5G uygulamaları için 6 GHz altı ve milimetre dalga bantlarında çalışan mikroşerit anten tasarımı, analizi ve üretimi
Design, analysis and production of microstrip antennas operating in sub-6 GHz and millimeter wave bands for 5G applications
Yazar: SANAA IRIQAT
Danışman: DOÇ. DR. SİBEL YENİKAYA
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
5G teknolojisinin ortaya çıkışıyla birlikte yüksek hızlı, düşük gecikmeli ve güvenilir kablosuz iletişime olan talep önemli ölçüde artmıştır. Kompakt tasarımları ve yüksek verimlilikleri ile bilinen mikroşerit antenler, bu gereksinimlerin karşılanması açısından büyük önem taşımaktadır. Bu antenlerin optimize edilmesi, çeşitli frekans bantlarında gelişmiş 5G uygulamalarının desteklenmesi açısından önemlidir. Bu tez çalışmasında, modern 5G kablosuz iletişim uygulamaları için 6 GHz altı ve milimetre dalga bantlarında çalışan üç özgün antenin tasarımı, analizi ve üretimi gerçekleştirilmiştir. İlk anten tasarımında, 6 GHz altı bölgesinde izolasyonu artırmak için kusurlu zemin yapısı (DGS) ve geniş bir bant genişliği elde etmek için, stratejik yarık düzenlemesi kullanılmıştır. Tasarlanan Çoklu Giriş Çoklu Çıkış (MIMO) anten, 20 dB'lik yüksek bir izolasyon sağlamış ve ayrıca 2,1 - 3,6 GHz ve 5,9 - 7,4 GHz arasında çift bant davranışı sergilemiştir. İkinci tasarımda, mm-dalga bölgesinde, ultra geniş bant yetenekleri elde etmek için kesik köşeler ve birden fazla yarık entegre edilmiş, performans metriklerini daha da iyileştirmek için parazitik bir yama kullanılmıştır. Tasarlanan MIMO anteni, 25,7 - 42,7 GHz arasında ultra geniş bir empedans bant genişliği sunmuştur. İzolasyonu artırmak için, alt tabakanın şeklini değiştirilmiştir. Böylece, 6 – 15 dB'lik izolasyon artışı gözlenmiştir Üçüncü tasarım, çalışma bant genişliğini hem 6 GHz altı hem de mm-dalga bölgelerine genişletmek için halka monpol bir anten yapısı kullanılmış, süper geniş bant özellikleri elde edilmiştir. Genel olarak, bu optimizasyon stratejileri, yüksek kazancı, düşük zarf korelasyon katsayısı (ECC), düşük kanal kapasite kaybı (CCL) ve yüksek ışıma verimliliğine sahip anten tasarımlarıyla sonuçlanmıştır. Bu antenlerin kompakt boyutu ve gelişmiş ısıma özellikleri, çeşitli 5G uygulamalarında kullanılma potansiyellerini artırmakta ve yeni nesil kablosuz iletişim sistemlerinin ilerlemesine katkıda bulunacağı düşünülmektedir.

Abstract:
With the emergence of 5G technology, the demand for high-speed, low-latency, and reliable wireless communication has significantly increased. Microstrip antennas, known for their compact designs and high efficiency, are of great importance in meeting these requirements. Optimizing these antennas is crucial for supporting advanced 5G applications across various frequency bands. This thesis presents the design, analysis, and production of three novel antennas operating in sub-6 GHz and millimeter wave bands for modern 5G wireless communication applications. In the first antenna design, a Defected Ground Structure (DGS) was used to enhance isolation in the sub-6 GHz region, and strategic slot arrangements were employed to achieve a wide bandwidth. The designed Multiple Input Multiple Output (MIMO) antenna achieved high isolation of 20 dB and exhibited dual-band behavior across the frequency ranges of 2.1 - 3.6 GHz and 5.9 - 7.4 GHz. In the second design, in the mm-wave region, truncated corners and multiple slots were integrated to achieve ultra-wideband capabilities, and a parasitic patch was used to further improve performance metrics. The designed MIMO antenna offered an ultra-wide impedance bandwidth between 25.7 - 42.7 GHz. The substrate shape was modified to enhance isolation, resulting in an observed isolation increase of 6 – 15 dB. The third design used a ring monopole antenna structure to extend the operating bandwidth to both sub-6 GHz and mm-wave regions, achieving super-wideband characteristics. Overall, these optimization strategies result in antenna designs with high gain, low envelope correlation coefficient (ECC), low channel capacity loss (CCL), and high radiation efficiency. The compact size and enhanced radiation characteristics of these antennas increase their potential for use in various 5G applications and are expected to contribute to the advancement of next-generation wireless communication systems.