Μελέτη και Σχεδίαση Κεραιών Μικρών Ηλεκτρικών Διαστάσεων με τη Χρήση Μεταϋλικών

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Μελέτη και Σχεδίαση Κεραιών Μικρών Ηλεκτρικών Διαστάσεων με τη Χρήση Μεταϋλικών ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΡΗΣ ΤΣΩΛΗΣ Επιβλέπων: Τραϊανός Β. Γιούλτσης Επίκουρος Καθηγητής Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 2011 1

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΘΕΩΡΙΑΣ ΜΕΤΑΫΛΙΚΩΝ 2.1 Εισαγωγή 5 2.2 Γεωμετρικά και ηλεκτρομαγνητικά χαρακτηριστικά του διπλού SRR 5 2.3 Επίδραση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών στη λειτουργία του SRR 6 3. ΜΟΝΟΠΟΛΙΚΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΣΧΗΜΑΤΟΣ L ΜΕ ΔΙΠΛΟ SRR 3.1 Η μονοπολική κεραία μικροταινίας σχήματος L με διπλό SRR 11 3.2 Σχεδίαση και γεωμετρία της υπό μελέτη κεραίας 12 3.3 Αποτελέσματα ανάλυσης της κεραίας 14 3.3.1 Διαγράμματα του συντελεστή ανάκλασης S 11 14 3.3.2 Διαγράμματα ακτινοβολίας της κεραίας 17 3.4 Επίλογος 20 4. ΜΟΝΟΠΟΛΙΚΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ ΟΜΟΕΠΙΠΕΔΟΥ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΥ ΣΧΗΜΑΤΟΣ L ΜΕ ΔΙΠΛΟ SRR 4.1 Η μονοπολική κεραία ομοεπίπεδου κυματοδηγού σχήματος L με διπλό SRR 21 4.2 Σχεδίαση και γεωμετρία της υπό μελέτη κεραίας 22 4.3 Αποτελέσματα ανάλυσης της κεραίας 23 4.3.1 Διαγράμματα του συντελεστή ανάκλασης S 11 23 4.3.2 Διαγράμματα ακτινοβολίας της κεραίας 28 4.4 Επίλογος 30 5. ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΜΟΝΟΠΟΛΙΚΩΝ ΚΕΡΑΙΩΝ ΣΧΗΜΑΤΟΣ L ΜΕ ΔΙΠΛΟ SRR ΓΙΑ ΤΙΣ ΖΩΝΕΣ L1 (GPS) KAI WiFi-WiMAX 5.1 Εισαγωγή 31 5.2 Μονοπολική κεραία μικροταινίας σχήματος L με διπλό SRR 31 5.2.1 Σχεδίαση και γεωμετρία της κεραίας 31 5.2.2 Διαγράμματα του συντελεστή ανάκλασης S 11 32 5.2.3 Διαγράμματα ακτινοβολίας 36 5.3 Μονοπολική κεραία ομοεπίπεδου κυματοδηγού σχήματος L με διπλό SRR 39 5.3.1 Σχεδίαση και γεωμετρία της κεραίας 39 5.3.2 Διαγράμματα του συντελεστή ανάκλασης S 11 5.3.3 Διαγράμματα ακτινοβολίας 40 42 6. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 6.1 Πειραματική υλοποίηση 45 6.2 Συμπεράσματα 46 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 2

1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην παρακάτω διπλωματική εργασία παρουσιάζεται η εκπόνηση της ανάλυσης και σχεδίασης επίπεδων μονοπολικών κεραιών με τροφοδοσία μικροταινίας (microstrip) ή ομοεπίπεδου κυματοδηγού (coplanar waveguide) με τη χρήση της τεχνολογίας των μεταϋλικών (metamaterials). Για την ανάλυση και τη σχεδίαση των κεραιών έγινε χρήση λογισμικού ηλεκτρομαγνητικής ανάλυσης, βασισμένου σε μέθοδο ολοκληρωτικών εξισώσεων. Οι επίπεδες κεραίες που μελετήθηκαν, χωρίς την χρήση της τεχνολογίας των μεταϋλικών, λειτουργούν στις συχνότητες 3-3.5GHz και στη ζώνη L1-1.575GHz. Να πούμε ότι οι κεραίες που αναλύθηκαν και σχεδιάστηκαν είναι στο σύνολο 4 (2 από τη βιβλιογραφία και 2 με ίδια δομή τη από βιβλιογραφία αλλά για λειτουργία στη ζώνη L1). Με τη χρήση της τεχνολογίας των μεταϋλικών οι κεραίες λειτουργούν σε 3 ή 4 ζώνες, αρκετά χρήσιμες και εφαρμόσιμες. Τέτοιες ζώνες, επιπλέον από τις αρχικές είναι τα 2.45GHz, 5.3-5.8GHz που αντιστοιχούν σε συχνότητες των σύγχρονων ασύρματων δικτύων WiFi και WiMAX. Όσον αφορά την τεχνολογία των μεταϋλικών έγινε χρήση της κατηγορίας των αριστερόστροφων μεταυλικών (left-handed meta-materials) και πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκε ως βάση ο διπλός συντονιστής διακεκομμένου δακτυλίου (double split-ring resonator - SRR). Κατά την ανάλυση μελετήθηκε, το πώς επηρεάζονται τα χαρακτηριστικά λειτουργίας της κεραίας με τη μεταβολή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του SRR, αλλά και με την αλλαγή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του SRR, σε σχέση με την κεραία. Εξάχθηκαν κάποια συμπεράσματα τα οποία, ίσως απλοποιήσουν την κατασκευή κεραιών, που θέλουμε να λειτουργούν σε διάφορες ζώνες. Με τν έννοια απλοποίηση εννοούμε, να ξεφύγουμε από δύσκολες, πολύπλοκες και πιθανόν μη επίπεδες γεωμετρίες κεραιών, που ίσως κάνουν την διαδικασία της σχεδίασης, ανάλυσης αλλά και της κατασκευής χρονοβόρα. Βέβαια η ανάλυση γίνεται κυρίως σε επίπεδο προσομοίωσης και έτσι δεν μπορεί να ειπωθεί με σιγουριά ότι τα παρακάτω αποτελέσματα αντανακλούν πλήρως τα πραγματικά. Ωστόσο, οι παρακάτω προτάσεις κεραιών αποτελούν τροφή για περεταίρω μελέτη επίπεδων κεραιών με 3

τη συγκεκριμένη δομή που περιγράφηκε πάνω και θα φανεί και θα εξηγηθεί πιο αναλυτικά στα επόμενα κεφάλαια. Επιπλέον, η πειραματική υλοποίηση μιας χαρακτηριστικής από τις κεραίες που μελετήθηκαν και σχεδιάστηκαν δίνει αποτελέσματα πολύ κοντά σε αυτά των προσομοιώσεων. 4

2. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΘΕΩΡΙΑΣ ΜΕΤΑΫΛΙΚΩΝ 2.1 Εισαγωγή Τα μεταϋλικά (metamaterials) και ειδικότερα στην πιο συνιθισμένη εκδοχή τους, τα αριστερόστροφα μεταϋλικά (left-handed meta-materials), είναι τεχνητά υλικά, που εμφανίζουν ταυτόχρονα αρνητικές τιμές του ηλεκτρικού διηλεκτρικού και της μαγνητικής διαπερατότητας, σε μια πεπερασμένη ζώνη συχνοτήτων. Οι τεχνητές ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες των μεταϋλικών μπορούν να αξιοποιηθούν για την ενίσχυση των ιδιοτήτων της ακτινοβολίας, ηλεκτρονικών ή φωτονικών κυκλωμάτων, συμπεριλαμβανομένων των κεραιών. Ειδικότερα, αρκετές κεραίες μικρών ηλεκτρικών διαστάσεων και χαμηλού προφίλ (low-profile antennas), βελτιωμένες με την εφαρμογή της έννοιας των μεταϋλικών έχουν επιτυχώς προταθεί. Οι κεραίες αυτές κάνουν χρήση κάποιου είδους δείγματος μεταϋλικού που μοιάζει με αντηχείο, τοποθετημένο κοντά στον ακτινοβολητή της κεραίας. Η βασική ιδέα πίσω από αυτή την προσέγγιση είναι ότι ο ακτινοβολητής της κεραίας είναι ευαίσθητος στην παρουσία του ring, λόγω του συντονισμού ζεύξης, δηλαδή είναι σαν να έχουμε ένα «μεταϋλικό κέλυφος» που περιβάλλει την κεραία. Με τη χρήση ενός στοιχείου αντηχείου, όπως ένα SRR, με προσεχτικά επιλεγμένα τις γεωμετρικές διαστάσεις μπορεί κανείς να εξάγει μία μικρή κεραία η οποία να λειτουργεί σε μικροκυματικές συχνότητες. 2.2 Γεωμετρικά και ηλεκτρομαγνητικά χαρακτηριστικά του διπλού SRR Η γεωμετρία και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του διπλού SRR, που επιλέχθηκε, φαίνονται παρακάτω. 5

Σχήμα 2.1 Δομή διπλού SRR για λειτουργία στα 2.45 GHz (w = 1mm, s = 0.5mm, g = 0.5mm, y = z = 7.5mm για κεραία με τροφοδοσία μικροταινίας, w = 0.7mm, s = 0.35mm, g = 0.35mm, y = z = 7.35mm για κεραία με τροφοδοσία ομοεπίπεδου κυματοδηγού) Η τοποθέτηση του SRR, σύμφωνα με τη σχεδίαση κεραίας που πραγματοποιήθηκε, μέσα στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Παρατηρείται ότι η ηλεκτρική πεδιακή ένταση είναι παράλληλη στο εξωτερικό διάκενο (gap) του SRR. Σχήμα 2.2 Διεύθυνση ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών για διέγερση του SRR 2.3 Επίδραση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών στη λειτουργία του SRR Παρακάτω φαίνονται τα διαγράμματα του συντελεστή μετάδοσης από ένα στρώμα άπειρων δακτυλίων κατά τις εγκάρσιες διευθύνσεις, συναρτήσει της συχνότητας. Να ειπωθεί ότι τα παρακάτω διαγράμματα έχουν εξαχθεί από την βιβλιογραφία και ότι τα γεωμετρικά 6

χαρακτηριστικά είναι διαφορετικά από τα ζητούμενα. Όμως τα παρακάτω διαγράμματα βοηθούν στο να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα για την επίδραση των γεωμετρικών παραμέτρων του SRR και της γεωμετρίας του SRR, στις περιοχές λειτουργίας. Τα συμπεράσματα αυτά χρησιμοποιήθηκαν όπως θα φανεί και παρακάτω για την σχεδίαση ανάλυση αλλά και υλοποίηση των επιθυμητών κεραιών. Σχήμα 2.3 Διαγράμματα του συντελεστή μετάδοσης T από στρώμα δακτυλίων SRR Παρατηρείται ότι το SRR, παρουσιάζει 3 συντονισμούς στο θεωρούμενο εύρος ζώνης. Επίσης έχει παρατηρηθεί, από επισκόπηση των πεδίων, ότι ο 1 ος και ο 3 ος οφείλονται στο εξωτερικό ring, ενώ ο 2 ος οφείλεται στο εσωτερικό ring. Θεωρήθηκε ότι το υπόστρωμα είναι ο αέρας. Μία άλλη ενδιαφέρουσα ιδιότητα παρατηρείται όταν ο δακτύλιος βρίσκεται κοντά σε διηλεκτρικό στρώμα. Η περίπτωση αυτή είναι και η πλέον χρήσιμη και ενδιαφέρουσα για την κατασκευή επίπεδων μικροκυματικών κεραιών. Είναι αυτή που περιγράφεται στο παρακάτω διάγραμμα. 7

Σχήμα 2.4 Διαγράμματα του συντελεστή μετάδοσης T από στρώμα δακτυλίων SRR σε διηλεκτρικό υπόστρωμα Φαίνεται ότι αν τοποθετηθεί το SRR, σε κάποια απόσταση από το διηλεκτρικό υπόστρωμα και όχι κολλητά, μετατοπίζονται αρκετά οι συχνότητες λειτουργίας. Θεωρείται πώς είναι καλύτερα να χρησιμοποιούμε το SRR, κολλητά στο υπόστρωμα, διότι όπως φαίνεται παραπάνω, δίνεται η δυνατότητα για περισσότερες εφαρμογές, οι συντονισμοί είναι, θα έλεγε κανείς, κάπως απλωμένοι μεταξύ τους. Ενώ στη περίπτωση απόστασης του SRR, από το διηλεκτρικό υπόστρωμα, φαίνεται ότι οι 3εις τελευταίοι συντονισμοί είναι πολύ κοντά μεταξύ τους σε σχέση με την προηγούμενη περίπτωση. Το διηλεκτρικό υπόστρωμα έχει, ε r =12.3. Στα επόμενα 3 διαγράμματα θα φανεί τι επίδραση έχουν οι μεταβολές των παραμέτρων w, s, g, στις περιοχές συχνοτήτων λειτουργίας. Σχήμα 2.5 Επίδραση μεταβολής παραμέτρων στη συχνότητα λειτουργίας 8

Παρατηρείται από το πρώτο διάγραμμα ότι μείωση της παραμέτρου s στο μισό, προκαλεί μετατόπιση προς τα κάτω των δύο πρώτων συντονισμών. Η μετατόπιση των 2 συχνοτήτων λειτουργίας είναι περίπου 13%. Επίσης, παρατηρείται από το δεξί διάγραμμα ότι με μειωμένο το w στο μισό έχουμε μετατόπιση και των τριών συντονισμών. Η μετατόπιση αυτή είναι περίπου 15%. Επίσης από το ίδιο διάγραμμα παρατηρείται ότι με τη μείωση στο μισό των w, s υφίσταται μετατόπιση προς τα κάτω στους συντονισμούς. Η ουσιαστική διαφορά, με τη μείωση μόνο του w, είναι ότι ο πρώτος συντονισμός είναι πιο κάτω μετατοπισμένος. Σχήμα 2.6 Επίδραση του διακένου στη συχνότητα λειτουργίας Παρατηρείται από το παραπάνω διάγραμμα, ότι με διπλασιασμό του g, οι τρεις συντονισμοί μετατοπίζονται προς τα πάνω. Αλλά να ειπωθεί ότι μόνο ο δεύτερος είναι αρκετά μετατοπισμένος προς τα πάνω. Οι άλλοι δύο συντονισμοί, ίσα-ίσα που μετατοπίζονται. Από τα τρία τελευταία διαγράμματα, μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα, ότι οι παράμετροι που μετατοπίζουν αρκετά τις περιοχές λειτουργίας είναι οι w, s. Αυτό θα φανεί και παρακάτω από την σχεδίαση και την ανάλυση των κεραιών 9

10

3. ΜΟΝΟΠΟΛΙΚΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΣ ΣΧΗΜΑΤΟΣ L ΜΕ ΔΙΠΛΟ SRR 3.1 Η μονοπολική κεραία μικροταινίας σχήματος L με διπλό SRR Η κεραία που επιλέχτηκε από για να σχεδιασθεί και να αναλυθεί προτάθηκε και δημοσιεύθηκε πρόσφατα από ερευνητές του εργαστηρίου Τηλεπικοινωνιών του ΤΗΜΜΥ [3]. Η γεωμετρία της αλλά και τα αποτελέσματα της ανάλυσης αυτής (διάγραμμα S 11 συναρτήσει της συχνότητας), φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 3.1 Γεωμετρία και συντελεστής ανάκλασης της κεραίας Παρατηρείται ότι χωρίς τη χρήση του SRR, υπάρχει μόνο μία περιοχή λειτουργίας, στη συχνότητα, 3.3GHz περίπου, που αντιστοιχεί σε συμπεριφορά μονοπόλου περίοπου λ/4. Επίσης παρατηρείται ότι με τη χρήση του SRR, το οποίο έχει σχεδιασθεί στα 2.45GHz, ότι φαίνονται τρείς περιοχές λειτουργίας. Παρατηρείται ότι ο 1 ος και ο 3 ος συντονισμός είναι 11

ξεκάθαρες περιοχές λειτουργίας, καθώς είναι αρκετά κάτω από τα -10dB. O 2 ος συντονισμός είναι περίπου στα -7.5 db. Με την ανάλυση της αντίστοιχης κεραίας που σχεδιάστηκε, θα φανεί ότι πέρα από την προσπάθεια που γίνεται για να πιαστούν οι παραπάνω περιοχές λειτουργίας, θα φανεί ότι ο 2 ος συντονισμός πιάνεται κάτω από τα -10dB. 3.2 Σχεδίαση και γεωμετρία της υπό μελέτη κεραίας Αρχικά για τη σχεδίαση της κεραίας, λήφθηκε υπόψη το συμπέρασμα 2 του κεφαλαίου 2, ενότητα 2.3. Έτσι το SRR, τοποθετήθηκε πάνω στο διηλεκτρικό και όχι σε κάποια απόσταση, έτσι ώστε να πετύχουμε τους συντονισμούς στη μορφή που βλέπουμε στην ενότητα 3.1. Χρησιμοποιήθηκε διηλεκτρικό FR-4, με τιμή διηλεκτρικής σταθεράς ε r = 4.4, εφαπτομένη απωλειών tanδ = 0.022 και πάχος διηλεκτρικού d = 1.6mm, ακριβώς όπως και στη βιβλιογραφική κεραία. Το πάχος του μετάλλου της κεραίας θεωρείται αμελητέο (t = 0). Οι διαστάσεις στρογγυλοποιήθηκαν όπως επιβάλλει το λογισμικό ανάλυσης, έτσι ώστε να είναι πιο γρήγορη η ανάλυση. Αυτό σημαίνει πώς τα διαγράμματα είναι λογικό να βγουν διαφοροποιημένα, αλλά όπως θα φανεί παρακάτω, με την αξιοποίηση και εφαρμογή των συμπερασμάτων της ενότητας 2.3 θα επιτευχθεί στο περίπου το επιθυμητό αποτέλεσμα. Οι τιμές των διαστάσεων που χρησιμοποιήθηκαν είναι: W g = 27mm, l g = 10mm, l m = k m = 12mm. Η διάσταση W m = 3mm, δεν θα μπορούσε να μεταβληθεί, σε περίπτωση που δεν ήταν στρογγυλοποιημένη. Αυτό γιατί αυτή η διάσταση παίζει ρόλο στην προσαρμογή της τροφοδοσίας. Η διάσταση αυτή προκύπτει από τις παρακάτω γνωστές σχέσεις σχεδίασης για τις κεραίες μικροταινίας. W d A 8e, 2 A e 2 = 2 ε r 1 0.61 B 1 ln(2b 1) + ln( B 1) + 0.39, π 2ε r ε r για A > 1.52 για A 1.52 όπου, Z A = 60 ε r + 1 ε r 1 0. 11 + 0.23 + 2 ε r + 1 ε r 0, 2 60π B =, Z ε 0 r όπου Z 0 = 50Ω και ε r = 4.4, d = 1.6mm. Δηλαδή το πλάτος των γραμμών μεταφοράς που χρησιμοποιούνται για τη σχεδίαση και υλοποίηση της κεραίας, εξαρτάται μόνο από το πάχος 12

του διηλεκτρικού, την χαρακτηριστική αντίσταση και από την τιμή της διηλεκτρικής σταθεράς, για δεδομένη χαρακτηριστική αντίσταση. Οι σχέσεις αυτές δίνουν περίπου την τιμή 2.85mm για το πλάτος της μικροταινίας, η οποία και στρογγυλοποιείται στα 3 mm, όπως απαιτεί το λογισμικό ηλεκτρομαγνητικής ανάλυσης. Οι διαστάσεις του SRR, προκύπτουν έπειτα από διαδικασία σχεδίασης: y = z = 7.5mm, w = 1mm, g = 0.5mm, s = 0.5mm. Είναι προφανώς και αυτές τροποποιημένες σε σχέση με αυτές της βιβλιογραφίας. Παρακάτω φαίνεται η γεωμετρία της κεραίας που σχεδιάστηκε, σε δύο διαστάσεις, στο επίπεδο του ακτινοβολητή και στο επίπεδο του ground. Σχήμα 3.2 Γεωμετρία της κεραίας στο επίπεδο του ακτινοβολητή Σχήμα 3.3 Γεωμετρία της κεραίας στο επίπεδο του ground 13

3.3 Αποτελέσματα ανάλυσης της κεραίας. 3.3.1 Διαγράμματα του συντελεστή ανάκλασης S 11 Στο παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζεται ο συντελεστής ανάκλασης της μονοπολικής κεραίας χωρίς την παρουσία του SRR 0-5 S11(dB) -10-15 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 3.4 Συντελεστής ανάκλασης μονοπολικής κεραίας χωρίς το SRR Παρατηρείται από το παραπάνω διάγραμμα ότι χωρίς το SRR, η κεραία έχει συντονισμό στα 3.06GHz, με περιοχή λειτουργίας:2.82-3.36ghz. Ο συντονισμός αυτός αντιστοιχεί περίπου σε συνολικό μήκος διπόλου της τάξης του λ/4, όπως προβλέπεται από τη θεωρία μονοπολικής κεραίας πάνω από ground. Σε σχέση με την κεραία από τη βιβλιογραφία, μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι το επιθυμητό αποτέλεσμα επετεύχθη, καθώς πιάνεται η περιοχή 3.3GHz, ο συντονισμός είναι πιο ξεκάθαρος, πιο κάτω από τα -10dB. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η διαδικασία σχεδίασης με την προσθήκη του διπλού δακτυλίου και με τη μεταβολή των κρίσιμων παραμέτρων του για την επίτευξη της λειτουργίας στις απαιτούμενες ζώνες συχνοτήτων. 14

5 0 κόκκινο: w=0.5, g=0.5, s=0.5 μπλέ: w=1,g=0.5,s=0.5-5 S11(dB) -10-15 -20-25 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 3.5 Μεταβολές των παραμέτρων της κεραίας κόκκινο: w = 0.5, g = 0.5, s = 0.5, μπλε: w = 1, g = 0.5, s = 0.5 Φαίνεται από το παραπάνω διάγραμμα, και επιβεβαιώνεται το συμπέρασμα από την υποενότητα 2.3 διάγραμμα 3, ότι αν μειώσω την παράμετρο w στο μισό, έχω μετατόπιση των συντονισμών προς τα κάτω. Παρατηρείται ότι το διάγραμμα με w/2, είναι πολύ πιο κοντά στο επιθυμητό. Πιο συγκεκριμένα, πιάνεται η 1 η περιοχή, ενώ η 2 η είναι λίγο πιο κάτω αλλά οριακά πιάνει την επιθυμητή στα 3.5 και η 3 η είναι πιο κάτω από την επιθυμητή. Επίσης ο 2 ος συντονισμός είναι κάτω από τα -10dB σε αντίθεση με αυτόν της βιβλιογραφίας. Θα φανεί στο πιο κάτω διάγραμμα πώς μπορούν να μετατοπιστεί ελάχιστα προς τα πάνω ο 3ος συντονισμός, έτσι ώστε να προσεγγιστεί ακόμα καλύτερα το επιθυμητό αποτέλεσμα. 5 0 κόκκινο: w=0.5,g=0.5,s=0.5 πράσινο: w=0.5,g=1, s=0.5-5 S11(dB) -10-15 -20-25 -30 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 3.6 Μεταβολές των παραμέτρων της κεραίας κόκκινο w = 0.5, g = 0.5, s = 0.5, πράσινο: w = 0.5, g = 1, s = 0.5 Από το παραπάνω διάγραμμα φαίνεται ότι με τον διπλασιασμό του g, ο 3 ος συντονισμός μετατοπίστηκε προς τα πάνω και έτσι η κεραία λειτουργεί και στην 3 η επιθυμητή περιοχή. Προσομοιώθηκαν όλοι οι πιθανοί συνδυασμοί για τις μεταβολές στις 15

παραμέτρους w, s, g αλλά ο συνδυασμός που φέρνει τη λειτουργία της κεραίας πιο κοντά στο επιθυμητό, είναι: w = 0.5, g = 1, s = 0.5. Κοινό διάγραμμα για μεταβολή της παραμέτρου l g Στο παρακάτω διάγραμμα, θα φανεί η επιρροή στα χαρακτηριστικά λειτουργίας η μεταβολή της παραμέτρου l g. Τα αποτελέσματα θα είναι αποτέλεσμα των προσομοιώσεων της καλύτερης περίπτωσης που φάνηκε παραπάνω (w = 0.5, g = 1, s = 0.5). 5 0 Μπλε: lg=10mm Κόκκινο: lg=9mm Πράσινο: lg=11mm -5 S11(dB) -10-15 -20-25 -30 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 3.7 Μεταβολές των παραμέτρων της κεραίας μπλε: l g = 10mm, κόκκινο: l g = 9mm, πράσινο: l g = 11mm Από το παραπάνω διάγραμμα φαίνεται, ότι με μείωση του l g πέφτουν πιο κάτω σε db οι συντονισμοί και αυξάνεται ελάχιστα το συνολικό εύρος ζώνης. Όμως παρατηρείται και η μετατόπιση προς τα κάτω του 2 ου και 3 ου συντονισμού, γεγονός που τους απομακρύνει από την επιθυμητή περιοχή. Επίσης η αύξηση του l g, είναι καταστροφική, ιδιαίτερα για τον 2 ο συντονισμό. Άρα βγαίνει το συμπέρασμα, ότι η καλύτερη περίπτωση είναι η αρχική επιλογή για lg = 10mm. 16

Κοινό διάγραμμα για τη μεταβολή της παραμέτρου Wg. 5 0 Μπλε: Wg=27mm Κίτρινο: Wg=25mm Κόκκινο: Wg=23mm Πράσινο: Wg=21mm -5 S11(dB) -10-15 -20-25 -30 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 3.8 Μεταβολές των παραμέτρων της κεραίας μπλε: W g = 27mm, κίτρινο: W g = 25mm, κόκκινο: W g = 23mm, πράσινο W g = 21mm Παρατηρείται από το παραπάνω διάγραμμα, ότι όσο μειώνεται το Wg, τόσο πιο κάτω πέφτουν, σε db οι δύο πρώτοι συντονισμοί. Επίσης παρατηρείται ότι αυξάνεται το εύρος ζώνης κυρίως του 2 ου συντονισμού και μετατοπίζεται αισθητά προς τα πάνω, γεγονός που τον μετατοπίζει μέσα στην επιθυμητή περιοχή λειτουργίας. Επίσης ο 1 ος μετατοπίζεται λίγο προς τα πάνω, αλλά δεν ξεφεύγει από την επιθυμητή περιοχή λειτουργίας και ο 3 ος ελάχιστα αλλάζει. Άρα μπορούμε να πούμε ότι η επιλογή του W g = 21mm, είναι μία καλύτερη επιλογή. 3.3.2 Διαγράμματα ακτινοβολίας της κεραίας Τα διαγράμματα ακτινοβολίας που φαίνονται παρακάτω είναι για την βέλτιστη περίπτωση w = 0.5, g = 1, s = 0.5, W g = 21mm και όλες οι υπόλοιπες διαστάσεις όπως ήταν στην αρχή. Τα διαγράμματα ακτινοβολίας είναι σε επίπεδα του ηλεκτρικού πεδίου E1-plane, Ε2-plane, όπου Ε1 είναι το κατακόρυφο διάγραμμα ακτινοβολίας πάνω από τον αγωγό τροφοδοσίας, το Ε2 είναι το κατακόρυφο διάγραμμα ακτινοβολίας πάνω από τον ακτινοβολητή. Στα διαγράμματα ακτινοβολίας το κέρδος είναι υπολογισμένο ως προς την ισοτροπική κεραία. 17

Διαγράμματα Ε1 Τα διαγράμματα Ε1, είναι αυτά για γωνίες φ = 0 και θ = 0-90. Το πολικά διαγράμματα συναρτήσει του θ, στους τρεις συντονισμούς φαίνονται παρακάτω. Βέβαια στο πολικό διάγραμμα είναι θ = -90-90. Σχήμα 3.8 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας (φ = 0, gain/θ, f = 2.62GHz) Σχήμα 3.9 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας (φ = 0, gain/θ, f = 3.42GHz) Σχήμα 3.10 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας (φ = 0, gain/θ, f = 5.56 GHz) Παρατηρείται από τα τρία διαγράμματα ότι, για την συχνότητα των 2.62GHz,έχω μέγιστο κέρδος για θ=0, gain=-3.5dbi, για τα 3.42GHz έχω μέγιστο κέρδος για θ=0, gain=-1dbi και τέλος για τη συχνότητα των 5.56GHz, θ=45, gain=-4dbi. 18

Διαγράμματα Ε2 Τα διαγράμματα Ε2, είναι για φ(0-90 ), θ(0-90 ). Παρακάτω φαίνονται, τα διαγράμματα συναρτήσει του θ, φ, και του Gain στις 3 συχνότητες συντονισμού. Σχήμα 3.11 2D διάγραμμα ακτινοβολίας, f = 2.62 GHz Σχήμα 3.12 2D διάγραμμα ακτινοβολίας, f = 3.42 GHz Σχήμα 3.13 2D διάγραμμα ακτινοβολίας, f = 5.56 GHz Παρατηρείται από τα παραπάνω διαγράμματα ότι στη συχνότητα των 2.62GHz, έχω μέγιστο για φ=90, θ=0, gain= -3dBi, για την συχνότητα των 3.42GHz, έχω μέγιστο για φ=90, θ=0, gain= -3dBi και τέλος για τη συχνότητα των 5.56GHz, έχω μέγιστο για φ=90, θ=0, gain= -4dBi. 19

3.4 Επίλογος Για την παραπάνω κεραία πραγματοποιήθηκαν αρκετές προσομοιώσεις με διάφορες μεταβολές των παραμέτρων του SRR, της κεραίας αλλά και των παραμέτρων του SRR σε σχέση με την κεραία όπως η απόσταση του SRR από τον αγωγό τροφοδοσίας και από τον ακτινοβολητή. Τα παραπάνω αποτελέσματα που παρουσιάζονται θεωρήθηκε ότι είναι τα πιο ουσιαστικά πιο αξιόλογα και πιο χρήσιμα. Με τα πιο πάνω αποτελέσματα δίνεται μία κατεύθυνση για τη μελέτη της συγκεκριμένης δομής κεραίας. 20

4. ΜΟΝΟΠΟΛΙΚΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ ΟΜΟΕΠΙΠΕΔΟΥ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΥ ΣΧΗΜΑΤΟΣ L ΜΕ ΔΙΠΛΟ SRR 4.1 Η μονοπολική κεραία ομοεπίπεδου κυματοδηγού σχήματος L με διπλό SRR Και η κεραία αυτή που επιλέχτηκε από για να σχεδιασθεί και να αναλυθεί προτάθηκε και δημοσιεύθηκε πρόσφατα από ερευνητές του εργαστηρίου Τηλεπικοινωνιών του ΤΗΜΜΥ [3]. Η γεωμετρία της αλλά και τα αποτελέσματα της ανάλυσης αυτής (διάγραμμα S 11 συναρτήσει της συχνότητας), φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 4.1 Γεωμετρία και συντελεστής ανάκλασης της κεραίας Παρατηρείται ότι χωρίς SRR, η κεραία λειτουργεί στα 3.3GHz περίπου, ενώ με τη χρήση του SRR, παρατηρούνται τρεις περιοχές λειτουργίας στα 2.4, 3.5, 5.7GHz, περίπου. 21

4.2 Σχεδίαση και γεωμετρία της υπό μελέτη κεραίας Αρχικά για τη σχεδίαση της κεραίας, λήφθηκε υπόψη το συμπέρασμα 2 του κεφαλαίου 2, ενότητα 2.3. Έτσι το SRR, τοποθετήθηκε πάνω στο διηλεκτρικό και όχι σε κάποια απόσταση, έτσι ώστε να πετύχουμε τους συντονισμούς στη μορφή που βλέπουμε στην ενότητα 3.1. Χρησιμοποιήθηκε διηλεκτρικό FR-4, με τιμή διηλεκτρικής σταθεράς ε r = 4.4, εφαπτομένη απωλειών tanδ = 0.022 και πάχος διηλεκτρικού d = 1.6mm, ακριβώς όπως και στη βιβλιογραφική κεραία. Το πάχος του μετάλλου της κεραίας θεωρείται αμελητέο(t = 0). Οι διαστάσεις στρογγυλοποιήθηκαν αντίστοιχα με το λογισμικό ανάλυσης, έτσι ώστε να είναι πιο γρήγορη η ανάλυση. Αυτό σημαίνει πώς τα διαγράμματα είναι θα βγουν διαφοροποιημένα, αλλά όπως θα φανεί παρακάτω θα επιτευχθεί στο περίπου το επιθυμητό αποτέλεσμα. Οι τιμές των διαστάσεων που χρησιμοποιήθηκαν είναι: W g = 11.55mm, l g = 10.15mm, l m = k m = 11.9mm, το κενό g m = 0.35mm(κενό μεταξύ αγωγού τροφοδοσίας και ground). Η διάσταση W m = 2.8mm, μετά από προσομοίωση σε αντίστοιχο πρόγραμμα για coplanar-waveguide, με το συμφωνητικό της προσαρμογής στην τροφοδοσία. Οι διαστάσεις για το SRR, είναι: w = 0.7, g = 0.35, s = 0.35, y = z = 7.35. Παρακάτω φαίνεται η γεωμετρία της κεραίας που σχεδιάστηκε, στις δύο διαστάσεις, στο επίπεδο του ακτινοβολητή που είναι κοινό με το επίπεδο του ground, δηλαδή στο επίπεδο της κεραίας. Σχήμα 4.2 Γεωμετρία της κεραίας 22

4.3 Αποτελέσματα ανάλυσης της κεραίας. 4.3.1 Διαγράμματα του συντελεστή ανάκλασης S 11 Το διάγραμμα χωρίς το SRR, παραλείπεται, διότι το αποτέλεσμα της προσομοίωσης δεν δίνει λειτουργία ξεκάθαρη σε κάποια ζώνη. Οπότε αυτή η κεραία θα μελετηθεί μόνο για να επιτευχθεί η χρήση σε διάφορες ζώνες συχνοτήτων με τη χρήση SRR. Κοινά διαγράμματα για μεταβολές των παραμέτρων του SRR 5 0 Μπλε: w=0.7,g=0.35,s=0.35 Κόκκινο:w=0.35, g=0.35,s=0.35-5 S11(dB) -10-15 -20-25 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 4.3 Μεταβολές των παραμέτρων της κεραίας μπλε: w = 0.7, g = 0.35, s = 0.35, κόκκινο: w = 0.35, g = 0.35, s = 0.35 Παρατηρείται από το παραπάνω διάγραμμα, ότι για την αρχική επιλογή των τιμών των γεωμετρικών παραμέτρων του SRR, μόνο ένας συντονισμός στα 6GHz. Με τη μείωση της παραμέτρου w στο μισό, φαίνεται ότι εμφανίζονται δύο συντονισμοί. Ο 1 ος είναι και ο επιθυμητός και ο 2 ος είναι μετατοπισμένος πιο κάτω σε σχέση με τον 3 ο επιθυμητό, αλλά είναι σε καλό δρόμο να τον πιάσει. Επίσης πολύ βασικό, αυτό που δεν εμφανίζεται, είναι ο 2 ος επιθυμητός συντονισμός. Αξιοποιώντας τα συμπεράσματα του κεφαλαίου 2, ενότητα 2.3, διάγραμμα 4, θα φανεί παρακάτω στο πώς θα μετατοπίσουμε προς τα πάνω τον 2 ο συντονισμό της περίπτωσης: w = 0.35, g = 0.35, s = 0.35. 23

5 0-5 S11(dB) -10-15 Κόκκινο: w=0.35,g=0.35, s=0.35 Πράσινο: w=0.35,g=0.7,s=0.35-20 -25-30 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 4.4 Μεταβολές των παραμέτρων της κεραίας κόκκινο: w = 0.35, g = 0.35, s = 0.35, πράσινο: w = 0.35, g = 0.7, s = 0.35 Παρατηρείται από το παραπάνω διάγραμμα, ότι με διπλασιασμό της παραμέτρου g, οι δύο συντονισμοί και ιδιαίτερα ο 2 ος μετατοπίστηκαν προς τα πάνω. Ο 1 ος εξακολουθεί να πιάνει τον 1 ο επιθυμητό και ο 2 ος πλησίασε τον 3 ο επιθυμητό. Όμως εξακολουθεί να μην εμφανίζεται ο 2 ος της βιβλιογραφίας. Να ειπωθεί ότι προσομοιώθηκαν όλες οι περιπτώσεις για τις μεταβολές των γεωμετρικών παραμέτρων του SRR, αλλά τα πιο καλά αποτελέσματα σε σχέση με το επιθυμητό έχουν οι 2 περιπτώσεις του τελευταίου διαγράμματος. Επίσης να ειπωθεί ότι αυτές οι δύο περιπτώσεις, προσομοιώθηκαν για διάφορες μεταβολές της απόστασης του SRR, από τον αγωγό τροφοδοσίας και από τον ακτινοβολητή, με την ελπίδα μήπως και πέσει προς τα κάτω σε d B η περιοχή όπου θέλουμε να εμφανιστεί ο 2 ος επιθυμητός. Όμως τα αποτελέσματα δεν δικαίωσαν αυτή τη σκέψη. Επίσης να πούμε ότι έγιναν προσομοιώσεις με αλλάγή στις παραμέτρους Wg, l g, όπου με τη μείωση τους εμφανίστηκε και ο δεύτερος συντονισμός, αλλά αρκετά μετατοπισμένος προς τα κάτω και αρκετά κοντά στον 1 ο. Έπειτα έγινε προσπάθεια μετατόπισης προς τα πάνω του 2 ου συντονισμού, με μεταβολή στις παραμέτρους του SRR, οι οποίες όμως δεν οδήγησαν ούτε κατά προσέγγιση στα επιθυμητά αποτελέσματα. Η εμφάνιση του 2 ου επιθυμητού όπως θα δούμε και παρακάτω λύνεται με ένα παρασιτικό στοιχείο που τοποθετείται ανάμεσα από το ground και το SRR, το οποίο ξεκινάει από τον αγωγό τροφοδοσίας. Οι διαστάσεις του παρασιτικού είναι : w p = 0.35mm, l p = 9.1mm. Η γεωμετρία του παρασιτικού φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Μπορεί να ειπωθεί ότι η παρουσία του παρασιτικού στοιχείου μεταβάλλει τη σύζευξη του SRR με το ground. 24

Σχήμα 4.5 Γεωμετρία της κεραίας με παρασιτικό στοιχείο Τα αποτελέσματα της ανάλυσης, για τις δύο καλύτερες περιπτώσεις: (1) w = 0.35, g = 0.35, s = 0.35 και (2) w = 0.35, g = 0.7, s = 0.35, με τη γεωμετρία του παρασιτικού στοιχείου, φαίνονται στο παρακάτω διάγραμμα. Κοινά διαγράμματα για μεταβολές των παραμέτρων του SRR, με παρασιτικό στοιχείο 5 0 κόκκινο: w=0.35, g=0.7, s=0.35 μπλε: w=0.35, g=0.35, s=0.35-5 -10-15 S11(dB) -20-25 -30-35 -40-45 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 4.6 Μεταβολές των παραμέτρων της κεραίας κόκκινο: w = 0.35, g = 0.7, s = 0.35, μπλε: w = 0.35, g = 0.35, s = 0.35 Παρατηρείται από το παραπάνω διάγραμμα ότι και για τις δύο περιπτώσεις με τη χρήση του παρασιτικού, πιάνεται η 1 η επιθυμητή περιοχή λειτουργίας, πιάνεται και η 2 η 25

επιθυμητή αλλά δεν καλύπτεται ολόκληρη και η 3 η πιάνεται με ένα εκπληκτικό εύρος ζώνης. Όσον αφορά τις δύο περιπτώσεις, η μοναδική και ουσιαστική διαφορά που έχουν είναι το εύρος ζώνης το συνολικό, το οποίο διαιρείται σε αυτό της πρώτης και της τρίτης περιοχής λειτουργίας. Κυρίως ενδιαφέρει η πρώτη περιοχή όπως φαίνεται από το διάγραμμα, έχει αρκετά στενό εύρος (και στις δύο περιπτώσεις) και είναι αναγκαίο να εξασφαλιστεί ότι θα επιλεγεί η περίπτωση με το μεγαλύτερο εύρος ζώνης αυτής της περιοχής, έτσι ώστε να πιάνουμε σίγουρα όλη την πρώτη επιθυμητή περιοχή. Η τρίτη περιοχή λειτουργίας δεν μας απασχολεί τόσο πολύ ως προς το εύρος ζώνης, καθώς και στις δύο περιπτώσεις πιάνεται, με πολύ άνεση η τρίτη επιθυμητή περιοχή λειτουργίας. Η περίπτωση με το μεγαλύτερο εύρος ζώνης πρώτης περιοχής, είναι όπως αυτή με το g = 0.7, w = 0.35, s = 0.35, με BW = 2.54-2.38 = 0.16 GHz έναντι 2.5-2.36 = 0.14GHz της άλλης περίπτωσης. Άρα αυτή η περίπτωση θεωρείται η καλύτερη, από τις παραπάνω δύο αλλά και μέχρι εδώ. Για αυτή την καλύτερη περίπτωση θα δούμε παρακάτω πώς μεταβάλλεται το διάγραμμα, για τις διάφορες μεταβολές της παραμέτρου lp (μήκος του παρασιτικού). Κοινό διάγραμμα για την περίπτωση: g=0.7, w=0.35, s=0.35, για διάφορες μεταβολές του l p 5 0-5 -10 S11(dB) -15-20 -25 Κόκκινο: lp=9.1mm Μπλε: lp=8.05mm Πράσινο: lp=4.55mm Κίτρινο: lp=11.55mm -30-35 -40 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 4.7 Μεταβολές των παραμέτρων της κεραίας κόκκινο: l p = 9.1mm, μπλε: lp = 8.05mm, πράσινο: l p = 4.55mm, κίτρινο:lp = 11.55mm Παρατηρείται από το παραπάνω διάγραμμα ότι η καλύτερη επιλογή είναι για μήκος παρασιτικού l p = 9.1mm. Πιο συγκεκριμένα για την περίπτωση l p = 4.55mm, παρατηρείται ότι υπάρχουν μόνο δύο συντονισμοί, έχει χαθεί ο 2 ος. Για την περίπτωση l p = 8.05 mm, φαίνεται ότι πιάνονται και οι τρεις επιθυμητές περιοχές λειτουργίας, αλλά υπάρχει κόστος σε εύρος ζώνης στον 2 ο σε σχέση με την περίπτωση l p = 9.1mm, γεγονός που δεν βολεύει την 26

προσέγγιση του επιθυμητού, καθώς να θυμηθούμε ότι ο 2 ος της βιβλιογραφίας είναι αρκετά ευρυζωνικός. Έτσι επιλέγεται η περίπτωση που καλύπτει μεγαλύτερο ποσοστό της 2 ης βιβλιογραφικής περιοχής, δηλαδή επιλέγεται η πιο ευρυζωνική ως προς τη 2 η περιοχή. Όσον αφορά την περίπτωση l p = 11.55mm, φαίνεται ότι ο 1 ος και ο 3 ος είναι εντάξει αλλά ο 2 ος είναι μετατοπισμένος προς τα κάτω και έχει κόστος σε εύρος ζώνης σε σχέση με την περίπτωση l p = 9.1mm. Οι αποστάσεις του SRR, από αγωγό τροφοδοσίας και από ακτινοβολητή ήταν στα 0.7 mm, στο παρακάτω διάγραμμα θα φανεί και η περίπτωση όπου αυτές οι αποστάσεις τίθενται στα 0.35 mm. Προφανώς πρόκειται για την περίπτωση lp = 9.1mm, w = 0.35mm, g = 0.7mm, s = 0.35mm. Κοινό διάγραμμα για τη μεταβολή στις αποστάσεις του SRR, από k m και l m 5 0-5 Κόκκινο: D(km,lm)=0.7mm Μπλε: D(km,lm)=0.35mm -10-15 S11(dB) -20-25 -30-35 -40-45 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 4.8 Μεταβολές των παραμέτρων της κεραίας κόκκινο: D(k m,l m ) = 0.7mm, μπλε: D(k m,l m )=0.35mm Φαίνεται από το παραπάνω διάγραμμα, με το SRR σε απόσταση από τον αγωγό τροφοδοσίας και από τον ακτινοβολητή στα 0.35mm, ότι έχουν μετατοπιστεί ελάχιστα προς τα πάνω οι δύο τελευταίοι συντονισμοί και αισθητά προς τα κάτω ο 1ος, αυτό όμως δεν χαλάει τα επιθυμητά αποτελέσματα, ίσα-ίσα μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι αυτή η περίπτωση είναι καλύτερη από την άλλη, που απεικονίζεται, καθώς φαίνεται ότι ο 2 η περιοχή έγινε πιο ευρυζωνική, κάτι που όπως αναλύθηκε στο προηγούμενο διάγραμμα είναι καλύτερο ως προς το βιβλιογραφικό αποτέλεσμα. Να ειπωθεί, εδώ ότι έγιναν και άλλες προσομοιώσεις με παρασιτικό και με μείωση του Wg και του l g και με αντίστοιχη αύξηση του w p. Μόνο μία από αυτές τις περιπτώσεις 27

ήταν ικανοποιητική σε σχέση με το επιθυμητό και σε σχέση με την καλύτερη περίπτωση που φαίνεται στο τελευταίο διάγραμμα. Αυτή η περίπτωση είναι για W g = 8.75mm, w p = 0.7mm, l p = 9.1mm. Παρακάτω φαίνεται αυτή η περίπτωση σε κοινό διάγραμμα με την βέλτιστη του τελευταίου διαγράμματος. Κοινό διάγραμμα για μεταβολή στις παραμέτρους W g, w p 5 0 Κόκκινο: Wg=11.55mm, wp=0.35mm Μπλε: Wg=8.75mm, wp=0.7mm -5-10 -15 S11(dB) -20-25 -30-35 -40-45 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 4.9 Μεταβολές των παραμέτρων της κεραίας κόκκινο: W g = 11.55mm, w p = 0.35mm, μπλε: Wg = 8.75mm, w p = 0.7mm Παρατηρείται από το ανωτέρω διάγραμμα, ότι με την μείωση του W g και την αύξηση του w p, ότι με τον 1 ο συντονισμό δεν υπάρχει πρόβλημα, ο 2 ος μειώνεται σε εύρος ζώνης και ο 3 ος είναι εντάξει παρόλο που μετατοπίζεται προς τα πάνω, πιάνεται η 3 η επιθυμητή περιοχή. Έτσι είναι ξεκάθαρο ότι η συγκεκριμένη μείωση του W g και αύξηση του w p, οδηγεί σε μία καλύ λύση όχι όμως στην βέλτιστη. Από όλα τα παραπάνω βγαίνει το συμπέρασμα ότι η βέλτιστη λύση είναι η περίπτωση w = 0.35mm, g = 0.7mm, s = 0.35mm, lp = 9.1mm, w p = 0.35mm, D(k m,l m ) = 0.35mm και οι υπόλοιπες γεωμετρικές παράμετροι όπως ορίστηκαν στην αρχή της σχεδίασης. 4.3.2 Διαγράμματα Ακτινοβολίας Σ αυτή την ενότητα θα παρουσιαστούν τα διαγράμματα ακτινοβολίας, όπως και στο κεφάλαιο τρία, της βέλτιστης περίπτωσης που σχεδιάστηκε. Η περίπτωση κεραίας είναι αυτή που περιγράφεται στην τελευταία παράγραφο της προηγούμενης ενότητας. 28

Διαγράμματα Ε1 Τα διαγράμματα Ε1, φαίνονται παρακάτω. Σχήμα 4.10 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας (φ = 0, gain/θ, f = 2.62 GHz) Σχήμα 4.11 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας (φ = 0, gain/θ, f = 3.68 GHz) Σχήμα 4.12 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας (φ = 0, gain/θ, f = 5.84 GHz) Παρατηρείται ότι στη συχνότητα 2.46GHz, έχω μέγιστο κέρδος για θ = 20, gain = -4dBi, στη συχνότητα των 3.68GHz, έχω μέγιστο κέρδος για θ = 0, gain = -1dBi, στη συχνότητα των 5.84GHz, μέγιστο κέρδος για θ = 0, gain = 1dBi. 29

Διαγράμματα Ε2 Τα διαγράμματα Ε2, φαίνονται παρακάτω. Σχήμα 3.11 2D διάγραμμα ακτινοβολίας, f = 2.46 GHz Σχήμα 3.12 2D διάγραμμα ακτινοβολίας, f = 3.68 GHz Σχήμα 3.13 2D διάγραμμα ακτινοβολίας, f = 5.84 GHz Παρατηρείται από τα τρία διαγράμματα ότι για τη συχνότητα των 2.46 GHz, έχει μέγιστο κέρδος για φ = 90 και θ = 0, gain = -1dBi, επίσης για τη συχνότητα των 3.68 GHz, έχει μέγιστο κέρδος για φ = 90 και θ = 0, gain = 5dBi και τέλος για τη συχνότητα των 5.84 GHz, έχει μέγιστο κέρδος για φ = 90, θ = 0, gain = 10dBi. 4.4 Επίλογος Σε αυτό το κεφάλαιο παρατέθηκαν τα αποτελέσματα τα οποία, βήμα-βήμα οδήγησαν στην εύρεση βέλτιστης λύσης, σε σχέση με τη βιβλιογραφική κεραία. Θα μπορούσαν να παρουσιαστούν και άλλες περιπτώσεις μεταβολών στις παραμέτρους. Θεωρείται ότι παρουσιάστηκαν τα πιο ουσιαστικά και πιο χρήσιμα. 30

5. ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΜΟΝΟΠΟΛΙΚΩΝ ΚΕΡΑΙΩΝ ΣΧΗΜΑΤΟΣ L ΜΕ ΔΙΠΛΟ SRR ΓΙΑ ΤΙΣ ΖΩΝΕΣ L1 (GPS) KAI WiFi-WiMAX 5.1 Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζεται μια προσπάθεια σχεδίασης και ανάλυσης πολυζωνικών κεραιών που να λειτουργούν στη ζώνη L1-1575MHz ή αλλιώς η πρώτη ζώνη για GPS αλλά και σε ζώνες ασύρματων δικτυακών επικοινωνιών. Η σχεδίαση γίνεται στη δομή και στη λογική των κεραιών που σχεδιάστηκαν στα δύο προηγούμενα κεφάλαια, οι κεραίες που θα παρουσιαστούν είναι δύο (μικροταινίας, ομοεπίπεδη). Θα φανεί ότι μέσα από αυτή την προσπάθεια πιάνονται και άλλες περιοχές λειτουργίας πέρα από την επιθυμητή L1, γεγονός το οποίο είναι απόλυτα λογικό αν σκεφτούμε ότι στη δομή των κεραιών κάνουμε χρήση του SRR. Επίσης στην παρακάτω προσπάθεια χρησιμοποιήθηκαν αρκετά συμπεράσματα, από τα προηγούμενα κεφάλαια όσον αφορά την σχεδίαση και υλοποίηση των κεραιών σε σχέση με τις μεταβολές διαφόρων παραμέτρων. Τέλος να ειπωθεί εδώ ότι τα χαρακτηριστικά του διηλεκτρικού που χρησιμοποιήθηκαν, είναι ίδια με τα προηγούμενα κεφάλαια, δηλαδή FR-4: ε r = 4.4, tanδ = 0.022, d = 1.6mm, t = 0. 5.2 Μονοπολική κεραία μικροταινίας σχήματος L με διπλό SRR 5.2.1 Σχεδίαση και γεωμετρία της κεραίας. Η δομή της κεραίας που σχεδιάζεται σε αυτή την ενότητα είναι ίδια με αυτή του κεφαλαίου 3. Είναι προφανές ότι οι διαστάσεις θα διαφοροποιηθούν καθώς έχουμε άλλη συχνότητα. Η λογική που ακολουθήθηκε για τη σχεδίαση, περιγράφεται στην επόμενη παράγραφο. 31

Όλες οι διαστάσεις αντικατοπτρίζονται σαν μήκος = χ*λ, όπου χ συντελεστής των πόσων λ θέλουμε να είναι η κάθε διάσταση. Στην κεραία που σχεδιάζεται στο κεφάλαιο 3, οι διαστάσεις θεωρούνται για τη συχνότητα των 2.45GHz. Το μήκος κύματος σε αυτή την συχνότητα είναι: λ=c/f=0.122m=122mm. Άρα για κάθε διάσταση της κεραίας του κεφαλαίου 3 (οι διαστάσεις που χρησιμοποιούνται παρακάτω για να βγεί ο συντελεστής χ είναι αυτές της βιβλιογραφίας) έχουμε την εξής κλιμάκωση για τον υπολογισμό των αρχικών διαστάσεων: l g =10mm=x*122mm, άρα x=10/122=0.081. Αυτό σημαίνει ότι για σχεδίαση σε άλλη συχνότητα θα είναι l g =0.081*λ.(όπου λ το μήκος κύματος της κάθε συχνότητας). Wg=26.6mm=x*122mm, άρα: x=26.6/122=0.21(περίπου). Άρα, γενικά: W g =0.21*λ. lm=11.8mm=x*122mm, άρα: x=11.8/122=0.096(περίπου). Άρα, γενικά: l m =0.096*λ. Ομοίως k m =0.096*λ. y=7.6mm=x*122mm, x=7.6/122=0.062. y=0.062*λ. z=7.3mm=x*122mm, x=7.3/122=0.059. z=0.059*λ. Άρα στη συχνότητα των 1.575GHz, το μήκος κύματος θα είναι: λ=0.19m=190mm. Σε αυτή τη συχνότητα οι διαστάσεις θα είναι: l g =0.081*190mm=15.39(το στρογγυλοποιώ για τη σχεδίαση στο λογισμικό στο 15.5) W g =0.21*190mm=39.9mm(στρογγυλοποιώ στα 40mm) lm=k m =0.096*190mm=18.24mm( στρογγυλοποιώ στα 18mm) y=0.062*190mm=11.78mm(12mm) z=0.059*190mm=11.21mm(11mm) Θέτω για το SRR: w=1mm, s=0.5mm, g=0.5mm. Επίσης η διάσταση που δεν αλλάζει και καθορίζεται από τη σχέση σχεδίασης που αναφέρεται στο κεφάλαιο 3, ενότητα 3.2, είναι η w m =3mm. Η γεωμετρία της κεραίας που σχεδιάστηκε φαίνεται παρακάτω, στο επίπεδο του ακτινοβολητή και στο επίπεδο του ground. 32

Σχήμα 5.1 Γεωμετρία της κεραίας στο επίπεδο του ακτινοβολητή Επίπεδο ground Σχήμα 5.2 Γεωμετρία της κεραίας στο επίπεδο του ground 5.2.2 Διαγράμματα του συντελεστή ανάκλασης S 11 0-5 -10 S11(dB) -15-20 -25 0 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 5.3 Συντελεστής ανάκλασης μονοπολικής κεραίας χωρίς το SRR 33

Παρατηρείται από το παραπάνω διάγραμμα ότι πιάνεται η συχνότητα των 1.575 GHz, με ένα αρκετά καλό εύρος ζώνης. Πιο συγκεκριμένα έχω συντονισμό στα 1.82 GHz, με εύρος ζώνης, 1.6-2.12GHz, BW=520MHz. Κοινά διαγράμματα για διάφορες μεταβολές στις παραμέτρους του SRR. Στο παρακάτω διάγραμμα θα φανεί, πώς μειώνοντας την παράμετρο w, θα χαθεί η λειτουργία για GPS, στη συχνότητα των 1.575GHz. 5 0 Κόκκινο: w=1mm,g=0.5mm, s=0.5mm Μπλε: w=0.5mm,g=0.5mm, s=0.5mm S11(dB) -5-10 -15 X: 1.56 Y: -9.352-20 -25-30 0 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 5.4 Μεταβολές των παραμέτρων της κεραίας κόκκινο: w = 1mm, g = 0.5mm, s = 0.5mm, μπλε: w = 0.5mm, g = 0.5mm, s = 0.5mm Παρατηρείται από το παραπάνω διάγραμμα ότι με τη μείωση του w, μετατοπίζονται όλοι οι συντονισμοί προς τα κάτω. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ο 1 ος, που στην περίπτωση με το αρχικό w = 1 πιάνει την L1 συχνότητα, να μετατοπίζεται τόσο κάτω που πλέον να μην πιάνεται αυτή η συχνότητα(σημειώνεται στο διάγραμμα η συχνότητα που κλείνει η 1 η περιοχή λειτουργίας είναι ίση με 1.56 GHz. Προφανώς η 2 η περιοχή του μπλέ διαγράμματος δεν πιάνει την L1, καθώς είναι φανερό ότι ξεκινάει από τα 1.7 GHz. Άρα έχουμε να κρατήσουμε σαν λειτουργική την περίπτωση w = 1mm, g = 0.5mm, s = 0.5mm. Επίσης προσομοιώθηκαν αρκετές περιπτώσεις για τις διάφορες μεταβολές στις παραμέτρους του SRR και βρέθηκαν άλλες δύο περιπτώσεις για τις οποίες έχουμε λειτουργία στη συχνότητα L1. Αυτές οι περιπτώσεις είναι: (1) w = 1mm, g = 0.5mm, s = 0.25mm (2) w = 1mm, g = 1mm, s = 0.5mm. Για τις τρεις αυτές περιπτώσεις θα φανεί παρακάτω ένα κοινό διάγραμμα, έτσι ώστε να συμπεράνουμε ποια είναι η βέλτιστη. Βασικό μας κριτήριο θα είναι το εύρος ζώνης. 34

5 0 Κόκκινο: w=1mm,g=0.5mm,s=0.5mm Μπλε: w=1mm, g=0.5mm, s=0.25mm Πράσινο: w=1mm,g=1mm,s=0.5mm -5 S11(dB) -10-15 -20-25 -30 0 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 5.5 Μεταβολές των παραμέτρων της κεραίας κόκκινο: w = 1mm, g = 0.5mm, s = 0.5mm, μπλε: w = 1mm, g = 0.5mm, s = 0.25mm, πράσινο: w = 1mm, g = 1mm, s = 0.5mm Φαίνεται ξεκάθαρα από το παραπάνω διάγραμμα ότι η περίπτωση του μπλε διαγράμματος, είναι η πιο ευρυζωνική. Επίσης αυτή η περίπτωση έχει και τέταρτη περιοχή λειτουργίας (5.4-5.7GHz), πολύ χρήσιμη. Πιο συγκεκριμένα το εύρος ζώνης της κάθε περίπτωσης του παραπάνω διαγράμματος είναι: BW κόκκινο = 600MHz, BW μπλε = 920ΜΗz, ΒW πράσινο = 680MHz, αποτελέσματα τα οποία φαίνονται εύκολα μετά από την ανάλυση στο λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε. Επίσης από το παραπάνω διάγραμμα φαίνονται και τα συμπεράσματα του 2 ου κεφαλαίου για τη μετατόπιση των συντονισμών σε σχέση με τη μεταβολή των παραμέτρων του SRR. Άρα η βέλτιστη λύση μέχρι εδώ είναι: w = 1mm, g = 0.5mm, s = 0.25mm. Κοινό διάγραμμα για διάφορες μεταβολές της παραμέτρου W Αξιοποιώντας τα συμπεράσματα που απορρέουν από τα Σχήματα 3.7 και 3.8 της ενότητας 3.3.1, παρουσιάζεται παρακάτω το κοινό διάγραμμα για τις διάφορες μεταβολές της παραμέτρου Wg, που με τη μείωσή της μάλλον θα βελτιωθεί το εύρος ζώνης της κεραίας. g 35

5 0-5 -10 S11(dB) -15-20 -25 Κόκκινο: Wg=40mm Μπλε: Wg=35mm Πράσινο: Wg=30mm -30-35 -40 0 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 5.6 Μεταβολές των παραμέτρων της κεραίας κόκκινο: W g = 40mm, μπλε: W g = 35mm, πράσινο: W g = 3 mm Παρατηρείται από το παραπάνω διάγραμμα, ότι η μείωση του W g, φέρνει βελτίωση του εύρους ζώνης της κεραίας. Πιο συγκεκριμένα το αρχικό BW(W g = 40mm) = 920MHz και το BW(W g = 30mm) = 1200MHz. Επίσης έγιναν προσομοιώσεις για μικρότερα Wg, αλλά φάνηκε ότι κάτω από τα 30mm, αρχίζουν και χαλάνε οι συντονισμοί, αρχίζουν να ανεβαίνουν πάνω από τα -10dB. Επιπλέον έγιναν προσομοιώσεις για τις μεταβολές του l g και φάνηκε ότι η καλύτερη περίπτωση είναι η αρχική επιλογή για l g = 11.55mm. Άρα η βέλτιστη περίπτωση είναι: w = 1mm, g = 0.5mm, s = 0.25mm, Wg = 30mm και οι υπόλοιπες διαστάσεις όπως σχεδιάστηκαν εξ αρχής. Επίσης οι περιοχές λειτουργίας της βέλτιστης περίπτωσης είναι: 1 η (1.52-1.6GHz με συντονισμό 1.58GHz), 2 η (1.84-2.3GHz με συντονισμό 2.02GHz), 3 η (3.68-3.74GHz με συντονισμό 3.72GHz), 4 η (5.28-5.88GHz με συντονισμό 5.62GHz). 5.2.3 Διαγράμματα Ακτινοβολίας Τα διαγράμματα ακτινοβολίας, Ε1 και Ε2, που παρουσιάζονται παρακάτω είναι για την βέλτιστη περίπτωση σχεδίασης και ανάλυσης κεραίας, αυτής της ενότητας, που περιγράφεται στην τελευταία παράγραφο της προηγούμενης υποενότητας. 36

Διαγράμματα Ε1 Σχήμα 5.7 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας (φ = 0, gain/θ, f = 1.58 GHz) Σχήμα 5.8 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας (φ = 0, gain/θ, f = 2.02 GHz) Σχήμα 5.9 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας (φ = 0, gain/θ, f = 3.72 GHz) Σχήμα 5.10 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας (φ = 0, gain/θ, f = 5.62 GHz) Παρατηρείται από τα παραπάνω διαγράμματα ότι στον 1 ο συντονισμό, έχει μέγιστο κέρδος για θ = 90, gain = -6.5dBi, για τον 2 ο έχω μέγιστο κέρδος για θ = 0, gain = -3dBi, για τον 3 ο είναι θ = 45, gain = -1.7dBi και για τον 4 ο θ = 0, gain= 0.5dBi περίπου. 37

Διαγράμματα Ε2 Σχήμα 5.11 2D διάγραμμα ακτινοβολίας, f = 1.58 GHz Σχήμα 5.12 2D διάγραμμα ακτινοβολίας, f = 2.02 GHz Σχήμα 5.13 2D διάγραμμα ακτινοβολίας, f = 3.72 GHz Σχήμα 5.14 2D διάγραμμα ακτινοβολίας, f = 5.62 GHz Παρατηρείται από τα παραπάνω διαγράμματα ότι για τον 1 ο συντονισμό, έχω μέγιστο κέρδος για θ = 85, φ = 90, gain = -6dBi, για τον 2 ο : θ = 0, φ = 90, gain = -3,5dBi, για τον 3 ο : θ = 0, φ = 90, gain = -3dBi και τέλος για τον 4 ο συντονισμό έχω μέγιστο κέρδος για φ = 90, θ = 0, gain = 9dBi. Συμπερασματικά, μέσα από την διαδικασία που περιγράφεται σε αυτή την ενότητα έγινε φανερό ότι μπορεί κανείς, κάνοντας προσεγγιστικές αναγωγές στις διαστάσεις, να κατασκευάσει μία κεραία για μία συγκεκριμένη ζώνη και με τη χρήση του SRR, να δημιουργήσει και άλλες ζώνες λειτουργίας. 38

5.3 Μονοπολική κεραία ομοεπίπεδου κυματοδηγού σχήματος L με διπλό SRR 5.3.1 Σχεδίαση και γεωμετρία της κεραίας. Η δομή της κεραίας που σχεδιάζεται σε αυτή την ενότητα είναι ίδια με αυτή του κεφαλαίου 4. Είναι προφανές ότι οι διαστάσεις θα διαφοροποιηθούν καθώς έχουμε άλλη συχνότητα. Η λογική που ακολουθήθηκε για τη σχεδίαση, είναι η ίδια με την προηγούμενη ενότητα, δηλαδή διάσταση = χ*λ. Στην κεραία που σχεδιάζεται στο κεφάλαιο 4, οι διαστάσεις τίθενται για τη συχνότητα των 2.45GHz. Το μήκος κύματος σε αυτή την συχνότητα είναι: λ=c/f=0.122m=122mm. Άρα για κάθε διάσταση της κεραίας του κεφαλαίου 4 (οι διαστάσεις που χρησιμοποιούνται παρακάτω για να βγεί ο συντελεστής χ είναι αυτές της βιβλιογραφίας) έχουμε: l g =10mm=x*122mm, άρα x=10/122=0.081 (περίπου). Αυτό σημαίνει ότι για σχεδίαση σε άλλη συχνότητα θα έχω l g =0.081*λ (όπου λ το μήκος κύματος της κάθε συχνότητας). Wg=11.5mm=x*122mm, άρα: x=11.5/122=0.094 (περίπου). Άρα, γενικά: W g =0.094*λ. lm=11.8mm=x*122mm, άρα: x=11.8/122=0.096 (περίπου). Άρα, γενικά: l m =0.096*λ. Ομοίως k m =0.096*λ. y=7.4mm=x*122mm, x=7.4/122=0.06. y=0.06*λ. z=7.4mm=x*122mm, x=7.3/122=0.06. z=0.06*λ. Στην συχνότητα των 1.575GHz, το μήκος κύματος θα είναι: λ=0.19m=190mm. Άρα, σε αυτή τη συχνότητα οι διαστάσεις θα είναι: l g =0.081*190mm=15.39(το στρογγυλοποιείται για την ανάλυση στο λογισμικό στο 15.5) W g =0.094*190mm=17.86mm(στρογγυλοποιείται στα 18mm) lm=k m =0.096*190mm=18.24mm( στρογγυλοποιείται στα 18mm) y=0.06*190mm=11.4mm(11.5mm) z=0.06*190mm=11.4mm(11.5mm) 39

Επίσης τίθεται για το SRR: w = 1mm, t = 0.5mm, g = 0.5mm. Επίσης θεωρείται κενό μεταξύ αγωγού τροφοδοσίας και ground g(f-g)=0.5mm, άρα το πλάτος του αγωγού τροφοδοσίας, με τη συμφωνία προσαρμογής στην είσοδο, μετά από προσομοίωση σε λογισμικό-εφαρμογή για coplanar-waveguides, προκύπτει w m = 5mm. Η γεωμετρία της κεραίας που σχεδιάστηκε φαίνεται παρακάτω, στο επίπεδο του ακτινοβολητή που είναι το ίδιο με το επίπεδο του ground, δηλαδή το επίπεδο της κεραίας. Σχήμα 5.15 Γεωμετρία της κεραίας 5.3.2 Διαγράμματα του συντελεστή ανάκλασης S 11 0-5 -10 S11(dB) -15-20 -25 0 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 5.16 Συντελεστής ανάκλασης κεραίας ομοεπίπεδου κυματοδηγού χωρίς το SRR 40

Παρατηρείται από το παραπάνω διάγραμμα, ότι πιάνεται η συχνότητα L1. Επίσης παρατηρείται ένα εκπληκτικό εύρος ζώνης. Πιο συγκεκριμένα ο συντονισμός είναι στα 1.84GHz, με εύρος ζώνης (1.52-3.26GHz), δηλαδή BW NOSRR =1.74GHz. Κοινά διαγράμματα για διάφορες μεταβολές στις παραμέτρους του SRR. Πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις για διάφορες μεταβολές των παραμέτρων του SRR, όμως στο παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζονται μόνο οι περιπτώσεις για τις οποίες υπάρχει η λειτουργία στα 1575ΜΗz. 5 0-5 -10-15 S11(dB) -20-25 Κόκκινο: w=1mm,g=0.5mm,s=0.5mm Μπλε: w=1mm,g=0.5mm,s=0.25mm Πράσινο: w=1mm,g=1mm,s=0.5mm -30-35 -40-45 0 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 5.17 Μεταβολές των παραμέτρων της κεραίας κόκκινο: w = 1mm, g = 0.5mm, s = 0.5mm, μπλε: w = 1mm, g = 0.5mm, s = 0.25mm, green: w = 1mm, g = 1mm, s =0.5mm Παρατηρείται από το παραπάνω διάγραμμα ότι η περίπτωση του μπλε διαγράμματος είναι η πιο ευρυζωνική. Πιο συγκεκριμένα: BW κοκκινο = 2120ΜΗz, BW μπλε = 2280ΜΗz, BW πρασινο = 2220ΜΗz. Βέβαια όπως φαίνεται η 4 η περιοχή είναι στα 6.3GHz. Μπορούμε χωρίς βλάβη στη γενικότητα του προβλήματος να πούμε ότι δεν μας ενδιαφέρει η 4 η περιοχή. Έτσι να δούμε ποια περίπτωση έχει μεγαλύτερο εύρος ζώνης στις τρεις πρώτες περιοχές όπου έχουμε περισσότερες εφαρμογές για επίπεδες κεραίες. Η περίπτωση που έχει το μεγαλύτερο εύρος ζώνης στις τρεις πρώτες περιοχές είναι προφανώς η περίπτωση του πράσινου διαγράμματος. Η περίπτωση αυτή έχει BW = 2080MHz. Να ειπωθεί ότι για την περίπτωση του πράσινου διαγράμματος έγιναν προσομοιώσεις για διάφορες μεταβολές των γεωμετρικών παραμέτρων W g, l g. Καμία όμως δεν ήταν καλύτερη από την αρχική. Παρατηρήθηκαν περιπτώσεις μείωσης του εύρους ζώνης και περιπτώσεις που παραλίγο να εξαφανιστεί η δεύτερη περιοχή λειτουργίας. Η βέλτιστη περίπτωση, σύμφωνα και με τα παραπάνω, είναι: w = 1mm, g = 1mm, s = 0.5mm και όλες οι υπόλοιπες διαστάσεις όπως ορίστηκαν εξ αρχής. Οι 41

περιοχές λειτουργίας αυτής της περίπτωσης είναι: 1 η (1.4-1.8GHz με συντονισμό στα 1.62GHz), 2 η (1.98-3.34GHz), 3 η (3.84-4.16GHz με συντονισμό στα 3.86GHz), 4 η (6.22-6.34GHz με συντονισμό στα 6.32GHz). 5.3.3 Διαγράμματα Ακτινοβολίας Τα διαγράμματα ακτινοβολίας Ε1 και Ε2 θα γίνουν για τις τρεις πρώτες περιοχές, διότι όπως εξηγείται παραπάνω αυτές είναι κυρίως που θεωρούνται αξιοποιήσιμες. Τα διαγράμματα θα γίνουν στις συχνότητες συντονισμού της πρώτης και της τρίτης περιοχής και στις συχνότητες 2.4 και 3.04 της δεύτερης περιοχής. Διαγράμματα Ε1 Σχήμα 5.18 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας (φ = 0, gain/θ, f = 1.62 GHz) Σχήμα 5.19 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας (φ = 0, gain/θ, f = 2.4 GHz) Σχήμα 5.20 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας Σχήμα 5.21 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας (φ = 0, gain/θ, f = 3.04 GHz) (φ = 0, gain/θ, f = 3.86 GHz) 42

Παρατηρείται από τα παραπάνω διαγράμματα ότι στον 1 ο συντονισμό έχουμε μέγιστο κέρδος για θ = 0, gain = -5dBi, στη συχνότητα 2.4GHz έχουμε μέγιστο κέρδος για θ = 0, gain = -2dBi, στη συχνότητα 3.04GHz έχουμε μέγιστο κέρδος για θ = 0, gain = -0.2dBi και τέλος στον συντονισμό της τρίτης περιοχής έχουμε μέγιστο κέρδος για θ = 25 (περίπου), gain = -2dBi. Διαγράμματα E2 Σχήμα 5.22 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας Σχήμα 5.23 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας (φ = 0, gain/θ, f = 1.62 GHz) (φ = 0, gain/θ, f = 2.4 GHz) Σχήμα 5.24 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας Σχήμα 5.25 Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας (φ = 0, gain/θ, f = 3.04 GHz) (φ = 0, gain/θ, f = 3.86 GHz) Παρατηρείται από τα παραπάνω διαγράμματα ότι για τον 1 ο συντονισμό υπάρχει μέγιστο κέρδος για φ = 90, θ = 0, gain = 2dBi, για τη συχνότητα 2.4GHz υπάρχει μέγιστο κέρδος για φ = 90, θ = 0, gain = 5dBi, για τη συχνότητα 3.04 το μέγιστο κέρδος υφίσταται για φ = 90, θ = 0, gain = 7.5dBi και τέλος για τον συντονισμό της τρίτης περιοχής, για φ = 25, θ = 0, gain = 3dBi. Σε αυτή την ενότητα επιβεβαιώνεται ο επίλογος της προηγούμενης ενότητας. Επίσης να προστεθεί ότι όταν σχεδιάζει κανείς κεραίες, για να επιλέξει τη βέλτιστη λύση θα πρέπει 43

να ελέγχει τις περιοχές που πιάνει η εκάστοτε κεραία και να αξιολογεί το εύρος ζώνης της κεραίας στις περιοχές που είναι εφαρμόσιμες και χρήσιμες. 44

6. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 6.1 Πειραματική υλοποίηση Για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων επιλέξαμε την πιο χαρακτηριστική και επιτυχημένη σχεδίαση κεραίας, την οποία και κατασκευάσαμε με τη χημική διαδικασία. Συγκεκριμένα, κατασκευάστηκε κεραία με τροφοδοσία ομοεπίπεδου κυματοδηγού και διαστάσεις που φαίνονται στο σχήμα 5.17 (με πράσινο χρώμα). Ο συντελεστής ανάκλασης, μετρήθηκε με τη βοήθεια αναλυτή κυκλωμάτων (network analyzer) Το συγκριτικό διάγραμμα της προσομοίωσης και της μέτρησης φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 5 0-5 -10-15 S11(dB) -20-25 -30 Κόκκινο:Προσομοίωση Μπλε: Πειραματική Μέτρηση -35-40 -45 0 1 2 3 4 5 6 7 8 f(ghz) Σχήμα 6.1 Σύγκριση μετρήσεων και προσομοίωσης Όπως φαίνεται από το παραπάνω διάγραμμα, η πειραματική μέτρηση είναι αρκετά κοντά στο αποτέλεσμα της προσομοίωσης. Με την κατασκευασμένη κεραία πιάνουμε την συχνότητα L1, έχουμε αρκετά καλό συντονισμό στην 2 η περιοχή και τέλος η 3 η περιοχή είναι λίγο μετατοπισμένη προς τα κάτω. Έτσι όπως φαίνεται από το σχήμα οι συντονισμοί του πειραματικού αποτελέσματος εάν ήταν κατά 5dB πεσμένοι προς τα κάτω τότε το πειραματικό 45

με το αποτέλεσμα της προσομοίωσης σχεδόν θα ταυτίζονταν. Θεωρείται ότι οι συντονισμοί του πειράματος είναι ανεβασμένοι, λόγω κακής προσαρμογής στην τροφοδοσία της κατασκευασμένης κεραίας, εξαιτίας του προσαρμογέα (connector). Η τέταρτη περιοχή δεν σχολιάζεται καθώς δεν ενδιαφέρει όπως αναφέρθηκε στην ενότητα 5.3.2, όμως υπάρχει και αρκετά καλή αντιστοιχία και στην περίπτωση αυτή. 6.2 Συμπεράσματα Από την παραπάνω σχεδίαση και ανάλυση βγαίνει το συμπέρασμα ότι αν διαφοροποιηθούν λίγο οι διαστάσεις στη σχεδίαση μιας επίπεδης κεραίας, γεγονός το οποίο αλλάζει και τα βέλτιστα και επιθυμητά αποτελέσματα, μπορεί με μεταβολές των γεωμετρικών παραμέτρων του SRR αλλά και συνολικότερα της δομής της κεραίας ακόμα και με την πρόσθεση παρασιτικών στοιχείων, η επιθυμητή βέλτιστη λειτουργία μπορεί να επιτευχθεί ή να προσεγγισθεί με αξιώσεις. Όμως κάτι που θέλει αρκετή προσοχή είναι η παράμετρος του πλάτους τροφοδοσίας που παίζει κυρίαρχο ρόλο για την επίτευξη προσαρμογής της εισόδου της επίπεδης κεραίας. Επίσης βγαίνει το συμπέρασμα ότι η υλοποίηση επίπεδης κεραίας με τη χρήση διπλού-srr, δίνει αρκετές δυνατότητες για την επίτευξη διαφόρων χρήσιμων περιοχών λειτουργίας αρκεί να τηρούνται τα συμπεράσματα για τη μεταβολή των παραμέτρων του SRR. Τέλος, ελπίζουμε πώς η παραπάνω συνολική διαδικασία σχεδίασης και ανάλυσης να αποτελεί μία διαδικασία χρήσιμων και ουσιαστικών συμπερασμάτων για τη σχεδίαση επίπεδων κεραιών με τη συγκεκριμένη δομή. 46

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Τραϊανός Β. Γιούλτσης και Εμμανουήλ Ε. Κριεζής, Μικροκύματα, Εκδοτικός Οίκος Αδελφών Κυριακίδη Α.Ε., 2008. [2] Τραϊανός Β. Γιούλτσης, Ειδικές Κεραίες - Σύνθεση Κεραιών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, 2004. [3] D. K. Ntaikos, N. K. Bourgis, T. V. Yioultsis, Metamaterial-based electrically small multiband planar monopole antennas, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 10, 2011, pp. 963-966. [4] M. Kafesaki, Th. Koschny, R. S. Penciu, T. F. Gundogdu, E. N. Economou and C. M. Soukoulis, Left-handed metamaterials: detailed numerical studies of the transmission properties, J. Opt. A: Pure Appl. Opt., vol. 7, 2005, pp. S12 S22. [5] W.-J. Liao, S.-H. Chang, and L.-K. Li, A compact planar multiband antenna for integrated mobile devices, Progress In Electromagnetics Research, vol. 109, 2010, pp. 1-16. [6] C. Won, Y. Kim, and H.-M. Lee, A compact microstrip patch antenna with T-shaped slits for portable GPS handsets, 6th International Symposium on Antennas Propagation and EM Theory, 2003, pp. 335 338. [7] S. Hong, W. Kim, H. Park, S. Kahng and J. Choi, Design of an internal multiresonant monopole antenna for GSM900/DCS1800/US-PCS/S-DMB operation, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 56 (5), 2008, pp. 1437-1443. [8] H. I. Hraga, C. H. See, R. A. Abd-Alhameed, D. Zhou, S. Adnan, I.T.E. Elfergani and P. S. Excell, Small wideband antenna for GSM and WLAN Application, Antennas and Propagation (EuCAP), 2010 Proceedings of the Fourth European Conference, April 2010. [9] A. Serra, P. Nepa, G. Manara and R. Massini, A low-profile linearly polarized 3D PIFA for handheld GPS terminals, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 58 (4), 2010. 47