Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το θέμα των έξυπνων κεραιών. Οι έξυπνες κεραίες αποτελούν μια τεχνολογία αιχμής στον κόσμο των κινητών και προσωπικών τηλεπικοινωνιών. Στο πρώτο κεφάλαιο δίνονται κάποια εισαγωγικά στοιχεία για τις έξυπνες κεραίες και επιχειρείται να εξηγηθεί ποιο κενό καλύπτουν και πως. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στη θεωρία κεραιών, η οποία είναι απαραίτητη για να κατανοήσουμε την λειτουργία των έξυπνων κεραιών. Δίνεται έμφαση στη θεωρία των στοιχειοκεραιών. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται σύντομη αναφορά στη θεωρία της κινητής τηλεφωνίας. Η αναφορά αυτή κρίνεται σκόπιμη καθώς σε αυτό το τομέα μελετούμε την εφαρμογή της τεχνολογίας των έξυπνων κεραιών. Έπειτα στο τέταρτο κεφάλαιο εμβαθύνουμε θεωρητικά και μελετούμε θέματα πάνω στις έξυπνες κεραίες. Πως ένα απλό σύστημα κεραιών γίνεται εν τέλει «έξυπνο». Δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στους αλγόριθμους εκείνους κρίσιμους για την λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος. Στο πέμπτο και στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε την προσομοίωση που έγινε στα πλαίσια της εργασίας. Ειδικότερα στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε μια μελέτη πάνω στις συστοιχίες κεραιών για να αποφανθούμε ποια συστοιχία θα μπορούσε να λειτουργήσει σ ένα σύστημα έξυπνων κεραιών. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια προσομοίωση ενός πολύ απλού έξυπνου συστήματος και γίνεται μια απλή επίδειξη για το πώς θα μπορούσε να λειτουργήσει. Ολόκληρος ο κώδικας που χρησιμοποιήθηκε δίνεται στο παράρτημα. / This thesis deals with the subject of smart antennas. Smart antennas are a cutting edge technology in the field of mobile and personal telecommunications. In the first chapter we give introductory information about smart antennas and we attempt to answer why this technology is vital to the progress of telecommunication technology. In the second chapter we analyze antenna theory and emphasize on antenna arrays. This analysis is needed to understand the basics of smart antenna operation. In the third chapter we make a brief reference on mobile communications theory to understand why an advancement is needed on the field. In the fourth chapter we delve deeper into theoretical analysis of smart antennas. We make an attempt to understand what makes this system “smart” and emphasize on the algorithms that are the basis of this system. In the fifth and sixth chapters, we present the simulation that took place for this thesis. At first, we make a thorough analysis on antenna arrays and determine which array configuration could work with a smart antenna system. Lastly, in the sixth chapter we present a simple simulation with the algorithms mentioned above showing how such a system could work. The code used for the two simulations is given at the end of this thesis.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται µία µελέτη τυπωµένων κεραιών γεωµετρίας φράκταλ για ασύρµατες τερµατικές συσκευές, µε έµφαση στις εφαρµογές των κινητών επικοινωνιών και των ασύρµατων τοπικών δικτύων. Η ραγδαία εξέλιξη των ασύρµατων επικοινωνιών είχε ως αποτέλεσµα την σηµαντική µείωση των διαστάσεων των τερµατικών συσκευών, την ολοκλήρωση διαφορετικών υπηρεσιών διαφορετικών συχνοτήτων λειτουργίας στην ίδια συσκευή και την ανάγκη πολλαπλών κεραιών για την αντιµετώπιση του φαινοµένου της διάλειψης και της διασυµβολικής παρεµβολής του ασύρµατου καναλιού. Αυτές οι εξελίξεις έθεσαν καινούργιες απαιτήσεις στην σχεδίαση της κεραίας οδηγώντας στην ανάγκη κεραιών εξαιρετικά µικρών διαστάσεων, πολυσυχνοτικών, χαµηλού κόστους, υψηλής απόδοσης και επιθυµητών χαρακτηριστικών ακτινοβολίας κατά περίπτωση. Στα πλαίσια της διατριβής διερευνήθηκε η ικανότητα σµίκρυνσης και παραγωγής πολυσυχνοτικής συµπεριφοράς που παρουσιάζουν τα σχήµατα γεωµετρίας φράκταλ αν χρησιµοποιηθούν σαν κεραίες. Αρχικά προτείνεται µία καινούργια κατηγορία κεραιών, οι τυπωµένες µονοπολικές κεραίες γεωµετρίας φράκταλ και συγκρίνονται διάφορες γεωµετρίες φράκταλ τόσο ως προς την ικανότητα σµίκρυνσης όσο και ως προς τα χαρακτηριστικά εµπέδησης και ακτινοβολίας που παρουσιάζουν. Εξετάζεται ο καθοριστικός ρόλος του επιπέδου γείωσης αυτής της κατηγορίας κεραιών και εξάγονται γενικά συµπεράσµατα για την εκµετάλλευσή του µε τον βέλτιστο δυνατό τρόπο. Επιπλέον διερευνήθηκε η χρήση των σχηµάτων φράκταλ για την µείωση των διαστάσεων των µικροταινιακών κεραιών. Η φράκταλ ορθογώνια καµπύλη προτείνεται για εφαρµογές γραµµικής και κυκλικής πόλωσης, η οποία παρουσιάζει σηµαντική ικανότητα σµίκρυνσης και προσφέρει πολλούς σχεδιαστικούς βαθµούς ελευθερίας που µπορούν να χρησιµοποιηθούν είτε για περαιτέρω µείωση του µεγέθους της είτε για την διατήρηση του εύρους ζώνης της σε ικανοποιητικά επίπεδα. Λόγω του συµπαγούς σχήµατος και των επιθυµητών χαρακτηριστικών των τυπωµένων µονοπολικών και µικροταινιακών κεραιών φράκταλ, µελετάται περαιτέρω η χρησιµοποίησή τους για την υλοποίηση συστηµάτων πολλαπλών κεραιών µε σκοπό την βελτίωση της ποιότητας του λαµβανοµένου σήµατος. Ακόµη µελετάται η ικανότητα παραγωγής πολυσυχνοτικής συµπεριφοράς της µονοπολικής κεραίας Sierpinski και προτείνεται µία τροποποίηση η οποία µειώνει σηµαντικά το µέγεθος της κεραίας και καθίσταται δυνατόν να τυπωθεί σε ασύρµατες συσκευές µικρού µεγέθους. Επιπλέον, διερευνώνται διάφορες τεχνικές για να ελεγχθούν οι συχνότητες συντονισµού της κεραίας και να συµπέσουν µε τις εκάστοτε επιθυµητές µπάντες λειτουργίας. Τέλος εξετάζεται η επίδραση των διαστάσεων του επιπέδου γείωσης στα χαρακτηριστικά εµπέδησης του συστήµατος. / This Ph.D. thesis presents a comprehensive study on printed fractal antennas for wireless terminal devices, with emphasis on mobile and wireless local area network applications. The rapid evolution of wireless communications resulted in a decrease of terminal devices’ dimensions, in the integration of different services, operating in different spectra, in the same device and finally in the deployment of multiple antenna systems to mitigate the phenomena of fading and intersymbol interference of wireless channel. These evolutions, in turn, set new demands on antenna’s design leading to the necessity of exceptionally small, multiband and low cost radiators possessing high efficiency and desirable radiation characteristics. In the context of the present work, the miniaturization and multiband ability of fractal shaped antennas is examined. Initially a new antenna type is proposed, that of printed fractal monopole antennas, and several innovative fractal shaped monopoles are compared with respect to their miniaturization ability, input impedance and radiation characteristics. The important role of the ground plane is also investigated and general conclusions are drawn to exploit its effects in the most appropriate way. The application of fractals on microstrip antennas was further studied with the fractal rectangular curve (frc) microstrip antenna being proposed for linear and circular polarization applications. The frc microstrip antenna proved to possess a noticeable miniaturization ability and a geometry with several degrees of freedom that can be used either to reduce further its size, or to keep the bandwidth to a satisfactory level. Due to the compact size and desirable electrical characteristics of printed monopole and microstrip fractal antennas, they were further considered for the implementation of multi element antenna systems in order to improve the SNR of the received signal. Finally, the multiband ability of the Sierpinski monopole antenna is investigated and a modification is proposed to decrease the overall antenna height making it feasible to be printed in small terminal devices. Several techniques to allocate the desirable bands of interest are also discussed along with the effect the ground plane dimension’s on the system’s input impedance.

Η χρήση της προηγμένης τεχνολογίας για την παροχή υγειονομικής περίθαλψης από απόσταση έχει τη δυνατότητα να είναι μία από τις πιο καθοριστικές ιατρικές επαναστάσεις του 21ου αιώνα. Είναι κοινώς αποδεκτό ότι η σύγχρονη ασύρματη τεχνολογία θα διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη της προηγμένης τηλεϊατρικής. Η ανάπτυξη των εμφυτεύσιμων ιατρικών συσκευών (IMDs) είναι μία από τις πιο σημαντικές πτυχές για την εγκαθίδρυση ενός τέτοιου προηγμένου συστήματος υγειονομικής περίθαλψης. Σημαντικό στοιχείο των εμφυτεύσιμων συσκευών είναι κεραίες που ενσωματώνονται σε τέτοια συστήματα και επιτρέπουν την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ των εμφυτεύσιμων συσκευών με το εξωτερικό περιβάλλον. Η εν λόγω εργασία έγινε σε συνεργασία με την ερευνητική ομάδα της MediWise Ltd. Η λύση που προτείνεται στην παρούσα εργασία είναι μια βελτιστοποιημένη εμφυτεύσιμη κεραία για ασύρματη δοσιμετρία ακτινοβολίας για χρήση σε ακτινοθεραπεία εξωτερικής δέσμης, που έχει ως στόχο να αναπτυχθεί περαιτέρω στο μέλλον, προκειμένου να παραχθεί ένα εμπορικά βιώσιμο προϊόν. Η διατριβή παρουσιάζει το σχεδιασμό των δύο τύπων των εμφυτεύσιμων δομών κεραίας που είναι πιο κατάλληλα για την ελαχιστοποίηση των διαστάσεων, και επικεντρώνεται στην ανάπτυξη ενός εμφυτεύσιμου σχεδιασμού της κεραίας που είναι μικρότερο από 5 x 5 χιλιοστά σε μέγεθος το οποίο λειτουργεί στα 402 - 405 MHz MICS μπάντα και στην βελτιστοποίηση της επιλεγμένης εμφυτεύσιμης κεραία για εύρος ζώνης, απώλεια επιστροφής, ακτινοβολία, κλπ. και αποσκοπεί στην περαιτέρω σμίκρυνση της κεραίας σε μέγεθος 1 x 1 χιλιοστά. / The use of advanced technology to deliver healthcare from a distance has the potential to be one of the defining medical revolutions of the 21st century. It is commonly recognized that modern wireless technology will play an important role in making advanced telemedicine possible. The development of implantable medical devices (IMDs) is one of the most important aspects towards establishing such an advanced healthcare system. Essential element of implantable devices are antennas embedded in such systems, which enable the exchange of data between implantable devices and external environment. The underlying project was ran in collaboration with MediWise Ltd. The solution proposed in this dissertation is an optimised implantable antenna, for wireless radiation dosimetry for usage within external-beam radiotherapy, which aims to be further developed in the future in order to produce a commercially viable product. The dissertation presents the design of two types of implantable antenna structures that are suitable for miniaturisation, and focuses on the development of an implantable antenna design that is smaller than 5 x 5 mm in size which operates at 402 - 405 MHz MICS band and on the optimization of the chosen implantable antenna for bandwidth, return loss, radiation, etc. and aim to miniaturise further the antenna at 1 x 1 mm in size.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, σχεδίαση και εξομοίωση τυπωμένων υπερευρυζωνικών κεραιών, κατάλληλων για χρήση σε ασύρματα δίκτυα προσωπικού χώρου. Στο πρώτο κεφάλαιο, ορίζονται βασικές έννοιες της θεωρίας κεραιών που είναι απαραίτητες για την κατανόηση των κεφαλαίων που ακολουθούν. Επιπλέον, γίνεται μια μικρή αναφορά στο πρόγραμμα ADS Momentum που χρησιμοποιήσαμε κατά την εξομοίωση των κεραιών. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, η ιστορική εξέλιξη, τα πλεονεκτήματα καθώς και οι σημαντικότερες εφαρμογές της υπερευρυζωνικής τεχνολογίας Στο τρίτο κεφάλαιο, περιγράφονται οι επιθυμητές ιδιότητες των υπερευρυζωνικών κεραιών, κάποιες τεχνικές επίτευξης προσαρμογής σε μεγαλύτερο εύρος συχνοτήτων και παράμετροι βέλτιστου σχεδιασμού των στοιχείων. Εν συνεχεία, γίνεται αναφορά σε όλες τις κατηγορίες υπερευρυζωνικών κεραιών και τέλος παρατίθενται παραδείγματα για κάθε μία από τις τρεις κατηγορίες τυπωμένων κεραιών που θα εξετάσουμε. Στο τέταρτο κεφάλαιο, μελετώνται οι μονοπολικές τυπωμένες υπερευρυζωνικές κεραίες. Για τον σκοπό αυτό σχεδιάστηκαν και εξομοιώθηκαν δύο μονοπολικές κεραίες κυκλικού δίσκου τροφοδοτούμενες, η πρώτη από μικροταινιακή γραμμή και η δεύτερη από ομοεπίπεδο κυματοδηγό. Στο πέμπτο κεφάλαιο, μελετώνται οι διπολικές τυπωμένες υπερευρυζωνικές κεραίες. Για τον σκοπό αυτό σχεδιάστηκε και εξομοιώθηκε η δίπλευρη τυπωμένη κεραία παπιγιόν αλλά και η τυπωμένη ελλειπτική διπολική κεραία. Στο έκτο κεφάλαιο, μελετώνται οι τυπωμένες κεραίες σχισμής. Για τον σκοπό αυτό σχεδιάστηκαν και εξομοιώθηκαν δύο ελλειπτικές κεραίες σχισμής τροφοδοτούμενες η πρώτη από μικροταινιακή γραμμή και η δεύτερη από ομοεπίπεδο κυματοδηγό. Επιπλέον οι γραμμές μεταφοράς των κεραιών καταλήγουν σε stub διαφορετικού σχήματος. Στο έβδομο, τέλος, κεφάλαιο γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση των αποτελεσμάτων, ενώ παρατίθενται συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντική ενασχόληση πάνω στο θέμα των τυπωμένων υπερευρυζωνικών κεραιών. / The present diploma thesis will focus on the study, design and simulation of printed Ultrawideband antennas. These antennas are suitable for high data rate wireless personal area networks. The first chapter includes key definitions of antenna theory. Moreover, the program ADS Momentum that was used during the simulations is presented. In the second chapter, we present the key attributes, the advancement, the advantages and the most crucial applications of UWB technology. The third chapter depicts the desirable attributes of UWB antennas. In addition, some common matching, and element design techniques are presented. Furthermore, Ultrawideband antenna categories are introduced. Finally, some interesting examples of printed Ultrawideband antennas are mentioned. In the fourth chapter, printed UWB monopole antennas are being studied. For this purpose two printed circular disc monopole antennas were designed and simulated. The former fed by a microstrip line and the latter by a coplanar waveguide. In the fifth chapter, printed UWB dipole antennas are being studied. A double sided printed bow tie antenna and an elliptical dipole antenna were designed and simulated. In the sixth chapter, printed UWB slot antennas are being studied. For this purpose two printed elliptical slot antennas were designed and simulated. The former fed by a microstrip line and the latter by a coplanar waveguide. Finally, the seventh chapter includes a comparison of the simulated antennas along with conclusions and proposed future work.

Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η υλοποίηση ενός αλγορίθμου για την ανίχνευση και παρακολούθηση του δορυφορικού σήματος υπό διάφορες συνθήκες διάδοσης στο κανάλι. Αρχικά αναλύεται η δομή ενός δορυφορικού συστήματος επικοινωνιών και περιγράφονται τα σημαντικότερα στοιχεία του τόσο στο επίγειο όσο και στο διαστημικό τμήμα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται το περιβάλλον του καναλιού μέσα στο οποίο γίνεται η διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και αναλύονται οι σημαντικότεροι παράγοντες εξασθένισης και αλλοίωσης του σήματος. Τέλος, γίνεται αναφορά στα σημαντικότερα υπάρχοντα συστήματα παρακολούθησης των δορυφορικών κεραιών σε ένα από τα οποία βασίστηκε και ο αλγόριθμος παρακολούθησης που δημιουργήθηκε μέσω του προγράμματος Matlab. / The main purpose of this thesis is the development of a basic algorithm capable of tracking the satellite signal under various propagation scenarios. At first, an analytical presentation of both earth and the space segment of the satellite system is being held. Afterwards, the basic elements of the satellite link are explained, as well as their negative effects on the radio-wave propagation mechanism. Finally, a brief reference on the most used antenna tracking systems is made, before we move on to the development of our own step-tracking algorithm in order to simulate the antenna tracking procedure under realistic transmission conditions.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται μια μελέτη τυπωμένων κεραιών ευκλείδειας, αλλά και φράκταλ, κυρίως, γεωμετρίας, για ασύρματες τερματικές συσκευές. Συγκεκριμένα μελετώνται για πρώτη φορά η φράκταλ καμπύλη του Hilbert, του Peano καθώς και η ευκλείδεια γεωμετρία σχήματος Μαιάνδρου, ως γεωμετρία για κεραία σε μια τυπωμένη διάταξη, τέτοια ώστε να χρησιμοποιείται το επίπεδο γείωσης των ασύρματων συσκευών σαν ένα τμήμα του ακτινοβολούμενου συστήματος. Στα πλαίσια της διπλωματικής εξετάζεται η ικανότητα σμίκρυνσης και παραγωγής πολυσυχνοτικής συμπεριφοράς των παραπάνω γεωμετριών, αν χρησιμοποιηθούν ως κεραίες, καθώς και τα χαρακτηριστικά εμπέδησης και ακτινοβολίας τους. Επιπλέον διερευνάται ο ρόλος του επιπέδου γείωσης στην ακτινοβολία του συστήματος, η κατανομή του ρεύματος στα διάφορα μέρη της διάταξης καθώς και η μεταβολή των διαγραμμάτων ακτινοβολίας των κεραιών καθώς αλλάζει η συχνότητα συντονισμού της κάθε κεραίας. Επίσης εξετάζεται ο αριθμός των μπαντών που συντονίζεται η κάθε κεραία ,το κατά πόσο τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας και εμπέδησης παραμένουν αμετάβλητα σε κάθε μπάντα, αλλά και αν η κάθε μπάντα χρησιμοποιείται από διάφορες εφαρμογές, όπως η κινητή τηλεφωνία η τα ασύρματα δίκτυα. Στη συνέχεια οι διατάξεις που μελετώνται συγκρίνονται μεταξύ τους και προτείνονται αυτές που υπερέχουν σε κάθε περίπτωση. Τέλος παρουσιάζονται τα συμπεράσματα αλλά και μελλοντικές κατευθύνσεις. Επιπλέον, όσον αφορά το θεωρητικό μέρος της διπλωματικής, παρουσιάζεται συνοπτικά η έννοια της φράκταλ γεωμετρίας και γιατί αυτή προτείνεται ως γεωμετρία για κεραία. Αναφέρονται τα βασικότερα στοιχεία της θεωρίας μικρών κεραιών και συνοψίζονται οι σημαντικότερες δημοσιεύσεις πάνω στις κεραίες Hilbert και Peano. Οι μελέτες αφορούν διάφορα μεγέθη κεραιών σε διάφορες μπάντες λειτουργίας και σε διαφορετικές διατάξεις, δίνοντας μια σαφή εικόνα για την ικανότητα σμίκρυνσης των κεραιών αυτών ,την λειτουργία τους ως ακτινοβολητές αλλά κυρίως για το εάν και πόσο υπερέχουν έναντι απλών ευκλείδειων διατάξεων. / -

Σκοπός αυτής της διπλωματικής είναι η μελέτη, σχεδίαση και εξομοίωση κεραιών σχισμής τα χαρακτηριστικά των οποίων τις καθιστούν κατάλληλες για φορητές τερματικές συσκευές. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη αναφορά σε βασικές έννοιες της θεωρίας κεραιών, στις ηλεκτρικά μικρές κεραίες αλλά και στην αρχή του Babinet. Στόχος αυτού του κεφαλαίου είναι να συμβάλλει στην καλύτερη κατανόηση του περιεχομένου των επόμενων κεφαλαίων. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρατίθενται κάποιες από τις πιο ευρέως διαδεδομένες υπάρχουσες γεωμετρίες κεραιών σχισμής, οι οποίες κατηγοριοποιούνται κυρίως ως προς το εύρος του φάσματος λειτουργίας τους. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετάται μια βασική κεραία σχισμής, η κεραία ορθογώνιας σχισμής με τροφοδοσία συνεπίπεδου κυματοδηγού αλλά και μια πολύ ενδιαφέρουσα παραλλαγή της η οποία περιλαμβάνει ένα ζεύγος ορθογώνιων παρασιτικών στοιχείων. Στο τέταρτο κεφάλαιο μελετώνται οι κεραίες σχισμής μονής ζώνης λειτουργίας. Στα πλαίσια αυτής της μελέτης παρουσιάζονται συγκριτικά τα αποτελέσματα από τη σχεδίαση και εξομοίωση μιας κεραίας ζεύγους σχισμών σχήματος δακτυλίου και σχήματος κύκλου αντίστοιχα. Στο πέμπτο κεφάλαιο μελετώνται οι κεραίες σχισμής διπλής ζώνης λειτουργίας. Για το σκοπό αυτό σχεδιάστηκαν και εξομοιώθηκαν μια κεραία ζεύγους σχισμών σχήματος μονόπολου και μια κεραία σχισμής σχήματος βρόχου. Το περιεχόμενο του έκτου κεφαλαίου είναι η ανάλυση της συμπεριφοράς των κεραιών σχισμής ευρυζωνικής λειτουργίας. Αυτό επιτυγχάνεται μέσα από την μελέτη μιας κεραίας ρομβοειδούς σχισμής με ζεύγος μεταλλικών παρασιτικών στοιχειών, μια κεραία τοξοτής σχισμής καθώς και μια κεραία τριγωνικής σχισμής με ζεύγος τροφοδοσίας. Στο έβδομο κεφάλαιο μελετώνται οι υπερευρυζωνικές κεραίες σχισμής. Για το σκοπό αυτό σχεδιάστηκαν και εξομοιώθηκαν μια κεραία ελλειπτικής σχισμής με τροφοδοσία συνεπίπεδου κυματοδηγού και μια κεραίας ελλειπτικής σχισμής με στέλεχος προσαρμογής σχήματος U. Το όγδοο κεφάλαιο που έχει ως στόχο την μελέτη των κεραιών σχισμής που χρησιμοποιούνται σε χιλιοστομετρικές εφαρμογές περιλαμβάνει τα αποτελέσματα της σχεδίασης και εξομοίωσης μιας κεραίας κυκλικής σχισμής με τροφοδοσία μικροταινιακής γραμμής μεταφοράς. Τέλος στο ένατο κεφάλαιο γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση των αποτελεσμάτων και παρατίθενται συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντική ενασχόληση στην περιοχή των κεραιών σχισμής. / This diploma thesis includes the analysis, design and simulation of slot antennas for portable terminal devices. In this thesis is presented a variety of slot antennas including single and dual band slot antennas, wideband and ultra wideband antennas as well as slot antennas for millimetre-wave applications.

Οι σύγχρονες επικοινωνιακές ανάγκες οδήγησαν στην ευρεία εξάπλωση των ασύρματων δικτύων και στη σταδιακή αντικατάσταση των υφιστάμενων ενσύρματων. Η ραγδαία εξέλιξη των ασυρμάτων επικοινωνιών είχε ως αποτέλεσμα την σημαντική μείωση των διαστάσεων των τερματικών συσκευών, την ολοκλήρωση διαφορετικών υπηρεσιών διαφορετικών συχνοτήτων λειτουργίας στην ίδια συσκευή και την ανάγκη πολλαπλών κεραιών για την αντιμετώπιση του φαινοµένου της διάλειψης και της διασυµβολικής παρεμβολής του ασύρματου καναλιού. Αυτές οι εξελίξεις έθεσαν καινούργιες απαιτήσεις στην σχεδίαση της κεραίας οδηγώντας στην ανάγκη κεραιών εξαιρετικά μικρών διαστάσεων, πολυσυχνοτικών, χαμηλού κόστους, υψηλής απόδοσης και επιθυμητών χαρακτηριστικών ακτινοβολίας κατά περίπτωση. Όλα αυτά είχαν ως αποτέλεσμα να δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στη μελέτη και σχεδιασμό τυπωμένων επίπεδων κεραιών που θα συμβάλλουν στην εξασφάλιση της κατάλληλης ποιότητας παρερχόμενων υπηρεσιών (QOS). Οι τυπωμένες επίπεδες κεραίες αποτελούν κυρίαρχο συστατικό ενός ασύρματου επικοινωνιακού συστήματος και αποτελούν 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 και είναι κατάλληλες για μεγάλο εύρος εφαρμογών. Στη παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται μια μελέτη τυπωμένων κεραιών γεωμετρίας Yagi για ασύρματες τερματικές συσκευές ,με έμφαση στις εφαρμογές των κινητών επικοινωνιών και των ασυρμάτων τοπικών δικτύων. Αρχικά πραγματοποιήθηκε μια βιβλιογραφική αναζήτηση και παρουσίαση των υπαρχόντων Yagi κεραιών που έχουν παρουσιαστεί κατά καιρούς στη διεθνή βιβλιογραφία και στη συνέχεια μελετήθηκαν και σχεδιάστηκαν τυπωμένες Yagi κεραίες για διαφορετικές εφαρμογές και με διαφορετικά χαρακτηριστικά λειτουργίας .Εξομοιώθηκαν κεραίες στενής αλλά και ευρείας ζώνης με διαφορετική γεωμετρική δομή, μέγεθος, μηχανισμούς τροφοδοσίας και ζώνες λειτουργίας. Επιπλέον εξετάστηκαν ζητήματα όπως ο συνδυασμός των τυπωμένων κεραιών σε συστοιχίες καθώς και ο ρόλος του επιπέδου γείωσης, του μηχανισμού τροφοδοσίας , των κατευθυντικών στοιχείων και πώς αυτά επηρεάζουν τη λειτουργία της κεραίας. / Modern communication needs have led to wide spread of wireless networks and to the progressive replacement of the existing wired-ones. Wireless communications’ rapid development resulted in the reduction of terminal device’s dimensions as well as in the integration of different services operating in various frequencies in the same device and finally in the deployment of multiple antennas systems to mitigate the phenomena of fading and intersymbol interference of wireless channel. These developments, in turn, placed new requirements in antenna’s design leading to the need of exceptionally small, low-cost and multiband antennas, possessing high efficiency and desirable radiation characteristics. As a result specific emphasis was given in the study and design of printed antennas that will guarantee the appropriate quality of services (QOS). It is a fact that printed planar antennas are one of the most important components of a wireless communication system and they are an object of great study as they present attractive characteristics. It is important to mention that they are small in weight and size and they can be easily fabricated with low cost procedures. Moreover they can be integrated in terminal devices and microwave circuits and they can be combined in antenna arrays. In addition they are compatible with solid-state electronics, Silicon technologies, hybrid and monolithic circuits and they are suitable for a wide range of applications. A study on printed Yagi antennas for terminal devices is presented on this thesis with emphasis in applications for mobile communications and wireless local networks. Initially a bibliographic research has been realised on existing printed Yagi antennas that have occasionally been presented in the international bibliography and we their different features and geometric models have been introduced. Afterwards, printed Yagi antennas have been deigned and studied for different applications with various operational characteristics. We have simulated narrowband and also broadband antennas with different geometric structure, size, feeding mechanism and area of operation. Moreover many issues have been examined such as antennas’ combination in arrays, antennas’ operation and performance in comparison with ground plane presence, different feeding mechanism and additional directors.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται µια εκτενής µελέτη συστηµάτων απόκλισης τυπωµένων κεραιών για ασύρµατες συσκευές. Η εξέλιξη των ασύρµατων επικοινωνιών και ειδικότερα η κατανόηση των φαινοµένων που λαµβάνουν χώρα στο ασύρµατο κανάλι µετάδοσης έδωσε ώθηση στην ανάπτυξη τεχνικών αντιµετώπισης φαινοµένων όπως η πολυοδευτική εξασθένηση και η διασυµβολική παρεµβολή. Τέτοιες τεχνικές είναι οι τεχνικές απόκλισης και ειδικότερα οι τεχνικές απόκλισης κεραιών (χώρου, πόλωσης και διαγράµµατος ακτινοβολίας) οι οποίες συνδυάζουν τα λαµβανόµενα από διαφορετικές κεραίες σήµατα µε σκοπό την δηµιουργία ενός σήµατος υψηλότερης στάθµης. Η µεθοδολογία αξιολόγησης της ικανότητας απόκλισης ενός συστήµατος κεραιών περιλαµβάνει τα κριτήρια του συντελεστή συσχέτισης των λαµβανοµένων σηµάτων και του λόγου των µέσων ενεργών κερδών των κεραιών που αποτελούν το σύστηµα. Καθοριστικό ρόλο στην τεχνική απόκλισης διαδραµατίζει ο τρόπος που συνδυάζονται τα λαµβανόµενα σήµατα στον δέκτη, µε την τεχνική του µεγίστου λόγου να αποτελεί την βέλτιστη λύση από πλευράς απόδοσης, αλλά ταυτοχρόνως την πιο δύσκολα υλοποιήσιµη. Η ποσοτικοποίηση της ικανότητας απόκλισης ενός συστήµατος πραγµατοποιείται µε το κέρδος απόκλισης το οποίο λαµβάνει διαφορετικές µορφές και ουσιαστικά παρέχει την πληροφορία του ποσοστού βελτίωσης του συνδυασµένου σήµατος σε σχέση µε µία κεραία αναφοράς. Στα πλαίσια της διατριβής αναπτύχθηκαν συστήµατα απόκλισης τυπωµένων κεραιών δύο, τριών, τεσσάρων έως και έξι στοιχείων. Χρησιµοποιήθηκαν κεραίες γεωµετρίας fractal λόγω της σπουδαίας ικανότητας σµίκρυνσης που παρέχει η εν λόγω τεχνική καθώς και το µονόπολο γεωµετρίας ανεστραµµένου F. Ακολουθήθηκε η µεθοδολογία αξιολόγησης της ικανότητας απόκλισης για όλα τα προτεινόµενα συστήµατα και έγινε σύγκριση µεταξύ των συστηµάτων. Μελετήθηκε αφ’ ενός η επίδραση της θέσης της κεραίας σε µία ασύρµατη συσκευή και αφ’ ετέρου η επιλογή της καταλληλότερης προς χρήση κεραίας στην µείωση του φαινοµένου της αµοιβαίας σύζευξης, φαινόµενο το οποίο αποτελεί τον κυριότερο παράγοντα µείωσης της συνολικής ικανότητας απόκλισης σε ένα σύστηµα πολλαπλών κεραιών. Ακόµη, µελετήθηκαν συστήµατα απόκλισης κεραιών τα οποία λειτουργούν σε διαφορετικές µπάντες συχνοτήτων. Τέλος, έγινε µια συγκριτική µελέτη για τον ρόλο που διαδραµατίζει το περιβάλλον και ο τρόπος που κατανέµεται η προσπίπτουσα ισχύς στην συµπεριφορά της απόκλισης των µελετηθέντων συστηµάτων. / This thesis presents a comprehensive study on printed antenna diversity systems for wireless devices. The current upsurge in wireless communications systems and, in particular, the realization of the immanent propagation mechanisms that take place in the transmission medium led to the development of special techniques in order to mitigate the undesired phenomena such as multipath fading and intersymbol interference. Antenna diversity (space, polarization and pattern) is one of these techniques and is based on the assumption that the received signals of two or more antennas could be efficiently combined in order to produce a stronger signal. The evaluation of the diversity performance involves the correlation coefficient of the received signals and the mean effective gain ratio of the diversity antennas. A key role in diversity action plays the combining technique used with the maximum ratio technique producing the best results. Diversity performance is “quantified” by means of diversity gain, which gives the amount of improvement of the combined signal relative to a signal received from a reference antenna. In this thesis, printed antenna diversity systems comprising up to six elements were developed. Antennas of fractal geometry such as the Koch, Minkowski, Sierpinski and FRC monopoles, were utilized due to their inherent miniaturization ability as well as the printed inverted F antenna. All the proposed systems were evaluated according to the methodology mentioned earlier and a comparison of the diversity performance between the systems was carried out. The effect of the antenna placement as well as the proper antenna selection for each system on the reduction of mutual coupling was addressed, which is an issue of primal importance in multi element antenna systems. Multi band antenna diversity systems were also studied. Finally, the impact of the environment’s power distribution on the diversity performance of the antenna systems was considered.

Το παρακάτω κείμενο αποτελεί διπλωματική εργασία που εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ασύρματης Επικοινωνίας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός μας, ήταν η επίλυση των εξισώσεων του Maxwell σε προβλήματα που αφορούν το σφαιρικό και το κυλινδρικό σύστημα συντεταγμένων. Στην προσπάθεια αυτή κάναμε χρήση της μεθόδου επίλυσης των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (F.D.T.D) σε δύο ειδών εφαρμογές: η πρώτη αφορά έναν κυλινδρικό κυματοδηγό, τον οποίο μοντελοποιήσαμε με τη βοήθεια του κυλινδρικού συστήματος συντεταγμένων και η δεύτερη αφορά μια κωνική κεραία UWB, την οποία μοντελοποιήσαμε με τη βοήθεια του σφαιρικού συστήματος συντεταγμένων. Η προσομοίωση αυτών των δύο εφαρμογών γίνεται με τη βοήθεια του προγραμματιστικού περιβάλλοντος της Matlab. Επειδή η μέθοδος F.D.T.D επιλύει τις εξισώσεις του Maxwell στο χρόνο μας προσφέρει τη δυνατότητα της οπτικής απεικόνισης των πεδίων σε διάφορες χρονικές στιγμές, κάτι που μας επιτρέπει να παρατηρούμε τη χρονική εξέλιξη των φαινομένων. Η μέθοδος γίνεται ιδιαίτερα ελκυστική λόγω του επιπρόσθετου χαρακτηριστικού της απευθείας επίλυσης των εξισώσεων στροβιλισμού του Maxwell, καθιστώντας παράλληλα περιττή την επίλυση της κυματικής εξίσωσης. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις υπολογιστικές τεχνικές στον ηλεκτρομαγνητισμό. Επίσης γίνεται μια πρώτη αναφορά στη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (F.D.T.D), στις δυνατότητες της μεθόδου, στο πεδίο εφαρμογής της καθώς και στα πλεονεκτήματά της. Στο κεφάλαιο δύο παρουσιάζονται οι εξισώσεις του Maxwell. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται οι εξισώσεις στροβιλισμού και οι βαθμωτές διαφορικές εξισώσεις που προκύπτουν από αυτές στις τρεις και δύο διαστάσεις. Στις δύο διαστάσεις γίνεται διάκριση σε εγκάρσιο ηλεκτρικό ρυθμό (Transverse Electric) και εγκάρσιο μαγνητικό ρυθμό (Transverse Magnetic). Τέλος παρουσιάζονται οι εξισώσεις του Maxwell που ισχύουν για τα σκεδαζόμενα πεδία. Στο κεφάλαιο τρία παρουσιάζονται τα βασικά στοιχεία της μεθόδου F.D.T.D, τα οποία πρέπει να γίνουν κατανοητά προκειμένου να αναδειχθούν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται οι εξισώσεις πεπερασμένων διαφορών, που προκύπτουν από τις βαθμωτές διαφορικές εξισώσεις, που προκύπτουν από τις εξισώσεις στροβιλισμού του Maxwell. Στη συνέχεια παρουσιάζονται βασικά χαρακτηριστικά της μεθόδου, όπως η επιλογή του χωρικού και χρονικού βήματος και η δημιουργία πηγών. Μετά παρουσιάζεται η σημαντικότερη απορροφητική οριακή συνθήκη PML του Berenger και τέλος οι υπολογιστικές απαιτήσεις του αλγορίθμου F.D.T.D. Στο κεφάλαιο τέσσερα επιλύονται προβλήματα σε δύο διαστάσεις και συγκεκριμένα το πρόβλημα των ρυθμών διάδοσης TM και ΤΕ εντός κυλινδρικού κυματοδηγού με υλικό εντός του τον αέρα. Στο κεφάλαιο πέντε επιλύονται προβλήματα σε δύο διαστάσεις. Συγκεκριμένα παρουσιάζει την ανάπτυξη ενός σετ εργαλείων λογισμικού που είναι χρήσιμα στην ανάλυση κεραιών και δομών εξαιρετικά ευρείας ζώνης (UWB). Αυτά τα εργαλεία χρησιμοποιούνται στην εκτέλεση προσομοίωσης με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (FDTD) μίας κωνικής κεραίας με συνεχές κύμα (CW) και παλμικές διεγέρσεις UWB. Η κεραία αναλύεται με τη χρήση εξισώσεων σφαιρικών συντεταγμένων FDTD που προέρχονται από τις βασικές αρχές. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για τη διέγερση τύπου συνεχούς κύματος (CW) συγκρίνονται με τα αποτελέσματα από προσομοιώσεις και μετρήσεις σε δημοσιευμένες πηγές· τα αποτελέσματα της διέγερσης UWB είναι νέα. Τα παραπάνω προβλήματα κάνουν σαφές το πόσο σημαντικό είναι να γνωρίζουμε σε βάθος τα χαρακτηριστικά της μεθόδου προκειμένου να φτάσουμε στην λύση τους. Σε περιπτώσεις όπου γνωρίζουμε τη λύση εκ των προτέρων (είτε ποιοτικά ή ποσοτικά) έχουμε τη δυνατότητα να επαληθεύσουμε την ορθότητα των αποτελεσμάτων της F.D.T.D. Οι λύσεις των προβλημάτων β ασίζονται στην εύρεση των ολικών πεδίων. Ο εναλλακτικός τρόπος της εύρεσης των σκεδαζόμενων πεδίων δεν χρησιμοποιείται. Βέβαια στα προβλήματα ακτινοβολίας κεραιών υποχρεωτικά εφαρμόζεται η διατύπωση των ολικών πεδίων. Μέσω αυτής της εργασίας έγινε σαφής η ικανότητα της F.D.T.D να εφαρμόζεται σε μεγάλη ποικιλία προβλημάτων. Κάτι που δεν έγινε σαφές είναι η δυνατότητα της μεθόδου να συνδυάζεται με άλλες μεθόδους, κάτι που μπορεί να επιφέρει σημαντική καταστολή ή και εξάλειψη των μειονεκτημάτων της. Με αυτό τον τρόπο δημιουργούνται νέες υβριδικές μέθοδοι. Με τις μεθόδους εύρεσης των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων (όπως είναι η F.D.T.D) έχουμε τη δυνατότητα να δούμε τον ηλεκτρομαγνητισμό από νέα σκοπιά, κατανοώντας τον καλύτερα και προσαρμόζοντάς τον στις σύγχρονες ανάγκες της εποχής. / -