic, το υπουργείο Ministry of Public Management, Home Affairs, Posts and Telecommunications (MPHPT), στην Ιαπωνία, με το Συμβούλιο Τηλεπικοινωνιών (Telecommunications Council ) ξεκίνησε μια έρευνα με θέμα «Τεχνικές Συνθήκες για UWB Ραδιοσυστήματα» («Technical Conditions for UWB Radio Systems.»).Το Συμβούλιο έπρεπε να την εκδώσει ένα χρόνο αργότερα. Ωστόσο, η κατάσταση δεν είναι ακόμα γνωστή. Τον Απρίλιο του 2003, οι ερευνητές της Intel επεξεργάζονταν τις ρυθμίσεις του υπουργείου MPHPT προκειμένου να επιτραπεί η πρώτη δημόσια UWB εκπομπή στην Ιαπωνία, η οποία, τελικά, έλαβε χώρα στο Intel Developer Forum. Το φθινόπωρο του 2005, οι Ιάπωνες και Ευρωπαίοι αρμόδιοι για τη ρύθμιση της συχνότητας συνέταξαν ένα προσχέδιο κανονισμών. Αυτοί προέβλεπαν ότι η λειτουργία επιτρέπεται στις ζώνες συχνοτήτων 3,1-4,8GHz και 7-10GHz, παραλείποντας τη ζώνη γύρω από τα 5GHz. Σιγκαπούρη Από το Φεβρουάριο του 2003, η αρχή Infocomm Development Authority (IDA) της Σιγκαπούρης έχει ξεκινήσει ένα UWB πρόγραμμα. Ο στόχος αυτού του διετούς προγράμματος ήταν να ενθαρρύνει τον πειραματισμό στην UWB τεχνολογία μέσω της εισαγωγής πιλοτικών ρυθμίσεων, να συλλέξει πειραματικά αποτελέσματα για να καθορίσει ρυθμίσεις που θα επέτρεπαν μελλοντική εμπορική εκμετάλλευση, και να δημιουργήσει ένα οικοσύστημα UWB παικτών και χρηστών. Η IDA θα εισάγει ρυθμίσεις για να επιτρέψει ελεγχόμενες UWB εκπομπές στα όρια ενός Πάρκου Επιστημών (Science Park) καθώς και τη φιλοξενία μιας σειράς μελετών πάνω στην UWB συμβατότητα. Το πρόγραμμα επιτρέπει πειραματισμούς με πιο χαλαρούς κανόνες από αυτούς της FCC στα θέματα των ορίων εκπομπής και του τύπου λειτουργίας. Για παράδειγμα, πιλοτικές άδειες θα έχουν την ελευθερία να θέτουν σε λειτουργία τις συσκευές τόσο σε εσωτερικούς όσο και σε εξωτερικούς χώρους, χωρίς κανέναν περιορισμό στο αν αυτές θα τροφοδοτηθούν από μπαταρίες ή από ac παροχές Περιορισμοί εκπομπής Σύμφωνα με τους κανονισμούς της FCC, οι UWB συσκευές ταξινομούνται σε τρεις βασικές κατηγορίες: επικοινωνιών, απεικόνισης και ραντάρ. Για τις συσκευές τηλεπικοινωνιών, η FCC έχει καθορίσει διαφορετικά όρια εκπομπής για τις περιπτώσεις των εσωτερικών και εξωτερικών χώρων. Το φασματικό περιεχόμενο για τις συσκευές εξωτερικού χώρου είναι 10dB χαμηλότερο από το αντίστοιχο των εσωτερικού χώρου, στην περιοχή GHz, όπως φαίνεται στα παρακάτω διαγράμματα. 19

20 Εικ.9.Περιοσμοί εκπομπής για τηλεπικοινωνιακά συστήματα εσωτερικών χώρων Εικ.10.Περιοσμοί εκπομπής για τηλεπικοινωνιακά συστήματα εξωτερικών χώρων Η εικόνα 11 παρουσιάζει τα όρια εκπομπής για UWB συσκευές απεικόνισης διά μέσου τοίχων. Η λειτουργία αυτών των συσκευών περιορίζεται σε περιπτώσεις επιβολής νόμων και σε διασωστικές ομάδες. 20

21 Εικ.11.Περιορισμοί εκπομπής για απεικονιστικά συστήματα διά μέσου τοίχων. Εικ.12.Περιορισμοί εκπομπής για συστήματα ραντάρ. Τα συστήματα ραντάρ επιτρέπεται να εκπέμπουν dbm/mhz μόνο στην περιοχή συχνοτήτων από 22GHz έως 29GHz. Η κεντρική συχνότητα του σήματός τους πρέπει να είναι μεγαλύτερη από GHz. Αυτές οι συσκευές ραντάρ τοποθετούνται σε επίγεια οχήματα μεταφοράς τους και μπορούν να ενεργοποιηθούν είτε ενώ τα οχήματα 21

22 κινούνται είτε όταν αυτά είναι στάσιμα. Η εικόνα 12 δείχνει τους αντίστοιχους περιορισμούς εκπομπής. Ο πίνακας 3 συνοψίζει τους περιορισμούς εκπομπής για διάφορες UWB εφαρμογές σε κάθε ζώνη λειτουργίας. Πίνακας Εφαρμογές υπερευρείας ζώνης Το trade-off ανάμεσα στο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων και στην εμβέλεια των UWB συστημάτων υπόσχεται μεγάλη ποικιλία εφαρμογών στον στρατιωτικό, πολιτικό και εμπορικό τομέα. Η FCC κατηγοριοποιεί τις UWB εφαρμογές σε radar, απεικονιστικά συστήματα και συσκευές τηλεπικοινωνιών, όπως προαναφέρθηκε. Το ραντάρ θεωρείται μια από τις ισχυρότερες εφαρμογές της UWB τεχνολογίας. Τα καλά χαρακτηριστικά της θέσης των στενών UWB παλμών δίνουν στα ραντάρ τη δυνατότητα υψηλής διακριτικής ικανότητας (μέχρι εκατοστά) για στρατιωτικές και πολιτικές εφαρμογές. Επιπλέον, χάρη στο μεγάλο φάσμα συχνοτήτων, τα UWB σήματα μπορούν εύκολα να διαπερνούν διάφορα εμπόδια. Αυτή η ιδιότητα καθιστά τα UWB ραντάρ διείσδυσης εδάφους (ground-penetrating radar, GPR) ένα χρήσιμο πλεονέκτημα για τις ομάδες διάσωσης, για να ανευρίσκουν επιζώντες θαμμένους σε χαλάσματα. Στον εμπορικό τομέα, αυτά τα συστήματα ραντάρ μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κατασκευαστικά στάδια, για να τοποθετούν σωλήνες, καρφιά και καλωδίωση. Η ίδια τεχνολογία, υπό διαφορετικούς κανονισμούς, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορους τύπους ιατρικής απεικόνισης, όπως απομακρυσμένα συστήματα παρακολούθησης καρδιάς. Ακόμη, το UWB ραντάρ χρησιμοποιείται στη βιομηχανία αυτοκίνησης στα συστήματα αποφυγής συγκρούσεων. 22

23 Επιπλέον, η χαμηλή ισχύς εκπομπής των UWB παλμών τους καθιστά ιδανικούς υποψήφιους για τις απόρρητες στρατιωτικές επικοινωνίες. Οι UWB παλμοί είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθούν και να παρεμποδιστούν. Συνεπώς, καθίσταται δύσκολη η πρόσβαση στις ασφαλείς στρατιωτικές πληροφορίες. Επίσης, επειδή οι UWB συσκευές έχουν πιο απλό σύστημα πομπού/δέκτη από το αντίστοιχο των στενής ζώνης, μπορούν να κατασκευαστούν με μικρά μεγέθη και με χαμηλότερο κόστος. Οι μικροί και φθηνότεροι UWB πομποδέκτες χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές ασύρματων αισθητηρίων δικτύων (wireless sensor network applications) τόσο στο στρατιωτικό όσο και στον πολιτικό τομέα. Τέτοια αισθητήρια δίκτυα χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση ενός φυσικού φαινομένου σε μια μη προσβάσιμη περιοχή και για τη μεταφορά της πληροφορίας σε συγκεκριμένο προορισμό. Μια στρατιωτική εφαρμογή θα μπορούσε να είναι η ανίχνευση βιολογικών παραγόντων ή εχθρική εισχώρηση στο πεδίο μάχης. Οι πολιτικές εφαρμογές μπορεί να περιλαμβάνουν παρακολούθηση και έλεγχο κατοίκων, παρατήρηση του περιβάλλοντος, έλεγχο και παρακολούθηση της υγείας και οικιακή αυτοματοποίηση. Η καλή λειτουργία των UWB συσκευών σε κανάλια πολλαπλών οδεύσεων μπορεί να παρέχει δυνατότητα ακριβούς γεωγραφικού προσδιορισμού σε εσωτερικούς και σκοτεινούς χώρους όπου οι δέκτες του GPS δε θα απέδιδαν. Ο υψηλός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων των UWB συστημάτων για μικρές αποστάσεις βρίσκει πολυάριθμες εφαρμογές σε οικιακά δίκτυα και σε επικοινωνίες πλούσιες σε πολυμέσα με τη μορφή των WPANs εφαρμογών. Τα UWB συστήματα θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τις καλωδιακές κάμερες και τα VCRs, καθώς και πολλές άλλες consumer electronics εφαρμογές όπως τα laptops, DVDs, ψηφιακές κάμερες. Καμία άλλη διαθέσιμη ασύρματη τεχνολογία, όπως το Bluetooth ή a [12], δεν αποδεικνύεται ικανή για μεταφορά βίντεο. Στον πίνακα 4 συνοψίζονται οι εφαρμογές της UWB τεχνολογίας στον στρατιωτικό, πολιτικό και εμπορικό τομέα. [12]Standards που αναπτύσσονται από μια ερευνητική ομάδα της IEEE για τα WLANs. Υπάρχουν αρκετές διευκρινήσεις για την τεχνολογία των WLANs, όπως τα , a, b, e, g και n. Τα και b λειτουργούν σε συχνότητες στην περιοχή των 2,4GHz και προσφέρουν ρυθμούς μετάδοσης 1Mbps ή 2Mbps για το , και 5Mbps ή 11Mbps για το b. Το a λειτουργεί στα 5GHz και παρέχει ρυθμό δεδομένων ως και 54Mbps. Το g λειτουργεί στα 2,4 GHz αλλά προσφέρει ρυθμούς όμοιους με το a (54Mbps). Το e περιλαμβάνει κώδικες κρυπτογράφησης για επιπλέον ασφάλεια στα WLANs. 23

24 Επικοινωνίες Ραντάρ Στρατιωτικές και Πολιτικές Ασφαλείς LPI/D επικοινωνίες Κρυφά ασύρματα αισθητήρια δίκτυα (εφαρμογές σε πεδία μάχης) Απεικόνιση διά μέσου τοίχων (αστυνομία, πυροσβεστική) Ραντάρ διείσδυσης στο έδαφος (διασωστικές ομάδες) Επιτήρηση και έλεγχος Εμπορικές WLANs, WPANs Ασύρματο βίντεο (οικιακά δίκτυα) Ασύρματα αισθητήρια δίκτυα (παρακολούθηση υγείας, οικιακή αυτοματοποίηση) Ιατρική απεικόνιση (απομακρυσμένη παρακολούθηση καρδιάς) Ραντάρ διείσδυσης στο έδαφος (κατασκευές) Βιομηχανία αυτοκίνησης Οικιακή ασφάλεια Πίνακας Διαφορές μεταξύ UWB και Spread Spectrum. Παρόλο που η UWB είναι μια αναπτυσσόμενη τεχνολογία και εμπλουτίζεται καθημερινά, αρκετές παρερμηνείες σχετίζονται με το όνομά της. Πολλοί συγχέουν τις UWB επικοινωνίες με τις ευρείας ζώνης τεχνικές διασκορπισμού φάσματος (spread spectrum). Ακόμη κι αν τόσο οι UWB όσο και οι spread spectrum τεχνικές έχουν τις ρίζες τους στις στρατιωτικές ασφαλείς επικοινωνίες, πρέπει να διευκρινιστεί μια θεμελιώδης διαφορά μεταξύ τους. Η βασική ιδέα του διασκορπισμού φάσματος είναι η επέκταση του εύρους ζώνης του σήματος πληροφορίας σε μεγάλο βαθμό. Η επέκταση (διασκορπισμός) αυτή πραγματοποιείται με ειδικούς κώδικες ανεξάρτητους από το σήμα πληροφορίας. Το προκύπτον σήμα έχει τη μορφή θορύβου (noise like). Δύο τεχνικές διασκορπισμού φάσματος είναι οι direct-sequence spread spectrum (DSSS) [13] και frequency-hopping spread-spectrum (FHSS) [14]. Και οι δύο τεχνικές προσφέρουν διασκορπισμό στο πεδίο της συχνότητας και παρέχουν πλεονεκτήματα έναντι των επικοινωνιών στενής ζώνης, όπως μικρότερη φασματική πυκνότητα ισχύος, συγκάλυψη, διαφορισμό συχνότητας για καλύτερη λειτουργία σε κανάλια πολλαπλών οδεύσεων και αντίσταση σε παρεμβολές. Οπότε, το λογικό ερώτημα είναι: Ποια είναι η διαφορά μεταξύ UWB και spread spectrum; [13]Τεχνική κατά την οποία το σήμα διασκορπίζεται συνεχώς σ ένα μεγάλο φάσμα συχνοτήτων. Τα δεδομένα στην DSSS τεχνική διαμορφώνονται από συγκεκριμένο κώδικα που προσθέτει πλεόνασμα σε κάθε μεταδιδόμενο bit που του προσφέρει περισσότερη ασφάλεια και μεγαλύτερο ποσοστό ανάκτησης δεδομένων. Το CDMA είναι μια DSSS τεχνική. [14]Τεχνική διαμόρφωσης κατά την οποία τα δεδομένα μεταδίδονται σύμφωνα με έναν κώδικα που προσδιορίζει διάφορες συχνότητες καναλιών. Η υπερπήδηση των δεδομένων από κανάλι σε κανάλι συμβαίνει πολύ γρήγορα, ώστε η εκπομπή να είναι πολύ ασφαλής για στρατιωτικές υπηρεσίες. Ανακαλύφθηκε από την ηθοποιό Hedy Lamarr το

25 Παρόλο που και οι UWB τεχνικές και οι τεχνικές διασκορπισμού φάσματος έχουν τα ίδια πλεονεκτήματα του εκτεταμένου φάσματος, ο τρόπος επίτευξης του μεγάλου εύρους ζώνης είναι η ειδοποιός διαφορά ανάμεσα στις δύο τεχνολογίες. Στις συμβατικές τεχνικές διασκορπισμού φάσματος, τα σήματα είναι συνεχείς ημιτονοειδείς κυματομορφές που διαμορφώνονται από μία συγκεκριμένη συχνότητα φέροντος. Στις επικοινωνίες υπερ-ευρείας ζώνης, από την άλλη πλευρά, δεν υπάρχει καν συχνότητα φέροντος. Η μικρή διάρκεια των UWB παλμών αυτόματα δημιουργεί μεγάλο εύρος ζώνης. Ένα ακόμα χαρακτηριστικό των UWB είναι το μεγάλο εύρος ζώνης. Οι spread spectrum τεχνικές μπορούν να προσφέρουν εύρος της τάξης των megahertz, ενώ οι UWB παλμοί παρέχουν εύρος της τάξης των μερικών gigahertz. Η εικόνα 13 δείχνει την απεικόνιση στα πεδία του χρόνου και της συχνότητας των στενής ζώνης, ευρείας ζώνης και υπερευρείας ζώνης σημάτων. Όπως φαίνεται στην εικόνα 13, στις τεχνολογίες στενής ζώνης τα συνεχής κυματομορφής σήματα καταλαμβάνουν μια καλά ορισμένη και στενή περιοχή του φάσματος συχνοτήτων. Όμως στις τεχνολογίες ευρείας ζώνης, η περιοχή συχνοτήτων των σημάτων διασκορπίζεται ελαφρώς λίγο πιο πάνω από το επίπεδο θορύβου χάρη στη χρήση των σειρών διασκορπισμού (spreading sequence). Στις UWB τεχνολογίες, η μικρή διάρκεια του παλμού αυτόματα δημιουργεί το μεγάλο εύρος ζώνης των μερικών gigahertz χωρίς τη χρήση των κωδίκων διασκορπισμού. Επίσης, παρατηρούμε ότι τα σήματα στενής ζώνης είναι πάντα παρόντα, έτσι ο κύκλος λειτουργίας τους είναι 100%, ενώ οι UWB παλμοί είναι παρόντες μόνο για πολύ μικρή χρονική περίοδο, με κύκλο λειτουργίας μικρότερο από 0,5%.Ο μικρός κύκλος λειτουργίας έχει ως αποτέλεσμα την πολύ μικρή ισχύ εκπομπής, κάτι που αποτελεί μειονέκτημα για τα UWB συστήματα, γιατί η πληροφορία διανύει μόνο μικρές αποστάσεις. Επομένως, για μεγάλης εμβέλειας εφαρμογές, οι τεχνικές διασκορπισμού φάσματος είναι καταλληλότερες. Εικ.13.Η μετάβαση από τη στενή στην ευρεία και υπερευρεία ζώνη στα πεδία του χρόνου και της συχνότητας. 25

26 1.10 Κίνητρο για τη σχεδίαση UWB κεραιών Η έξαρση της UWB τεχνολογίας είχε και έχει σημαντική επίδραση στη σχεδίαση κεραιών, δεδομένου ότι η έρευνα πάνω στις κεραίες για τα περισσότερα narrowband συστήματα είναι σχετικά ώριμη και συνυπολογίζοντας το γεγονός ότι οι κεραίες ήταν και είναι μια θεμελιώδης πρόκληση των UWB ραδιοσυστημάτων. Η κυριότερη πρόκληση στη σχεδίαση UWB κεραιών είναι η επίτευξη του μεγάλου εύρους ζώνης σύνθετης αντίστασης (impedance bandwidth) διατηρώντας υψηλή αποδοτικότητα εκπομπής. Καλύπτοντας 7.5GHz φάσματος, αυτό το εύρος ζώνης ξεφεύγει από τον τυπικό ορισμό της ευρυζωνικής κεραίας. Οι UWB κεραίες τυπικά πρέπει να διατηρούν ένα εύρος ζώνης που ξεπερνά το 100% της κεντρικής συχνότητας, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται ικανοποιητική προσαρμογή σύνθετης αντίστασης σ όλο το εύρος προκειμένου να περιοριστεί η απώλεια ισχύος, λόγω ανακλάσεων, σε λιγότερο από 10% στις τερματικές κεραίες. Εκτός αυτού, απαιτείται γραμμική φάση για βέλτιστη λήψη του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, η οποία αντιστοιχεί σε σχεδόν σταθερή καθυστέρηση ομάδας (group delay). Αυτό ελαχιστοποιεί και την παραμόρφωση του παλμού κατά τη διάρκεια της διάδοσης. Επίσης, ιδιαίτερα απαραίτητη είναι η μεγάλη αποδοτικότητα, για τις UWB εφαρμογές. Εφόσον η ισχύς εκπομπής είναι τόσο χαμηλή (κάτω από το επίπεδο του θορύβου), η απώλεια ισχύος λόγω διηλεκτρικών και οι απώλειες αγωγών πρέπει να ελαχιστοποιηθούν. Τυπικά, οι κεραίες του εμπορίου επιτυγχάνουν αποδοτικότητα της τάξης του 50-60% λόγω των απωλειών που οφείλονται στα διηλεκτρικά υλικά. Απώλεια ισχύος κατά 50% είναι απαράδεκτη στην UWB τεχνολογία, αφού κάτι τέτοιο επιβάλλει εξαιρετική ευαισθησία (πολύ μικρή) δέκτη ώστε να λαμβάνεται το εκπεμπόμενο σήμα. Επιπλέον απώλειες υποβαθμίζουν τη λειτουργικότητα του συστήματος. Οι φυσικοί περιορισμοί απαιτούν συμβατότητα με φορητές ηλεκτρονικές συσκευές και ολοκληρωμένα κυκλώματα. Συνεπώς, χρειάζεται μια μικρή, συμπαγής και επίπεδη κεραία. Στον πίνακα 5 παρουσιάζονται κάποια από τα χαρακτηριστικά των UWB κεραιών. Δεδομένου ότι υπάρχουν αρκετοί επιπρόσθετοι περιορισμοί και προκλήσεις για τη σχεδίαση μιας UWB κεραίας, το κίνητρο της σχεδίασης είναι προφανές. 26

27 VSWR Bandwidth GHz Αποδοτικότητα Υψηλή (>70%) Φάση Διάγραμμα ακτινοβολίας Σχεδόν γραμμική => σταθερή καθυστέρηση ομάδας Παγκατευθυντικό (omnidirectional) Κατευθυντικότητα και κέρδος Χαμηλά Εύρος ζώνης ημίσειας ισχύος (HPBW) Μεγάλο (> 60%) Φυσικά χαρακτηριστικά Μικρή, συμπαγής, επίπεδη Πίνακας 5 27

28 2. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΕΡΑΙΩΝ ΜΕ ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ COMSOL Multiphysics 2.1 Σχετικά με το COMSOL Multiphysics Το COMSOL Multiphysics αποτελεί ένα δυναμικό περιβάλλον για τη μοντελοποίηση και την επίλυση όλων των ειδών επιστημονικών και μηχανικών προβλημάτων και βασίζεται σε μερικές διαφορικές εξισώσεις (partial differential equations,pdes). Στην πραγματικότητα, δεν απαιτείται μια εις βάθος γνώση μαθηματικών ή αριθμητικής ανάλυσης. Χάρη στη δομή του λογισμικού, είναι δυνατό να χτίζουμε μοντέλα προσδιορίζοντας σχετικές φυσικές ποσότητες, όπως ιδιότητες υλικών, φορτία, περιορισμούς, πηγές κλπ, παρά προσδιορίζοντας τις σχετικές εξισώσεις. Το COMSOL Multiphysics συνδυάζει ένα σύνολο PDEs που αντιπροσωπεύουν το μοντέλο εξ ολοκλήρου. Υπάρχουν διάφοροι τύποι ανάλυσης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν συμπεριλαμβανομένων, στατικής και εξαρτημένης χρόνου ανάλυσης, γραμμικής και μη γραμμικής, ανάλυσης ιδιοτιμών (ιδιοσυχνοτήτων). Για την επίλυση των PDEs το COMSOL Multiphysics χρησιμοποιεί τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (finite element method, FEM). Το λογισμικό τρέχει τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων παράλληλα με προσαρμοζόμενο πλέγμα και έλεγχο σφαλμάτων, χρησιμοποιώντας μια ποικιλία αριθμητικών solvers (linear, non linear, direct). Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του λογισμικού αυτού είναι το extended multiphysics, δηλαδή ο συνδυασμός των μεταβλητών για να συνδέσει PDE μοντέλα σε διάφορες γεωμετρίες. Αυτό φανερώνει ένα βήμα προς τη μοντελοποίηση σε επίπεδο συστήματος. Ένα άλλο μοναδικό χαρακτηριστικό του COMSOL Multiphysics είναι η ικανότητα να συνδυάζει τομείς διαφορετικών χωρικών διαστάσεων στο ίδιο πρόβλημα. Αυτή η ευελιξία όχι μόνο απλοποιεί τη μοντελοποίηση, αλλά και μειώνει το χρόνο εκτέλεσης. 2.2 Εφαρμογή σε τετραγωνική κεραία μικροταινίας τροφοδοτούμενη ασύμμετρα από γραμμή μικροταινίας Κεραία μικροταινίας-γενικά Οι κεραίες μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας τεχνικές τυπωμένων κυκλωμάτων. Μια σημαντικότατη κατηγορία κεραιών απλών στην κατασκευή, χαμηλού κόστους και ικανοποιητικής ευελιξίας είναι οι κεραίες μικροταινίας (microstrip antennas, patch antennas). Αν και η έννοια της κεραίας μικροταινίας είναι γνωστή από τη δεκαετία του 50, η ουσιαστική εφαρμογή της άρχισε τη δεκαετία του 70, ενώ η γενικευμένη χρήση της, κυρίως σε ασύρματες και κινητές επικοινωνίες παρατηρήθηκε κυρίως τα τελευταία χρόνια. Η βασική γεωμετρική δομή μιας τέτοιας κεραίας φαίνεται στην εικόνα 14 και αποτελείται από ένα ορθογώνιο πολύ λεπτό μεταλλικό φύλλο (patch), πάνω σε διηλεκτρικό υπόστρωμα, το οποίο με τη σειρά του 28

29 τερματίζεται από αγώγιμο επίπεδο (ground plane) σε όλο του το εύρος. Το πάχος του υποστρώματος (h) είναι ένα μικρό κλάσμα του μήκους κύματος στον ελεύθερο χώρο λ 0 /300 h λ 0 /20, κάτι που εξασφαλίζει διάδοση μόνο του κυρίαρχου, σχεδόν TEM (quasi-tem) ρυθμού στη μικροταινία τροφοδοσίας. Οι διαστάσεις του αγώγιμου φύλλου καθορίζονται έτσι ώστε το μέγιστο της ακτινοβολίας να βρίσκεται προς τη διεύθυνση την κάθετη στο επίπεδο της κεραίας (ευρύπλευρη ακτινοβολία). Με βάση την απαίτηση αυτή, για ορθογωνική κεραία μικροταινίας, το μήκος, L, του μεταλλικού φύλλου είναι, γενικά λ 0 /3 L λ 0 /2. Τα διηλεκτρικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τέτοιων κεραιών έχουν σχετική διηλεκτρική σταθερά 2,2 ε r 12. Γενικά, η χρήση υλικών με μικρή διηλεκτρική σταθερά οδηγεί στην κατασκευή κεραιών με καλύτερη αποδοτικότητα, μεγαλύτερο εύρος ζώνης, καλύτερα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας (καθώς το διηλεκτρικό συγκεντρώνει λιγότερο το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό του), απαιτούν όμως μεγαλύτερο πάχος υποστρώματος αλλά και μεγαλύτερες διαστάσεις. Από την άλλη πλευρά, η χρήση διηλεκτρικών υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς έχει ως αποτέλεσμα την επίτευξη πιο συμπαγών (compact) κυκλωμάτων, με αντίτιμο όμως μειωμένη αποδοτικότητα και εύρος ζώνης. Δεδομένου ότι οι κεραίες μικροταινίας αποτελούν μέρος ενός ευρύτερου τυπωμένου κυκλώματος στο οποίο πρέπει να ενσωματωθούν, χρειάζεται πολλές φορές κάποιος συμβιβασμός σχετικά με την επιλογή των υλικών και των διαστάσεων της κεραίας. Η τροφοδοσία μιας κεραίας μικροταινίας γίνεται με διάφορους τρόπους. Στις περισσότερες περιπτώσεις γίνεται μέσω μικροταινίας. (Για την επίτευξη προσαρμογής της σύνθετης αντίστασης εισόδου με τη χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής χαράσσεται κατάλληλη εσοχή (inset)). Ένας άλλος τρόπος τροφοδοσίας είναι με ομοαξονικό καλώδιο ο εσωτερικός αγωγός του οποίου καταλήγει σε πρόβολο και συνδέεται με το μεταλλικό φύλλο. Οι παραπάνω μέθοδοι είναι εύκολες στην κατασκευή και προσαρμογή αντιστάσεων, παρουσιάζουν όμως προβλήματα λόγω ύπαρξης κυμάτων επιφανείας και παρασιτικής ακτινοβολίας, ειδικά όσο αυξάνεται το πάχος του υποστρώματος, κάτι που οδηγεί σε μειωμένο εύρος ζώνης. Καλύτερα χαρακτηριστικά μπορούν να επιτευχθούν με εναλλακτικούς τρόπους τροφοδοσίας που αποφεύγουν την άμεση επαφή του συστήματος τροφοδοσίας με την κεραία. Τέλος, είναι δυνατή η διέγερση μέσω γειτνίασης (proximity coupling), μέθοδος που παρουσιάζει το καλύτερο εύρος ζώνης (μέχρι και 15%), χαμηλή παρασιτική ακτινοβολία και πολύ καλά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας καθώς και πολύ καλύτερες δυνατότητες απομόνωσης του συστήματος τροφοδοσίας από την κεραία. Εικ.14.Βασική γεωμετρική δομή μιας κεραίας μικροταινίας. 29