1. Αποθετήριο Παραδοτέων Υποτρόφων Δράσεων ΕΣΠΑ Τριτοβάθμιας Εκπαίδευσης 2017-2023
2. Όλο το Αποθετήριο
3. Υποψήφιοι διδάκτορες

Τύπος:	Διδακτορική διατριβή
Τίτλος:	Ανάλυση και σχεδίαση διατάξεων οδήγησης και ακτινοβολίας με βάση υλικά με τεχνητές ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες για σύγχρονα συστήματα ασύρματων επικοινωνιών
Εναλλακτικός τίτλος:	Guided-wave and radiating structure analysis and design based on materials with artificial electric and magnetic properties for modern wireless communication systems
Συγγραφέας:	[EL] Πασσιά, Μαρία-Θάλεια[EN] Passia, Maria-Thaleia
Επιβλέπων διατριβής:	[EL] Γιούλτσης, Τραϊανός[EN] Yioultsis, Traianos
Συμβουλευτική επιτροπή:	[EL] Αντωνόπουλος, Χρήστος[EN] Antonopoulos, Christos [EL] Κριεζής, Εμμανουήλ[EN] Kriezis, Emmanouil
Μέλος εξεταστικής επιτροπής:	[EL] Κανταρτζής, Νικόλαος[EN] Kantartzis, Nikolaos [EL] Ξένος, Θωμάς[EN] Xenos. Thomas [EL] Ρέκανος, Ιωάννης[EN] Rekanos Ioannis [EL] Γούδος, Σωτήριος[EN] Goudos, Sotirios
Ίδρυμα (που απονέμει τίτλο):	ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ
Ημερομηνία:	15/07/2020
Περίληψη:	Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη υπολογιστικών τεχνικών για τη σχεδίαση διατάξεων βασισμένων στην τεχνολογία των μεταϋλικών. Το ενδιαφέρον εστιάζεται κυρίως σε σύγχρονα συστήματα ασύρματων επικοινωνιών, με έμφαση στην περιοχή των χιλιοστομετρικών συχνοτήτων. Καθώς οι επικοινωνίες μετατοπίζονται σε ολοένα και υψηλότερες συχνότητες, καθίσταται ιδιαίτερα σημαντική η εύρεση κατάλληλων γραμμών μεταφοράς, που συνδυάζουν την επίπεδη μορφή και την ευκολία κατασκευής με χαμηλές απώλειες. Οι κυματοδηγοί ολοκληρωμένοι σε υπόστρωμα (SIW) αποτελούν την τρέχουσα κατάσταση για τις χιλιοστομετρικές συχνότητες, για αυτό και το πρώτο σκέλος της διατριβής αφιερώνεται στην υπολογιστική τους ανάλυση. Καθώς οι SIW είναι περιοδικές διατάξεις, εξετάζονται κατάλληλες υπολογιστικές τεχνικές, που βασίζονται στο θεώρημα Bloch-Floquet, και υλοποιούνται μέσω της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων (FEM). Βάσει της ανάλυσης των περιοδικών προβλημάτων ιδιοτιμών αλλά και προβλημάτων διέγερσης επιβεβαιώνονται τα χαρακτηριστικά διάδοσης του SIW. Ως επόμενο βήμα προτείνονται δύο νέοι κυματοδηγοί, που βασίζονται στον SIW, με τις κάθετες μεταλλικές διασυνδέσεις να έχουν αντικατασταθεί με κατάλληλες δομές μεταϋλικών. Οι νέοι κυματοδηγοί είναι πλήρως επίπεδοι, διατηρούν τις χαμηλές απώλειες του SIW, ενώ χαρακτηρίζονται από σημαντικά ευκολότερη διαδικασία κατασκευής. Ο πρώτος εξ’ αυτών είναι ο SIW που δομείται από ευρύπλευρα συζευγμένους συμπληρωματικούς συντονιστές διακεκομμένου δακτυλίου (BC-CSRR SIW). Ο δεύτερος αποτελεί μια εξέλιξη του πρώτου, με τους BC-CSRR να αντικαθίστανται με ακμιακά συζευγμένους CSRR (EC-CSRR), ώστε o κυματοδηγός να έχει ακόμα απλούστερη διαδικασία κατασκευής, χάρη στην μονοεπίπεδη μορφή του. Η ανάλυση των κυματοδηγών πραγματοποιείται μέσω περιοδικών προβλημάτων ιδιοτιμών, με τα αποτελέσματα να επιβεβαιώνονται μέσω προβλημάτων διέγερσης αλλά και μετρήσεων. Οι νέοι αυτοί κυματοδηγοί αξιοποιήθηκαν για τη σχεδίαση ενός διαιρέτη ισχύος 1 επί 2, ο οποίος βασίζεται στο φαινόμενο της συμβολής των ρυθμών ενός πολύρρυθμου ΒC-CSRR SIW, καθώς και για την υλοποίηση περιοδικών κεραιών κύματος διαρροής (PLWA). Αρχικά σχεδιάστηκαν ομοιόμορφες κεραίες κύματος διαρροής, μία για καθένα κυματοδηγό, οι οποίες χαρακτηρίζονται από υψηλό κέρδος, πλήρως επίπεδη μορφή αλλά και δυνατότητα στροφής του κύριου λοβού συναρτήσει της συχνότητας. Προτάθηκαν και ανομοιόμορφες PLWA βάσει του ΕC-CSRR SIW, ακολουθώντας κατανομή Taylor 20 dB, για μείωση των πλευρικών λοβών. Η επίτευξη υψηλότερου κέρδους, περίπου 21 dBi, κατέστη δυνατή, με σχεδίαση δισδιάστατων ανομοιόμορφων στοιχειοκεραιών PLWA 3 επί 21. Τα χαρακτηριστικά του κύματος διαρροής υπολογίστηκαν μέσω περιοδικών προβλημάτων ιδιοτιμών, και τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν μέσω προσομοιώσεων και μετρήσεων. Στο τελευταίο σκέλος της διατριβής η αξιοποίηση των μεταϋλικών επεκτείνεται σε διατάξεις μεγάλης κλίμακας με δισδιάστατη μορφή, τις λεγόμενες μεταεπιφάνειες. Προτείνεται η ανάλυση των δομών αυτών μέσω μιας ημιαναλυτικής μεθόδου, της θεωρίας συζευγμένων ρυθμών στο πεδίο του χρόνου (TCMT). Εξετάζονται ομοιόμορφες και ανομοιόμορφες μεταεπιφάνειες, με τα αποτελέσματα της CMT να συγκρίνονται με αυτά της FEM. Η σύγκριση εστιάζεται και στις υπολογιστικές απαιτήσεις, με τη CMT να αποδεικνύεται σημαντικά απλούστερη και ταχύτερη, προσφέροντας μια καλή εκτίμηση της απόκρισης των διατάξεων. This doctoral thesis mainly focuses on the analysis and design of fully-planar millimeter-wave components, based on the concept of metamaterials, i.e. artificial media, comprised by subwavelength elements, that experience a bulk electromagnetic behavior, that is not readily attainable by natural materials. The first section is devoted in analyzing the propagation characteristics of the Substrate Integrated Waveguide (SIW), which is the state-of-the-art transmission line used for millimeterwave applications, due to its planar form and relatively low losses. The SIW serves as the foundation, for synthesizing novel metamaterial-inspired waveguides in a fully-planar fashion. The propagation characteristics of the SIW are determined by utilizing periodic eigenmode solvers, employing a vectorial finite element method (FEM). Initially, a β − ω formulation is chosen, where the Floquet wavenumber is known, while we seek the angular frequency ω. Dispersion diagrams of the SIW dominant mode are calculated via the β−ω method, pinpointing the passband and stopband frequency regions. A different method is also examined, which treats the angular frequency as the known parameter, while both the propagation and attenuation constant are to be determined. The latter is known as the ω −k formulation, and is superior to the β − ω one, as all loss mechanisms may be incorporated and the propagation characteristics within the stopband region may be also fully determined. A formulation based on the envelopes of both the electric field intensity and magnetic flux density e − b is also considered, as it limits spurious modes outside of the first-Brillouin zone, rendering the determination of the actual SIW modes much easier. The low losses that characterize the SIW, are further confirmed by appropriate excitation problems of larger portions of the SIW. Based on the concept of the SIW, we propose a metamaterial-inspired version, employing broadside-coupled complementary split-ring resonators (BC-CSRRs) instead of the metalized via holes, to confine the propagating wave within the guiding channel. The BC-CSRRs are metamaterial elements that exhibit a negative effective permittivity near resonance, and may act as vertical electric dipoles. Two rows of BC-CSRRs replace each via row, and virtual electric walls are synthesized. The BC-CSRR SIW is fully-planar, easy-to-fabricate, and may be integrated with other planar components, while it also exhibits slightly lower losses than the conventional SIW. The resonant frequency of the BC-CSRR is firstly determined by a simple equivalent circuit model, and the negative effective permittivity is verified by a simplified parameter retrieval method. The final designs of the BC-CSRR SIW are determined by eigemode analyses of the waveguide unit cell, aiming at low losses. The low-loss nature of the waveguide is verified by excitation problems and by measurements in the X- and Ka-band. A different improved version of the BC-CSRR SIW is also proposed, with the BC-CSRRs substituted by edge-coupled CSRRs (EC-CSRRs), etched only on the top metal surface. This design requires an even simpler fabrication process, as the EC-CSRRs are simply etched on a single plane, with no need for a precise alignment between the upper and lower CSRRs, as is the case for the BC-CSRR SIW. Two rows of EC-CSRRs are used for each side, acting as vertical electric dipoles, fully restricting the propagating wave in the transverse direction. The EC-CSRR SIW exhibits slightly lower losses than the BC-CSRR SIW and offers the liberty of choosing between a broader range of available substrate thicknesses, as the confinement depends on edge- instead of broadside- coupling. A similar design procedure was followed for the ECCSRR SIW, by firstly analyzing the grounded EC-CSRR, by means of a simple equivalent circuit model and a parameter retrieval method. The grounded EC-CSRR unit cell was also analyzed via a periodic eigenmode solver, and the dispersion diagrams were obtained, to determine the stopband frequency region. The final waveguide parameters were obtained by a parametric analysis, utilizing once again the periodic eigenmode solver. The propagation characteristics, with emphasis on loss minimization, were verified by realistic excitation problems. As a next step, fully-planar and easy-to-fabricate passive components as well as leakywave antennas were designed, utilizing the CSRR SIW waveguides, focusing on microwave and millimeter-wave applications. Specifically, a BC-CSRR SIW power divider was synthesized, based on multimode interference (MMI) that occurs in a multimode waveguide. A wider BCCSRR SIW was selected, supporting four TE modes, as confirmed by eigenmode simulations. MMI depends on the self-imaging principle, according to which, one or more images of the input field appear at certain periodic intervals. We calculated the position where the first two images of the TE10 appear, and used these results as a starting point for the design of the BC-CSRR SIW 1 × 2 MMI power divider. The final designs are simulated by FEM, and equal power division is detected, with isolation being relatively low. Periodic leaky-wave antennas (PLWAs) with transverse slots etched on the top metal plane were also designed for the BC- and EC- CSRR SIWs. The characteristics of the leaky mode were calculated through a periodic eigenmode solver, and thus the main lobe angle was estimated. The final designs were simulated by FEM, revealing the high gain, beam scanning ability and large bandwidth associated with such antennas. However, when uniform slots are selected, sidelobes are rather high, namely about 12 dBi lower than the main lobe. To suppress such sidelobes, we redesign the antennas to realize a Taylor aperture distribution, of non-uniform slot lengths. We employ the periodic eigenmode solver to construct a look-up table, that relates different slot lengths to attainable attenuation constants, and choose the appropriate lengths for each position along the propagation axis. This design procedure results in a sidelobe level less than -20 dB for a 1 GHz operating range. We extended this design principle to two-dimensional slot arrays, etched on a wider EC-CSRR SIW. We synthesized a 3 × 21 leaky-wave antenna, following a Taylor distribution along the propagation axis, while remaining uniform in the transverse direction. This final design resulted in even lower sidelobe level, less than -23 dB, while simultaneously accomplishing a higher gain, about 21 dBi. The last section of this thesis focuses on analyzing complex metasurface structures, via a temporal coupled-mode theory (CMT) formalism. Metasurfaces are the two-dimensional extension of the well-known metamaterials, and are usually synthesized by properly arranging a large number of electrically small scatterers. Depending on the application, their pattern may be non-uniform. Metasurface structures may be accurately analyzed by a full-wave method, as is the FEM, however such simulations are extremely time- and memory- consuming. CMT may be used to obtain a reasonable approximation of the metasurface response, limiting the total computational requirements. CMT results in a sparse system of equations, each describing the evolution of each resonator’s mode amplitude. By solving this system of equations, we obtain these mode amplitudes, and consequently the S-parameters of the metasurface structure. The CMT decay rate equations are fed by the results of simple eigenmode simulations of a single resonator, as well as eigenmode problems involving a resonator coupled to a microstrip-line or another resonator. Through these simulations, we calculate the Q-factors and resonant frequencies of the single and microstrip-coupled resonator, as well as the coupling coefficients between two resonators, which are essential for deriving the CMT equations. The CMT is applied to uniform and non-uniform SRR metasurfaces side-coupled to one or two microstrip lines. The CMT results are compared to FEM results and a reasonable agreement is observed. In any case, the CMT results may serve as a starting point for the final FEM fine-tuning. CMT requires considerably less time and memory compared to the FEM, namely some minutes instead of multiple hours, for the structures considered. FEM results are expected to be prohibitively high for larger configurations, while CMT will remain a viable choice.
Γλώσσα:	Ελληνικά
Τόπος δημοσίευσης:	Θεσσαλονίκη, Ελλάδα
Σελίδες:	192
Τοπικός αναγνωριστικός κωδικός:	GRI-2020-28651
Θεματική κατηγορία:	[EL] Μηχανική και συστήματα επικοινωνιών, Τηλεπικοινωνίες[EN] Communication engineering and systems, Telecommunications
Λέξεις-κλειδιά:	Κυματοδηγοί ολοκληρωμένοι σε υπόστρωμα; Μεταϋλικά και Μεταεπιφάνειες; Περιοδικές κεραίες κύματος διαρροής; Θεωρία συζευγμένων ρυθμών; Wireless communication systems; Wave guides; Metamaterials
Κάτοχος πνευματικών δικαιωμάτων:	© Μαρία-Θάλεια Πασσιά, Α.Π.Θ
Διατίθεται ανοιχτά στην τοποθεσία:	https://ikee.lib.auth.gr/record/321619/?ln=en
Σημειώσεις:	Το έργο συγχρηματοδοτείται από την Ελλάδα και την Ευρωπαϊκή ΄Ενωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) μέσω του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Ανάπτυξη Ανθρώπινου Δυναμικού, Εκπαίδευση και Διά Βίου Μάθηση», στο πλαίσιο της Πράξης «Ενίσχυση του ανθρώπινου ερευνητικού δυναμικού μέσω της υλοποίησης διδακτορικής έρευνας» (MIS- 5000432), που υλοποιεί το ΄Ιδρυμα Κρατικών Υποτροφιών (ΙΚΥ).
Εμφανίζεται στις συλλογές:	Υποψήφιοι διδάκτορες