ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΤΥΠΩΜΕΝΩΝ ΚΕΡΑΙΩΝ YAGI ΓΙΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΑΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Β ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΤΥΠΩΜΕΝΩΝ ΚΕΡΑΙΩΝ YAGI ΓΙΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΔΗΜΗΤΡΑΣ ΨΥΧΟΓΙΟΥ του ΓΕΩΡΓΙΟΥ (Α.Μ :5809) ΦΟΙΤΗΤΡΙΑΣ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Επιβλέπων: Αναπλ.Καθηγητής Κ.Σώρρας Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Σεπτέμβριος 2008

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα : «Σχεδίαση Τυπωμένων Κεραιών Yagi για Ασύρματα Συστήματα Επικοινωνιών» της φοιτήτριας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Δήμητρας Ψυχογιού του Γεωργίου Α.Μ: 5809 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../ / Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Κωνσταντίνος Σώρρας Αναπληρωτής Καθηγητής Νικόλαος Φακωτάκης Καθηγητής Πάτρα, Σεπτέμβριος 2008

4 4

5 5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η Παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο θεωρητικής Ηλεκτροτεχνίας και Παραγωγής Β του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. Πρόκειται για μια εργασία στην οποία συνοψίζονται τα αποτελέσματα μιας μελέτης αναφορικά με τη σχεδίαση Τυπωμένων Κεραιών Yagi για Ασύρματα Συστήματα Επικοινωνιών. Στο σημείο αυτό, αισθάνομαι την ανάγκη να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Κωνσταντίνο Σώρρα τόσο για την ευκαιρία που μου έδωσε να συνεργαστώ μαζί του, όσο και για την ουσιαστική βοήθεια και επίβλεψη που μου προσέφερε κατά τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής μου εργασίας. Οι συμβουλές του υπήρξαν καθοριστικές τόσο για την πορεία της παρούσας διπλωματικής εργασίας όσο και για την συνολική μου πορεία ως φοιτήτρια στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών.

6 6

7 7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ...5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ...7 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΚΕΡΑΙΩΝ ΒΑΣΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΕΡΑΙΩΝ ΒΑΣΙΚΕΣ ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗΣ ΤΥΠΩΜΕΝΩΝ ΚΕΡΑΙΩΝ Η ΜΕΘΟΔΟΣ ΤΩΝ ΡΟΠΩΝ...21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΕΠΙΠΕΔΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΤΥΠΩΜΕΝΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ ΚΕΡΑΙΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΖΩΝΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΕΡΑΙΕΣ ΚΟΛΟΥΡΟΚΩΝΙΚΗΣ ΣΧΙΣΜΗΣ(TAPERED SLOT) ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΣΠΕΙΡΟΕΙΔΕΙΣ ΚΕΡΑΙΕΣ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ (RESONANT-STYLE PRINTED ANTENNAS) ΤΥΠΩΜΕΝΑ ΔΙΠΟΛΑ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ ΣΧΙΣΜΗΣ PATCHES ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΜΙΚΡΕΣ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ...32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗΣ ΤΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΩΝ ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΩΝ...37 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΖΗΤΗΣΗ ΤΥΠΩΜΕΝΩΝ ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ Χ-ΜΠΑΝΤΑΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΗ YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΑΠΛΟΠΟΙΗΜΕΝΟ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΟΜΟΕΠΙΠΕΔΗ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΥΜΕΝΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΟΜΟΕΠΙΠΕΔΗ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΥΜΕΝΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΚΑΙ ΚΑΜΠΥΛΩΤΑ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΟΜΟΕΠΙΠΕΔΗ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΥΜΕΝΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΓΕΦΥΡΑΣ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΗ ΕΠΙΠΕΔΗ ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΕΑ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ 2.4 ISM ΜΠΑΝΤΑΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΕΣ ΧΑΜΗΛΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI ΜΕ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΖΩΝΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΗ ΚΕΡΑΙΑ YAGI ΜΕ ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΕ ΔΥΟ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΜΠΑΝΤΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΗ ΚΕΡΑΙΑ YAGI ΜΕ ΤΡΟΦΟΔΟΤΟΥΜΕΝΟ ΔΙΠΟΛΟ ΥΠΟ ΚΛΙΣΗ ΓΙΑ ΠΟΛΛΑΠΛΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΓΙΑ WLAN ΔΙΠΛΟΖΩΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΔΙΠΛΟΖΩΝΙΚΗ ΚΕΡΑΙΑ YAGI ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ FRACTAL ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΣΕ ΔΟΜΗ ΣΤΟΙΒΑΣ ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΓΙΑ ΤΗ C-ΜΠΑΝΤΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ...48 Σχήμα Όμοιο- Yagi κεραία για τη C- μπάντα συχνοτήτων ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΓΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΤΑ 100 GHZ ΒΑΣΙΣΜΕΝΗ ΣΤΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΤΥΠΩΜΕΝΗ YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΗ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟ ΣΥΣΤΟΙΧΙΕΣ ΤΥΠΩΜΕΝΩΝ YAGI ΚΕΡΑΙΩΝ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ ΚΕΡΑΙΩΝ YAGI ΜΕ ΟΡΘΟΓΩΝΙΑ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ ΚΕΡΑΙΩΝ YAGI ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ Χ- ΜΠΑΝΤΑΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ.52

8 ΤΡΙΓΩΝΙΚΗ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ ΚΕΡΑΙΩΝ YAGI ΠΟΛΥΤΜΗΜΑΤΙΚΕΣ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI...53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ L-ΜΠΑΝΤΑΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΗ ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΕΑ ΤΥΠΩΜΕΝΗ YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΔΥΟ ΕΠΙΠΕΔΩΝ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ...61 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΚΕΡΑΙΩΝ...65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ 1.3 GHZ ΕΡΑΣΙΤΕΧΝΙΚΗΣ ΜΠΑΝΤΑΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΗ ΚΕΡΑΙΑ YAGI ΜΕ ΠΛΑΤΥ ΜΕΤΑΛΛΙΚΟ ΑΝΑΚΛΑΣΤΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΤΥΠΩΜΕΝΗ YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΛΕΠΤΟ ΜΕΤΑΛΛΙΚΟ ΑΝΑΚΛΑΣΤΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ...70 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ISM 2.4 GHz ΜΠΑΝΤΑΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΗ YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΕΝΤΕΚΑ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΕΣ ΜΕ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΚΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΓΙΑ WLAN ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΕΝΑ ΚΑΤΕΥΘΥΝΤΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΤΡΙΑ ΚΑΤΕΥΘΥΝΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΠΕΝΤΕ ΚΑΤΕΥΘΥΝΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ...85 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΕΡΑΙΩΝ...88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI ΜΕ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΤΑ 5 GHZ ΤΥΠΩΜΕΝΗ ΚΕΡΑΙΑ YAGI ΥΨΗΛΟΥ ΚΕΡΔΟΥΣ ΜΕ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΚΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΚΑΙ ΟΡΘΟΓΩΝΙΑ ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ...91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI ΓΙΑ ΔΙΠΛΟΖΩΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΌΜΟΙΟ - YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΓΙΑ ΔΙΠΛΟΖΩΝΙΚΕΣ WLAN ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ...95 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ Χ-ΜΠΑΝΤΑΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΑΠΛΗ ΕΠΙΠΕΔΗ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΗ YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΟΜΟΕΠΙΠΕΔΗ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΥΜΕΝΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΗ YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΑΠΛΗ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΚΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΚΕΡΑΙΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΥΣΤΟΙΧΙΕΣ ΚΕΡΑΙΩΝ ΣΥΣΤΟΙΧΙΕΣ ΚΕΡΑΙΩΝ YAGI ΓΙΑ WLAN ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΥΝΔΥΑΖΟΝΤΑΣ ΔΥΟ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI ΜΕ ΟΡΘΟΓΩΝΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΚΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΗΣ ΜΟΝΑΔΙKHΣ ΚΕΡΑΙΑΣ YAGI ΜΕ ΤΗ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ ΔΥΟ ΟΜΟΙΩΝ ΚΕΡΑΙΩΝ YAGI ΕΠΙΛΟΓΟΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ A ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΓΡΑΜΜΩΝ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Μικροταινιακή γραμμή τροφοδοσίας Ομοεπίπεδη κυματοδηγούμενη γραμμή τροφοδοσίας ΔΙΑΙΡΕΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Τ-ΕΝΩΣΗΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΤΙΚΗ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΩΝ ΣΤΟ ADS-MOMENTUM ΓΙΑ ΤΙΣ ΚΕΡΑΙΕΣ ΠΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΤΗΚΑΝ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β Χ-Μπάντα συχνοτήτων ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

9 9 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ραγδαία ανάπτυξη των κινητών επικοινωνιών τις τελευταίες δεκαετίες, έχει διαμορφώσει ριζικά το τοπίο των επικοινωνιών και συχνά αναφέρεται σαν «ασύρματη επανάσταση». Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η εξάπλωση των κινητών επικοινωνιών οδήγησε στην εκτεταμένη χρήση ασύρματων συσκευών για την διεκπεραίωση υπηρεσιών φωνής και δεδομένων. Έτσι, η ενσύρματη τηλεφωνία δεν αποτελεί πλέον την πρώτη επιλογή για τους περισσότερους χρήστες και η πρόσβαση στο διαδίκτυο τείνει να πραγματοποιείται ασύρματα. Υπό αυτήν την οπτική γωνία, οι κινητές επικοινωνίες ανέπτυξαν ένα νέο τρόπο επικοινωνίας δημιουργώντας ένα σύνολο νέων υπηρεσιών και προτύπων. Τα συμβατικά ασύρματα συστήματα επικοινωνιών (κυψελοειδή/κινητά) συνεχίζουν να αποτελούν ακρογωνιαίο λίθο της σημερινής κοινωνίας, προσφέροντας όλο ένα και περισσότερες εφαρμογές μεγαλύτερου εύρους ζώνης στο κοινό. Σταδιακά, αναπτύσσονται και υιοθετούνται νέες ασύρματες τεχνολογίες με προηγμένα χαρακτηριστικά, οι οποίες γίνονται γρήγορα αποδεκτές από το χρήστη και αποτελούν αναπόσπαστο Τηλεπικοινωνιακό κομμάτι. Τόσο τα δορυφορικά συστήματα που καλύπτουν τις ανάγκες επικοινωνιακών εφαρμογών, εφαρμογών ευρυεκπομπής και εντοπισμού θέσης, όσο και η τεχνολογία WLAN είναι χαρακτηριστικά παραδείγματα ασύρματων τεχνολογιών που σημάδεψαν τον χώρο των τηλεπικοινωνιών και αποτέλεσαν αφετηρία για νέες ασύρματες τεχνολογίες. Θα ήταν παράλειψη να μην αναφέρουμε τα ασύρματα συστήματα που βασίζονται στα πρότυπα ΙΕΕΕ x τα οποία σημάδεψαν την ανάπτυξη ανταγωνιστικών, χαμηλού κόστους ασύρματων εφαρμογών. Η γρήγορη εξάπλωση των ασύρματων επικοινωνιών, καθώς και η συνεχής σμίκρυνση των τερματικών συσκευών αποτελεί αδιαμφισβήτητο γεγονός. Βέβαια αυτή η εξέλιξη των ασυρμάτων συσκευών με ολοένα και μικρότερες διαστάσεις δεν θα μπορούσε να αφήσει ανεπηρέαστο ένα από τα σημαντικότερα δομικά συστατικά ενός ασύρματου επικοινωνιακού συστήματος, τη γνωστή σε όλους μας κεραία. Ως αποτέλεσμα, αναπτύχθηκαν επίπεδες κεραίες με ελκυστικά κατασκευαστικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά, όπως οι κεραίες μικροταινίας και οι τυπωμένες κεραίες. Δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στην ανάπτυξη νέων σχεδιαστικών και κατασκευαστικών τεχνικών με σκοπό την κατασκευή επίπεδων κεραιών χαμηλού κόστους, μικρού μεγέθους, ικανών να ενσωματωθούν εύκολα με άλλες κυκλωματικές διατάξεις, ικανοποιώντας τα κριτήρια σχεδιασμού ενός σύγχρονου ασύρματου επικοινωνιακού συστήματος. Οι διαρκώς αυξανόμενες απαιτήσεις των ασυρμάτων δικτύων για προσφορά όλο και περισσοτέρων υπηρεσιών και εφαρμογών, δημιούργησε νέες προκλήσεις στο σχεδιασμό και τη μελέτη των τυπωμένων κεραιών, αφού απαιτούμε από μια κινητή τερματική συσκευή πολύ μικρού μεγέθους να ικανοποιεί ταυτόχρονα τηλεφωνικές υπηρεσίες, υπηρεσίες βίντεοκλήσης, υψηλής μετάδοσης δεδομένων, εντοπισμού θέσης, πλοήγησης, διασκέδασης και πολλές ακόμα που έπεται να εμφανιστούν στο μέλλον. Οι καινούργιες υπηρεσίες δεν

10 10 απαιτούν μόνο υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων, αλλά και συνδυασμένη παροχή ταυτόχρονων υπηρεσιών, με αποτέλεσμα να προστίθενται όλο και περισσότερες κυκλωματικές διατάξεις και να μειώνεται ο διαθέσιμος χώρος της κεραίας στην φορητή τερματική συσκευή. Συνεπώς αυξάνονται οι απαιτήσεις για αποτελεσματική λειτουργία πολλαπλών κεραιών μέσα στην ίδια τερματική συσκευή σε συνδυασμένη λειτουργία με μικροκάμερες, φλάς, μικρόφωνα, μπαταρίες κ.λ.π τα οποία απαιτούνται για τη λειτουργία μιας μικρής τερματικής συσκευής[1]. Πολύ πρόσφατα και ειδικά από το 2000 και έπειτα, άρχισαν να παρουσιάζονται στη διεθνή βιβλιογραφία ολοένα και περισσότερες διαφορετικές διατάξεις τυπωμένων επίπεδων κεραιών για τις ανάγκες των παρόντων κινητών κυψελοειδών επικοινωνιακών συστημάτων. Πιο συγκεκριμένα, τυπωμένες κεραίες χρησιμοποιούνται ευρύτατα για την κάλυψη των αναγκών των συστημάτων GSM (Global System for Mobile Communication MHz), DCS (Digital Communication System MHz), PCS (Personal Communication System MHz), UMTS (Universal Mobile Telecommunication System MHz), WLAN (Wireless Local Area Networks MHz) και HIPERLAN (High-Performance Radio Local Area Networks MHz), καθώς επίσης και για τις διάφορες ISM (Industrial Scientific Medical) μπάντες και την τρίτη γενιά ασύρματων διατάξεων ΙΜΤ-2000 (International Mobile Telephony 2000), για ευρυζωνικές εφαρμογές. Στα σχήματα που ακολουθούν παρουσιάζονται συνοπτικά τα παρόντα αλλά και μελλοντικά ασύρματα επικοινωνιακά συστήματα (Σχήμα 1) καθώς και η κατανομή του φάσματος συχνοτήτων από 300 MHz- 100 GHz στις επιμέρους ασύρματες εφαρμογές(σχήμα 2)[1]. Είναι γεγονός ότι η περιοχή των τυπωμένων επίπεδων κεραιών αποτελεί ένα πολλά υποσχόμενο πεδίο, καθώς αποτελούν κυρίαρχο συστατικό ενός ασύρματου επικοινωνιακού συστήματος και παρουσιάζουν ελκυστικά χαρακτηριστικά. Χαρακτηριστικά αναφέρουμε πως έχουν μεγάλο εύρος ζώνης λειτουργίας, χαμηλό κατασκευαστικό κόστος, μικρό βάρος και μέγεθος. Επιπλέον είναι εύκολο να κατασκευαστούν, να ενσωματωθούν σε τερματικές διατάξεις και μικροκυματικά κυκλώματα και να συνδυαστούν σε επίπεδες συστοιχίες κεραιών. Πρόκειται για διατάξεις συμβατές με ηλεκτρονικά σταθερής κατάστασης,τεχνολογίες Silicon, υβριδικά και μονολιθικά κυκλώματα, οι οποίες με κατάλληλες τεχνικές σχεδιασμού μπορούν να ικανοποιήσουν σχεδόν όλες τις τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές.

11 11 Σχήμα 1-Σχηματικό διάγραμμα παρόντων και μελλοντικών ασύρματων επικοινωνιακών συστημάτων.[1] Σχήμα 2- Κατανομή του φάσματος συχνοτήτων στις διάφορες ασύρματες επικοινωνιακές εφαρμογές.[1] Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας προσπαθήσαμε να έρθουμε σε επαφή με τον χώρο των τυπωμένων κεραιών μέσα από τη μελέτη και το σχεδιασμό των τυπωμένων κεραιών γεωμετρίας Yagi. Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία διαρθρώνεται σε δύο βασικά κομμάτια. Αρχικά πραγματοποιήσαμε μια βιβλιογραφική αναζήτηση στην οποία μελετήσαμε συνοπτικά διάφορα είδη τυπωμένων κεραιών δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στις διαφορετικές γεωμετρίες τυπωμένων κεραιών Yagi που παρουσιάστηκαν κατά καιρούς τόσο στη διεθνή βιβλιογραφία όσο και στο

12 12 διαδίκτυο. Στη συνέχεια επιλέξαμε να σχεδιάσουμε και να μελετήσουμε τα χαρακτηριστικά και τις εφαρμογές διαφορετικών γεωμετρικών δομών τυπωμένων κεραιών Yagi. Πιο συγκεκριμένα η δομή της παρούσας διπλωματικής εργασίας διαρθρώνεται ως εξής: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη αναφορά στις βασικές παραμέτρους των κεραιών καθώς και στις βασικές συνιστώσες σχεδιασμού που πρέπει να ληφθούν υπόψη σχεδιάζοντας μια τυπωμένη κεραία. Έπειτα παρατίθεται μια συνοπτική παρουσίαση της μεθόδου των ροπών. Το δεύτερο κεφάλαιο αναφέρεται στις Τυπωμένες Επίπεδες Κεραίες,πιο συγκεκριμένα γίνεται μια αναφορά στις διαφορετικές κατηγορίες και τοπολογίες τυπωμένων κεραιών που έχουν εμφανιστεί κατά καιρούς στη διεθνή βιβλιογραφία. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μια εκτενής αναφορά στις Τυπωμένες κεραίες Yagi καθώς επίσης στα βασικά λειτουργικά και κατασκευαστικά τους χαρακτηριστικά. Επιπλέον παρουσιάσουμε εν συντομία τις διάφορες τοπολογίες τυπωμένων κεραιών Yagi οι οποίες έχουν εμφανιστεί μέχρι σήμερα στη διεθνή βιβλιογραφία και το διαδίκτυο. Το πιο σημαντικό κομμάτι της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας περιλαμβάνει τη παρουσίαση των τυπωμένων κεραιών Yagi οι οποίες σχεδιάστηκαν και εξομοιώθηκαν στα πλαίσια αυτής της εργασίας. Στα κεφάλαια 4 έως 10 παρουσιάζονται τυπωμένες κεραίες Yagi με διαφορετικά λειτουργικά και κατασκευαστικά χαρακτηριστικά. Ξεκινάμε παρουσιάζοντας κεραίες για εφαρμογές της L μπάντας συχνοτήτων, ακολουθούν κεραίες στα 1.3 GHz, στα 2.4 GHz και στα 5 GHz. Στη συνέχεια παρουσιάζουμε μια διπλοζωνική κεραία Yagi, τυπωμένες κεραίες Yagi για την X-μπάντα συχνοτήτων και κλείνουμε στο κεφάλαιο 10 με τη μελέτη μιας συστοιχίας κεραιών στα 5 GHz. Συνοψίζοντας, στον επίλογο παραθέτουμε τα κύρια σημεία της παρούσας εργασίας αναφέροντας στη συνέχεια διάφορες προτάσεις για περαιτέρω μελέτη και διερεύνηση.

13 13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΚΕΡΑΙΩΝ Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο γίνεται αρχικά μια αναφορά σε βασικές έννοιες, παραμέτρους και χαρακτηριστικά κεραιών τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Στη συνέχεια θα αναφερθούμε σε μια βασική υπολογιστική μέθοδο επίλυσης ηλεκτρομαγνητικών προβλημάτων η οποία χρησιμοποιήθηκε κατά κόρον για την εξομοίωση των κεραιών της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας. Πρόκειται για τη μέθοδο των ροπών (method of moments), χρήση της οποίας κάνει το πρόγραμμα ADS- Momentum, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την εξομοίωση των κεραιών της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας. 1.1 ΒΑΣΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΕΡΑΙΩΝ Ως κεραία ορίζεται μία διάταξη μετάβασης ή μετατροπής μεταξύ ενός κύματος που καθοδηγείται από μια γραμμή μεταφοράς και ενός κύματος ελευθέρου χώρου. Πιο γενικά θα μπορούσαμε να πούμε πως μια κεραία είναι ο ενδιάμεσος μεταξύ ηλεκτρονίων επί αγωγών και φωτονίων στο χώρο. Προκειμένου να περιγράψουμε μια κεραία, προσδιορίζουμε τις παρακάτω έννοιες και χαρακτηριστικά τα οποία είναι κρίσιμα για την απόδοση μιας κεραίας και πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη κατά το σχεδιασμό και μελέτη μιας οποιασδήποτε διάταξης. ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ: Η συχνότητα συντονισμού και ο ηλεκτρικός συντονισμός έχουν άμεση σχέση με το ηλεκτρικό μήκος της κεραίας. Συνήθως μια κεραία συντονίζεται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα και είναι αποτελεσματική για ένα εύρος συχνοτήτων οι οποίες βρίσκονται πολύ κοντά στη συχνότητα συντονισμού. Ωστόσο, τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά της κεραίας (ειδικότερα το διάγραμμα ακτινοβολίας και η εμπέδηση) μεταβάλλονται με την μεταβολή της συχνότητας, συνεπώς η συχνότητα συντονισμού της κεραίας μπορεί να είναι σχεδόν κοντά στη κεντρική συχνότητα συντονισμού αυτών των πιο σημαντικών χαρακτηριστικών. Μερικές κεραίες έχουν πολλαπλές συχνότητες συντονισμού και έχουν την ικανότητα να λειτουργούν αποτελεσματικά σε ένα μεγάλο εύρος ζώνης συχνοτήτων.

14 14 ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ: Το εύρος ζώνης μιας κεραίας αντιπροσωπεύει το φάσμα συχνοτήτων στο οποίο η κεραία λειτουργεί αποτελεσματικά και κυρίως περιλαμβάνει το σύνολο των συχνοτήτων οι οποίες βρίσκονται γύρω από τη συχνότητα συντονισμού. Βασικό κριτήριο στην προσδιορισμό του εύρους ζώνης αποτελεί το μέτρο της παραμέτρου S 11 το οποίο θα πρέπει να λαμβάνει τιμές μικρότερες από -10 db. Όλες οι συχνότητες που ικανοποιούν το συγκεκριμένο περιορισμό συνιστούν το εύρος ζώνης λειτουργίας της κεραίας. ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ: Το διάγραμμα ακτινοβολίας μιας κεραίας προσδιορίζει τη γωνιακή κατανομή της ισχύος η οποία ακτινοβολείται από τη κεραία στο χώρο. Πρόκειται για μια συνάρτηση ή αλλιώς γραφική απεικόνιση της ακτινοβολούμενης ισχύος στο χώρο, η οποία παριστάνει το γεωμετρικό τόπο του πέρατος του διανύσματος του Poynting. fb c Πιο συγκεκριμένα αν τα ακτινοβολούμενα πεδία από τη κεραία είναι : E r,,, fb c H r,, τότε το σύνθετο διάνυσμα του Poynting ορίζεται ως: fb c f f C b S r,, E BH c 1 f f, r^,r Q 1 (1.1.1) r 2 b c στο οποίο η γωνιακή εξάρτηση εκφράζεται μέσω της συνάρτησης f,. Η συνάρτηση αυτή αντιπροσωπεύει το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας. Συνηθίζεται να κανονικοποιούμε το διάγραμμα ακτινοβολίας με βάση τη μέγιστη τιμή έτσι ώστε το διάγραμμα ακτινοβολίας να εκφράζεται ως f, b c ) f max. Εξίσου σημαντικό είναι το διάγραμμα πυκνότητας ισχύος καθώς και τα διαγράμματα πόλωσης της κεραίας. Ισοτροπικό διάγραμμα ακτινοβολίας: Το διάγραμμα ακτινοβολίας στο οποίο b c εκπέμπεται ισοδύναμη ισχύς προς όλες τις κατευθύνσεις, έτσι ώστε f, =1. Καμία πραγματική κεραία δεν έχει τέτοιο διάγραμμα ακτινοβολίας, όμως το ισοτροπικό διάγραμμα ακτινοβολίας είναι πολύ σημαντικό καθώς χρησιμοποιείται ως διάγραμμα αναφοράς για τη σύγκριση πραγματικών κεραιών. Κατευθυντικό διάγραμμα ακτινοβολίας: Το διάγραμμα ακτινοβολίας στο οποίο η εκπεμπόμενη ισχύς της κεραίας εμφανίζει μεγαλύτερη συγκέντρωση σε μια συγκεκριμένη διεύθυνση. ΤΟΜΗ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ: Σε γενικές γραμμές ένα διάγραμμα ακτινοβολίας είναι μια συνάρτηση δύο διαστάσεων η οποία απαιτεί μια απεικόνιση τριών διαστάσεων. Για λόγους ευκολίας, είναι σύνηθες να σχεδιάζεται μια τομή του διαγράμματος ακτινοβολίας, όπως για παράδειγμα μια b c τομή θ, f, 0 με φ0 σταθερό. Τομή Ε-επιπέδου : Τομή διαγράμματος ακτινοβολίας στο επίπεδο που ορίζεται από το διάνυσμα του ηλεκτρικού πεδίου το οποίο ακτινοβολείται από την κεραία και την κατεύθυνση μέγιστης ακτινοβολίας.

15 15 Τομή Η-επιπέδου : Τομή διαγράμματος ακτινοβολίας στο επίπεδο που ορίζεται από το διάνυσμα του μαγνητικού πεδίου το οποίο ακτινοβολείται από την κεραία και την κατεύθυνση μέγιστης ακτινοβολίας. ΛΟΒΟΙ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ: Είναι τα τοπικά μέγιστα του διαγράμματος ακτινοβολίας. Ως κύριος λοβός ορίζεται ο λοβός στον οποίο επιτυγχάνεται f max και ως πλευρικοί λοβοί χαρακτηρίζονται όλοι οι μικρότεροι λοβοί ακτινοβολίας. Επιπλέον είναι δυνατόν να εμφανίζονται «πίσω λοβοί» σε κατεύθυνση αντίθετη της κατεύθυνσης του κυρίου λοβού. ΕΥΡΟΣ ΔΕΣΜΗΣ: Υπάρχουν αρκετοί τρόποι προσδιορισμού του εύρους δέσμης του κυρίου λοβού, όπως για παράδειγμα το εύρος δέσμης ημίσειας ισχύος, το μέγιστο εύρος δέσμης και το εύρος δέσμης μεταξύ των πρώτων μηδενικών ακτινοβολίας. ΕΝΤΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ: Η ισχύς που ακτινοβολείται από μια κεραία ανά μονάδα στερεάς γωνίας καλείται ένταση ακτινοβολίας U( watts ανά στερακτίνιο ή ανά μονάδα στερεάς γωνίας). ΚΑΤΕΥΘΥΝΤΙΚΟΤΗΤΑ: Η κατευθυντικότητα D μιας κεραίας δίνεται από το λόγο b c της μέγιστης έντασης ακτινοβολίας (ισχύς ανά μονάδα στερεάς γωνίας ) U, max προς τη μέση ένταση ακτινοβολίας U av. Για μια καθορισμένη απόσταση από τη κεραία η κατευθυντικότητα μπορεί να εκφραστεί σαν ο λόγος του μέγιστου προς το μέσο διάνυσμα Poynting. Έτσι, D b c U, U av max b c S, f S av max f (χωρίς διαστάσεις) (1.1.2) Οι τιμές της έντασης ακτινοβολίας και του διανύσματος του Poynting θα πρέπει να μετρούνται στο μακρινό πεδίο της κεραίας. Ο μέσος όρος του διανύσματος του Poynting για μια σφαίρα δίνεται από τη σχέση: b c S, 1 2 b c f Z Z S, d (Wm -2 ) (1.1.3) av Έτσι η κατευθυντικότητα ορίζεται ως : D 1 f Z Z 4 A 1 b c S, b c S, max f d f 1 f f b c (1.1.4) Z Z, d 1 4 A P n ή D 4 f (1.1.5)

16 16 ΑΠΟΛΑΒΗ Ή ΚΕΡΔΟΣ (G): Πρόκειται για τον λόγο της μέγιστης πυκνότητας ακτινοβολούμενης ισχύος του κυρίου λοβού ακτινοβολίας της κεραίας προς τη μέση πυκνότητα ισχύος η οποία ακτινοβολείται προς όλες της κατευθύνσεις. Η απολαβή μιας κεραίας (με αναφορά σε μια ισοτροπική πηγή ακτινοβολίας χωρίς απώλειες) εξαρτάται και από την κατευθυντικότητα της και την απόδοσή της. Αν η απόδοση δεν είναι 100%, η απολαβή θα είναι μικρότερη από αυτή που θα υποδήλωνε η κατευθυντικότητα. Έτσι η απολαβή δίνεται από τη σχέση: G kd (χωρίς διαστάσεις) (1.1.6) Όπου k ο συντελεστής απόδοσης της κεραίας (0 k 1), χωρίς διαστάσεις. Αυτή η απόδοση έχει να κάνει αποκλειστικά με τις ωμικές απώλειες στην κεραία. Κατά τη διαδικασία εκπομπής, αυτές οι απώλειες αφορούν ισχύ που δεν ακτινοβολείται, αλλά θερμαίνει τα μέρη που αποτελούν τη κεραία. ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ : Ορίζεται ως ο λόγος της ακτινοβολούμενης ισχύος προς την εισερχόμενη ισχύ και δίνεται από τη σχέση: rad P rad f (1.1.7) P in Για μια ιδανική κεραία χωρίς απώλειες η απόδοση ακτινοβολίας ισούται με τη μονάδα. ΠΟΛΩΣΗ : Η πόλωση είναι ένα μέγεθος το οποίο περιγράφει το προσανατολισμό του ηλεκτρικού πεδίου Ε ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος σε σχέση με τη διεύθυνση μέγιστης ακτινοβολίας μιας κεραίας. Η πόλωση διακρίνεται σε γραμμική (οριζόντια και κάθετη), κυκλική και ελλειπτική. ΕΜΠΕΔΗΣΗ ΕΙΣΟΔΟΥ: Είναι η εσωτερική εμπέδηση μιας κεραίας που παρουσιάζεται στην είσοδό της. ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ: Ως αντίσταση ακτινοβολίας ορίζεται το πραγματικό μέρος της εμπέδησης εισόδου της κεραίας ως φορτίο μιας γραμμής A P R rad Re Zin rad f (1.1.8) f I in 2 Όπου I in είναι το ρεύμα εισόδου στην κεραία. ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ: Η προσαρμογή μιας κεραίας επιτυγχάνεται όταν η εμπέδηση εισόδου της κεραίας είναι ίση με την εμπέδηση της γραμμής τροφοδοσίας της. ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΣΚΕΔΑΣΗΣ Η S-ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ: Πρόκειται για ένα σύνολο παραμέτρων οι οποίοι περιγράφουν τη σκέδαση και τη διάδοση οδευόντων κυμάτων όταν αυτά εισέρχονται σε μία γραμμή μεταφοράς. Συνήθως οι S παράμετροι χρησιμοποιούνται σε διατάξεις υψηλών συχνοτήτων, όπου τα 1 2

17 17 συνήθη εργαλεία που χρησιμοποιούνται στις χαμηλές συχνότητες δεν μπορούν να πια να εφαρμοσθούν. Για μερικές διατάξεις και κυκλώματα οι παράμετροι σκέδασης μπορούν να υπολογιστούν με τεχνικές ανάλυσης δικτυωμάτων, διαφορετικά θα πρέπει να μετρηθούν με ένα διανυσματικό αναλυτή δικτυωμάτων. Επιπλέον οι S παράμετροι υπολογίζονται συναρτήσει της συχνότητας και εκφράζονται σε db. Κάθε μία από τις S παραμέτρους χαρακτηρίζεται από το πλάτος και τη φάση. Η έκφραση σε db ορίζεται ως 20log(Sij), διότι οι S παράμετροι αποτελούν ανάλογο της τάσης των κυμάτων. Για μία δίθυρη διάταξη ισχύει: S11: συντελεστής ανάκλασης εισόδου με προσαρμοσμένη έξοδο S21: συντελεστής ορθής μετάδοσης με προσαρμοσμένη έξοδο S12: συντελεστής ανάστροφης μετάδοσης με προσαρμοσμένη είσοδο S22: συντελεστής ανάκλασης εξόδου με προσαρμοσμένη είσοδο Σε κάθε θύρα προσδιορίζεται το προσπίπτον και το ανακλώμενο κύμα. Τα προσπίπτοντα κύματα ορίζονται από το an, όπου n είναι ο αριθμός των θυρών της διάταξης και τα ανακλώμενα κύματα ορίζονται αντίστοιχα από το bn. Όταν το προσπίπτον κύμα οδεύει εντός της διάταξης η τιμή του πολλαπλασιάζεται με την παράμετρο σκέδασης και αυτό έχει ως αποτέλεσμα την τιμή εξόδου. Έχουμε δηλαδή μία σχέση της μορφής Β = SA, όπου S ο πίνακας των επιμέρους S παραμέτρων. Για παράδειγμα για ένα δίθυρο ισχύει: b1 = S11 a1 + S12 a2 b2 = S21 a1 + S22 a2 Συνεπώς μπορούμε να πούμε ότι οι S11 και S21 καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο η εισερχόμενη ισχύς κατανέμεται στις πιθανές θύρες εξόδου. Γενικά οι S παράμετροι εκφράζουν το ποσό της ισχύος που εισέρχεται ή εξέρχεται όταν εισάγουμε ισχύ σε μία διάταξη. Σε περίπτωση μίας μόνο θύρας δεν υπάρχει πίνακας S παραμέτρων παρά μόνο μία τιμή αυτού, η οποία αντιπροσωπεύει την τιμή του συντελεστή ανάκλασης Γ, και δίνεται από τη σχέση : Z0 f (1.1.9) Z Z 0

18 ΒΑΣΙΚΕΣ ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗΣ ΤΥΠΩΜΕΝΩΝ ΚΕΡΑΙΩΝ Σε αυτή την παράγραφο παρουσιάζονται οι βασικές συνιστώσες σχεδιασμού και μελέτης κεραιών, που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τη μελέτη ασύρματων εφαρμογών. Οι απαιτήσεις για ασύρματα συστήματα επικοινωνιών που ικανοποιούν τόσο στρατιωτικές όσο και εμπορικές εφαρμογές, ικανοποιούνται από ένα μεγάλο και διαφορετικό εύρος κεραιών που αλληλεπιδρούν με αυτά τα συστήματα. Είναι γεγονός πως οι απαιτήσεις κάθε εφαρμογής καθορίζουν το τύπο των κεραιών που πρέπει να χρησιμοποιηθούν. Συνεπώς είναι αναγκαίο να προσδιοριστούν ανάλογα με τις εκάστοτε απαιτήσεις οι κύριες ιδιότητες των επιλεγμένων κεραιοσυστημάτων. Έτσι διασφαλίζεται πως το επικείμενο ασύρματο σύστημα λειτουργεί με τις καλύτερες δυνατές αποδόσεις και ικανοποιεί τις απαραίτητες συνθήκες λειτουργίας. Είναι φανερό πως τα κύρια χαρακτηριστικά μιας κεραίας δεν είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους, επομένως έγκειται στην κρίση του μηχανικού να μελετήσει τις βασικές παραμέτρους σχεδιασμού και με κατάλληλο συνδυασμό τους να επιτύχει το βέλτιστο αποτέλεσμα. Οι ανάγκες για χαμηλό κόστος, μικρό βάρος και μέγεθος κατέστησαν τις τυπωμένες κεραίες σημαντικές στην υλοποίηση ασύρματων συστημάτων. ΜΕΓΕΘΟΣ Το μέγεθος της κεραίας και η συνολική επίδραση της στο κοντινό περιβάλλον είναι πολύ σημαντικά μεγέθη για τα περισσότερα ασύρματα συστήματα επικοινωνιών. Δεν απαιτείται μόνο η κεραία να είναι εξαιρετικά μικρή και μη εμφανής αλλά είναι τυπικά επιθυμητό η απόδοσή της να είναι τόση όση θα ήταν αν είχε κατασκευαστεί μεμονωμένα χωρίς την ύπαρξη των υπολοίπων διατάξεων γύρω της. Υπάρχουν κάποια όρια τα οποία και καθορίζουν το ελάχιστο μέγεθος της κεραίας προκειμένου να επιτευχθεί μια αποδοτική λύση. Για αυτό το σκοπό έχουν αναπτυχθεί τεχνολογίες οι οποίες χρησιμοποιούνται με σκοπό να μειώσουν το μέγεθος της κεραίας, εξασφαλίζοντας ταυτόχρονα την βέλτιστη λειτουργία της για την εκάστοτε εφαρμογή. Πρόκειται για τεχνικές και διαδικασίες οι οποίες ύστερα από δοκιμές καταλήγουν σε συμβιβασμό των μεγεθών απόδοση, τυπικό εύρος ζώνης και κέρδος. Είναι γεγονός ότι όσο πιο μικρού εύρους ζώνης είναι οι κεραίες τόσο πιο ευάλωτες είναι σε διατάξεις που βρίσκονται στο κοντινό τους περιβάλλον. Θα πρέπει να επισημάνουμε ότι στην έννοια μέγεθος κεραίας οφείλουμε να συμπεριλάβουμε και το γειωμένο επίπεδο το οποίο παίζει σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση της ακτινοβολίας. Είναι σύνηθες, μικρές σε μέγεθος κεραίες να απαιτούν μεγάλο επίπεδο γείωσης προκείμενου να λειτουργήσουν σωστά, αυτό έχει ως αποτέλεσμα το μέγεθος της κεραίας να αυξάνει και να καθορίζεται από το γειωμένο επίπεδο. Η σχέση μεγέθους και αποδοτικότητας είναι ανάλογη, για αυτό και πρόκειται για ένα σημαντικό θέμα μελέτης. Όσο μικραίνει το μέγεθος της κεραίας τόσο μειώνεται και η αποδοτικότητα συνεπώς απαιτείται μεγαλύτερη ισχύς από

19 19 τους front-end RF ενισχυτές και κατά συνέπεια η διάρκεια της μπαταρίας ενός ασύρματου τερματικού ελαττώνεται. Γι αυτό και τελευταία, κατασκευάζονται αποδοτικοί ενισχυτές και νέες τεχνολογίες μπαταριών προκειμένου να δοθεί μια δυναμική λύση στο πρόβλημα. ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗ Η ευκολία ενσωμάτωσης είναι μια πολλή σημαντική παράμετρος στη τεχνολογία κεραιών. Διατάξεις ακτινοβολίας οι οποίες είναι εύκολο να ενσωματωθούν με RF front end συστήματα χρησιμοποιούνται γενικότερα σαν φθηνότερες λύσεις. Έχει παρατηρηθεί ότι όσο πιο εύκολο είναι να ενσωματωθεί μια κεραία τόσο πιο αποδοτική είναι η λύση που παρέχεται, το οποίο είναι πολύ σημαντικό για τις ασύρματες επικοινωνίες υψηλών μικροκυματικών συχνοτήτων. Πρόκειται για μια έννοια η οποία σχετίζεται με τις κατασκευαστικές ιδιότητες και τη δομή που θα έχει η σχεδιαζόμενη κεραία. ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, η αποδοτικότητα είναι ένας πολύ σημαντικός παράγοντας για οποιαδήποτε συσκευή που ακτινοβολεί, και αυτό γιατί η αύξηση της αποδοτικότητας συνεπάγεται και αύξηση του Link budget. Εκτός από το μέγεθος της ακτινοβολούσας διάταξης, ένας άλλος συντελεστής που επηρεάζει την αποδοτικότητα είναι το υλικό κατασκευής. Τόσο το υλικό με το οποίο είναι κατασκευασμένη η κεραία όσο και το υλικό που περιβάλλει τη κεραία επηρεάζουν την απόδοσή της. Το υπόστρωμα / διηλεκτρικό πάνω στο οποίο κατασκευάζονται οι κεραίες θα πρέπει να είναι χαμηλό σε απώλειες για εφαρμογές υψηλών συχνοτήτων, χωρίς αυτό να είναι κανόνας. Για παράδειγμα το διηλεκτρικό FR4 αν και έχει χαμηλό κόστος και είναι εύκολο στη χρήση του για συχνότητες πάνω από 2 GHz, οι διηλεκτρικές του απώλειες είναι τέτοιες που ελαττώνουν σημαντικά την αποδοτικότητα της ακτινοβολούσας διάταξης. Διηλεκτρικά υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς λόγω του φαινομένου του φορτίου χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο επιτρέποντας τη κατασκευή όλο και μικρότερων κεραιών. Προσοχή θα πρέπει να δοθεί προκειμένου να διασφαλιστεί ότι το υλικό υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς παρουσιάζει μικρές απώλειες προκειμένου να μην επηρεάζει την απόδοση ακτινοβολίας της κεραίας. Η ύπαρξη πολλαπλών λύσεων κεραιών για ασύρματες εφαρμογές γεννά το ερώτημα αν θα πρέπει να επιλεχθεί μια μεγάλου εύρους ζώνης εφαρμογή η μια εφαρμογή που ίσα να καλύπτει το απαιτούμενο εύρος. Σε σχέση με την αποδοτικότητα, αν χρησιμοποιηθεί υλικό χαμηλών απωλειών, μια στενής ζώνης λύση θα είναι μικρότερη και επιπλέον πιο αποδοτική κατά μήκος της επιθυμητής μπάντας σε σχέση με μια μεγάλου εύρους ζώνης, η οποία είναι πιο ανθεκτική κατασκευαστικά αλλά και πιο εξαρτώμενη από το γειτονικό της περιβάλλον. ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ Η σχεδιαζόμενη κεραία θα πρέπει να ικανοποιεί τις απαιτήσεις εύρους ζώνης του ασύρματου συστήματος στο οποίο βρίσκεται. Βέβαια υπάρχουν δύο

20 20 κυρίαρχα κριτήρια τα οποία θα πρέπει η κεραία να ικανοποιεί, το εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης και το εύρος ζώνης κέρδους. Δεν υπάρχουν κάποιοι γενικής χρήσης κανόνες που να ικανοποιούν κάθε ασύρματο τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Τυπικά το εύρος ζώνης απωλειών επιστροφής είναι το φάσμα συχνοτήτων για το οποίο οι απώλειες επιστροφής είναι καλύτερες από -10db,που σημαίνει ότι λιγότερο από 10% της ισχύος ανακλάται στο RF κύκλωμα. Υπάρχουν περιπτώσεις που επιλέγεται το όριο των -6db για κάποιες κεραίες, λόγω κάποιων κατασκευαστικών περιορισμών, επίσης υπάρχουν περιπτώσεις συστημάτων στα οποία πρέπει να ικανοποιείται το όριο των -20db. Το εύρος ζώνης του κέρδους μεταβάλλεται συνήθως κατά 3 db κατά μήκος του φάσματος συχνοτήτων, αν και υπάρχουν συστήματα στα οποία μεταβολή του 1db είναι πιο κατάλληλη. Για ασύρματα συστήματα στενού εύρους ζώνης, οι απαιτήσεις κέρδους δεν είναι τόσο δύσκολο να επιτευχθούν συγκρινόμενες με την απαίτηση για το εύρος ζώνης των απωλειών επιστροφής. Ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δοθεί κατά το σχεδιασμό μιας μεγάλου εύρους ζώνης διάταξης τόσο στο εύρος ζώνης απωλειών επιστροφής όσο και στην απόκριση του κέρδους της κεραίας, διότι ακόμα και ένα τέλεια προσαρμοσμένο φορτίο με πολύ ικανοποιητικές απώλειες επιστροφής δε σημαίνει πως μπορεί να ακτινοβολεί. ΠΟΛΩΣΗ Ένα πολύ σημαντικό μέγεθος που θα πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά το σχεδιασμό και μελέτη μιας κεραίας είναι η πόλωση. Για τις δορυφορικές επικοινωνίες κρίνεται απαραίτητη η ικανοποίηση των περιορισμών της πόλωσης, όσον αφορά τα επίγεια επικοινωνιακά συστήματα η πόλωση εξαρτάται από το τμήμα της ζεύξης που σχεδιάζεται. Για παράδειγμα οι περισσότεροι σταθμοί βάσης στα σημερινά κυψελωτά συστήματα χρησιμοποιούν διπλή γραμμική πόλωση προκειμένου να εκμεταλλευτούν το πλεονέκτημα πολυόδευσης και τα διαφορετικά αποτελέσματα διάδοσης οριζόντιας και κάθετης πόλωσης. Όσον αφορά στις κινούμενες τερματικές τηλεφωνικές συσκευές υπάρχει μεγάλη δυσκολία στον έλεγχο της πόλωσης. Γενικότερα, σε πολλά από τα ασύρματα συστήματα χρησιμοποιούνται ποικιλίες πολώσεων προκείμενου να μειωθούν τα drop-outs και να αυξηθεί η χωρητικότητα του συστήματος. Τα πιο πρόσφατα συστήματα απαιτούν αυστηρές συνθήκες πόλωσης. ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΙΣΧΥΟΣ Η διαχείριση της ισχύος σε μια κεραία εξαρτάται κυρίως από την εφαρμογή, με κάποια συστήματα radar να απαιτούν ικανότητα ισχύος μεγαλύτερη από 100 KW. Περισσότερα από τα ασύρματα συστήματα δεν απαιτούν τόσο μεγάλο χειρισμό ισχύος και στην ουσία μέγιστες τιμές από 1-10W είναι αποδεκτές. Η ικανότητα διαχείρισης ισχύος από μία κεραία κυρίως εξαρτάται από τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη της ακτινοβολούμενης διάταξης. Κάποιες διατάξεις μπορούν να χειριστούν καλύτερα υψηλότερα επίπεδα ισχύος συγκριτικά με κάποιες άλλες όπως για παράδειγμα κυματοδηγούμενες διατάξεις ακτινοβολίας μπορούν να λειτουργήσουν πιο

21 21 αποδοτικά σε υψηλότερα επίπεδα ισχύος. Για κεραίες σταθμών βάσης όπου οι απαιτήσεις για διαχείριση ισχύος είναι μεγαλύτερες, προκειμένου να αποφύγουμε τα ηλεκτρικά τόξα και άλλες συνέπειες λόγω υψηλής ισχύος, οι ενώσεις συγκόλλησης και άλλες ασυνέχειες δυναμικού και ρεύματος πρέπει να ελαχιστοποιηθούν. 1.3 Η ΜΕΘΟΔΟΣ ΤΩΝ ΡΟΠΩΝ Η μέθοδος των ροπών [7] (method of moments, MOM) είναι μία από τις σπουδαιότερες γενικές μεθόδους επίλυσης ηλεκτρομαγνητικών προβλημάτων. Μπορεί να εφαρμοστεί σε μία μεγάλη κατηγορία προβλημάτων ντετερμινιστικών ή ιδιοτιμών, με διαφορικούς ή ολοκληρωτικούς τελεστές τόσο στο πεδίο της συχνότητας σε όσο και στο πεδίο του χρόνου. Η συνηθέστερη εφαρμογή της μέχρι σήμερα είναι για την επίλυση ολοκληρωτικών εξισώσεων στο πεδίο της συχνότητας στην οποία βασίζονται πολλά εμπορικά λογισμικά σχεδιασμού κεραιών και μικροκυματικών κυκλωμάτων. Ένα από αυτά τα λογισμικά είναι το ADS-Momentum το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την διεκπεραίωση της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Η βασική ιδέα της μεθόδου των ροπών είναι ο μετασχηματισμός της γραμμικής τελεστικής εξίσωσης Lf g (1.3.1) που αναπαριστά σε συνοπτική μορφή το συνεχές μαθηματικό μοντέλο του εξεταζόμενου προβλήματος, σε μια εξίσωση πινάκων (σύστημα γραμμικών αλγεβρικών εξισώσεων) της μορφής ΑΧ = Β, με τη βοήθεια των κανόνων και των εργαλείων της γραμμικής άλγεβρας. Η λύση βρίσκεται προσεγγίζοντας τη συνάρτηση f ακολουθώντας τα παρακάτω βήματα. Αρχικά προσεγγίζουμε την άγνωστη συνάρτησης f από μία συνάρτηση F Ν η οποία ορίζεται από τον γραμμικό συνδυασμό Ν τον αριθμό γνωστών συναρτήσεων βάσης (basis functions) f1,f2,..,fn ως: f f ` N a N X an C f N (1.3.2) n 1 όπου αn είναι σταθερές και fn είναι συναρτήσεις βάσης. Για τις f1, f2, fn ισχύει ότι ανήκουν στην περιοχή του τελεστή L. Όταν επιθυμούμε μία ακριβή λύση, πρέπει η (1.3.2) να αποτελεί ένα άπειρο άθροισμα και οι fn να σχηματίζουν μία πλήρη βάση συναρτήσεων. Όσο μειώνεται η επιθυμητή ακρίβεια, γίνεται πεπερασμένο το άθροισμα (1.3.2). Χρησιμοποιώντας τη γραμμικότητα του τελεστή L η εξίσωση (1) γίνεται: N X an C Lf n g (1.3.3) n 1

22 22 Στη συνέχεια ορίζουμε ένα εσωτερικό γινόμενο <u,v>, το οποίο και θα χρησιμοποιήσουμε στην πορεία των υπολογισμών, καθώς και ένα σύνολο συναρτήσεων βάρους w1,w2, στο πεδίο απεικόνισης του L. Κάνοντας χρήση του εσωτερικού γινομένου για κάθε μια από τις συναρτήσεις βάρους w m η (1.3.3) γίνεται: N X an <w m,lf n > <w m,g> (1.3.4) n 1 Συνεπώς προκύπτει ένα σύστημα εξισώσεων, που σε μορφή πινάκων γίνεται: B C@ A an gm (1.3.5). I mn Κατόπιν υπολογίζουμε τα στοιχεία των πινάκων [Ι mn ],[g m ], και αν ο πίνακας [Ι mn ] δεν είναι ιδιάζων, τότε υπάρχει ο αντίστροφός του, άρα υπάρχει και η λύση του A a n Imn B A (1.3.6) g m Από τη σχέση (1.2.2) προκύπτει η εξής προσεγγιστική λύση για την f, f ` N a B f n C@ an B A f n B C Imn g m A (1.3.7) Όσον αφορά στις συναρτήσεις βάσης και βάρους υπάρχουν αρκετοί κανόνες προσδιορισμού τους, οι οποίοι εξαρτώνται από το εκάστοτε πρόβλημα τα διαθέσιμα δεδομένα, από την επιθυμητή ακρίβεια της λύσης και από τα χαρακτηριστικά του πίνακα. Στη συγκεκριμένη εργασία κρίθηκε σκόπιμο να μην αναφερθούμε αναλυτικά στον υπολογισμό των παραπάνω μεγεθών. Το πρόγραμμα ADS-Momentum ακολουθεί τα προηγούμενα στάδια προκειμένου να επιλύσει την ακόλουθη ολοκληρωτική εξίσωση : e b Z Z G r f f, r. c f` fa f` fa J r ds E r (1.3.8) όπου G η συνάρτηση Green, η οποία αποτελεί τον πυρήνα του ολοκληρώματος, J το επιφανειακό ρεύμα και Ε οι πηγές του προβλήματος. Διακριτοποιεί τα επίπεδα μεταλλικά μέρη, πχ. μικροταινιακές γραμμές ή επιμεταλλωμένες οπές (vias), της εκάστοτε διάταξης χρησιμοποιώντας τριγωνικής ή τετραγωνικής μορφής κυψέλες και προκύπτει μια εξίσωση της μορφής (1.2.2) όπου στη συνάρτηση f(n) αντιστοιχεί τώρα το ρεύμα J(N) και οι συναρτήσεις βάσης είναι τύπου rooftop. Κατόπιν επιλέγονται οι συναρτήσεις βάρους με τη μέθοδο Galerkin, σύμφωνα με την οποία οι συναρτήσεις βάρους είναι ίδιες με τις συναρτήσεις βάσης. Έτσι η μέθοδος καταλήγει σε μια εξίσωση πινάκων της μορφής (1.2.5) η οποία λύνεται με τη βοήθεια της γραμμικής άλγεβρας.

23 Το πρόγραμμα ΑDS-Momentum υπολογίζει την εκάστοτε ολοκληρωτική εξίσωση με βάση την ακρίβεια που ορίζουμε εμείς, μέσω του πλέγματος διακριτοποίησης (mesh). Ένα πυκνό πλέγμα αυξάνει την ακρίβεια της λύσης καθώς και τον αριθμό των αγνώστων. Ιδιαίτερα πυκνά πλέγματα είναι απαγορευτικά λόγω έλλειψης υπολογιστικής μνήμης, για το λόγο αυτό προτιμάται μία μέση λύση που να δίνει σχετικά ακριβή αποτελέσματα χωρίς να απαιτείται τεράστιος χρόνος υπολογισμού αυτών. Έπειτα από τον υπολογισμό του επιφανειακού ρεύματος σε μία ηλεκτρομαγνητική διάταξη το ADS-Momentum μετεπεξεργάζεται τα αποτελέσματα και κάνει τους κατάλληλους υπολογισμούς για την εύρεση άλλων χαρακτηριστικών μεγεθών που είναι απαραίτητα για τη μελέτη μας, όπως η εμπέδηση εισόδου, το διάγραμμα ακτινοβολίας, S- παράμετροι κ.λ.π. 23

24 24

25 25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΕΠΙΠΕΔΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ Οι σύγχρονες επικοινωνιακές ανάγκες οδήγησαν στην ευρεία εξάπλωση των ασυρμάτων δικτύων και στη σταδιακή αντικατάσταση των υφιστάμενων ενσύρματων δικτύων. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα να δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στη μελέτη και σχεδιασμό τυπωμένων επίπεδων κεραιών που θα συμβάλλουν στην εξασφάλιση της κατάλληλης ποιότητας παρερχομένων υπηρεσιών (QOS). Οι τυπωμένες επίπεδες κεραίες αποτελούν κυρίαρχο συστατικό ενός ασύρματου επικοινωνιακού συστήματος και είναι αντικείμενο μελέτης καθώς παρουσιάζουν ελκυστικά χαρακτηριστικά. Χαρακτηριστικά αναφέρουμε πως έχουν χαμηλό κατασκευαστικό κόστος, μικρό βάρος και μέγεθος. Επιπλέον είναι εύκολο να κατασκευαστούν, να ενσωματωθούν σε τερματικές διατάξεις και μικροκυματικά κυκλώματα και να συνδυαστούν σε επίπεδες συστοιχίες κεραιών. Πρόκειται για διατάξεις συμβατές με ηλεκτρονικά σταθερής κατάστασης,τεχνολογίες Silicon, υβριδικά και μονολιθικά κυκλώματα. Είναι κατάλληλες για μεγάλο εύρος εφαρμογών και ασύρματα επικοινωνιακά συστήματα και συνιστούν ενεργές, παθητικές και φασικά ελεγχόμενες συστοιχίες. 2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΤΥΠΩΜΕΝΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ ΚΕΡΑΙΩΝ Οι τυπωμένες κεραίες μπορούν να διαιρεθούν σε τρεις βασικές κατηγορίες[1] : Τυπωμένες κεραίες μεγάλου εύρους ζώνης. Τυπωμένες κεραίες συντονισμού. Μικρές τυπωμένες κεραίες. Βέβαια αυτός ο διαχωρισμός των κατηγοριών δεν είναι απόλυτος διότι είναι σύνηθες μια διάταξη να μπορεί να ενταχθεί σε περισσότερες από μία κατηγορίες ανάλογα με τις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά της. Για παράδειγμα, έχουμε τη δυνατότητα να αναπτύξουμε μια στενής ζώνης έκδοση μιας μεγάλου εύρους ζώνης κεραίας, όπως επίσης μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα μεγάλου εύρους στοιχείο χρησιμοποιώντας πολλαπλούς στενής ζώνης ακτινοβολητές. Στη συνέχεια παρουσιάζουμε μια σχετική κατηγοριοποίηση των πιο γνωστών τυπωμένων κεραιών.

26 ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΖΩΝΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Οι τυπωμένες κεραίες μεγάλου εύρους ζώνης τυπικά χαρακτηρίζονται με βάση τις αρχές οδευόντων κυμάτων. Σύμφωνα με τις πρότυπες διατάξεις της IEEE (IEE Std ), οι κεραίες οδευόντων κυμάτων ορίζονται ως «μια κεραία της οποίας η διέγερση έχει μια σχεδόν ομοιόμορφη προοδευτική φάση, σαν αποτέλεσμα ενός μοναδικού τροφοδοτούντος κύματος το οποίο διασχίζει εγκάρσια το μήκος της σε μία μόνο κατεύθυνση». Συνεπώς οποιαδήποτε κεραία βασίζεται σε αυτό το μηχανισμό προκειμένου να ακτινοβολεί, εμπίπτει σε αυτή τη κλάση. Όπως είναι φανερό, υπάρχει μια πληθώρα κεραιών που ανήκουν σε αυτή τη κατηγορία μερικές από τις οποίες είναι :κεραίες τύπου beverage, xοάνης, κολουροκωνικής σχισμής, lens,ανακλαστήρες. Μια πιο απλοποιημένη ερμηνεία της παραπάνω διευκρίνισης, η οποία δεν ισχύει απαραίτητα για όλους του τύπους κεραιών οδευόντων κυμάτων, είναι ότι αυτό το είδος της κεραίας εκπομπής μετατρέπει τη οδηγούμενη ηλεκτρομαγνητική ενέργεια σε ακτινοβολούμενη ενέργεια με βαθμωτή η ομαλή μετάβαση. Οι κεραίες οδευόντων κυμάτων δεν είναι απαραίτητα ευρυζωνικές εκ φύσεως, αλλά λόγω της ομαλής μετάβασης από το οδηγούμενο μέσο στο μη οδηγούμενο μέσο τείνουν να γίνουν αν μελετηθούν με προσεκτικό σχεδιασμό ΚΕΡΑΙΕΣ ΚΟΛΟΥΡΟΚΩΝΙΚΗΣ ΣΧΙΣΜΗΣ(TAPERED SLOT) Οι tapered slot κεραίες είναι αναμφισβήτητα οι πιο συνηθισμένες τυπωμένες κεραίες οδευόντων κυμάτων. Οι συγκεκριμένες κεραίες έχουν την δυνατότητα να λειτουργούν κατά μήκος πολλαπλών οκτάβων εύρους ζώνης συχνοτήτων, επίσης λειτουργούν αποτελεσματικά σε περιβάλλοντα συγχρονισμένων συστοιχιών. Σχήμα Τυπωμένη κεραία Tapered Slot Αυτός ο τύπος της κεραίας μπορεί να θεωρηθεί σαν μια κεραία τύπου χοάνης στην οποία ένας κυματοδηγός διαβιβάζει το ηλεκτρομαγνητικό κύμα στον

27 27 ελεύθερο χώρο, αν και σε αυτή τη περίπτωση το μέσο μετάδοσης είναι μία γραμμή μεταφοράς σχισμής. Συνεπώς αντίθετα με τη συμβατική κεραία χοάνης, ο κύριος τρόπος διέγερσης της γραμμής σχισμής είναι ένα κύμα TEM (εγκάρσιο ηλεκτρομαγνητικό κύμα). Μια συνηθισμένη πρόκληση με μια tapered slot κεραία είναι η μετάβαση από τη σχισμή σε ένα πιο συνηθισμένο μέσο μετάδοσης το οποίο χρησιμοποιείται στο σχεδιασμό μικροκυματικών κυκλωμάτων. Στο Σχήμα φαίνεται μια tapered slot κεραία με ομοεπίπεδη κυματοδηγούμενη τροφοδοσία(cpw). Παρατηρούμε επίσης την ύπαρξη ενός ευρυζωνικού προσαρμογέα ο οποίος αποδοτικά μεταφέρει ενέργεια από την ασύμμετρη CPW γραμμή μεταφοράς στην ισορροπημένη γραμμή σχισμής ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΣΠΕΙΡΟΕΙΔΕΙΣ ΚΕΡΑΙΕΣ Οι κεραίες με σπειροειδές σχήμα είναι ευρέως γνωστές διότι έχουν μεγάλο εύρος ζώνης λειτουργίας και καλές αποκρίσεις ακτινοβολίας. Στην παραδοσιακή τους μορφή, ακτινοβολούν με τον ίδιο τρόπο τόσο επάνω όσο και κάτω από τη σπειροειδή κεραία εκπομπής. Προκειμένου να δημιουργηθεί ένα μονοκατευθυντικό διάγραμμα ακτινοβολίας, οι σπείρες επιφορτίζονται από μια κοιλότητα απωλειών. Μια συνέπεια αυτής της φόρτισης ήταν ότι η ένταση της κεραίας αυξανόταν δραματικά με την αύξηση του βάθους της κοιλότητας απωλειών, συνεπώς ήταν πιο ενδιαφέρον να ενσωματωθούν αυτές τις κεραίες εκπομπής σε επιφάνειες δυναμικών πλατφόρμων. Σχήμα Τυπωμένη σπειροειδής κεραία Στις αρχές του 1990 αναπτύχθηκε μια χαμηλού προφίλ κεραία τύπου σπείρας η οποία μείωσε σημαντικά το βάθος της κεραίας. Μία μεγάλου εύρους ζώνης σπειροειδής κεραία αναπτύχθηκε με τη χρήση γειωμένου ελάσματος, πάχους συγκρινόμενου με αυτό των μικροταινιακών κεραιών patch κατά μήκος του ιδίου φάσματος συχνοτήτων. Το κλειδί για να αποκτηθεί μια ικανοποιητική απόκριση χαρακτηριστικής αντίστασης, καθώς επίσης και ικανοποιητική απόδοση ακτινοβολίας από αυτή τη σπειροειδής κεραία ήταν να ήταν η ενσωμάτωση ένα απορροφητικού υλικού γύρω από τη περίμετρο του σπειροειδούς αγωγού. Επίσης συμπεριλήφθηκε ο σχεδιασμός ενός μεγάλου εύρους ζώνης προσαρμογέα. Μια απλή προσέγγιση αυτής της παραδοχής φαίνεται στο Σχήμα Ένας βραχίονας της σπείρας τροφοδοτείται, ενώ μια

28 28 διεπαφή χρησιμοποιείται για να συνδέσει τον άλλο βραχίονα της σπείρας στο γειωμένο επίπεδο κάτω από τον τυπωμένο αγωγό. Οι βραχίονες είναι μικροταινίες χαρακτηριστικής αντίστασης 50Ω και τερματίζονται σε αντιστάσεις των 50 Ω. Η μη χρήση προσαρμογέα μπορεί να δώσει σημαντική απόδοση αφού το πάχος του υποστρώματος είναι μικρότερο από 0.05 λ 0 (όπου λ 0 είναι το μήκος ελευθέρου χώρου στη συχνότητα λειτουργίας ). Όπως είναι αναμενόμενο, η απόδοση των απωλειών επιστροφής αυτής της απλοποιημένης σπειροειδούς κεραίας μειώνεται στις υψηλές συχνότητες λόγω της υπεραπλουστευμένης δομή τροφοδοσίας. Φυσικά οι τυπωμένες κεραίες τύπου σπείρας επιφορτίζονται με ωμικά στοιχεία και έχουν χαμηλότερες αποδόσεις ακτινοβολίας συγκριτικά με τους μη φορτισμένους ακτινοβολητές ( π.χ tapered slots ). 2.2 ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ (RESONANT-STYLE PRINTED ANTENNAS) Ίσως η εισαγωγή των ασυρμάτων συστημάτων μεγάλου εύρους ζώνης λειτουργίας συνεπάγεται ότι οι υπάρχουσες τεχνολογίες στενού εύρους ζώνης δεν είναι πλέον κατάλληλες, βέβαια αυτό δεν σημαίνει πως είναι ορθό. Ο συντελεστής κλειδί είναι η διευκρίνιση του «μεγάλου εύρους ζώνης», και φαίνεται ότι μερικά συστήματα έχουν παρερμηνεύσει την ερμηνεία, είτε λόγω δυναμικού μάρκετινγκ της φράσης είτε για να διαφοροποιήσουν τη προτεινόμενη τεχνολογία από παλιότερες γενιές. Για παράδειγμα, μερικά κυψελωειδή συστήματα κοντά στα 2 GHz, αναπτύχθηκαν σαν να είναι συστήματα μεγάλου εύρους ζώνης διότι το εύρος ζώνης χρήσης ήταν μεγαλύτερο από αυτό των 900MHz συστημάτων. Αυτή η κατάσταση είναι πραγματική σε μια σχετική λογική, σχετική σε προηγούμενες γενιές αλλά όχι ως προς τη συχνότητα. Το εύρος ζώνης είναι μεγαλύτερο συγκριτικά με τις προηγούμενες γενιές, αλλά με σεβασμό στη συχνότητα λειτουργίας η αύξηση στο εύρος ζώνης είναι ασήμαντη και θα μπορούσε με δυσκολία να κριθεί μεγάλου εύρους ζώνης. Έχοντας αναφέρει αυτό, υπάρχουν κυριολεκτικά μεγάλου εύρους ζώνης εφαρμογές, όπως τα JTRS ή τα UWB, επιπρόσθετα υπάρχουν πολυζωνικά συστήματα στα οποία μία επιλογή που θα μπορούσε να γίνει είναι να χρησιμοποιήσουμε έναν ευρυζωνικό ακτινοβολητή. Τίθεται το ερώτημα σχετικά με το πότε πρέπει να χρησιμοποιηθούν οι κεραίες τύπου συντονισμού. Εάν το εύρος ζώνης είναι αρκετά μικρό, οι resonantstyle κεραίες τείνουν να είναι ποιο αποδοτικές (αν έχουν χρησιμοποιηθεί υλικά χαμηλών απωλειών). Οι resonant style κεραίες, τείνουν να είναι όλο και μικρότερες σε μέγεθος(τυπικά μικρότερες από λg/2, όπου λg είναι το κυματοδηγούμενο μήκος κύματος), το οποίο επιτρέπει την εύκολη σύνθεση συστοιχιών κεραιών που αποτελούνται από αυτά τα στοιχεία και επιτρέπουν καλύτερο έλεγχο της απόδοσης ακτινοβολίας. Οι συγκεκριμένες κεραίες, λόγω της έμφυτης στενής ζώνης φύση τους, μπορούν να βοηθήσουν με την Out-of band απόρριψη του θορύβου και συνεπώς να βοηθήσουν τη βέλτιστη RF απόδοση της ζεύξης, αν και οι δύο πρώτοι συντονισμοί είναι πιθανώς το πιο σημαντικό πλεονέκτημα των resonant-style κεραιών. Τα τρία βασικά στοιχεία των τυπωμένων resonant style κεραιών είναι : το δίπολο, η σχισμή και το patch. Αν και έχουν αναπτυχθεί πολλές παραλλαγές

29 29 αυτών των τυπωμένων κεραιών, η βασικές αρχές λειτουργίας αυτών των νέων εκδόσεων μπορούν να αναζητηθούν σε αυτούς τους κύριους ακτινοβολητές. Η ισχύς τροφοδοσίας ή ισχύς ηλεκτρικής σύζευξης από και προς αυτές τις κεραίες παίζει κρίσιμο ρόλο στην βέλτιστη απόδοση της κεραίας καθώς επίσης και για κάθε ακτινοβολητή. Συνεπώς είναι πιο σωστό να πούμε ότι ένας σωστός μηχανισμός τροφοδοσίας επιτρέπει την σωστή εκμετάλλευση των έμφυτων ιδιοτήτων μίας κεραίας. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, υπάρχει αναμφίβολα μια «γκρίζα» ζώνη όσον αφορά στον διαχωρισμό μεταξύ των τεχνολογιών στενής και ευρείας ζώνης. Ένα καλό παράδειγμα είναι η aperture stacked patch κεραία η οποία και φαίνεται στη παρακάτω φωτογραφία. Πρόκειται για μια διάταξη ακτινοβολίας η οποία σχεδιάζεται σε πολλά επίπεδα τα οποία είναι διαχωρισμένα μεταξύ τους και τοποθετούνται το ένα επάνω στο άλλο. Η κεραία κατασκευάζεται συνδυάζοντας τρία στοιχεία στενού εύρους ζώνης ( δύο patch και ένα slot). Σαν αποτέλεσμα έχουμε μια διάταξη ακτινοβολίας η οποία μπορεί να έχει εύρος ζώνης λειτουργίας πάνω από μια οκτάβα, πιστοποιώντας ότι είναι ένας ευρυζωνικός ακτινοβολητής. Σχήμα Aperture stacked κεραία Ένα άλλο παράδειγμα κεραίας μεγάλου εύρους ζώνης η οποία κατασκευάστηκε από στενού εύρους ζώνης στοιχεία είναι η Log-periodic κεραία. Για άλλη μια φορά, η κεραία που προκύπτει έχει μεγάλο εύρος ζώνης λειτουργίας ενώ τα μεμονωμένα στοιχεία που την αποτελούν είναι στενής ζώνης. Προκειμένου να περιπλέξουμε ακόμα περισσότερο αυτό το θέμα, αρκετές μεγάλου εύρους ζώνης τυπωμένες κεραίες έχουν αναφερθεί πρόσφατα οι οποίες μπορούν να θεωρηθούν ως παραλλαγές αυτών των στενής ζώνης συμπληρωματικών διατάξεων. Συνήθως, μια κατηγορία τυπωμένων διπόλων, μονοπόλων και σχισμών μπορούν να θεωρηθούν σαν μια έκδοση «βελτιστοποιημένου προφίλ», σαν παράδειγμα μπορεί να αναφερθεί ένα «bowtie» δίπολο. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται η διάταξη κάποιων cpwτροφοδοτούμενων «βελτιστοποιημένου προφίλ» μονοπόλων.

30 30 Σχήμα Βελτιστοποιημένα μονόπολα Εδώ το σχήμα του αγωγού τροποποιήθηκε αποτελεσματικά προκειμένου να βελτιώσει την προσαρμογή της σύνθετης αντίστασης της κεραίας. Οι κεραίες αυτές μπορούν να λειτουργούν σχεδόν αποδοτικά κατά μήκος πολλαπλών οκτάβων συχνοτήτων και είναι γεγονός ότι προέρχονται από στενής ζώνης στοιχεία ΤΥΠΩΜΕΝΑ ΔΙΠΟΛΑ Μια βασική κατηγορία κεραιών συντονισμού είναι το τυπωμένο δίπολο, η διάταξη του οποίου φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα Τυπωμένο δίπολο Στη συγκεκριμένη κεραία η ισορροπημένη τροφοδοσία, είναι μια ομοεπίπεδη ταινιογραμμή η οποία χρησιμοποιείται για τη σύζευξη ισχύος από και προς τη συντονιζόμενη κεραία. Συνήθως ένα στενό μέταλλο χρησιμοποιείται τόσο για την κατασκευή της τροφοδοσίας όσο και του τυπωμένου διπόλου. Ένα θέμα το οποίο σχετίζεται με τη χρήση ενός διπόλου είναι η ευαισθησία της ακτινοβολούμενης διάταξης στη παρουσία γειωμένου επιπέδου το οποίο είναι δύσκολο να αποφύγουμε στις περισσότερες επικοινωνιακές διατάξεις. Γι αυτό το λόγο τα μονόπολα είναι μια πιο ελκυστική λύση.

31 ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ ΣΧΙΣΜΗΣ Οι τυπωμένες κεραίες σχισμής είναι το μαγνητικό ισοδύναμο ενός τυπωμένου ακτινοβολητή διπόλου. Λόγω της παρουσίας του έμφυτου γειωμένου επιπέδου αυτές οι τυπωμένες κεραίες είναι πιο διαδεδομένες από τις αντίστοιχες διπολικές ισοδύναμες τους. Το Σχήμα παρουσιάζει την γεωμετρική διάταξη μιας αναδιπλωμένης τυπωμένης κεραίας σχισμής η οποία τροφοδοτείται δια μέσου μιας μικροταινιακής γραμμής μεταφοράς. Σχήμα Τυπωμένη κεραία σχισμής Αντίθετα με ένα δίπολο, δεν απαιτείται μια ισορροπημένη γραμμή μεταφοράς για να τροφοδοτήσει αυτό το είδος τυπωμένης κεραίας. Η τυπωμένη σχισμή αναδιπλώνεται προκειμένου να εξασφαλίσει ένα καλό εύρος ζώνης ταιριάσματος σύνθετης αντίστασης στην συχνότητα σχεδιασμού. Ο αριθμός των αναδιπλώσεων εξαρτάται από τη διηλεκτρική σταθερά του υλικού πάνω στο οποίο είναι κατασκευασμένη η κεραία και το πλάτος της σχισμής είναι τυπικά πολύ στενό (0.01λg), αν και το εύρος ζώνης της κεραίας μπορεί να βελτιωθεί κάνοντας το μεγαλύτερο PATCHES ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ Οι μικροταινιακές κεραίες τύπου patch είναι από τις πιο διαδεδομένες κεραίες συντονισμού. Στο Σχήμα φαίνεται μια κεραία αυτής της κατηγορίας η οποία τροφοδοτείται μέσω ακροδέκτη. Η συγκεκριμένη κεραία αποτελείται από ένα patch ορθογωνίου σχήματος το οποίο είναι χαραγμένο επάνω σε γειωμένο διηλεκτρικό υλικό και τροφοδοτείται μέσω ακροδέκτη ο οποίος ανεβαίνει διάμεσου του γειωμένου επιπέδου και συγκολλείται στο αγώγιμο patch.τα patch μικροταινίας έχουν πολλά πλεονεκτήματα συγκρινόμενα με τα αντίστοιχα τυπωμένα δίπολα και τις σχισμές και πιθανώς το πιο σημαντικό είναι η μονοκατευθυντική φύση τους (συνεπώς υψηλότερο κέρδος) λόγω της ύπαρξης γειωμένου επιπέδου. Δυστυχώς η ύπαρξη του γειωμένου επίπεδου περιορίζει το εύρος ζώνης της κεραίας. Είναι γεγονός ότι από τις τρεις βασικές κατηγορίες κεραιών συντονισμού έχει το μικρότερο εύρος ζώνης λειτουργίας.

32 32 Σχήμα Τυπωμένη κεραία τύπου patch Όπως και στις κεραίες τύπου σχισμής, υπάρχουν αρκετές εκδόσεις κεραιών τύπου patch που μελετήθηκαν στο πέρασμα των χρόνων, περιλαμβάνοντας διαφορετικού σχήματος patches και πολλαπλές διαφορετικές διαδικασίες τροφοδοσίας.όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, η μέθοδος τροφοδοσίας μιας κεραίας μπορεί να επηρεάσει την απόδοση της κεραίας, τις απώλειες επιστροφής και τα διαγράμματα ακτινοβολίας της ακτινοβολούμενης διάταξης. Για τις συγκεκριμένες κεραίες τύπου patch έχουμε δύο γενικές κατηγορίες διαδικασιών τροφοδοσίας. Αυτές χωρίζονται σε αυτές της ευθείας επαφής, όπου το ηλεκτρόδιο τροφοδοσίας έρχεται σε επαφή με το patch που ακτινοβολεί και σε αυτές της μη ευθείας επαφής, όπου η γραμμή τροφοδοσίας έρχεται σε παρασιτική σύζευξη με τη κεραία. Κάθε μέθοδος έχει τα σχετικά τις πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. 2.3 ΜΙΚΡΕΣ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ Οι απαιτήσεις για μικρές κεραίας στα ασύρματα τερματικά ( κυρίως στις τηλεφωνικές συσκευές ) οδήγησαν στην εκτεταμένη έρευνα και ανάπτυξη μικρών τυπωμένων κεραιών.ερευνητές σε όλο τον κόσμο πήραν τις βασικές κεραίες τύπου συντονισμού και εφάρμοσαν τεχνικές μείωσης μεγέθους προκειμένου να παράγουν κεραίες οι οποίες θα μπορούσαν να ενσωματωθούν σε μικρές συσκευές. Φυσικά και αυτή είναι μια από τις πιο δύσκολες προκλήσεις που ένας μηχανικός κεραιών αντιμετωπίζει, δηλαδή να αναπτύξει μια ηλεκτρικά μικρή διάταξη ακτινοβολίας, η οποία θα ικανοποιεί τις απαιτήσεις για απόδοση ακτινοβολίας των περισσοτέρων ασυρμάτων συστημάτων. Ευτυχώς σημειώθηκαν σημαντικές πρόοδοι σε άλλους τομείς του ηλεκτρομαγνητισμού οι οποίες βοήθησαν το σχεδιαστή. Συγκεκριμένα η ανάπτυξη λογισμικών με εργαλεία ηλεκτρομαγνητισμού τα οποία μπορούν να μοντελοποιήσουν όχι μόνο τη διάταξη ακτινοβολίας αλλά και το περιβάλλον που την περιβάλει. Αυτά τα εργαλεία λογισμικού τείνουν να είναι υπολογιστικά και συνεπώς οι πρόοδοι στον υπολογισμό της ισχύος δε μπορούν να αγνοηθούν. Συνεπώς αυτά τα πακέτα λογισμικού χρησιμοποιήθηκαν σαν εργαλεία σχεδιασμού και όχι απλά σα μια μηχανή ανάλυσης. Έχοντας αναφέρει τα παραπάνω, υπάρχουν κάποιες παραχωρήσεις οι οποίες γίνονται κατά το σχεδιασμό της κεραίας σε μικρό μέγεθος και συνεπώς θα

33 33 ήταν παράλειψη να μη τις αναφέρουμε. Το εύρος ζώνης και το κέρδος οποιασδήποτε κεραίας σχετίζονται με το μέγεθος της και συνεπώς μια μικρότερη κεραία θα έχει μικρότερο κέρδος και μικρότερο εύρος ζώνης.για άλλη μια φορά διαμέσου προόδων που έγιναν σε άλλους τομείς του μηχανικού, αυτή η επίδραση στις βέλτιστες αποδόσεις του ασύρματου συστήματος μπορούν να ελαχιστοποιηθούν. Για παράδειγμα, υψηλότερης ποιότητας RF ενισχυτές ( από άποψη απόδοσης και κόστους) έχουν αναπτυχθεί και βελτιώνουν τις απαιτήσεις για κέρδος και απώλειες επιστροφής της μικρής κεραίας. Είναι σημαντικό να σημειώσουμε ότι οι περισσότερες εμπορικές διαθέσιμες κεραίες για ασύρματα φορητά τερματικά προσφέρουν ένα -6 db εύρος ζώνης απωλειών επιστροφής και έχουν κέρδη μικρότερα από 0 dbi. Μπορεί να εξαχθεί συμπερασματικά ότι αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι απαιτήσεις για απώλειες επιστροφής -10db και για κέρδη μεγαλύτερα από 0 dbi είναι δύσκολο να επιτευγχθούν για τόσο μικρά μεγέθη. Επιπλέον και άλλα τμήματα στο σύστημα ( συμπεριλαμβανομένου και των ενισχυτών) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να βελτιώσουν τον υποβιβασμό της απόδοσης του συστήματος. Υπάρχουν πολλές τεχνικές οι οποίες έχουν εφαρμοστεί επιτυχώς για τη μείωση του βέλτιστου μήκους της κεραίας. Αυτές περιλαμβάνουν διηλεκτρική φόρτιση, χρησιμοποιώντας shorting posts ( και τα δύο shorted patches και επίπεδες ανεστραμμένες F κεραίες, Pifa s) και μηχανισμούς φρακταλ για αύξηση του μεγέθους του ακτινοβολητή διαμέσου του χώρου που διατίθεται για το σχεδιασμό της κεραίας, η διαμέσου σχεδιασμού τριών διαστάσεων. Τα παρακάτω σχήματα, παρουσιάζουν τέσσερα παραδείγματα στα οποία φαίνεται πόσο μικρές κεραίες μπορούν να κατασκευαστούν με βάση τις αρχές που διέπουν τις βασικές κεραίες συντονισμού. Στο Σχήμα φαίνεται ένα μονόπολο με cpw τροφοδοσία όπου το αγώγιμο μονόπολο αναδιπλώνεται προκειμένου να μειωθεί ο χώρος στον οποίο θα τοποθετηθεί το δίπολο και η κεραία να λειτουργεί όσο το δυνατόν πιο αποδοτικά. Σχήμα Τυπωμένο αναδιπλωμένο μονόπολο Στο Σχήμα φαίνεται μια τριών διαστάσεων έκδοση ενός τριγωνικού μονοπόλου στην οποία το αγώγιμο στοιχείο αναδιπλώνεται στην άκρη του υποστρώματος, προκειμένου να αυξηθεί το μήκος της κεραίας αποτελεσματικά και ακολούθως πραγματοποιείται μείωση της συχνότητας λειτουργίας.

34 34 Σχήμα Τυπωμένο τριγωνικό μονόπολο Στο Σχήμα φαίνεται η γεωμετρία μιας κεραίας βραχυκυκλωμένου patch. Εδώ τα pins που δημιουργούν το βραχυκύκλωμα, χρησιμοποιούνται προκειμένου να μειωθεί το μέγεθος του αγώγιμου patch. Δύο pins χρησιμοποιούνται για να αυξηθεί η απόσταση διαχωρισμού μεταξύ των σημείων βραχυκύκλωσης και του σημείου τροφοδότησης. Σχήμα Τυπωμένη κεραία βραχυκυκλωμένου patch Στο Σχήμα τρεις βασικές αρχές συνδυάζονται για τη δημιουργία ενός μικρού ακτινοβολητή σχισμής, διηλεκτρική φόρτιση, αναδίπλωση της σχισμής και χρήση βραχυκυκλώματος. Φυσικά και υπάρχουν πολλές περισσότερες διαδικασίες οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μειωθεί το μέγεθος της κεραίας, και σίγουρα υπάρχουν πολλές περισσότερες που θα εφαρμοστούν στο προσεχές μέλλον. Σε γενικές γραμμές, δεν υπάρχει συγκεκριμένη τεχνική η οποία δίνει τη βέλτιστη απόδοση μίας κεραίας και θα πρέπει να ληφθούν υπόψη αρκετοί παράγοντες και να γίνουν πολλές προσπάθειες για να επιτευχθεί το βέλτιστο αποτέλεσμα. Εξίσου σημαντικός παράγοντας, είναι το περιβάλλον στο οποίο θα λειτουργήσει η κεραία και οι διατάξεις με τις οποίες θα συνυπάρξει, οι οποίες παίζουν καθοριστικό ρόλο στη μείωση του μεγέθους της κεραίας. Σχήμα Τυπωμένες αναδιπλωμένες σχισμές

35 35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η κλασσική Yagi-Uda κεραία ανακαλύφθηκε το 1926 από τους H. Yagi και S. Uda στην Ιαπωνία. Πρόκειται για μια κεραία στην οποία το κέρδος ενός διπόλου ενισχύεται χάρη στη παρουσία ενός ανακλαστικού στοιχείου το οποίο βρίσκεται πίσω από αυτό. Στη συνέχεια η εκπεμπόμενη ακτινοβολία συγκεντρώνεται και κατευθύνεται σε μια συγκεκριμένη διεύθυνση, χάρη στη παρουσία ενός ή περισσοτέρων κατευθυντικών στοιχείων που βρίσκονται μπροστά από το τροφοδοτούμενο δίπολο (Σχήμα 3.1.1).[1] Σχήμα Κλασσική Yagi-Uda κεραία. Αυτός ο τύπος κεραίας είναι γνωστός λόγω του ότι παρουσιάζει ένα υψηλού κέρδους ακροπυροδοτικό διάγραμμα ακτινοβολίας (στη z-διεύθυνση) με ένα ικανοποιητικό εύρος ζώνης λειτουργίας. Η περιοχή των διπόλων αποτελείται από τρία βασικά στοιχεία: ένα τροφοδοτούμενο δίπολο, ένα ανακλαστικό στοιχείο και ένα ή περισσότερα όμοια παρασιτικά κατευθυντικά στοιχεία. Το τροφοδοτούμενο δίπολο χρησιμοποιείται για τη διέγερση της συγκεκριμένης δομής, στη συνέχεια το πεδίο που εκπέμπεται από αυτό το δίπολο ανακλάται από το μακρύ ανακλαστικό στοιχείο το οποίο βρίσκεται σε διεύθυνση αντίθετη από αυτή της ακροπυροδοτικής ακτινοβολίας. Τα επιπρόσθετα παρασιτικά

36 36 κατευθυντικά στοιχεία, συντελούν στην ενίσχυση και κατεύθυνση της ακτινοβολίας στην εμπρόσθια ακροπυροδοτική κατεύθυνση. Οι Yagi Uda κεραίες χρησιμοποιήθηκαν αρχικά σε τηλεοπτικούς δέκτες για λήψη του τηλεοπτικού σήματος και σε εφαρμογές χαμηλών συχνοτήτων. Η σταδιακή μελέτη και βελτίωσή τους είχε ως αποτέλεσμα να κριθεί απαραίτητη η χρήση τους σε μοντέρνα επικοινωνιακά συστήματα. Έτσι κατασκευαστήκαν Yagi- Uda κεραίες μικρού μεγέθους ικανές να λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες. Λόγω του γεγονότος ότι εμφανίζουν υψηλή αποδοτικότητα και κατευθυντικότητα αναπτύχθηκαν τεχνικές ελαχιστοποίησης των διαστάσεων τους και ενσωμάτωσής τους σε τερματικές διατάξεις. Είναι γεγονός ότι σήμερα πια οι συγκεκριμένες κεραίες μπορούν να τυπωθούν επάνω σε διηλεκτρικά υποστρώματα υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς και να αποτελέσουν τμήματα μικροκυματικών κυκλωμάτων. Τόσο η ελαχιστοποίηση των διαστάσεων τους, όσο και η αύξηση του κέρδους και εύρους ζώνης λειτουργίας τους είχαν ως αποτέλεσμα οι τυπωμένες Yagi κεραίες να χρησιμοποιούνται σε ένα τεράστιο σύνολο επικοινωνιακών εφαρμογών. Οι τυπωμένες Όμοιο-Yagi κεραίες παρουσιάζουν σχετικές ομοιότητες τόσο στη γεωμετρική τους δομή όσο και στον τρόπο λειτουργίας τους με την κλασσική Yagi-Uda κεραία. Εντούτοις, υπάρχουν συγκεκριμένες διαφορές μεταξύ αυτών των δύο κατηγοριών και για αυτό το λόγο και επινοήθηκε το όνομα «Όμοιο-Yagi» για τις τυπωμένες Yagi κεραίες. Στο Σχήμα φαίνεται μια Όμοιο-Yagi κεραία με μικροταινιακή τροφοδοσία που αναπτύχθηκε πρόσφατα, παραλλαγές της οποίας εξετάζονται ακόμα και σήμερα. Σχήμα Γεωμετρική διάταξη μιας Quasi-Yagi κεραίας με μικροταινιακή τροφοδοσία Η σχετική διάταξη μιας τυπωμένης Όμοιο-Yagi κεραίας είναι συγκρίσιμη με αυτή της κλασσικής Yagi Uda διπολικής κεραίας. Τόσο στη Όμοιο-Yagi κεραία,όσο και στη Yagi Uda διπολική κεραία οι δομές του κατευθυντήρα του ανακλαστήρα αλλά και του τροφοδοτούμενου στοιχείου μπορούν να αναγνωριστούν. Ωστόσο, σημαντικές διαφορές προκύπτουν όταν εξετάζεται η θεμελιώδης λειτουργία αυτών των δύο τύπων κεραιών. Η επίπεδη Όμοιο-Yagi κεραία έχει τη δυνατότητα να παράγει ένα ακροπυροδοτικό διάγραμμα ακτινοβολίας χρησιμοποιώντας το γειωμένο τμήμα του υποστρώματος σαν ανακλαστικό στοιχείο. Έτσι αποφεύγεται η χρήση κάποιου επιπρόσθετου

37 37 ανακλαστικού στοιχείου ή μεταλλικής πλάκας κάνοντας τη συνολική δομή της κεραίας να είναι συμπαγής και μικρή σε μέγεθος. Μερικά από τα στοιχεία που τις διαφοροποιούν από τις κλασσικές Yagi Uda κεραίες είναι το μικρό τους μέγεθος, η συμπαγής και επίπεδη δομή και το μεγάλο εύρος ζώνης λειτουργίας. Χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές υψηλών συχνοτήτων και είναι τυπωμένες επάνω σε ένα διηλεκτρικό υπόστρωμα. 3.2 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗΣ ΤΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΩΝ ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΩΝ Οι Όμοιο-Yagi κεραίες ανήκουν στη κατηγορία των επίπεδων τυπωμένων κεραιών και παρουσιάζουν αρκετά πλεονεκτήματα τόσο στην κατασκευή όσο και στη λειτουργία τους. Είναι κατάλληλες για εφαρμογές χιλιοστομετρικών και μικροκυματικών συχνοτήτων, έχουν την ικανότητα να λειτουργούν σε παραπάνω από μία ζώνες συχνοτήτων και να ικανοποιούν οποιαδήποτε εφαρμογή. Επιπρόσθετα, δίνεται η δυνατότητα στον κατασκευαστή μιας τέτοιας κεραίας να προσαρμόζει τη λειτουργία της από μια συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων σε μια κατώτερη ή ανώτερη ζώνη. Αυτό επιτυγχάνεται μεταβάλλοντας τις φυσικές τις διαστάσεις συμπεριλαμβανομένου και του πάχους του διηλεκτρικού υποστρώματος και κρατώντας σταθερή τη διηλεκτρική σταθερά του υλικού πάνω στο οποίο είναι κατασκευασμένη. Η όμοιο-yagi κεραία πλεονεκτεί έναντι των παραδοσιακών συρμάτινων Yagi κεραιών που ακτινοβολούν ελεύθερα στο χώρο. Οι συρμάτινες κεραίες είναι ευαίσθητες στις υψηλές συχνότητες λειτουργίας και είναι δύσκολο να τροφοδοτηθούν. Αντιθέτως, το διηλεκτρικό υπόστρωμα πάνω στο οποίο τυπώνεται η κεραία παρέχει μηχανική υποστήριξη, συμβατότητα επίπεδης γραμμής μεταφοράς και κάνει την κεραία αρκετά συμπαγή. Ο συγκεκριμένος τύπος τυπωμένων κεραιών προσφέρει ένα μεγάλο εύρος ζώνης λειτουργίας, καλή αναλογία εισερχόμενης προς εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, ικανοποιητικά επίπεδα διασταυρούμενης πόλωσης και κέρδους καθώς και υψηλή αποδοτικότητα. Πιο συγκεκριμένα σε αρκετούς τύπους όμοιο- Yagi κεραιών η μεταβολή του κέρδους κατά μήκος της ζώνης λειτουργίας είναι αρκετά μικρή. Αξίζει να αναφερθεί ότι οι Όμοιο-Yagi κεραίες είναι μικρές σε μέγεθος, συμπαγείς, έχουν χαμηλό βάρος και μπορούν να σχεδιαστούν ακόμα και σε ένα επίπεδο. Αυτό οφείλεται στο ότι το περιορισμένο γειωμένο επίπεδο λειτουργεί ως ανακλαστική διάταξη και κατευθύνει την ακτινοβολία στην ακροπυροδοτική κατεύθυνση γεγονός που αποκλείει τη χρήση πρόσθετου μεταλλικού επιπέδου που χρησιμοποιείται στις ακροπυροδοτικές διπολικές κεραίες. Η υψηλή τους αποδοτικότητα και η εξαιρετική συμβατότητα με μικροκυματικά μονολιθικά ενσωματωμένα κυκλώματα, τις χρήζει κατάλληλες για εξαγωγή και ακτινοβολία ισχύος που προέρχεται από MMIC κυκλωματικές διατάξεις τόσο στον ελεύθερο χώρο όσο και σε ένα κυματοδηγό. Είναι κατάλληλες

38 38 για κατασκευή επάνω σε υλικά με υψηλή διηλεκτρική σταθερά, πράγμα το οποίο τις κάνει ιδανικές για ενσωμάτωση σε MMIC τα οποία κατασκευάζονται επάνω σε LnP η GaAs υποστρώματα. Συνοψίζοντας, οι Όμοιο-Yagi κεραίες λόγω του ότι έχουν μεγάλο εύρος ζώνης λειτουργίας, μικρό και συμπαγές μέγεθος είναι ιδανικές για τη σύνθεση παθητικών και ενεργών συστοιχίων, γεγονός που οδήγησε στις ΑΙΑ κεραίες(ενεργές ενσωματωμένες κεραίες). Αυτό είχε ως αποτέλεσμα βελτιστοποιημένα RF-front end συστήματα, χαμηλή κατανάλωση ισχύος, εύκαμπτες και συμπαγείς διατάξεις ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΖΗΤΗΣΗ YAGI ΚΕΡΑΙΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΩΝ ΟΜΟΙΟ- Στη συγκεκριμένη ενότητα γίνεται μια αναφορά στις διάφορες γεωμετρίες τυπωμένων κεραιών Yagi που βρέθηκαν στη βιβλιογραφία. Οι κεραίες που παρουσιάζονται έχουν αξιοσημείωτο ενδιαφέρον και δίνουν στον αναγνώστη πληροφορίες για τις λειτουργικές δυνατότητες των συγκεκριμένων κεραιών σε όλο στο φάσμα των μικροκυματικών συχνοτήτων. Παρουσιάζονται κεραίες που διαφέρουν ως προς τη γεωμετρική τους δομή, τα υλικά κατασκευής τους, τον τρόπο τροφοδότησης καθώς και το φάσμα συχνοτήτων λειτουργίας. Είναι γεγονός πως δεν υπάρχει σαφής διαχωρισμός και κατηγοριοποίηση των διαφόρων Yagi κεραιών για αυτό και κάποιες διατάξεις είναι δυνατόν να ανήκουν σε περισσότερες από μία κατηγορίες. 3.3 ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ Χ- ΜΠΑΝΤΑΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΗ YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΑΠΛΟΠΟΙΗΜΕΝΟ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Η γεωμετρία της προτεινόμενης κεραίας[18] φαίνεται στο Σχήμα Πρόκειται για μια κεραία δύο επιπέδων τυπωμένη σε ένα διηλεκτρικό υπόστρωμα τύπου Rogers RT/ 6010 LM πάχους 0.64 mm και διηλεκτρικής σταθεράς εr=10.2. Όπως φαίνεται και στο σχήμα το τροφοδοτούμενο δίπολο της κεραίας τροφοδοτείται διαμέσου μιας μικροταινιακής γραμμής μεταφοράς η οποία αποτελείται από δύο τυπωμένες παράλληλες ταινίες,μία σε κάθε πλευρά του διηλεκτρικού υποστρώματος. Ο απλοποιημένος μηχανισμός τροφοδοσίας συντελεί στη μείωση του μήκους της γραμμής τροφοδοσίας και κατ επέκταση στη μείωση των απωλειών εκπομπής.

39 39 Σχήμα Τυπωμένη Yagi κεραία με απλοποιημένο μηχανισμό τροφοδοσίας. Η συγκεκριμένη κεραία μελετήθηκε και σχεδιάστηκε έτσι ώστε να λειτουργεί στη Χ- μπάντα συχνοτήτων καλύπτοντας ένα ποσοστιαίο εύρος ζώνης της τάξεως του 40%. Τόσο τα αποτελέσματα της εξομοίωσης όσο και αυτά που προέκυψαν ύστερα από κατασκευή και μέτρηση της κεραίας απέδειξαν πως παρουσιάζει πολύ καλά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας. Επιπλέον έχει κατευθυντικά διαγράμματα ακτινοβολίας με επίπεδα διασταυρούμενης πόλωσης που φτάνουν τα -20db και front-to-back ratio της τάξεως των 15 db. Κλείνοντας, το μικρό της μέγεθος την χρήζει κατάλληλη για κατασκευή συγχρονισμένων συστοιχίων κεραιών ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΟΜΟΕΠΙΠΕΔΗ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΥΜΕΝΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ Η γεωμετρία της κεραίας φαίνεται στο Σχήμα [19] Η κεραία αποτελείται από ένα τροφοδοτούμενο στοιχείο, δύο κατευθυντικά στοιχεία και δύο ανακλαστικά στοιχεία εκατέρωθεν της γραμμής τροφοδοσίας. Όπως φαίνεται από το σχήμα η κεραία είναι σχεδιασμένη σε ένα επίπεδο επάνω σε ένα διηλεκτρικό υπόστρωμα μεγάλης διηλεκτρικής σταθεράς τύπου Rogers RT 6010 και τροφοδοτείται μέσω μιας ομοεπίπεδης κυματοδηγούμενης τροφοδοσίας. Η μικροταινιακή γραμμή μεταφοράς αποτελείται από δύο παράλληλες ταινίες η μία από τις οποίες συνδέεται στο τροφοδοτούμενο δίπολο. Η άλλη πλευρά του διπόλου συνδέεται στο επίπεδο γείωσης, συνεπώς ο μηχανισμός τροφοδοσίας δεν απαιτεί την ύπαρξη προσαρμογέα. Η ομοεπίπεδη κυματοδηγούμενη Όμοιο-Yagi κεραία έχει μία από τις απλούστερες δομές διότι δεν απαιτεί πολύπλοκη δομή προσαρμογέα, είναι επίπεδη και συμπαγής. Η κεραία είναι ευρυζωνική και λειτουργεί από 7.7 έως 12Ghz καλύπτοντας τη Χ-μπάντα συχνοτήτων. Το ποσοστιαίο εύρος ζώνης λειτουργίας της κεραίας είναι 44% και η αποδοτικότητα ακτινοβολίας μετρήθηκε 95% και παραμένει σταθερή σε όλη τη μπάντα συχνοτήτων. Όσον αφορά στο μετρήσιμο κέρδος, μεταβάλλεται μεταξύ των τιμών dbi. Επιπλέον το frontto back ratio μετρήθηκε 15db.Το μικρό μέγεθος της κεραίας υποδηλώνει την καταλληλότητα της για σύσταση συστοιχίας κεραιών, ενσωμάτωσης σε μικροκυματικά κυκλώματα και ενεργές συσκευές.

40 40 Σχήμα Όμοιο-Yagi κεραία με ομοεπίπεδη κυματοδηγούμενη τροφοδοσία ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΟΜΟΕΠΙΠΕΔΗ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΥΜΕΝΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΚΑΙ ΚΑΜΠΥΛΩΤΑ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Στο Σχήμα φαίνεται η γεωμετρία της προτεινόμενης κεραίας[20]. Η γεωμετρική διάταξη της συγκεκριμένης κεραίας είναι παρόμοια με αυτή της προαναφερθείσας καθώς αποτελείται από τον ίδιο αριθμό επιμέρους στοιχείων, είναι σχεδιασμένη στο ίδιο διηλεκτρικό υπόστρωμα και τροφοδοτείται με πανομοιότυπο μηχανισμό τροφοδοσίας. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα η κεραία διαφέρει από την προηγούμενη στο ότι τα επιμέρους στοιχεία της (κατευθυντικά, τροφοδοτούμενα, ανακλαστικά) δεν έχουν ορθογώνια δομή αλλά ελλειπτική. Σχήμα Όμοιο-Yagi κεραία με ομοεπίπεδη κυματοδηγούμενη τροφοδοσία και καμπυλωτά επιμέρους στοιχεία.

41 41 Η κεραία μελετήθηκε και σχεδιάστηκε έτσι ώστε να λειτουργεί στη Χ- μπάντα συχνοτήτων από 8-12GHz, καλύπτοντας ένα ποσοστιαίο εύρος ζώνης της τάξεως του 40 %. Οι τιμές του κέρδους της μεταβάλλονται από dbi κατά μήκος του εύρος ζώνης προσαρμογής και το front-to-back ratio της κεραίας μετρήθηκε στα 11db. Η κεραία είναι συμπαγής και μικρή στο μέγεθος πράγμα που υποδηλώνει πως είναι κατάλληλη για συγχρονισμένες συστοιχίες. Επιπλέον μπορεί να ενσωματωθεί εύκολα με ενεργές μονολιθικές μικροκυματικές διατάξεις και συσκευές στερεάς κατάστασης ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΟΜΟΕΠΙΠΕΔΗ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΥΜΕΝΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΓΕΦΥΡΑΣ. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η κεραία [21] του Σχήματος καθώς δεν απαιτείται η σχεδίαση ενός επιπρόσθετου ανακλαστικού στοιχείου όπως συμβαίνει συνήθως στις Yagi κεραίες. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα απαιτείται πολύπλοκος μηχανισμός τροφοδοσίας της κεραίας ο οποίος αποτελείται από έναν προσαρμογέα που μετατρέπει την ομοεπίπεδη κυματοδηγούμενη τροφοδοσία στην είσοδο της κεραίας σε μια επίπεδη ταινιογραμμή τροφοδοσίας διπόλου. Επιπλέον η συγκεκριμένη η δομή τροφοδοσίας απαιτεί το σχεδιασμό μίας αερογέφυρας (airbridge) για αποτελεσματική τροφοδότηση της κεραίας. Σχήμα Όμοιο-Yagi κεραία με ομοεπίπεδη κυματοδηγούμενη τροφοδοσία. Η συγκεκριμένη κεραία είναι συμπαγής και οι διαστάσεις της είναι μικρότερες από λ/2 σε κάθε κατεύθυνση. Επιπλέον κατασκευάζεται στην επάνω πλευρά ενός διηλεκτρικού υποστρώματος τύπου Duroid με μεγάλη διηλεκτρική σταθερά εr=10.2. Αξίζει να αναφερθεί πως παρόλο το μικρό της μέγεθος έχει ποσοστιαίο εύρος ζώνης της τάξεως του 30% (9.6-13GHz) και εξαιρετικά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας. Τα διαγράμματα ακτινοβολίας της είναι κατευθυντικά και η ποσότητα της εισερχόμενης προς εκπεμπόμενης ακτινοβολίας φτάνει τα 19 db. Η κεραία παρουσιάζει πολύ καλά επίπεδα διασταυρούμενης πόλωσης ( -17 db) και αυξημένο κέρδος της τάξεως των 5 db. Τόσο η δομή της όσο και η μείωση των via holes δίνουν τη δυνατότητα στη κεραία να ενσωματώνεται εύκολα σε MIC/MMIC κυκλώματα και συστοιχίες κεραιών.

42 ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΗ ΕΠΙΠΕΔΗ ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΕΑ Η κεραία του σχήματος έχει μελετηθεί εκτενώς τα τελευταία χρόνια λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει. Το αρχικό πρωτότυπο της κεραίας [22] μελετήθηκε και κατασκευάστηκε για εφαρμογές της Χ-μπάντας συχνοτήτων και σταδιακά βελτιστοποιήθηκε ως προς τα χαρακτηριστικά εύρους ζώνης λειτουργίας, κέρδους, διασταυρούμενης πόλωσης, απωλειών επιστροφής κ.λ.π. Συνάμα, παρουσιάστηκαν κεραίες ιδίας γεωμετρικής δομής αλλά με διαφορετικό εύρος ζώνης λειτουργίας και διαστάσεις. Η γεωμετρική δομή της κεραίας παρουσιάζεται στο Σχήμα Πρόκειται για μια επίπεδη κεραία δύο επιπέδων τυπωμένη στις δύο πλευρές ενός διηλεκτρικού υποστρώματος υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς. Το επάνω επίπεδο της κεραίας αποτελείται από το τροφοδοτούμενο στοιχείο και το κατευθυντικό στοιχείο και το κάτω γειωμένο επίπεδο έχει το ρόλο ανακλαστήρα. Αξίζει να αναφερθεί η παρουσία προσαρμογέα κάτω από το τροφοδοτούμενο δίπολο ο οποίος μετατρέπει την μικροταινιακή τροφοδοσία στην είσοδο της κεραίας σε ομοεπίπεδη ταινιακή τροφοδοσία στα άκρα του τροφοδοτούμενου διπόλου. Σχήμα Ευρυζωνική επίπεδη κεραία με προσαρμογέα τροφοδοσίας Η προτεινόμενη κεραία είναι συμπαγής, επίπεδη και μικρή σε μέγεθος, χαρακτηριστικά που κάνουν εύκολη τη κατασκευή της. Παρουσιάζει μεγάλο εύρος ζώνης λειτουργίας της τάξεως του 48 % και πολύ καλά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας. Έχει κατευθυντικό διάγραμμα ακτινοβολίας και εμφανίζει front-toback ratio μεγαλύτερο από 15 db. Επιπλέον, παρουσιάζει χαμηλά επίπεδα διασταυρούμενης πόλωσης(-12db) και αμοιβαίας σύζευξης(-12db). Συνεπώς, βρίσκει ευρεία εφαρμογή σε ασύρματα επικοινωνιακά συστήματα, συγχρονισμένες συστοιχίες και συστοιχίες συνδυασμένης ισχύος.

43 ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ 2.4 ISM ΜΠΑΝΤΑΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΕΣ ΧΑΜΗΛΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ Στα σχήματα που ακολουθούν παρουσιάζονται δύο τυπωμένες Υagi κεραίες δύο επιπέδων οι οποίες καλύπτουν τις ανάγκες εφαρμογών της 2.4 GHz μπάντας συχνοτήτων[23]. Πρόκειται για κεραίες δύο επιπέδων κατασκευασμένες πάνω σε διηλεκτρικό υπόστρωμα διηλεκτρικής σταθεράς εr= 3.9 και πάχους h= 1.52 mm. Οι κεραίες αποτελούνται από τα ίδια επιμέρους στοιχεία (τροφοδοτούμενο, ανακλαστικό στοιχείο και κατευθυντικά στοιχεία) αλλά διαφέρουν ως προς τον τρόπο τροφοδότησής τους. Η κεραία του σχήματος τροφοδοτείται διαμέσου ενός απλοποιημένου μηχανισμού μικροταινιακής γραμμής ενώ η κεραία του σχήματος τροφοδοτείται διαμέσου ενός σύνθετου μηχανισμού μέσω ενός προσαρμογέα. Σχήμα Όμοιο-Yagi κεραία με απλοποιημένο μηχανισμό τροφοδοσίας Σχήμα Όμοιο-Yagi κεραία με σύνθετο μηχανισμό τροφοδοσίας Η κεραία του σχήματος έχει ποσοστιαίο εύρος ζώνης λειτουργίας της τάξεως του 10 %, κέρδος μεγαλύτερο από 10dbi, front-to-back ratio της τάξεως των 20 db και καταλαμβάνει επιφάνεια μικρότερη από λ 2. Η κεραία του σχήματος έχει ποσοστιαίο εύρος ζώνης της τάξεως του 15 %, κέρδος dbi, front-to-back ratio της τάξεως των 25 db και καταλαμβάνει επιφάνεια μικρότερη από 0.5 λ 2. Όσον αφορά στα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας και των δύο

44 44 κεραιών είναι δυνατόν να μεταβληθούν με την προσθήκη επιπλέον κατευθυντικών στοιχείων που έχουν ως αποτέλεσμα την αύξηση της κατευθυντικότητας και του εύρους ζώνης λειτουργίας. Κλείνοντας αξίζει να αναφερθεί πως οι κεραίες αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για WLAN κινητές εφαρμογές καθώς και για εφαρμογές της ΙSM μπάντας. 3.5 ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI ΜΕ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΖΩΝΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΗ ΚΕΡΑΙΑ YAGI ΜΕ ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΕ ΔΥΟ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΜΠΑΝΤΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Στο Σχήμα παρουσιάζεται η γεωμετρία μιας τυπωμένης κεραίας 11 μεταλλικών στοιχείων η οποία έχει την ικανότητα να λειτουργεί σε δύο διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων με τη βοήθεια ιδανικών διακοπτικών στοιχείων[24]. Η κεραία λειτουργεί στα 2.4 GHz αλλά και στα 5.78 GHz καλύπτοντας τις απαιτήσεις διαφορετικών ασύρματων εφαρμογών. Η συγκεκριμένη κεραία είναι ενός επιπέδου και τυπώνεται επάνω σε διηλεκτρικό υπόστρωμα τύπου RT duroid 5880 ( εr = 2.2, h=5.5 mils, tanδ=0.0009) Σχήμα Τυπωμένη κεραία Yagi με διακοπτική λειτουργία σε δύο διαφορετικές μπάντες συχνοτήτων. Στο Σχήμα παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας της προτεινόμενης διάταξης για τις δύο διαφορετικές συχνότητες λειτουργίας που προκύπτουν ύστερα από εξομοίωση και μέτρηση της κεραίας. Η συγκεκριμένη κεραία έχει βελτιωμένη απόδοση, μικρό κόστος κατασκευής και καλύπτει τις ανάγκες WLAN εφαρμογών.

45 45 Σχήμα Χαρακτηριστικά ακτινοβολίας της υπό μελέτη κεραίας ΤΥΠΩΜΕΝΗ ΚΕΡΑΙΑ YAGI ΜΕ ΤΡΟΦΟΔΟΤΟΥΜΕΝΟ ΔΙΠΟΛΟ ΥΠΟ ΚΛΙΣΗ ΓΙΑ ΠΟΛΛΑΠΛΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Η κεραία του σχήματος σχεδιάστηκε για τις ανάγκες ασυρμάτων εφαρμογών επόμενης γενιάς 3G, b WLAN και Bluetooth [25]. Η γεωμετρική της δομή βασίζεται στις βασικές αρχές που διέπουν τις τυπωμένες κεραίες Yagi διαφέροντας στη δομή του τροφοδοτούμενου στοιχείου και σχεδιάστηκε έτσι ώστε να λειτουργεί στα 1.8,1.9 και 2.45 GHz. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα τα άκρα του τροφοδοτούμενου διπόλου παρουσιάζουν μια κλίση και η κεραία είναι σχεδιασμένη στις απέναντι πλευρές ενός διηλεκτρικού υποστρώματος με εr = 4.8 και πάχος 1.68 mm. Σχήμα Τυπωμένη κεραία Yagi με τροφοδοτούμενη δίπολο υπό κλίση για πολλαπλές εφαρμογές Τα αποτελέσματα που προέκυψαν ύστερα από εξομοίωση και κατασκευή της κεραίας απέδειξαν πως η προτεινόμενη κεραία είναι ευρυζωνική με ποσοστιαίο εύρος ζώνης 44 %, κατευθυντικότητα 5.5 dbi και αποδοτικότητα που κυμαίνεται από 70-85%. Αποδείχτηκε ότι η κεραία παρουσιάζει πολύ καλά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας αλλά όσες προσπάθειες βελτιστοποίησης και αν γίνουν το μόνο που μπορεί να επιτευχθεί είναι η αύξηση του εύρους ζώνης λειτουργίας και η πραγματοποίηση βαθύτερων συντονισμών.

46 ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΓΙΑ WLAN ΔΙΠΛΟΖΩΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η τυπωμένη κεραία του σχήματος καθώς το γειωμένο επίπεδο της κεραίας συνίσταται από τρία διαφορετικού μεγέθους δίπολα ενωμένα μεταξύ τους [26]. Το μεσαίου μεγέθους δίπολο είναι υπεύθυνο για το συντονισμό της κεραίας στα 2.4 GHz και το δίπολο με το μικρότερο μέγεθος είναι υπεύθυνο για τον συντονισμό στα 5 GHz. Επιπλέον στο επάνω επίπεδο της κεραίας σχεδιάζεται ένας προσαρμογέας αγκιστρωτού σχήματος για την υλοποίηση της γραμμής τροφοδοσίας. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα η κεραία τυπώνεται στις δύο απέναντι πλευρές ενός διηλεκτρικού υποστρώματος τύπου FR4. Σχήμα Όμοιο-Yagi κεραία για WLAN διπλοζωνικές εφαρμογές Τόσο τα αποτελέσματα της εξομοίωσης όσο και αυτά που προέκυψαν ύστερα από κατασκευή της κεραίας ταυτίζονται μεταξύ τους και απέδειξαν πως η συγκεκριμένη κεραία παρουσιάζει κατευθυντικά διαγράμματα ακτινοβολίας και μικρή ανάκλαση ισχύος στην είσοδό της. Η παρούσα κεραία συντονίζεται σε δύο ζώνες συχνοτήτων από GHz και από GHz και η απολαβή της μεταβάλλεται από 3.6 έως 5 dbi στη πρώτη μπάντα συχνοτήτων και από 2.4 έως 5.3 dbi στη δεύτερη μπάντα συχνοτήτων. Κλείνοντας αξίζει να αναφερθεί πως η κεραία έχει μεγάλο ποσοστιαίο εύρος ζώνης λειτουργίας σε κάθε μπάντα συχνοτήτων, πολύ καλά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας και front- to back ratio, στοιχεία που την χρήζουν κατάλληλη για ασύρματες εφαρμογές σύμφωνες με τα πρότυπα a/b/g και Bluetooth ΔΙΠΛΟΖΩΝΙΚΗ ΚΕΡΑΙΑ YAGI ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ FRACTAL Η Yagi κεραία γεωμετρίας Fractal [27] που φαίνεται στο Σχήμα λειτουργεί σε δύο διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων και χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι παρουσιάζει ίδιο διάγραμμα ακτινοβολίας και στις δύο ζώνες συχνοτήτων. Το πολυζωνικό Sierspinski στοιχείο σχεδιάστηκε με ενσωματωμένα στοιχεία φιλτραρίσματος τα οποία ελέγχουν τα επιφανειακά ρεύματα στη κεραία και είναι υπεύθυνα για την απόκτηση ίδιου διαγράμματος ακτινοβολίας και στις δύο ζώνες συχνοτήτων λειτουργίας της κεραίας. Η πολυζωνική Yagi κεραία γεωμετρίας Fractal αποτελείται από ένα τροφοδοτούμενο στοιχείο και ένα ανακλαστικό στοιχείο, Σχήμα Το

47 47 ανακλαστικό στοιχείο έχει την ίδια γεωμετρική δομή με το οδηγούμενο στοιχείο αλλά είναι 1.38 φορές μεγαλύτερο. Προκειμένου να βελτιστοποιηθεί το front-toback ratio και να επιτευχθεί προσαρμογή της εισόδου της fractal yagi κεραίας, το ανακλαστικό στοιχείο τοποθετείται 8.89 mm πίσω από το οδηγό στοιχείο. Κατασκευάστηκαν πρωτότυπα κεραιών για τις C και S μπάντες συχνοτήτων και αποδείχτηκε ότι η προσθήκη επιπλέον κατευθυντικών και ανακλαστικών στοιχείων στην υπάρχουσα γεωμετρία έχει ως αποτέλεσμα την επίτευξη μεγαλύτερου κέρδους, κατευθυντικότητας και front-to-back ratio. Σχήμα Τυπωμένη Fractal Yagi κεραία 3.6 ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΣΕ ΔΟΜΗ ΣΤΟΙΒΑΣ Στο Σχήμα παρουσιάζεται μια πολυστρωματική τυπωμένη εκδοχή μιας Yagi-Uda κεραίας η οποία βρίσκεται στον αέρα [28]. Η κεραία συνίσταται από ένα ανακλαστικό στοιχείο, ένα τροφοδοτούμενο στοιχείο και ένα σύνολο από ενσωματωμένα κατευθυντικά μεταλλικά στοιχεία Αυτή η δομή προσφέρει περισσότερους βαθμούς ελευθερίας κατά τη διαδικασία βελτιστοποίησης της γεωμετρικής διάταξης. Σχήμα Τυπωμένη συστοιχία με μεταλλικά στοιχεία σε δομή στοίβας Αποδείχτηκε πως η συγκεκριμένη δομή στοιβαγμένων μεταλλικών στοιχείων έχει ως αποτέλεσμα την κατασκευή μιας συστοιχίας διπόλων που

48 48 συνιστούν μια τυπωμένη Yagi κεραία με μεγάλο κέρδος της τάξεως των 10 dbi που ελαχιστοποιεί τα επιφανειακά κύματα χωρίς την ανάγκη χρήσης διηλεκτρικών υποστρωμάτων μεγάλης διηλεκτρικής σταθεράς. 3.7 ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΓΙΑ ΤΗ C-ΜΠΑΝΤΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Στο Σχήμα παρουσιάζεται μια τυπωμένη Yagi κεραία με έναν χαμηλού θορύβου ενεργό ενσωματωμένο δέκτη[29]. Η συγκεκριμένη κεραία κατασκευάστηκε έτσι ώστε να καλύπτει τις ανάγκες της C- μπάντας συχνοτήτων και έχει μεγάλο εύρος ζώνης λειτουργίας, τροποποιήσιμο κέρδος,πολύ καλά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας και μικρό μέγεθος. Ιδιαίτερη προσοχή δίνεται στο μηχανισμό τροφοδοσίας της κεραίας ο οποίος συνίσταται από δύο ενισχυτές χαμηλού θορύβου συνδεδεμένους στα άκρα των δύο γραμμών τροφοδοσίας της κεραίας. Οι έξοδοι των ενισχυτών χαμηλού θορύβου συνδυάζονται με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε να προκύψουν τα διαγράμματα ακτινοβολίας αθροίσματος και διαφοράς. Συνεπώς η κεραία αυτή είναι κατάλληλη για μονοπαλμικές εφαρμογές ραντάρ στις οποίες εμφανίζει ικανοποιητικό κέρδος,κατευθυντικότητα και χαμηλές απώλειες επιστροφής. Σχήμα Όμοιο- Yagi κεραία για τη C- μπάντα συχνοτήτων 3.8 ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΓΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΤΑ 100 GHZ ΒΑΣΙΣΜΕΝΗ ΣΤΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΥΡΙΤΙΟΥ Η γεωμετρία της προτεινόμενης κεραίας φαίνεται στο Σχήμα Πρόκειται για μια όμοιο-yagi κεραία η οποία τυπώνεται επάνω σε ένα διηλεκτρικό υπόστρωμα πυριτίου η δομή του οποίου προσδιορίζεται στην εικόνα δίπλα από τη κεραία [30]. Η κεραία λειτουργεί στα 100 GHz και η κατασκευή της έγινε με διαδικασίες BEOL( post-back-end-of-line). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μέτρησης της κεραίας διαπιστώθηκε πως στα 100 GHz έχει απώλειες επιστροφής της τάξεως των 8.2 db και κέρδος 5.7 db. Επιπλέον έχει εύρος ζώνης λειτουργίας από GHz στο οποίο

49 49 παρουσιάζει απώλειες επιστροφής μικρότερες από τα -6 db και χρήζεται κατάλληλη για RF front- end συστήματα και τεχνολογίες CMOS. Σχήμα Όμοιο- Yagi κεραία για λειτουργία στα 100 GHz Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μέτρησης της κεραίας διαπιστώθηκε πως στα 100 GHz έχει απώλειες επιστροφής της τάξεως των 8.2 db και κέρδος 5.7 db. Επιπλέον έχει εύρος ζώνης λειτουργίας από GHz στο οποίο παρουσιάζει απώλειες επιστροφής μικρότερες από τα -6 db και χρήζεται κατάλληλη για RF front- end συστήματα και τεχνολογίες CMOS. 3.9 ΤΥΠΩΜΕΝΗ YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΗ ΦΩΤΟΔΙΟΔΟ Στο Σχήμα φαίνεται η γεωμετρία μιας τυπωμένης Yagi κεραίας η οποία έχει τη δυνατότητα να λειτουργεί στα 120 GHz και να καλύπτει τις ανάγκες ασύρματων ευρυζωνικών εφαρμογών [31]. Η κεραία τροφοδοτείται διαμέσου ενός μονολιθικού εκπομπού ο οποίος ενσωματώνεται επάνω στη τυπωμένη κεραία. Η ενσωμάτωση της φωτοδιόδου παρέχει το πλεονέκτημα εκπομπής χιλιοστομετρικoύ μήκους κύματος σημάτων με ισχύ 0.1 mw. Πιο συγκεκριμένα ο μονολιθικός ενσωματωμένος φωτονικός εκπομπός ο οποίος χρησιμοποιείται σε μια ομοεπίπεδη Yagi-Uda κεραία κάνει χρήση μιας uni-travelling carrier photodiode (UTC-PD) και κατασκευάστηκε με μια συμβατική PD διαδικασία. Η UTC-PD είναι μια πολλή γρήγορη φωτοδίοδος, και εκπέμπει μια υψηλή εξερχόμενη ισχύ στη MMW περιοχή συχνοτήτων. Η κεραία και το UTC-PD συνδέθηκαν με μια κοντή CPS γραμμή, συνεπώς οι απώλειες μετάβασης ήταν πολύ μικρές. Μελετήθηκε η συμπεριφορά της κεραίας και αποδείχτηκε πως παρουσιάζει ποσοστιαίο εύρος ζώνης λειτουργίας της τάξεως 19 % το οποίο αντιστοιχεί σε 23 GHz. Συνεπώς πρόκειται για μια κεραία με μεγάλο εύρος ζώνης λειτουργίας. Επιπλέον φανερώνει πολύ καλά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας και μεγάλη κατευθυντικότητας. Κλείνοντας αξίζει να αναφερθεί πως με τη συγκεκριμένη κεραία επιτεύχθηκε για πρώτη φορά εκπομπή ισχύος σε συχνότητες μεγαλύτερες από 100 GHz.

50 50 Σχήμα Τυπωμένη Yagi κεραία με ενσωματωμένη φωτοδίοδο 3.10 ΣΥΣΤΟΙΧΙΕΣ ΤΥΠΩΜΕΝΩΝ YAGI ΚΕΡΑΙΩΝ Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η μελέτη και ο σχεδιασμός συστοιχίων κεραιών καθώς η συνδυασμένη λειτουργία τους παρέχει πολλά πλεονεκτήματα. Συνδυάζοντας και τροφοδοτώντας κατάλληλα επιμέρους τυπωμένες κεραίες έχουμε τη δυνατότητα να επιτύχουμε μεγάλο εύρος ζώνης λειτουργίας, πολύ καλά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας, υψηλό front-to-back ratio, υψηλή κατευθυντικότητα, ακροπυροδοτική ακτινοβολία, χαμηλά επίπεδα διασταυρούμενης πόλωσης και αμοιβαίας σύζευξης. Έχουμε τη δυνατότητα να επιτύχουμε πολλαπλούς συντονισμούς, χαμηλές απώλειες επιστροφής, αυξημένο κέρδος και κατευθυντικότητα ακόμα και σε διαφορετικές κατευθύνσεις πέρα της κατακόρυφης. Είναι γεγονός ότι μέσω ειδικών διακοπτικών διατάξεων μας δίνεται η δυνατότητα να κατευθύνουμε ηλεκτρονικά την εκπεμπόμενη ακτινοβολία και να την προσαρμόσουμε ανάλογα με τις απαιτήσεις του εκάστοτε περιβάλλοντος. Οι συστοιχίες κεραιών βρίσκουν εφαρμογή σε ραντάρ π.χ SAR, MTI, διαστημικές εφαρμογές και ενσωματώνονται σχετικά εύκολα σε RF κυκλώματα. Λόγω της προσαρμογής του διαγράμματος ακτινοβολίας τους είναι ιδανικές για λειτουργία σε εσωτερικούς χώρους και σε σταθμούς βάσης. Τέλος οι συστοιχίες κεραιών διακρίνονται σε ενεργές, παθητικές και πολυτμηματικές. Στα σχήματα που ακολουθούν παρουσιάζονται διαφορετικές γεωμετρίες συστοιχιών για διαφορετικές ζώνες λειτουργίας και με διαφορετικά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ ΚΕΡΑΙΩΝ YAGI ΜΕ ΟΡΘΟΓΩΝΙΑ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Η πρώτη συστοιχία κεραιών Yagi κατασκευάστηκε από τον John Huang το 1989 για εφαρμογές της C μπάντας συχνοτήτων [32]. Η κεραία (Σχήμα )

51 51 τυπώθηκε επάνω σε ένα διηλεκτρικό υπόστρωμα με εr =2.2 και πάχος inch. και το κέρδος της υπολογίστηκε 8 dbi στα 6.9 GHz. Σχήμα Πρώτο μοντέλο συστοιχιών κεραιών Yagi Στη συνέχεια παρουσιάστηκαν διάφορες γεωμετρικές διατάξεις[33] συστοιχιών κεραιών με βελτιστοποιημένα χαρακτηριστικά όπως η Bi-Yagi και Quad Yagi η δομή των οποίων παρουσιάζεται στα σχήματα και και βασίζεται στην αρχική κεραία Original-Yagi η οποία κατασκευάστηκε για εφαρμογές της 5 GHz ζώνης συχνοτήτων (Σχήμα ). Τα χαρακτηριστικά των κεραιών φαίνονται στο Σχήμα Σχήμα Original Yagi Σχήμα Bi- Yagi Το κόστος κατασκευής των κεραιών είναι πολύ μικρό διότι τροφοδοτούνται διαμέσου ενός απλού μηχανισμού τροφοδοσίας ο οποίος σχεδιάζεται στο ίδιο επίπεδο με την κεραία. Παρατηρήθηκαν υψηλά επίπεδα κέρδους τα οποία ξεπέρασαν τα 10 db. Επιπλέον η γεωμετρική διάταξη της κεραίας επιτρέπει υψηλά επίπεδα front-to-back ratio και χαμηλά επίπεδα διασταυρούμενης πόλωσης χαρακτηριστικά που την κάνουν κατάλληλη για εφαρμογές στις οποίες απαιτείται περιορισμός της ακτινοβολίας που εκπέμπεται προς τα πίσω. Σύμφωνα με τα παραπάνω αποτελέσματα, αυτές οι δομές κεραιών μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν με τριών διαστάσεων διατάξεις που

52 52 αποτελούνται από ενσωματωμένα παθητικά φίλτρα και MMΙC για να πραγματοποιήσουν ένα ασύρματο σύστημα (sop) RF front end. Επιπλέον είναι κατάλληλες για ultrafast εφαρμογές, για εφαρμογές WLAN (WiFi, Wimax) και ασύρματες επικοινωνίες εσωτερικού χώρου. Σχήμα Quad-Yagi α β Σχήμα Tιμές κέρδους και front-to-back ratio συναρτήσει της συχνότητας (α) για την Bi- Yagi (β) για την Quad Yagi ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ ΚΕΡΑΙΩΝ YAGI ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ Χ- ΜΠΑΝΤΑΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Στο Σχήμα παρουσιάζεται μια γραμμική συστοιχία κεραιών για εφαρμογές της Χ-μπάντας συχνοτήτων η οποία αποτελείται από 8 κεραίες [34]. Η συγκεκριμένη συστοιχία έχει πολύ καλά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας, ποσοστιαίο εύρος ζώνη λειτουργίας 50 % και το κέρδος της κυμαίνεται από db. Επιπλέον εμφανίζει υψηλό front-to-back ratio (>20db) και χαμηλά επίπεδα διασταυρούμενης πόλωσης (-12 db). Η προτεινόμενη συμπαγής ακροπυροδοτική συστοιχία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μία μοναδική κάρτα σε μεγάλες συστοιχίες δύο διαστάσεων

53 53 στις οποίες είναι δυνατόν να ενσωματωθούν ενισχυτές, διατάξεις ολίσθησης φάσης προσφέροντας αρκετά πλεονεκτήματα. Σχήμα Συστοιχία κεραιών Yagi για εφαρμογές της X-μπάντας συχνοτήτων ΤΡΙΓΩΝΙΚΗ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ ΚΕΡΑΙΩΝ YAGI Στο Σχήμα παρουσιάζεται η συστοιχία τριών όμοιων κεραιών Yagi οι οποίες είναι μετατοπισμένες κατά [35]. Η διάταξη των κεραιών με τέτοιο τρόπο έχει ως αποτέλεσμα η καινούρια κεραία να έχει την ίδια απόδοση με μια μεμονωμένη Yagi. Επιπλέον, βελτιώνει τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας και το διάγραμμα ακτινοβολίας γίνεται πιο κατευθυντικό. Η συστοιχία σχεδιάστηκε για να καλύπτει τις ανάγκες της 2.4 GHz μπάντας συχνοτήτων αλλά λειτουργεί από 1.8 έως 2.8 GHz. Τόσο τα αποτελέσματα της εξομοίωσης όσο και αυτά που προέκυψαν από τη κατασκευή και μέτρηση της κεραίας συμφωνούν απόλυτα μεταξύ τους. Αποδείχτηκε πως η συγκεκριμένη συστοιχία παρουσιάζει μεγάλο εύρος ζώνης λειτουργίας (45% ποσοστιαίο εύρος ζώνης) και μεγάλο front-to-back ratio. Χρησιμοποιώντας κατάλληλους αλγορίθμους ελέγχου μπορούμε να προσαρμόσουμε το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας ανάλογα με τις εκάστοτε απαιτήσεις του κάθε περιβάλλοντος, γεγονός που κάνει τη κεραία κατάλληλη για χρήση σε μεταβαλλόμενα ασύρματα συστήματα. Σχήμα Τριγωνική συστοιχία κεραιών Yagi 3.10 ΠΟΛΥΤΜΗΜΑΤΙΚΕΣ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI Οι πολυτμηματικές κεραίες χρησιμοποιούνται αποτελεσματικά σε ασύρματες εφαρμογές υψηλής ταχύτητας. Αξίζει να αναφερθεί πώς έχουν απλή

54 54 δομή και υψηλό κέρδος. Επιπλέον, είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικές όσον αφορά στον περιορισμό των φαινόμενων διαλείψεων πολυόδευσης (multipath fading) και των κυμάτων παρεμβολής. Πρόσφατα μελετήθηκαν πολυτμηματικές επίπεδες κεραίες οι οποίες αποτελούνται είτε από μονοπολικές Yagi-Uda κεραίες είτε από συστοιχίες κεραιών σχισμής. Οι επίπεδες κεραίες είναι κατάλληλες για τερματικά χρήστη λόγω της ευκολίας μεταφοράς τους και των επικοινωνιακών πλεονεκτημάτων που προσφέρουν, συνεπώς κρίνεται αναγκαία η ελαχιστοποίηση των διαστάσεων τους προκειμένου να καλύπτουν τις κατασκευαστικές απαιτήσεις όλο και μικρότερων τερματικών διατάξεων. Βέβαια η ελαχιστοποίηση των διαστάσεων των πολυτμηματικών κεραιών είναι δύσκολο να επιτευχθεί καθώς αποτελούνται από πολλά επιμέρους στοιχεία, αφού κάθε λοβός ακτινοβολίας απαιτεί την ύπαρξη ξεχωριστών στοιχείων. Στο Σχήμα παρουσιάζεται η γεωμετρία μιας συμπαγούς επίπεδης κεραίας έξι τομέων η οποία χρησιμοποιεί συστοιχίες κεραιών Yagi-Uda με κοινά κατευθυντικά στοιχεία και είναι κατάλληλη για κινητές τερματικές συσκευές [36]. Η συγκεκριμένη κεραία αποτελείται από τετράγωνα παρασιτικά κατευθυντικά στοιχεία τα οποία χρησιμοποιούνται από κοινού από δύο τμηματικές κεραίες που βρίσκονται σε αντίθετες κατευθύνσεις και από ένα εξαγωνικό κατευθυντικό στοιχείο το οποίο χρησιμοποιείται από κοινού από τους έξι τομείς. Όλα αυτά τα στοιχεία συνιστούν τρεις γραμμικές συστοιχίες οι οποίες επικαλύπτονται κατά 60 0 η κάθε μία με την επόμενη. Αυτά τα διαμοιραζόμενα στοιχεία, έχουν ως αποτέλεσμα η κεραία να είναι πολύ συμπαγής. Σχήμα Γεωμετρική διάταξη της πολυτμηματικής κεραίας Η προτεινόμενη κεραία κατασκευάστηκε προκειμένου να λειτουργεί στα 5 GHz και τα μεταλλικά της στοιχεία τοποθετήθηκαν επάνω σε διηλεκτρικό υπόστρωμα διηλεκτρικής σταθεράς εr= 2.2 πάχους h = 1.6 mm και συντελεστή απωλειών tanδ= Ύστερα από ανάλυση της κεραίας παρατηρήθηκε ότι τα μη ενεργά διεγειρόμενα στοιχεία της κεραίας τα οποία βρίσκονται απέναντι από τα ενεργά διεγειρόμενα στοιχεία της και τερματίζονται σε ένα φορτίο ισοδύναμης εμπέδησης 50 Ω, έχουν το ρόλο παρασιτικών στοιχείων και περιορίζουν τους λοβούς ακτινοβολίας που εκπέμπονται προς τα πίσω. Διαπιστώθηκε ότι το αντίκτυπο της παρεμβολής γραμμικών κεραιών στο διάγραμμα ακτινοβολίας

55 μπορεί να περιοριστεί ανοίγοντας όλες τις πόρτες τροφοδοσίας των μη ενεργών στοιχείων εκτός από αυτό της διεγειρόμενης γραμμικής συστοιχίας. Τα αποτελέσματα που λήφθηκαν ύστερα από την κατασκευή και μέτρηση της κεραίας απέδειξαν ότι η συγκεκριμένη κεραία έχει ένα κωνικό επίπεδο ακτινοβολίας των 63 0 και υψηλό front-to-back ratio της τάξεως των 17 db το οποίο είναι κατάλληλο για την κεραία έξι τομέων. Επιπλέον μειώθηκε το απαιτούμενο διηλεκτρικό υπόστρωμα στο ένα τέταρτο συγκριτικά με προηγούμενες γεωμετρίες, πράγμα που σημαίνει πως τελικά η κεραία απαιτεί μικρό κατασκευαστικό χώρο κατάλληλο για τις απαιτήσεις των επικείμενων τερματικών διατάξεων. 55

56 56

57 57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ L-ΜΠΑΝΤΑΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Σύμφωνα με τους κανονισμούς της ΙΕΕΕ,η L μπάντα συχνοτήτων περιλαμβάνει τις συχνότητες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος οι οποίες εκτείνονται από 1 έως 2 GHz. Είναι γεγονός πως η συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων καλύπτει τις ανάγκες πολλαπλών εφαρμογών, συνεπώς κρίθηκε αναγκαία η μελέτη και ο σχεδιασμός τυπωμένων κεραιών ικανών να λειτουργούν στο συγκεκριμένο φάσμα συχνοτήτων. Χρησιμοποιείται σε στρατιωτικές εφαρμογές και είναι κατάλληλη για συστήματα τηλεμετρίας, IBOC και DAB. Καλύπτει τις ανάγκες συστημάτων GNSS όπως το Galileo Navigation System και το GLONASS. Αξιοσημείωτο ενδιαφέρον παρουσιάζει η χρήση της σε τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές, με επικρατέστερα τα συστήματα GSM για κινητά τηλεφώνα και το σύστημα Iridium δορυφορικών τηλεφώνων. Κλείνοντας αξίζει να αναφερθεί πως καλύπτει της ανάγκες του World space δορυφορικού ραδιόφωνου. Στο πίνακα Α που παρατίθεται στο Παράρτημα Β, δίνεται μια συνοπτική περιγραφή των επιμέρους συχνοτήτων της L μπάντας καθώς και αντιπροσωπευτικές εφαρμογές χρήσης της. Στις επόμενες δύο παραγράφους που ακολουθούν, μελετώνται και συγκρίνονται τα χαρακτηριστικά δύο τυπωμένων κεραιών Yagi οι οποίες καλύπτουν τις ανάγκες εφαρμογών της L-μπάντας συχνοτήτων ΤΥΠΩΜΕΝΗ ΟΜΟΙΟ-YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΕΑ Στο Σχήμα που ακολουθεί παρουσιάζεται η γεωμετρία μιας όμοιο- Yagi ευρυζωνικής κεραίας με μικροταινιακή τροφοδοσία και δυνατότητα λειτουργίας στην L-μπάντα συχνοτήτων, η οποία ικανοποιεί τις απαιτήσεις πολλαπλών ασύρματων εφαρμογών. Η συγκεκριμένη γεωμετρία σχεδιάστηκε αρχικά [10] με σκοπό να λειτουργεί στην X μπάντα συχνοτήτων, στη συνέχεια βελτιστοποιήθηκε επιτυγχάνοντας μεγαλύτερο εύρος ζώνης λειτουργίας και καλύτερη απόδοση. Κατά καιρούς παρουσιάστηκαν πανομοιότυπες γεωμετρίες με διαφορετικές διαστάσεις από την αρχική με δυνατότητα λειτουργίας σε διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων. Στο Σχήμα φαίνεται η κεραία που εξομοιώθηκε στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας και λειτουργεί στην L μπάντα συχνοτήτων.

58 58 Η κεραία σχεδιάστηκε επάνω στις δύο όψεις ενός διηλεκτρικού υποστρώματος τύπου Rogers TMM με διηλεκτρική σταθερά εr=9.8 και πάχος h = 3.81mm. Όλα τα μεταλλικά της στοιχεία σχεδιάστηκαν από χαλκό πάχους mm και ειδικής αγωγιμότητας 5.8*10 7 Siemens/m. Στο επάνω επίπεδο της κεραίας σχεδιάζονται το τροφοδοτούμενο στοιχείο και το κατευθυντικό στοιχείο και παριστάνονται με γκρι χρώμα. Στο κάτω επίπεδο της κεραίας, το οποίο παριστάνεται με πράσινο χρώμα, σχεδιάστηκε το ανακλαστικό πεπερασμένο επίπεδο γείωσης. Η κεραία τροφοδοτείται μέσω μιας μικροταινιακής γραμμής τροφοδοσίας η οποία τελικά καταλήγει σε δύο ταινιακές γραμμές. Επιπρόσθετα, μεταξύ της μικροταινιακής γραμμής τροφοδοσίας και του τροφοδοτούμενου διπόλου, παρεμβάλλεται ένας προσαρμογέας ο οποίος μετατρέπει τη μικροταινιακή τροφοδοσία σε ομοεπίπεδη ταινιακή τροφοδοσία. Οι διαστάσεις των επιμέρους στοιχείων της κεραίας που επιλέχθηκαν ως κατάλληλες σύμφωνα με την αναφορά [ 11] φαίνονται επάνω στο Σχήμα Σχήμα Γεωμετρία της τυπωμένης Όμοιο-Yagi κεραίας δύο επιπέδων με προσαρμογέα Η κεραία του Σχήματος εξομοιώθηκε στο ADS-Momentum από 1 GHz έως 2.2 GHz με πυκνότητα διακριτοποίησης 30 κύτταρα ανά μήκος κύματος για το επάνω επίπεδο και 15 κύτταρα ανά μήκος κύματος για το κάτω επίπεδο. Επιπλέον επιλέχθηκε συχνότητα διακριτοποίησης 4 GHz και ενεργοποιήθηκε η επιλογή για αυτόματη διακριτοποίηση των άκρων (edge mesh) της γεωμετρίας έτσι ώστε να έχουμε μεγαλύτερη ακρίβεια στα αποτελέσματα των εξομοιώσεων. Από τα αποτελέσματα της εξομοίωσης (Σχήμα 4.1.2) προκύπτει ότι η κεραία έχει εύρος ζώνης λειτουργίας της τάξεως των 822 MHz ( 50.2% ποσοστιαίο εύρος ζώνης), εμφανίζει πολύ μικρή ανάκλαση ισχύος στην είσοδό της( η τιμή του S11 φτάνει

59 59 έως και τα db), έχει χαμηλό κέρδος και αποδοτικότητα ακτινοβολίας αλλά παρουσιάζει πολύ καλά επίπεδα κατευθυντικότητας και πολύ μεγάλο front-toback ratio. Ενδεικτικά αναφέρουμε πως για τη συχνότητα των 1.3 GHz η κεραία έχει κέρδος 2.01 db αποδοτικότητα ακτινοβολίας 32.6 %, κατευθυντικότητα 6.16 db και αναλογία front-to-back 24 db. Το κέρδος και η κατευθυντικότητα υπολογίστηκαν από την επιλογή Antenna Parameters που υπάρχει στο Momentum Visualization. 0 db(s(1,1)) m1 m freq, GHz m1 freq= 1.227GHz db(s(1,1))= m2 freq= 2.049GHz db(s(1,1))= Σχήμα Μέτρο της παραμέτρου S11 συναρτήσει της συχνότητας για την κεραία του σχήματος ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Τα τρισδιάστατα και διδιάστατα διαγράμματα ακτινοβολίας της κεραίας για τη συχνότητα 1.3 GHz παρουσιάζονται στα Σχήματα και Πρόκειται για κανονικοποιημένα διαγράμματα ως προς τη μέγιστη απολαβή της κεραίας. Στο Σχήμα παρουσιάζεται μια τρισδιάστατη απεικόνιση του διαγράμματος ακτινοβολίας της κεραίας στο οποίο φαίνεται η κατανομή της ακτινοβολούμενης ενέργειας στο χώρο των τριών διαστάσεων. Έπειτα στο Σχήμα απεικονίζονται τα διαγράμματα για τα τρία βασικά επίπεδα x-y (θ=90 0 ), x- z(φ=0 0 ), y-z (φ=90 0 ) σε πολική μορφή για τη συχνότητα 1.3 GHz. Θα πρέπει να επισημάνουμε ότι για την απεικόνιση του ηλεκτρικού πεδίου στο επίπεδο x-y θα πάρουμε την τομή θ=85 0 και όχι την τομή θ=90 0. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το πρόγραμμα ADS-Momentum δεν είναι τριών αλλά δυόμισι διαστάσεων. Το συγκεκριμένο πρόγραμμα θεωρεί το διηλεκτρικό υπόστρωμα απείρων διαστάσεων στο επίπεδο x-y και εκεί δεν υπολογίζεται η συνιστώσα του ηλεκτρικού πεδίου.

60 60 Σχήμα Τρισδιάστατα διαγράμματα ακτινοβολίας της κεραίας στα 1.3 GHz α β γ Σχήμα Διδιάστατα διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας του Σχήματος για τη συχνότητα 1.3 GHz-α)Επίπεδο xy- θ=90 0, β)επίπεδο xz-φ=0 0, γ) Επίπεδο yz-φ=90 0 Σύμφωνα με τα διαγράμματα ακτινοβολίας των σχημάτων και συμπεραίνουμε πως πρόκειται για μια καθαρά κατευθυντική κεραία με μεγάλη αναλογία εισερχόμενης προς εκπεμπόμενης ακτινοβολίας στην επιθυμητή διεύθυνση. Είναι γεγονός ότι η κεραία λειτουργεί σε ένα μεγάλο εύρος ζώνης συχνοτήτων και έχει μικρή ανάκλαση ισχύος στην είσοδό της. Επιπλέον εμφανίζει

61 61 μεγάλη κατευθυντικότητα και front-to-back ratio, όμως τα αποτελέσματα που λάβαμε σχετικά με την απολαβή της κεραίας μας οδηγούν στο συμπέρασμα πως η συγκεκριμένη κεραία έχει σχετικά χαμηλή απολαβή. Συνεπώς κρίνεται αναγκαία η περεταίρω βελτιστοποίηση της παρούσας διάταξης προκειμένου να επιτευχθούν σημαντικά επίπεδα κέρδους ΤΥΠΩΜΕΝΗ YAGI ΚΕΡΑΙΑ ΔΥΟ ΕΠΙΠΕΔΩΝ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ Στη συγκεκριμένη ενότητα παρουσιάζεται η μελέτη και ο σχεδιασμός μιας απλής ευρυζωνικής τυπωμένης κεραίας Yagi με διαφορική τροφοδοσία. Η συγκεκριμένη κεραία λειτουργεί στην L-μπάντα συχνοτήτων και αποτελεί μια παραλλαγή της κεραίας που μελετήθηκε στην προηγούμενη ενότητα. Επιλέξαμε να εξομοιώσουμε τη κεραία αυτή αντικαθιστώντας το σύνθετο μηχανισμό τροφοδοσίας με έναν απλούστερο ο οποίος συνίσταται από δύο μικροταινιακές γραμμές που τροφοδοτούνται με ίδια τροφοδοσία αντίθετης πολικότητας. Η γεωμετρική διάταξη της υπό μελέτη κεραίας φαίνεται στο Σχήμα Πρόκειται για μια κεραία δύο επιπέδων τα μεταλλικά στοιχεία της οποίας είναι τυπωμένα στην επάνω πλευρά ενός διηλεκτρικού υποστρώματος τύπου Rogers TMM με διηλεκτρική σταθερά εr=9.8 και πάχος h = 3.81mm. Όπως φαίνεται στο Σχήμα η κεραία αποτελείται από ένα τροφοδοτούμενο δίπολο, ένα πεπερασμένο γειωμένο επίπεδο που έχει το ρόλο του ανακλαστήρα και ένα κατευθυντικό στοιχείο στο μπροστινό μέρος της κεραίας. Τα μέταλλα που χρησιμοποιήθηκαν για τα στοιχεία αυτά, είναι χαλκός πάχους mm και ειδικής αγωγιμότητας 5.8*10 7 Siemens/m και είναι τυπωμένα εκατέρωθεν του διηλεκτρικού υποστρώματος. Στο σχήμα που ακολουθεί, με γκρι χρώμα παριστάνονται τα στοιχεία που βρίσκονται στο επάνω επίπεδο του διηλεκτρικού υποστρώματος και με πράσινο χρώμα παριστάνονται τα στοιχεία του κάτω επιπέδου. Οι διαστάσεις των επιμέρους στοιχείων παριστάνονται στο Σχήμα Η κεραία τροφοδοτείται διαμέσου ενός απλού μηχανισμού τροφοδοσίας ο οποίος συνίσταται από δύο όμοιες μικροταινιακές γραμμές στις οποίες εφαρμόζεται ίδια τροφοδοσία αντίθετης πολικότητας. Η κεραία του Σχήματος εξομοιώθηκε στο ADS-Momentum από 1 GHz έως 2.5 GHz με πυκνότητα διακριτοποίησης 30 κύτταρα ανά μήκος κύματος για το επάνω επίπεδο και 15 κύτταρα ανά μήκος κύματος για το κάτω επίπεδο. Επιπλέον επιλέχθηκε συχνότητα διακριτοποίησης 4 GHz και ενεργοποιήθηκε η επιλογή για αυτόματη διακριτοποίηση των άκρων (edge mesh) της γεωμετρίας έτσι ώστε να έχουμε μεγαλύτερη ακρίβεια στα αποτελέσματα των εξομοιώσεων. Από τα αποτελέσματα της εξομοίωσης (Σχήμα 4.2.2) προκύπτει ότι η κεραία έχει εύρος ζώνης λειτουργίας της τάξεως των 735 MHz (59% ποσοστιαίο εύρος ζώνης), εμφανίζει πολύ μικρή ανάκλαση ισχύος στην είσοδό της( η τιμή του S11 φτάνει έως και τα 24 db), έχει πολύ μικρό κέρδος και αποδοτικότητα ακτινοβολίας αλλά παρουσιάζει ικανοποιητικά επίπεδα κατευθυντικότητας και μεγάλο front-to-back ratio. Ενδεικτικά αναφέρουμε πως για τη συχνότητα των 1.3 GHz η κεραία έχει κέρδος 1.16 db αποδοτικότητα ακτινοβολίας 21.4 %, κατευθυντικότητα 5.46 db

62 62 και αναλογία front-to-back 16 db. Το κέρδος και η κατευθυντικότητα υπολογίστηκαν από την επιλογή Antenna Parameters που υπάρχει στο Momentum Visualization. Σχήμα Γεωμετρία της τυπωμένης Yagi κεραίας δύο επιπέδων με διαφορική τροφοδοσία. Η κεραία του Σχήματος εξομοιώθηκε στο ADS-Momentum από 1 GHz έως 2.5 GHz με πυκνότητα διακριτοποίησης 30 κύτταρα ανά μήκος κύματος για το επάνω επίπεδο και 15 κύτταρα ανά μήκος κύματος για το κάτω επίπεδο. Επιπλέον επιλέχθηκε συχνότητα διακριτοποίησης 4 GHz και ενεργοποιήθηκε η επιλογή για αυτόματη διακριτοποίηση των άκρων (edge mesh) της γεωμετρίας έτσι ώστε να έχουμε μεγαλύτερη ακρίβεια στα αποτελέσματα των εξομοιώσεων. Από τα αποτελέσματα της εξομοίωσης (Σχήμα 4.2.2) προκύπτει ότι η κεραία έχει εύρος ζώνης λειτουργίας της τάξεως των 735 MHz (59% ποσοστιαίο εύρος ζώνης), εμφανίζει πολύ μικρή ανάκλαση ισχύος στην είσοδό της( η τιμή του S11 φτάνει έως και τα 24 db), έχει πολύ μικρό κέρδος και αποδοτικότητα ακτινοβολίας αλλά παρουσιάζει ικανοποιητικά επίπεδα κατευθυντικότητας και μεγάλο front-to-back ratio. Ενδεικτικά αναφέρουμε πως για τη συχνότητα των 1.3 GHz η κεραία έχει κέρδος 1.16 db αποδοτικότητα ακτινοβολίας 21.4 %, κατευθυντικότητα 5.46 db και αναλογία front-to-back 16 db. Το κέρδος και η κατευθυντικότητα υπολογίστηκαν από την επιλογή Antenna Parameters που υπάρχει στο Momentum Visualization.

63 63 0 db(s(1,1)) m1 m m1 freq= 1.265GHz db(s(1,1))= freq, GHz m2 freq= 2.000GHz db(s(1,1))= Σχήμα Μέτρο της παραμέτρου S11 συναρτήσει της συχνότητας για την Yagi κεραία με ομοεπίπεδη διαφορική τροφοδοσία. ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Τα τρισδιάστατα και διδιάστατα διαγράμματα ακτινοβολίας της κεραίας για τη συχνότητα 1.3 GHz παρουσιάζονται στα Σχήματα και Πρόκειται για κανονικοποιημένα διαγράμματα ως προς τη μέγιστη απολαβή της κεραίας. Στο Σχήμα παρουσιάζεται μια τρισδιάστατη απεικόνιση του διαγράμματος ακτινοβολίας της κεραίας στο οποίο φαίνεται η κατανομή της ακτινοβολούμενης ενέργειας στο χώρο των τριών διαστάσεων. Έπειτα στο σχήμα απεικονίζονται τα διαγράμματα για τα τρία βασικά επίπεδα x-y (θ=90 0 ), x- z(φ=0 0 ), y-z (φ=90 0 ) σε πολική μορφή για τη συχνότητα 1.3 GHz, με τη διαφορά ότι για το επίπεδο x-y θα πάρουμε τη τομή θ=85 0 για λόγους που εξηγήθηκαν παραπάνω. Σχήμα Τρισδιάστατα διαγράμματα ακτινοβολίας της κεραίας στα 1.3 GHz

64 64 α β γ Σχήμα Διδιάστατα διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας του Σχήματος για τη συχνότητα 1.3 GHz- α)επίπεδο xy - θ=90 0, β)επίπεδο xz - φ=0 0, γ) Επίπεδο yz - φ=90 0 Παρατηρώντας τα διαγράμματα ακτινοβολίας διαπιστώνουμε πως πρόκειται για μια καθαρά κατευθυντική κεραία με μεγάλη αναλογία εισερχόμενης προς εκπεμπόμενης ακτινοβολίας στην επιθυμητή διεύθυνση. Είναι γεγονός ότι η κεραία λειτουργεί σε ένα μεγάλο εύρος ζώνης συχνοτήτων με μικρή ανάκλαση ισχύος στην είσοδό της, εμφανίζει μεγάλη κατευθυντικότητα και front-to-back ratio, όμως τα αποτελέσματα που λάβαμε σχετικά με την απολαβή της κεραίας δεν ήταν τα αναμενόμενα. Συνεπώς κρίνεται αναγκαία η περαιτέρω βελτιστοποίηση της συγκεκριμένης παρούσας διάταξης προκειμένου να επιτευχθούν σημαντικά επίπεδα κέρδους.

65 65 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΚΕΡΑΙΩΝ Συγκρίνοντας τις δύο παραπάνω κεραίες καταλήγουμε στα ακόλουθα συμπεράσματα: Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για τη σχεδίαση των δύο κεραιών ήταν ακριβώς τα ίδια. Χρησιμοποιήθηκε ίδιος τύπος διηλεκτρικού υποστρώματος με ίδια χαρακτηριστικά και πάχος. Επιπλέον όλα τα μεταλλικά τμήματα των κεραιών σχεδιάστηκαν από χαλκό πάχους mm και ειδικής αγωγιμότητας 5.8*10 7 Siemens/m. Το μέγεθος των κεραιών είναι παρόμοιο, με μόνη διαφορά ότι για την δεύτερη κεραία χρησιμοποιήθηκε μικρότερο επίπεδο γείωσης εξασφαλίζοντας επιπλέον χώρο για άλλες διατάξεις με τις οποίες μπορεί να ενσωματωθεί. Και οι δύο κεραίες λειτουργούν στην ίδια ζώνη συχνοτήτων με την πρώτη κεραία να καταλαμβάνει μεγαλύτερο εύρος ζώνης λειτουργίας κατά 87 MHz. Τα μεγέθη κέρδος, κατευθυντικότητα,front-to-back ratio για την κάθε κεραία δεν διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους, με τη πρώτη κεραία να πλεονεκτεί λειτουργικά καθώς έχει μεγαλύτερο κέρδος,κατευθυντικότητα και front-toback ratio. Αμφότερα και οι δυο κεραίες σχεδιάζονται σε δύο επίπεδα με την δεύτερη κεραία να πλεονεκτεί ως προς την ευκολία κατασκευής της καθώς περιλαμβάνει απλοποιημένο μηχανισμό τροφοδοσίας. Η πρώτη κεραία περιλαμβάνει ένα σύνθετο μηχανισμό τροφοδοσίας ο οποίος αποτελείται από προσαρμογέα που μετατρέπει τη μικροταινιακή τροφοδοσία σε ομοεπίπεδη ταινιακή τροφοδοσία ενώ η τροφοδοσία της δεύτερης κεραίας συνίσταται από δύο ταινιακές γραμμές. Τα επίπεδα κέρδους και αποδοτικότητας ακτινοβολίας και για τις δύο κεραίες είναι πολύ χαμηλά. Για αυτό το λόγο κρίνεται αναγκαία η περαιτέρω μελέτη και βελτιστοποίηση και των δύο γεωμετριών ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. Συνοψίζοντας τη μελέτη των παραπάνω κεραιών και αναφορικά με το Πίνακα 1 του Παραρτήματος Β, συμπεραίνουμε πως μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες πολλαπλών εφαρμογών της L-μπάντας συχνοτήτων. Βέβαια λόγω του γεγονότος ότι η εκάστοτε εφαρμογή έχει συγκεκριμένες απαιτήσεις, χαρακτηριστικά και περιορισμούς, απαιτείται ξεχωριστή μελέτη και βελτιστοποίηση ορισμένων παραμέτρων κάθε φορά. Ως προτάσεις για περεταίρω διερεύνηση θα μπορούσαν να αναφερθούν, η αύξηση του εύρους ζώνης λειτουργίας έτσι ώστε να και οι δύο κεραίες να λειτουργούν αποδοτικά στις συχνότητες 1 έως 2 GHz. Επιπρόσθετα, κρίνεται αναγκαία η βελτιστοποίηση των μεγεθών απολαβή και αποδοτικότητα ακτινοβολίας ιδιαίτερα για την δεύτερη κεραία. Τέλος, θα μπορούσαν να γίνουν προσπάθειες για μείωση του κατασκευαστικού κόστους και του καταλαμβανόμενου χώρου, έτσι ώστε να μελετηθεί το ενδεχόμενο συνδυασμού τους σε συστοιχία κεραιών.

66 66

67 67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ YAGI ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ 1.3 GHZ ΕΡΑΣΙΤΕΧΝΙΚΗΣ ΜΠΑΝΤΑΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Στη παρούσα παράγραφο παρουσιάζεται η μελέτη και ο σχεδιασμός τυπωμένων κεραιών Yagi στενής ζώνης οι οποίες είναι κατάλληλες για εφαρμογές της 1.3 GHz μπάντας συχνοτήτων. Η συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων χρησιμοποιείται κυρίως για ραδιοερασιτεχνικές εφαρμογές τηλεόρασης και ραδιοφώνου. Επιπλέον χρησιμοποιείται για συλλογή ραδιο-αστρονομικού σήματος, ανίχνευση ραδιοπηγών, ραδιοεντοπισμό, δορυφορική ραδιοπλοήγηση και εφαρμογές ραντάρ. Αρχικά παρουσιάζεται η γεωμετρική διάταξη μιας τυπωμένης κεραίας με μικροταινιακή τροφοδοσία και πεπερασμένο πλατύ γειωμένο επίπεδο με ρόλο ανακλαστικού στοιχείου και στη συνέχεια συγκρίνεται με την τυπωμένη Yagi κεραία με λεπτό μεταλλικό ανακλαστικό στοιχείο και μικροταινιακή τροφοδοσία. Η συγκεκριμένη μετατροπή επιδιώχτηκε διότι κατά την εξομοίωση της πρώτης κεραίας παρατηρήθηκε ότι τα ρεύματα επάνω στο ανακλαστικό στοιχείο συγκεντρώνονται κυρίως στα μπροστινά άκρα του γειωμένου επιπέδου, συνεπώς το πλάτος του γειωμένου επιπέδου δεν επηρεάζει σημαντικά την απόδοση της κεραίας. 5.1 ΤΥΠΩΜΕΝΗ ΚΕΡΑΙΑ YAGI ΜΕ ΠΛΑΤΥ ΜΕΤΑΛΛΙΚΟ ΑΝΑΚΛΑΣΤΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ Η γεωμετρική διάταξη της αρχικής κεραίας φαίνεται στο Σχήμα Πρόκειται για μια κεραία δύο επιπέδων, τα μεταλλικά στοιχεία της οποίας είναι τυπωμένα στις απέναντι πλευρές ενός διηλεκτρικού υποστρώματος τύπου FR4, διηλεκτρικής σταθεράς εr=4.3 και πάχους h=1.6mm. Η υπό μελέτη κεραία απαρτίζεται από τα εξής επιμέρους στοιχεία : ένα τροφοδοτούμενο δίπολο, ένα ανακλαστικό στοιχείο και ένα κατευθυντικό στοιχείο. Με γαλάζιο χρώμα παριστάνονται τα μεταλλικά στοιχεία του κάτω επιπέδου ενώ με γκρι χρώμα παριστάνονται τα μεταλλικά στοιχεία του επάνω επιπέδου. Η συγκεκριμένη γεωμετρία παριστάνεται στο επίπεδο xy με τις ακόλουθες συντεταγμένες Α(95,- 43.3),Β(95, 34.9), Γ(91, 34.9), Δ(41.5, -9.3), Ε(51.5, -8.7), Ζ (51.5, -1.5), Η(51.5, 39.3), Θ(47.5, 39.3), Ι(47.5, 13.7), Κ(41.5, -1.1), Λ(19.5, 0), Μ(0, 0), Ν(0,43.3), Ξ(-37, 43.3), Ο(-

68 68 37, -3.5), Π(-37, -6.9),Ρ(-37,-53.65),Σ(0,-53.65),Τ(0,-10.35),Υ(47.5,-49.5) και Φ(51.5,- 49.5),οι μονάδες είναι σε mm. Σχήμα Αρχική γεωμετρία της τυπωμένης κεραίας με πλατύ επίπεδο γείωσης. Η κεραία τροφοδοτείται μέσω μιας μικροταινιακή γραμμής τροφοδοσίας η οποία είναι τυπωμένη στο ίδιο διηλεκτρικό υπόστρωμα με τη κεραία και σχεδιάζεται προσεκτικά με πλάτος 3.4 mm έτσι ώστε να αντιστοιχεί σε σύνθετη αντίσταση 50 Ω, αναλυτική παρουσίαση υπολογισμού της κατάλληλης γραμμής μεταφοράς γίνεται στο παράρτημα Α. Η δομή της τροφοδοσίας αποτελείται από μία μικροταινιακή γραμμή (microstrip) η οποία μεταβαίνει σε μια γραμμή μεταφοράς που αποτελείται από δύο παράλληλές λωρίδες. Η μια πλευρά του υποστρώματος που αντιπροσωπεύει το επάνω επίπεδο (γκρί χρώμα) αποτελείται από τη μία λωρίδα της μικροταινιακής γραμμής τροφοδοσίας, το ένα σκέλος της τυπωμένης διπολικής κεραίας και το κατευθυντικό στοιχείο. Η άλλη πλευρά του υποστρώματος που αντιπροσωπεύει το κάτω επίπεδο (μπλέ χρώμα) αποτελείται από το πεπερασμένο ανακλαστικό επίπεδο(ορθογώνιο ΞΝΣΡ), την δεύτερη λωρίδα της μικροταινιακής γραμμής τροφοδοσίας και το δεύτερο σκέλος της διπολικής κεραίας τυπωμένο σε αντίθετη κατεύθυνση. Χρησιμοποιώντας αυτή τη δομή, οι αρχικές παράμετροι μπορούν να επιλεγούν εύκολα. Οι συντεταγμένες της υπό μελέτης κεραίας που επιλέχθηκαν ως κατάλληλες για τη συγκεκριμένη μπάντα συχνοτήτων λαμβάνοντας υπόψη την αναφορά [12] φαίνονται στο Σχήμα Το μέταλλο που χρησιμοποιήθηκε για όλα τα μεταλλικά στοιχεία της γεωμετρίας είναι χαλκός πάχους mm και ειδικής αγωγιμότητας 5.8*10 7 Siemens/m. Οι προσομοίωση της κεραίας στο ADS-Momentum έγινε από 0.5 GHz έως 2 GHz με πυκνότητα διακριτοποίησης 30 κύτταρα ανά μήκος κύματος και για τα δύο επίπεδα και ως συχνότητα διακριτοποίησης επιλέχθηκαν τα 5 GHz. Επιπλέον επιλέχθηκε αυτόματη διακριτοποίηση των άκρων της γεωμετρίας έτσι ώστε να επιτευχθεί όσο δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια στα αποτελέσματα των εξομοιώσεων. Παρατηρώντας τα αποτελέσματα του Σχήματος συμπεραίνουμε ότι πρόκειται για μια κεραία στενού εύρους ζώνης, με εύρος ζώνης λειτουργίας της τάξεως των 40 ΜHz και κεντρική συχνότητα συντονισμού τα 1.3GHz. Το κέρδος, η κατευθυντικότητα και το front-to back ratio έλαβαν τις

69 69 παρακάτω τιμές αντίστοιχα. 6.1 db, 7.34db, 5 db. Τα αποτελέσματα του διαγράμματος απωλειών επιστροφής φανερώνουν ότι η συγκεκριμένη κεραία εμφανίζει μικρή ανάκλαση ισχύος στην είσοδό της αφού S11= db db(s(1,1)) m1m m1 freq= 1.291GHz db(s(1,1))= m3 freq, GHz m3 freq= 1.311GHz db(s(1,1))= m2 freq= 1.330GHz db(s(1,1))= Σχήμα Μέτρο της παραμέτρου S11 συναρτήσει της συχνότητας για την αρχική Yagi κεραία. ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Τα τρισδιάστατα και διδιάστατα διαγράμματα ακτινοβολίας της κεραίας για τη κεντρική συχνότητα της ζώνης λειτουργίας παρουσιάζονται στα Σχήματα 5.1.3, αντίστοιχα. Πρόκειται για κανονικοποιημένα διαγράμματα ως προς τη μέγιστη απολαβή της κεραίας. Στο Σχήμα παρουσιάζεται μια τρισδιάστατη απεικόνιση του διαγράμματος ακτινοβολίας της κεραίας στο οποίο φαίνεται η κατανομή της ακτινοβολούμενης ενέργειας στο χώρο των τριών διαστάσεων. Έπειτα στο Σχήμα απεικονίζονται τα βασικά διαγράμματα για τα τρία επίπεδα x-y (θ=90 0 ), y-z (φ=90 0 ), x-z(φ=0 0 ) σε πολική μορφή για τη συχνότητα 1.3GHz, με τη διαφορά ότι για το επίπεδο x-y θα πάρουμε τη τομή θ=85 0 για λόγους που εξηγήθηκαν παραπάνω Σχήμα Τρισδιάστατα διαγράμματα ακτινοβολίας της αρχικής Yagi κεραίας με πλατύ επίπεδο γείωσης στα 1.3 GHz