Μελέτη και προσομοίωση κεραίας τύπου μικροταινίας για υποστήριξη καναλιού επικοινωνίας αέρος – εδάφους για μη επανδρωμένα αεροσκάφη

Μεταπτυχιακή διατριβή που υποβλήθηκε στην σχολή Μηχανικών Παραγωγής & Διοίκησης του Πολυτεχνείου Κρήτης για πλήρωση προϋποθέσεων λήψης Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης. Summarization: The scope of the present thesis is the design and simulation of a patch antenna used for the Air to Ground – AG communication channel of Unmanned Air Vehicles – UAVs. The design and simulation of the performance of patch antennas has evolved through recent years. Advanced simulation environments allow fast and accurate numerical solutions of field equations, offering a variety of methods and techniques. Patch antennas designers take advantage of simulation capabilities, in order to analyze and verify designs before realization and integration to communication systems. Patch antennas constitute an ideal solution for communication when related with limited geometrical dimensions, especially for systems and vehicles that forbid use of moving and expanded mechanical structures. The latter is a primal choice factor for UAVs. Efficient communication characteristics combined with low power consumption levels for required bandwidth, make setups with patch antennas ideal choices for portable systems. Chapter 1 of the present thesis comprises a short historical introduction of patch antennas, as well as general operation characteristics and capabilities. Following the design principles for patch antennas modeling simulation and analysis environments, used for the model development and solution of field equations are presented. Chapter 2 introduces current technical basis of UAVs, focusing on communications and structure requirements. The designed patch antenna is analyzed and simulated using a 3D electromagnetic simulator based on the finite elements method in chapter 3. The outcome simulation results are further evaluated and analyzed in Chapter 4, in order to verify objectives and design requirements for UAVs. Finally, general conclusions through the design process of the patch antenna related to the required communication Air to Ground channel for UAVs are derived, as these have been evaluated for covering current and future communication requirements with earth base stations. Περίληψη: Η παρούσα διπλωματική εργασία αναφέρεται στη σχεδίαση και προσομοίωση κεραίας τύπου μικροταινίας (patch antenna) για υποστήριξη καναλιού Αέρος – Εδάφους (Air to Ground - AG) και χρήση σε σύστημα μη επανδρωμένων ιπτάμενων οχημάτων (Unmanned Air Vehicles – UAV’s). Ο σχεδιασμός και η προσομοίωση των χαρακτηριστικών και της λειτουργίας τυπωμένων κεραιών τύπου μικροταινίας (patch antennas), αποτελεί αντικείμενο εκτεταμένων μελετών που βασίζονται σε εμπειρία πολλών δεκαετιών. Επιπλέον, η χρήση προγραμμάτων προσομοίωσης μέσω ηλεκτρονικών υπολογιστών (Η/Υ), για την επίλυση των εξισώσεων πεδίου με αριθμητικές μεθόδους, έχει εξελιχθεί σημαντικά παράλληλα με την ανάπτυξη των υπολογιστικών συστημάτων. Το γεγονός αυτό επιτρέπει τη δυνατότητα στο σύγχρονο σχεδιαστή, για λεπτομερή ανάλυση των χαρακτηριστικών και των ιδιοτήτων (επιδόσεων) που παρουσιάζουν οι τυπωμένες κεραίες τύπου μικροταινίας (patch antennas), πριν τη διαδικασία κατασκευής και πραγματικής εφαρμογής τους επί των συστημάτων λήψης/μετάδοσης σημάτων επικοινωνίας. Οι κεραίες τύπου μικροταινίας (patch antennas) καθίστανται ιδανικές επιλογές ως βάση επικοινωνίας επί συσκευών με περιορισμένες γεωμετρικές διαστάσεις, προσφέροντας σταθερή μηχανική στήριξή τους, χωρίς να απαιτούν την παρουσία τμημάτων που αλλοιώνουν την αεροδυναμική συμπεριφορά του ιπτάμενου οχήματος. Οι επιδόσεις σε συνδυασμό με το εύρος ζώνης που παρέχουν, τις καθιστά ιδανικές επιλογές για φορητά συστήματα. Στο Κεφάλαιο 1 της εργασίας, παρουσιάζεται μία σύντομη ιστορική αναδρομή εξέλιξης των τυπωμένων κεραιών τύπου μικροταινίας (patch antennas), καθώς και οι γενικότερες αρχές λειτουργίας τους. Επιπλέον, παρουσιάζονται βασικές σχεδιαστικές αρχές με χρήση προγράμματος προσομοίωσης για την ηλεκτρομαγνητική επίλυση του προβλήματος με βάση τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Το Κεφάλαιο 2 επικεντρώνεται στην τεχνολογία των μη επανδρωμένων ιπταμένων οχημάτων και των απαιτήσεων επικοινωνίας που αυτά έχουν. Το Κεφάλαιο 3 παρουσιάζει την τυπωμένη κεραία τύπου μικροταινίας (patch antenna), όπως σχεδιάσθηκε και αναλύθηκε σε περιβάλλον ηλεκτρομαγνητικής προσομοίωσης. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται η ανάλυση των χαρακτηριστικών και επιδόσεων σχεδιασμού που εξήχθησαν μετά τη διαδικασία προσομοιώσεων. Τέλος, η εργασία ολοκληρώνεται, με την παρουσίαση των γενικότερων συμπερασμάτων από την επιλογή τυπωμένων κεραιών τύπου μικροταινίας (patch antennas) για τη διασφάλιση των πρωτοκόλλων επικοινωνίας και ελέγχου για μη επανδρωμένα ιπτάμενα οχήματα, καθώς και τις μελλοντικές τάσεις και απαιτήσεις για την επικοινωνία τους με σταθμούς ελέγχου – βάσης.