Yarıklı mikroşerit yama anten dizaynı
Slotted microstrip patch antenna design
Yazar: EMRE ÇETME
Danışman: DOÇ. DR. ALİ YAPAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anten = Antenna ; Mikrodalga frekans = microwave frequence ; Mikrodalga iletişim = Microwave communication ; Mikrodalgalar = Microwaves ; Mikroşerit antenler = Microstrip antennas ; Radyo dalgaları = Radio waves ; Radyofrekans = Radiofrequency ; Telekomünikasyon = Telecommunication

Özet:
Bu çalışmada, mobil haberleşme cihazlarının gereksinimlerini karşılayabilecek özelliklerde mikroşerit yama anten tasarımı amaçlanmıştır. Mobil haberleşme teknolojileri, günümüzde hızla gelişirken, mobil ekipmanlar da bu değişime ayak uydurabilmek amacıyla daha komplike problemlere cevap verebilecek donanıma gereksinim duymaktadır. Mobil cihazlar günümüzde, boyut olarak küçülmekte, birden çok servisi aynı anda sunmakta, yüksek data indirme potansiyeline sahip geniş band iletişimi desteklemektedir. Bununla birlikte insan sağlığına olan etkileri minimuma indirgenecek şekilde dizayn edilmektedir.Bu gereksinimleri sağlamak için en uygun anten modeli mikroşerit yama antenlerdir. İlk mikroşerit yama anten 1953 yılında çizilerek patenti alınmasına rağmen, asıl gelişimi 1970'li yıllarda gerçekleşti. Mikroşerit yama antenler, günümüz mobil haberleşme teknolojisinin gereksinimlerini karşılayabilme potansiyeli nedeniyle bilim camiasının odağında yer almaktadır. Küçük profilli düzlemsel yapısı, hafifliği, dayanıklılığı, montaj kolaylığı, baskılı devre teknolojisi ile kolay ve ucuza yüksek sayılarda üretilebilmesi, yama üzerinde yapılabilen konfigürasyon değişiklikleri ile çeşitli parametrik özelliklerin elde edilebilmesi mikroşerit yama antenleri ön plana çıkarmaktadır. Bununla birlikte düşük ışıma verimliliği, düşük güçlü yapısı, yüksek kalite faktörü, yetersiz polarizasyon saflığı, sahte besleme ışıması, yetersiz band genişliği oranları başlıca dezavantajlarıdır. Çeşitli teknikler kullanılarak dezavantajları bertaraf edilebilmektedir.Çalışmada mikroşerit beslemeli, dikdörtgensel yama antelere odaklanılmıştır. İletim hat modeli (TLM) hesaplamaları baz alınarak 1800 MHz'de rezonansa gelen bir konvansiyonel dikdörtgensel mikroşerit yama anten dizayn edilmiştir. Dizayn belirtimi gereği, belli bir yükseklikte, Fr-4 epoxy dielektrik profil kullanılarak operasyon frekansı belirlenmiştir. Bu belirtimler doğrultusunda, iletim hat modeli formülasyonları kullanılarak dikdörtgensel yamanın boyutları hesaplandı. Ansoft HFSS paket programı yardımıyla dizayn, optimizasyon ve simülasyon süreçleri gerçekleştirilerek, parametrik sonuçlar tartışılmıştır.Çalışmanın sonraki aşamalarında, mevcut konvansiyonel mikroşerit yama antenin boyutları değiştirilmeden, üzerinde oluşturulan yarıklı yapılar vasıtasıyla rezonans frekansının farklı bir banda kaydırılması, ek rezonans frekansları oluşturularak, yapıya çoklu-band operasyon yeteneğinin kazandırılması, band genişliği, yönlendiricilik, ışıma verimliliği ve kazanç başta olmak üzere parametrik özelliklerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır.İlk aşamada, U-tipi yarık oluşturularak 2.45 GHz ve 1.365 GHz'de rezonansa gelen dual-band bir tasarım elde edilmiştir. Yapı, 2.45 GHz'de ISM-2.4 bandını tümünü kapsayabilecek band genişliği, yüksek ışıma verimliliği ve yönlendiricilik değerleri ile ışımaktadır. Fakat 1.365 GHz `de ışıma verimliliği ve kazanç değerleri geliştirilmelidir.Bir sonraki adımda, U-tipi yarığın konumu değiştirilerek, rezonans frekansları 1.81 GHz ve 2.02 GHz değerlerine kaydırılmıştır. Bu frekans değerlerinin, GSM-1800 ve UMTS-2000 bandlarının merkezinde olması önem teşkil etmektedir. Fakat, band genişlikleri ve 2.02 GHz'deki ışıma verimliliği değeri geliştirilmelidir.Dördüncü aşamada, mevcut yarıklı yapıya ters simetrik U-tipi bir yarık daha eklenerek, rezonans frekansı 1.98 GHz'e kaydırılmıştır. Bu değerde empedans uygunlaştırma başarıyla gerçekleştirilmesine rağmen malzeme kayıpları ve yüksek kalite faktöründen kaynaklandığını düşündüğümüz ışıma verimliliği ve dolayısıyla kazanç değeri beklenenin altında çıkmıştır.Son aşamada simetrik U-tipi yarığın konumu değiştirilerek 2.42 GHz ve 1.52 GHz frekans değerlerinde rezonansa gelen dual-bandlı bir yapı elde edilmiştir. 2.42 GHz frekansında ISM-2.4 bandını kaplayabilecek band genişliği oranında, yüksek verimlilik ve yönlendiricilik değerleri elde edilirken, 1.52 GHz frekansında empedans uygunlaştırma işleminin tam yapılamaması nedeniyle ışıma verimliliği ve kazanç değerleri beklenenin altındadır.Çalışmada, GSM-1800, UMTS-2000 ve ISM-2.4 bantlarında rezonasa gelen tek ve dual band operasyon yeteneğine sahip, çeşitli özelliklerde antenler tasarlanmıştır. Çalışmanın amacı, konvansiyonel dikdörtgensel mikroşerit yama anten tasarımı sonrasında, anten boyutları değiştirilmeden, yama üzerinde oluşturulabilen yarıklı yapılar ile antenlerin ışıma özelliklerinin geliştirilebileceğinin gösterilmesidir. Bu yöntemle, rezonans frekansları istenen frekans bandlarına kaydırılmış, mevcut yapıya dual band operasyon yeteneği kazandırılmış, band genişliği, ışıma verimliliği, yönlendiricilik ve kazanç değerleri incelenmiştir.Özellikle, dual band yapılarda ikinci rezonans frekansında ışıma verimliliği ve kazanç değerleri düşük performans göstermiştir. Bunun yanında düşük band genişliği oranları da uygun teknikler kullanılarak arttırılabilmektedir. Gözlemlediğimiz her iki problem de mikroşerit yama antenlerin doğasından kaynaklanan karakteristik özellikleridir. Özel teknikler ile bu değerler geliştirilebilmektedir.

Abstract:
In this project, antenna design which has the specialities that will be able to satisfy the necessity of mobie communication devices, is aimed. While mobile communication technologies have been developing since last years, mobile devices that to be able to adapt the development, needs equipments which has the skill to be able to solve more complicated problems. Mobile devices have been becoming smaller as the volume and offering one more mobile services in the same time. Broadband communication which has the high data rates, have been becoming widespread. Besides, they have been designing as reduced the effects on human health.Microstrip antennas will be able to provide the necessity are the most appropriate option. Although the first microstrip patch antenna was traced and got a patent in 1955, they started to be developed and received considerable attention in the 1970s. Because of the potential that will be able to meet the requirement of the mobile communication technology, they are in the focus of the science community in our age. These antennas are low profile, light, planar, conformable to planar and non-planar surfaces, simple and inexpensive to manifacture using modern printed circuit technology, mechanically robust when mounted on rigid surfaces, when the particular patch shape and mode selected they are versatile. Due to these specifications, they have been receiving the considerable attention. In addition, major operational disadvantages of microstrip antennas are their low efficiency, low power, high quality factor, poor polarization purity, spurious feed radiation and very narrow bandwidth. However, there are methods to be able to eliminate these disadvantages.In this project, we have focused rectangular patch antenna, fed by microstrip line. A convantional rectangular microstrip patch antenna which has resonance at 1800 MHz, has been designed using transmission line method formulations. Firstly, we have determined substrate height, dielectric constant and operation frequency in the limitations. Through these specifications, the dimensions of patch have been calculated. After this period, we have designed and simulated it using Ansoft HFSS that is a standart packet software for microwave applications.In the following stages of the project, we have not changed dimensions of the microstrip patch antenna but shifted resonance frequency on the another band and created the another resonance frequencies to be able to have multiband operation skill, delevelop bandwidth, directivity, radiation efficiency and gain by constructing slots on the patch.Firstly, we have a dual-band design which has resonance at 1.365 GHz and 2.45 GHz by constructing U-type slot. This new designed slotted antenna have bandwidth to be able to cover ISM-2.4 band whose center frequency is 2.45 GHz, high radiation efficiency and directivity. But unfortunately, it operates with low radiation efficiency and low gain at 1.365 GHz.In the third stage, we have shifted the resonance frequencies to 1.81 GHz and 2.02 GHz by changing the position of the U-type slot on the patch. It is important that these frequency values are about at the center of GSM-1800 and UMTS-2000 bands that are the most widespread mobil technology standarts in the worldwide. But, bandwidth fractions and radiation efficiency at 2.02 GHz must be developed.In the fourth stage, we have shifted the resonance frequency to 1.98 GHz by adding an inverse symmetrical U-type slot on available U-type slotted patch antenna. Although empdance matching was applied successfully on this antenna, we had low radiation efficiency and gain values undesiredly. However, we have thought material losses caused it.In the last stage, we have had a dualband antenna which has resonance at 1.52 GHz and 2.42 GHz frequencies by changing the position of the available symmetrical U-type slot. It radiates by a high bandwidth that will be able to cover ISM-2.4 band, high efficiency and direcitivity values at 2.42 GHz. Unfortunately, radiation efficiency and gain values are low due to unsuccessed empedance matching enough sensitively, at 1.52 GHz.In the project, single-band and dual-band various antennas which has resonance frequncies in the GSM-1800, UMTS-2000 and ISM2.4 bands, have been designed. The aim of the Project was firstly designing convantional rectangular patch antenna using transmission line method and proving the development ability of the radiation specifications of microstrip patch antennas by using different shaped, dimensioned and positioned slots on the patch. Applying this method, we have shifted resonance frequencies on the desired bands, had dual band operation and lastly analysed bandwidth, radiation efficiency, directivity and gain performances.Especially, we have observed that radiation efficiency and gain values at the second resonance frequency values of the dual band antennas, have exhibited low performance. In addition, bandwidth values should be increased by using appropriate techniques. Two problems we have observed and determined before, have been characteristic specialities, welded inherent of the microstrip patch antennas. These negative effects of them can be eliminated by using appropriate techniques.