5G uygulamaları için DGS kullanılarak mikroşerit yapıların analizi
Analysis of microstrip structures using DGS for 5G applications
Yazar: BURAK DÖKMETAŞ
Danışman: PROF. DR. NURSEL AKÇAM ; PROF. DR. ERDEM YAZGAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde, kablosuz haberleşen cihaz ve kullanıcı sayısının benzeri görülmemiş bir şekilde artması, yetersiz bant genişliği ve sınırlı kanal kapasitesi gibi sorunları beraberinde getirmiştir. Bu talebi karşılamak için araştırmacılar kablosuz haberleşme ağ standartlarının geliştirilmesine odaklanmıştır. Geniş kanal kapasitesi ve yüksek veri hızı nedeniyle milimetre dalga frekansları ve 5G teknolojisi ile bu sorunun üstesinden gelinmesi planlanmaktadır. 5G teknolojisinin daha az güç tüketimi, yüksek iletim hızı ve yüksek güvenilirlik gibi özellikleri nedeniyle sürücüsüz arabalar ve akıllı evler gibi günümüzün gelişen teknolojilerine öncülük etmesi beklenmektedir. Ancak, milimetre-dalga frekans spektrumunda, özellikle tek anten elemanı kullanımı durumunda atmosferik soğurma ve sinyal zayıflaması gibi sorunlar ortaya çıkmaktadır. Gelişmiş kablosuz haberleşme sistemlerinde bu sorunun çözümü için Çok Girişli Çok Çıkışlı (Multiple Input Multiple Output - MIMO)  anten sistemleri önerilmektedir. Bu sistem çok sayıda antenin eşzamanlı çalışmasına, yüksek veri hızlarına erişilmesine ve artırılmış kanal kapasitesine olanak sağlamaktadır. Bu tez çalışmasında, taban iletkeni kusurlu yapı (Defected Ground Structure - DGS) tekniği kullanılarak, milimetre dalga frekanslarında çalışabilen, 4 elemanlı bir MIMO anten tasarımı sunulmaktadır. Ölçüm sonuçlarına göre 24-31 GHz frekansları arasında 7 GHz'lik bir bant genişliği, 27 GHz'de 8.39 dBi maksimum kazanç ve anten elemanları arasında -40 dB izolasyon elde edilmiştir. Önerilen tasarımın kompakt yapısı, yüksek kazanç değeri ve geniş bant aralığı ile literatüre katkı yaptığı düşünülmektedir.  Çalışmada ayrıca, yine DGS tekniği kullanılarak özgün yapıda bir Bant Söndüren Filtre (BSF) tasarlanmış ve üretilmiştir. Önerilen BSF 14.28 mm × 4 mm × 0.508 mm boyutuyla oldukça kompakt bir yapıya sahiptir ve 10.8 -11.8 GHz frekans aralığında 20 dB'nin altında bir durdurma özelliği göstermektedir. Benzetim ve ölçüm sonuçlarına ek olarak tasarımın eşdeğer devre modeli çıkarılmış ve çeşitli parametrik çalışmalar yapılmıştır.

Abstract:
Nowadays, the unprecedented increase in the number of wireless communication network users, has brought problems such insufficient bandwidth and limited channel capacity. For that, the mm-wave fifth-generation (5G) communication technology development is solicited to offer higher data rates and superior channel capacity. In addition to its several features including the less power consumption, the better reliability, and the high transmission rate, the 5G technology is a basic stone for implementing a wide range of today's emerging technologies such as self-driving cars and smart homes. However, some problems are present at the mm-waves frequency spectrum such as path loss attenuations, atmospheric absorption and signal fading that have to be fixed especially in case single antenna element. Multiple Input Multiple Output (MIMO) antenna has emerged to be a key solution for present and future wireless communication systems, proving the concurrent operation of multi-antennas, increasing channel capacity along with the advantages of high data rates. The design of a 4-element MIMO antenna using Defected Ground Structure (DGS) for milimeter-wave frequency bands is presented in this work. According to the measurement results, a 7 GHz bandwidth between 24-31 GHz frequencies, 8.39 dBi maximum gain at 27 GHz and -40 dB isolation between each antenna elements was obtained. The proposed design is expected to contribute to the literature with its compact structure, high gain value and wide bandwidth. Furthermore a Band Stop Filter (BSF) using DGS is designed and fabricated in this study. The proposed BSF has a very compact structure with a size of 14.28 mm × 4 mm × 0.508 mm and shows a reject characteristic of less than 20 dB in the frequency range of 10.8 -11.8 GHz. In addition to the simulation and measurement results, the equivalent circuit model of the design has been extracted and various parametric studies have been carried out.