Την τελευταία δεκαετία, η τεχνολογία ασύρματων επικοινωνιών έχει γίνει ιδιαίτερα
σημαντική. Η νέα γενιά ασύρματων δικτύων (5G) θα φέρει επανάσταση και θα
μεταμορφώσει τον κόσμο των ασύρματων επικοινωνιών προσφέροντας ασύλληπτες
ταχύτητες μετάδοσης , σημαντικά λιγότερη καθυστέρηση, υψηλότερο αριθμό
διασυνδεδεμένων συσκευών (IoT) ενώ θα καθιστά δυνατή την εικονικοποίηση του
δικτύου (network slicing). Ωστόσο , η αύξηση των πηγών εκπομπής ραδιοκυμάτων
σε συχνότητες 5G έχει ανησυχήσει την κοινή γνώμη σχετικά με τις αρνητικές
επιπτώσεις που μπορεί να έχει μακροπρόθεσμα στην υγεία η τεχνολογία 5G. Εκτός
του ότι μπορεί να είναι καρκινογόνα, υπάρχει και η πεποίθηση ότι η έκθεση σε
ακτινοβολία προερχόμενη από πηγές 5G θα προκαλέσει πολλές παθήσεις.Στόχος της συγκεκριμένης διπλωματικής είναι η σχεδίαση και η αξιολόγηση των
κεραιών που λειτουργούν στις νέες ραδιοσυχνότητες του φάσματος του 5G καθώς
επίσης και η μελέτη της αλληλεπίδρασης τους με τον ανθρώπινο οργανισμό στο
κοντινό τους πεδίο. Πιο συγκεκριμένα, στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια περιεκτική
περιγραφή των ασύρματων δικτύων καθώς και μια σύντομη ανασκόπηση των
προγενέστερων τεχνολογιών ασύρματης επικοινωνίας μέχρι το 5G. Αναλυτικότερα
παρουσιάζεται η επερχόμενη τεχνολογία 5G και τα βασικά χαρακτηριστικά της, που
είναι ο συνδυασμός των ζωνών χαμηλών και υψηλών συχνοτήτων για την καλύτερη
αξιοποίηση φάσματος , οι τεχνικές διαμόρφωση δέσμης (beamforming) που
υποστηρίζουν την τεχνολογία massive-MIMO και η εικονικοποίηση και κατάτμηση
του δικτύου(virtualization & slicing). Στο κεφάλαιο 2 εστιάζεται η προσοχή στα όρια
επιτρεπτής έκθεσης του κοινού στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που έχουν
θεσμοθετηθεί από τους σχετικούς υπεύθυνους φορείς σε παγκόσμιο και εγχώριο
επίπεδο. Στο ίδιο κεφάλαιο δίνεται αναλυτικά ο ορισμός του Ρυθμού Ειδικής
Απορρόφησης (SAR – Specific Absorption Rate) που αποτελεί το μέγεθος που
εκφράζει τον ρυθμό απορρόφησης της ακτινοβολίας ραδιοσυχνοτήτων από τους
ιστούς του ανθρώπινου σώματος. Στο κεφάλαιο 3 δίνεται ο ορισμός και τα βασικά
χαρακτηριστικά των κεραιών όπως επίσης και μια σύντομη περιγραφή των κεραιών
μικροταινίας και διπόλου οι οποίες χρησιμοποιούνται αργότερα στις
προσομοιώσεις. Τέλος , παρουσιάζονται βασικά μοντέλα προσομοίωσης των
ηλεκτρομαγνητικών ιδιοτήτων του ανθρώπινου οργανισμού τα οποία επίσης
χρησιμοποιούνται αργότερα κατά την διαδικασία των πειραμάτων. Στο κεφάλαιο 4
με την χρήση του εμπορικού λογισμικού HFSS της εταιρίας Ansys
πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις των κεραιών της βιβλιογραφίας στον
ελεύθερο χώρο για τις συχνότητες f=3.5GHz και f=26GHz και παρουσιάζονται οι
επιδόσεις συντονισμού και ακτινοβολίας αυτών. Στο κεφάλαιο 5 μελετάται η
επίδραση των ανθρώπινων ομοιωμάτων στην συμπεριφορά των κεραιών του
κεφαλαίου 4 καθώς επίσης και οι μεταβολές της τιμής και της κατανομής του SAR
για κάθε διαφορετικό ομοίωμα στις υπό εξέταση αποστάσεις από την κεραία των
5,10,20 mm. Για την συχνότητα των 26 GHz , η οποία ανήκει στην ζώνη των υψηλών
συχνοτήτων ( mmWaves) , έγινε η σχεδίαση μιας συστοιχίας κεραιών αποτελούμενη
από τέσσερα δίπολα με στόχο την ενίσχυση του σήματος και την δημιουργία μιας
πιο κατεθυντικής δέσμης. Οι προσομοιώσεις αυτού του κεφαλαίου έγιναν με την
χρήση του λογισμικού Sim4Life. Τέλος, στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται περιεκτικά
τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα διπλωματική , καθώς και
προτάσεις για μελλοντικές προεκτάσεις αυτής.
(EL)
Over the last decade, wireless communications technology has become significantly
important. The new generation of wireless networks (5G) will revolutionize and
transform the world of wireless communications by offering incredible transmission
speeds, significantly less latency, higher number of interconnected devices (Internet
of Things-IoT) while also enabling network slicing. However, the numerous sources
emitting radiowaves at 5G frequencies has raised public concern about the negative
long-term health effects of 5G technology. Besides being carcinogenic, there is a
belief that exposure to radiation from 5G sources will cause many diseases.
The aim of this dissertation is the design and evaluation of antennas that operate on
the new radio frequencies of the 5G spectrum as well as the study of their
interaction with the human body at their near field. More specifically, Chapter 1
provides a comprehensive description of wireless networks as well as a brief
overview of previous wireless communication technologies up to 5G. The upcoming
5G technology and its key features are presented in more details, which are the
combination of low and high frequency bands for better spectrum utilization, the
beamforming techniques that support massive-MIMO technology and the
virtualization and slicing of the network. Chapter 2 focuses on the permissible
exposure limits to electromagnetic radiation that have been established by the
relevant responsible bodies at global and domestic level. In the same chapter it is
given in detail the definition of Specific Absorption Rate (SAR) which is the quantity
that expresses the rate of absorption of radio frequency radiation by the tissues of
the human body. Chapter 3 gives the definition and basic characteristics of the
antennas as well as a brief description of the microstrip and dipole antennas which
are used later in the simulations. Finally, phantoms that simulate the
electromagnetic properties of the human body are presented, which are also used
later in the experiment’s process. In Chapter 4, using the commercial HFSS software
of the company Ansys, simulations of the bibliography’s antennas in free space were
performed for the frequencies of f = 3.5GHz and f = 26GHz and their tuning and
radiation performance are presented. Chapter 5 studies the effects of human
models on the behavior of the antennas of Chapter 4 as well as the changes in the
value and distribution of the SAR for each different model at the examined
distances of 5,10,20 mm from the antenna . For the 26 GHz frequency, which
belongs to the high frequency band (mmWaves), an antenna array consisting of four
dipoles was designed to reinforce the signal and create a more directional beam. The
simulations in this chapter were performed using Sim4Life software. Finally, Chapter
6 contains a summary of the conclusions that emerged from the present thesis , as
well as recommendations for its future extensions
(EL)
University of Patras
