Έλεγχος της λειτουργίας σύγχρονων κεραιών με τη χρήση μεταϋλικών

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο έλεγχος της λειτουργίας των σύγχρονων κεραιών με τη χρήση μεταϋλικών. Τα μεταϋλικά (metamaterials) ή αλλιώς αριστερόστροφα υλικά κατασκευάζονται από τον άνθρωπο με σκοπό να φέρουν κάποιες επιθυμητές ιδιότητες, οι οποίες δεν μπορούν να βρεθούν στη φύση. Η εισαγωγή των μεταϋλικών στις σύγχρονες κεραίες δύναται να βελτιώσει σημαντικά τον τρόπο λειτουργίας τους με την ελάττωση της συχνότητας συντονισμού, τη διεύρυνση του εύρους ζώνης ή την αύξηση του κέρδους και της απόδοσής τους. Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκαν πολλές προσομοιώσεις κεραιών, ελέγχθηκαν πιθανές μεταβολές στον τρόπο λειτουργίας τους με την προσθήκη διατάξεων μεταϋλικών και εξετάστηκε η επίδραση της αλλαγής της γεωμετρίας, του αριθμού, καθώς και της χωρικής τοποθέτησης τους στο τελικό αποτέλεσμα. Στο πρώτο κεφάλαιο, ξεκινάμε με μια σύντομη εισαγωγή στις κεραίες και τα είδη τους. Ακολουθεί μια συνοπτική αναφορά για τα μεταϋλικά και έπεται η βιβλιογραφική ανασκόπηση διάφορων επιστημονικών μελετών για την επίδραση των μεταϋλικών στις σύγχρονες κεραίες. Στο δεύτερο κεφάλαιο, αφού δοθεί το θεωρητικό υπόβαθρο των μεταϋλικών, προσδιορίζονται πλήρως τα είδη και οι τύποι τους. Έπειτα, αναλύονται οι ιδιότητες τους και παρουσιάζονται οι σημαντικότερες εφαρμογές τους. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται ο σχεδιασμός των κεραιών που μελετήσαμε και οι προσομοιώσεις που υλοποιήσαμε, με σκοπό τον έλεγχο λειτουργίας τους με την επίδραση των μεταϋλικών. Μελετούμε τη μεταβολή στη συμπεριφορά μιας κεραίας που βασίζεται στην απλή μονοπολική κεραία, υπό την επίδραση των μεταϋλικών. Ακολουθεί ο έλεγχος της επίδρασης του αριθμού και της τοποθεσίας των διατάξεων των μεταϋλικών σε μια κεραία μικροταινίας. Κατόπιν, διερευνάται η επιρροή που ασκεί η ενσωμάτωση ενός συμπληρωματικού συντονιστή διακεκομμένου δακτυλίου (CSRR) και ενός ανοιχτού συμπληρωματικού συντονιστή διακεκομμένου δακτυλίου (OCSRR) σε μια μονοπολική κεραία. Στο πλαίσιο της έρευνας μας βελτιώνουμε τη συμπεριφορά των κεραιών που προαναφέραμε με την ενσωμάτωση δυο διατάξεων μεταϋλικών στην πίσω όψη του υποστρώματος των κεραιών και την προσθήκη ενός επιπλέον υποστρώματος. Τέλος, ασχολούμαστε με την επίδραση των αριστερόστροφων υλικών σε ένα σύστημα πολλαπλών εισόδων και εξόδων (MIMO). Στο τέταρτο κεφάλαιο, παρατίθενται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη διπλωματική εργασία και προτείνονται κατευθύνσεις προς τις οποίες μπορεί να επεκταθεί η παρούσα εργασία.

The main purpose of this diploma thesis is to control the operation of modern antennas using metamaterials. Metamaterials or else left-handed materials have been manufactured in order to have some desirable properties which cannot be found in nature. The introduction of metamaterials in modern antennas can significantly improve the way that they operate. Their inclusion can improve the frequency that an antenna is tuned, to widen the range of the operational domain and to increase the gain and performance. As part of this thesis, several antenna simulations were performed. Furthermore, some possible changes in the operation mode with the addition of metamaterials provisions and the effect of changing their geometry, number, and location in the final result were controlled. In the first chapter, we begin with a brief introduction to the antennas and their types. Then, a concise report on metamaterials and a literature review of important scientific studies on the effects of metamaterials on modern antennas were mentioned. In the second chapter, after the theoretical background of metamaterials, we define their type. Then, we analyze their properties and present the most important applications. In the third chapter, we describe the designs of the antennas that we have studied and the simulations that have been implemented for the purpose of controlling the effects of metamaterials on modern antennas. We study the change in the behavior of an antenna that is based on the simple unipolar antenna under the influence of metamaterials. Thereafter, we control the effect of the number and location of metamaterial’s on a microstrip antenna. Then, we explore the influence of the incorporation of a complementary split ring resonator (CSRR) and an open complementary split ring resonator (OCSRR) in a monopolar antenna. In our research, we improve the behavior of the antennas mentioned above by incorporating metamaterials on the back of the antenna’s substrate and the addition of another substrate. Finally, we deal with the influence of left-handed materials in a multiple input multiple output system (MIMO). The fourth chapter presents the conclusions that have been reached by the completion of the thesis and we suggest directions that can extend this work.