5G sistemleri için yeni nesil anten tasarımı
A novel generation antenna design for 5G systems
Yazar: ELİF MERVE KÜÇÜKÖNER
Danışman: PROF. DR. EVREN EKMEKÇİ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: 5G = Five-Generation Wireless Telephone Technology ; Anten kontrol sistemi = Antenna control system ; Dielektrikler = Dielectrics ; Faz kayması = Phase shift ; Mikroşerit antenler = Microstrip antennas

Özet:
Bu tez çalışmasında 5G anten sistemlerinde kullanılabilecek, dielektrik yüklemelere sahip, faz açısı ayarlanabilir üç ayrı 4×4 Butler matrisi yapısı tasarımı gerçekleştirilmiştir. Kullanılan Butler matrisi yapıları dört adet dal hatlı bağlaştırıcı, bir adet çapraz geçiş yapısı ve 2 adet 45° faz kaydırıcı yapısı içermektedir. Çalışmalarda karşılaştırma yapabilmek adına 3,8 GHz frekansında çalışan temel bir 4×4 Butler matrisi tasarlanmıştır. Dielektrik yüklemeler ile faz kaydırma sağlayan yapılardan birincisi temel Butler matrisi yapısının beşinci kapısına giden iletim hattının üstüne yapılan dielektrik yüklemeden oluşurken, ikincisi aynı hattın altına kazıma yapılarak yerleştirilmiş dielektrik yüklemeden, son yapı ise aynı hattın altına yapılan yüklemeye ilaveten 45° faz kaydırıcı hattın altına kazınmış ikinci bir dielektrik yüklemeden oluşturulmuştur. Tasarımı yapılan dielektrik yüklemelerin dielektrik sabiti ve boyutları parametrik olarak değiştirilerek bir dizi parametrik analiz gerçekleştirilerek bu parametrelerin çıkış fazına etkisi değerlendirilmiştir. Antenlerin çalışma frekansı, S parametreleri genlik ve faz değerleri nümerik olarak hesaplanmıştır. Temel Butler matrisi yapısının beşinci kapıdaki faz açısı −56,48° iken, dielektrik yüklemeler ile birlikte faz açısı 147,01° değerine kadar değiştirilmiştir. Ardından yapının uygulanabilirliğini arttırabilmek adına dielektrik malzemeyi yerleştirmek için hazne tasarımı yapılmıştır. Yapının hatları ile konnektörün eklenmiş olduğu hattın empedans uyumunu sağlamak için eklenen uyumlama hattı ile birlikte beşinci kapıdaki faz açısı −68,55° olmuştur. Hazne içerisine yerleştirilen dielektrik malzeme ile birlikte faz açısı değeri −100,23° olarak ekstra faz kayması değeri 31,68° olmuştur. Tasarımı yapılan Butler matrisi yapılarından üst katman dielektrik yüklemesi yapılan yapılardan en fazla faz kaymasını sağlayan yapılardan birinin ve haznenin üretimi ve ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Ölçümler üç ayrı dielektrik sıvı için gerçekleştirilmiştir. Solvent olarak aseton, asetonitril ve damıtılmış su kullanılmıştır. Ölçüm sonuçlarına göre faz açısı değeri temel yapının faz açısı değeri olan 145,8°'den en fazla 34,5° kayarak 111,3° elde edilmiştir.   
Tez çalışması kapsamında yapılan ikinci çalışmada 5G, C ve X bantlarında çalışan, altı bantlı, mikroşerit bir anten yapısı tasarımı ve üretimi gerçekleştirilmiştir. Anten E, M, K harfleri ve simetri çubuğu kombinasyonundan oluşan mikroşerit hatlardan oluşturulmuştur. Çalışmada antendeki hatların genişlikleri, uzunlukları ve kalınlıkları değiştirilerek bir dizi parametrik analiz gerçekleştirilmiş ve |S11| parametresinin değeri ve frekanslar bakımından hedeflenen frekanslar için genlik değeri en uygun olanı detaylı olarak analiz edilerek çalışma frekansı, yansıma katsayısının genliği, kazanç, verim, ışıma örüntüsü, kutuplanma parametreleri incelenmiştir. EMK anteninin çalışma frekansları sırasıyla 6 GHz altı 5G uygulamaları için kullanılmak üzere 3,662 GHz, C bantta 6,203 GHz, 7,05 GHz ve 7,82 GHz, X bantta ise 8,26 GHz ve 9,107 GHz değerlerine sahiptir. EMK anteninin kazancı bu frekanslarda sırasıyla 6,121, 9,602, 8,023, 6,469, 10,61, 9,449 dBi değerlerine sahiptir.  Işıma verimleri sırasıyla yaklaşık % 74, % 89, % 88, % 91, % 95, % 97 olarak hesaplanmıştır. Toplam verimler ise yaklaşık olarak sırasıyla % 72, % 86, % 83, % 89, % 94, % 94 değerlerine sahiptir. Anten tüm bantlarda doğrusal polarizasyona sahiptir. Nihai yapının üretimi yapılarak antene EMK anteni ismi verilmiştir. EMK Anteni'nin prototipi üretilmiş olup ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Antenin merkez frekansları sırasıyla 3,7, 6,245, 7,07, 7,957, 8,382 ve 9,167 GHz'tir. 
Tez çalışması kapsamında yapılan son çalışmada frekansı ayarlanabilir bir anten yapısı tasarımı gerçekleştirilmiştir. Anten yapısı E, M, K harfleri ve simetri çubuğunun kombinasyonundan oluşmuş olan yapının orta hattının üst ve alt kısmında bir yarık açılarak bu yarıkta dielektrik yükleme yapılması ile oluşturulmuştur. Anten yapısına dielektrik yüklemeler ile frekansta 1100 MHz değerine kadar kayma elde edilmiştir. Üretim ve uygulama kolaylığı adına dielektrik yerleştirebilmek için hazne tasarımı yapılarak üretime eklenmiş ve bu haznenin eklenmesiyle birlikte hassasiyette azalma olarak frekansta 300 MHz değerinden daha fazla bir kayma elde edilmiştir. Antenin üretimi yapılmış olup ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan ölçümlere göre dielektrik yükleme ile frekansta 300 MHz kadar kayma elde edilmiştir.       
Yapılan tüm çalışmalarda tasarımlar ve benzetimler CST Studio Suite® elektromanyetik dalga çözücüsü ortamında gerçekleştirilmiştir. Ölçümler Agilent Fieldfox N9926A vektör ağ çözümleyicisi ile yapılmış ve hesaplanan çalışma frekansı, |S11|, faz açısı değerleri benzetimlerde elde edilen sonuçlar ile karşılaştırmalı olarak verilmiştir.

Abstract:
In this thesis, three different 4×4 Butler matrix structure applications with dielectric loading and adjustable phase angle, which can be used in 5G antenna systems, have been designed. The Butler matrix structures used include four branchline couplers, one crossover, and two 45° phase shifters. In order to make comparisons in the studies, a basic 4×4 Butler matrix operating at 3.8 GHz is designed. The studied Butler matrix structures consist of an unloaded Butler matrix (fundamental 4×4 Butler matrix structure), First structure formed by loading the transmission line of the fifth port with a superstrate dielectric, second structure formed by loading the transmission line of the fifth port with a substrate dielectric and third structure formed by adding an extra substrate loading under the 45° phase converter of second structure.The dielectric constant and dimensions of the designed dielectric loadings were changed parametrically, and the effect of these parameters on the output phase was evaluated by performing a series of parametric analyzes. The operating frequency, S parameters, amplitude and phase values of the antennas were calculated numerically. While the phase angle of the unloaded Butler matrix structure at the fifth port was −56.48°, the phase angle was changed up to 147.01° with dielectric loadings. Among the designed Butler matrix structures, the production and measurements of the structure that provides the highest phase shift among the structures with top layer dielectric loading were carried out. The phase angle at the fifth port was −68.55° with the matching line added to ensure impedance matching of the lines of the structure and the line to which the connector is attached. With the dielectric material placed in the chamber, the phase angle value was −100.23° and the extra phase shift value was 31.68°. Among the designed Butler matrix structures, one of the structures with the highest phase shift among the top layer dielectric loaded structures and the chamber were produced and measured. Measurements were made for three different dielectric liquids. Acetone, acetonitrile and distilled water were used as solvents. According to the measurement results, the phase angle value of the foundation structure shifted from 145.8°, which is the phase angle value, to a maximum of 34.5° and was obtained as 111.3°.
In the second study performed in the dissertation work, a six-band, microstrip antenna structure was designed and produced, operating in the 5G, C and X bands. The antenna is composed of microstrip lines consisting of the letters E, M, K and a symmetry bar combination. In the study, a series of parametric analyzes were completed by changing the width, length and thickness of the lines in the antenna and |S11| The value of the parameter and the most suitable amplitude value for the targeted frequencies in terms of frequencies were analyzed in detail, and the operating frequency, amplitude of the reflection coefficient, gain, efficiency, radiation pattern, polarization parameters were examined. The operating frequencies of the EMK antenna are 3.662 GHz, 6.203 GHz, 7.05 GHz and 7.82 GHz in the C band, 8.26 GHz and 9.107 GHz in the X band, respectively, to be used for 5G applications sub-6 GHz. The gain of the EMK antenna has values of 6.121, 9.602, 8.023, 6.469, 10.61, 9.449 dBi at these frequencies, respectively. Radiation efficiencies were calculated as approximately 74%, 89%, 88%, 91%, 95%, and 97%, respectively. The total yields are approximately 72%, 86%, 83%, 89%, 94% and 94%, respectively. The antenna has linear polarization in all bands. The final structure was produced and the antenna was named EMK antenna. The prototype of the EMK Antenna was produced and its measurements were carried out. The center frequencies of the antenna are 3.7, 6.245, 7.07, 7.957, 8.382 and 9.167 GHz, respectively.
In the last study carried out within the scope of the thesis study, a frequency tunable antenna structure was designed. The antenna structure is formed by opening a slot in the upper and lower part of the midline of the structure, which consists of the combination of the letters E, M, K and the symmetry bar, and by applying dielectric loading in this slot. The frequency shift up to 1100 MHz was obtained with dielectric loadings on the antenna structure. For the sake of ease of production and application, a chamber was designed and added to the production in order to place a dielectric, and with the addition of this chamber, a shift of more than 300 MHz in frequency was obtained as a decrease in sensitivity. The antenna has been fabricated and its measurements have been made. According to the measurements made, 300 MHz shift in frequency was obtained with dielectric loading.
In all studies, designs and simulations were carried out in the CST Studio Suite® electromagnetic wave solver environment. The measurements were made with Agilent Fieldfox N9926A vector network analyzer and the calculated operating frequency, |S11|, phase angle values are given in comparison with the results obtained in the simulations.