28 GHz için yansıtıcı yüzey tasarımı
Reflectarray design for 28 GHz
Yazar: ISRAA AQRAB
Danışman: PROF. DR. HÜLYA GÖKALP CLARKE
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Yeni kuşak kablosuz iletişim sistemlerinde yüksek hızda ve büyük miktarda veri iletimi için 28 GHz ve üstü frekansların kullanımı planlanmaktadır. Yüksek frekanslarda doğru görüş hattının engeller ile kapanması durumunda sinyal büyük ölçüde zayıflar. Bu duruma çözüm olarak yansıtıcı dizi yüzey kullanımı önerilmiştir. Ancak, 28 GHz ve üstü frekanslar için yapılmış az sayıda yansıtıcı yüzey çalışması vardır. Bu tez, 28 GHz'de çalışan, yüksek kazançlı, sabit ışınlı mikroşerit yansıtıcı dizi tasarımını ele almakta, çeşitli tasarım özelliklerinin başarıma etkisini araştırmakta ve bir adet yansıtıcı dizi üretilerek tasarım doğrulaması yapmaktadır. Değişken boyut özelliğini kullanan 6x6 mm boyutlarında üç farklı birim hücre yapısı geliştirilerek yansıtıcı yüzey tasarımında kullanılmıştır. Bunladan ilki 1,5 mm köpük tabakası (1,37'lik elektrik geçirgenliği) ile desteklenen 0,787 mm'lik dielektrik alt dolguya (2,2'lik elektrik geçirgenliği) basılmış sabit boyutlu kare halka ile çevrili değişken boyutlu kare yamadan oluşmaktadır. Bu birim hücre yapısı ve 25° yönü için 160x160 mm boyutlu dizi tasarlanmış, ve 160 mm ve 320 mm kaynak anten uzaklıkları için yapılan incelemelerde kaynak anten uzaklaştıkça kazancın düştüğü ve bant genişliğinin arttığı gözlemlenmiştir. Köpük katmanının getirdiği üretim zorluğu nedeni ile ikinci ve üçüncü birim hücrelerde tek katmanlı (2,2'lik elektrik geçirgenliği olan 0,508 mm alt dolgu) yapı tercih edilmiştir. Birim hücrelerden biri yalnızca değişken boyutlu kare yama (tasarım-2) içerirken diğeri sabit boyutlu kare halka ile çevrili değişken boyutlu kare yamadan (tasarım-3) oluşmaktadır. Farklı yansıtma yönleri için 33x33 elemanlı 198x198 mm boyutunda diziler tasarlanmış ve incelenmiştir. Bu yüzeyler için kaynak anten uzaklığı 400mm'dir. 50 dereceye varan yansıtma açıları için her iki birim hücre yapısı ile yüksek kazançlı ışın elde edilmiştir; 20° yönü için 32,5 dBi, 50° için 30 dBi kazanç elde edilmiştir. Daha büyük yansıtma açılarında ise tasarım-2 ile kırınım ışınları görülmeye başlanmış ama tasarım-3 ile yönlü yüksek kazançlı ışın görülmemiştir. Tasarım doğrulaması ve ileride yansıtıcı dizilerin kablosuz kanal yayınımına etkilerini incelemede kullanılmak üzere 20° yönünde yansıtma yapan 33x33 elemanlı 198x198 mm boyutunda bir dizi üretilmiştir. Bu dizide  birim hücre yapısı olarak tasarım-3 kullanılmıştır. Yankısız oda ölçümlerinde elde edilen ışıma örüntüsü ve kazanç- bant genişliği değerleri benzetim sonuçları ile uyumlu olduğu görülmüştür. Işın yönleri aynı olmakla birlikte yarım güç ışın genişliği benzetimlerde yanızca 3.2° iken üretilen yüzey için 6.4° olarak ölçülmüştür. Yan ışın seviyesi benzetimlerde -17.5 dB iken, üretilen yüzey için -14.5 dB olarak ölçülmüştür. Üretimi kolay ve gelen dalgayı 20° yönünde yüksek kazançlı ışın olarak yansıtan bu dizinin, ileride kablosuz kanal yayınım ölçüm ve modellemelerinde kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
The next generation wireless communication systems will use 28 GHz and higher for high-speed data transmission and capacity. At high frequencies, the signal is severely attenuated when the line-of-sight is blocked by obstacles. The use of reflective arrays has been proposed as a solution to this problem. However, there are only few studies of reflective surfaces at frequencies of 28 GHz and above. This thesis investigates the design of high gain fixed beam microstrip reflectors operating at 28 GHz and the effect of various design features on performance. Three different 6x6 mm unit cell structures have been designed and used in reflect-array surface designs that employ variable size unit cell approach. The first design consists of a variable size square patch surrounded by a fixed size square ring printed on a 0.787mm substrate with a relative permittivity of 2.2, supported by a 1mm foam layer with a relative permittivity of 1.37. Arrays of 160x160 mm were designed for 25° reflection directions and for 160 mm and 320 mm source antenna distances. The simulation results show a decrease in gain and an increase in bandwidth as the source antenna moved away. Due to the difficulty of manufacturing a surface with a foam layer, single layer 6x6mm unit cell structures were used in the second and third unit cell designs. One of the unit cells contains only a variable size square patch (design 2), while the other consists of a variable size square patch surrounded by a fixed size square ring (design 3). The reflector-arrays with 33x33 unit elements are distributed over a 198 mm×198 mm area and are printed on a 0.508 mm thick substrate with a relative permittivity of 2.2. For these surfaces, the source-antenna distance is 400 mm. A high gain reflected beam was obtained with both unit cell designs for reflection angles up to 50 degrees, with a gain of 32.5 dBi for the 20° and 30 dBi for the 50° reflection direction. At larger angles of reflection, grating lobes started to appear with design 2, but no directional beam was obtained with design 3. A 198x198 mm array of 33x33 elements reflecting in the 20° direction was fabricated for design verification and for use in studies investigating the effects of reflective arrays on wireless channel propagation. This array uses a Design-3 unit cell structure. Simulations showed a gain of 32.5 dBi, a half-power beam-width of 3.2° and a side lobe level of -17.5 dB. The reflection characteristics of the fabricated surface were measured in an anechoic chamber at a distance of 1m from the surface. Measurements show that the fabricated surface can reflect the incoming wave at 20°, with a half- power beamwidth of ~6.4° and a side beam level of -14.5 dB. It is concluded that this easy-to- fabricate array can be used in future wireless channel propagation measurements.