5G haberleşme uygulamaları için milimetre dalga boylu yama antenlerin tasarım ve üretimi
Design and manufacturing millimeter wavelength patch antennas for 5G communication applications
Yazar: BARIŞ GÜRCAN HAKANOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA TÜRKMEN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında milimetre dalga (mm-dalga) spektrumu için yeni yama anten yapıları araştırılmıştır. Tasarlanan yama antenler gelenkesel yapıdaki antenlerden band genişliği, geri dönüş kaybı ve akım yoğunluğu gibi karakteristik özellikler bakımından daha üstündür. mm-dalga bandı için 15 GHz, 30 GHz, 37 GHz ve 39 GHz frekansları seçilmiş ve bu frekanslarda hem yeni geometriler önerilmiş hem de antenlerde kullanılan farklı dielektrik malzemeler farklı frekanslar için karşılaştırılmıştır. 30 GHz'de yapılan yeni tasarımla 10,75 dB geri dönüş kaybı iyileşmesi ve 46 MHz band genişliği artışına ulaşılmıştır. 15 GHz frekansı için metalik yamada yapılan modellemelere ilaveten bozulmuş toprak yapısı da kullanılmıştır. Oluşturulan yeni tasarımla gelenksel antene göre 27,62 dB geri dönüş kaybı iyileşmesi ve 30 MHz band genişliği artışı elde edilmiştir. 37 GHz ve 39 GHz için yapılan çalışmalarda ise daha yüksek dielektrik sabitli malzeme ile yapılan tasarımlar için anten karakteristiklerinde daha yüksek oranlarda iyileşmeler olduğu bulunmuştur. Ek olarak erken 5G bandları için yeni bir minyatürizasyon yöntemi önerilmiştir. Önerilen yöntemde ayarlama çıkıntısı ekleme tekniği kullanılmıştır ve bu sayede yama antenin kapladığı alanın %50'ye yakın bir oranda azaltılması sağlanmıştır. Ayarlama çıkıntılarının boyu anten boyutları ve dolaysıyla çalışma frekansı ile ilişkili seçilmiş ve böylece farklı frekanslarda da yöntemin uygulanabilirliği artırılmıştır. Bu özellik ile yapılan çalışma literatürde yer alan diğer çalışmalardan ayrılmaktadır.

Anahtar Kelimeler: 5G, kablosuz haberleşme; milimetre dalga boyu; mikroşerit yama antenler; milimetre dalga spektrumu; 5G frekansları

Abstract:
Acoustic In this thesis, new patch antenna structures are investigated for the millimeter wave (mm-wave) spectrum. The designed patch antennas are superior to conventional antennas in terms of characteristic features such as bandwidth, return loss and current density. For the mm-wave band, 15 GHz, 30 GHz, 37 GHz and 39 GHz frequencies are selected and new geometries are proposed at these frequencies. Different dielectric materials are used in antennas and they are compared for different frequencies. With the new design made at 30 GHz, 10.75 dB return loss improvement and 46 MHz bandwidth increase have been achieved. For the 15 GHz frequency, in addition to the modifications made on the metallic patch, the defected ground structure method is also used. With the new design created, 27.62 dB return loss improvement and 30 MHz bandwidth increase are achieved compared to the conventional antenna. In studies conducted for 37 GHz and 39 GHz, it is found that there are higher improvements in antenna characteristics for designs made with materials with higher dielectric constants. In addition, a new miniaturization method has been proposed for early 5G bands. In the proposed method, the tuning stub addition technique is used and thus the area covered by the patch antenna is reduced by nearly 50%. The size of the tuning stubs has been chosen in relation to the antenna dimensions and the operating frequency. This has increased the applicability of the method at different frequencies with different materials. With this feature, the study differs from other studies in the literature.

Keywords: 5G; wireless communication; millimeter wavelength; microstrip patch antennas; millimeter wave spectrum; 5G frequencies