Eş düzlemsel hat girişli ve çift bantlı bir monopol planar anten tasarımı
The design of a CPW-fed dual band monopole planar antenna
Yazar: EMRAH SEVER
Danışman: DOÇ. DR. CEVDET IŞIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
2002 yılında 3.1-10.6GHz arasında kalan frekans bölgesinin FCC (Federal Communication Comission) tarafından serbest bölge olarak ilan edilmesinden sonra bu bölgenin tümünü kapsayan ultra geniş bantlı (UWB) antenler ya da tümünü kapsayan antenler üzerinde bazı değişikliklerle bandın bir kısmını bastıran antenlerin tasarımı son derece hız kazandı. Monopol planar antenler geniş bantlı olma ve kompakt bir yapıya sahip olmaları ve sisteme kolayca entegre edilebilmeleri özelliklerinden dolayı bu çalışmalarda en çok tercih edilen anten tipleridir. Işıma yamasının dikdörtgen, kare, eliptik ya da dairesel olmalarına göre isimlendirilen monopol antenler aynı zamanda bu geometrik şekillerin farklı kombinasyonlarından da oluşabilmektedir.Anten tasarımında temel amaç, tasarlanan antenin istenen frekans bölgesinde iyi bir empedans uyumu sağlamasıdır. Empedans uyumu, antenin geri dönüş kaybının istenen frekans bölgesinde -10dB'nin altında olması olarak kabul edilmektedir. Bu da aynı zamanda duran dalga oranının (VSWR: Voltage Standing Wave Ratio) 2'den küçük olmasına karşılık gelmektedir. Ayrıca antenin ilgili rezonans frekansında iyi bir ışıma karakteristiği göstermesi de diğer önemli bir konudur. Yani antenin geri dönüş kaybı, istenen frekans bölgesi boyunca -10dB'nin altında olmasına rağmen anten, ilgili bölgede beklenen ışıma karakteristiğini veremiyorsa istenen sonuç elde edilememiştir. Antenin ışıma karakteristiği, antenin hangi yönde ne şiddette ışıma yaptığı hakkında bilgi verir. Tasarlanan antenin uygulamaya bağlı olarak bazen tüm yönlere (omnidirectional) ışıma yapması istenirken bazen de sadece belirli yönlere (directional) ışıma yapması istenir.Empedans uyumunun sağlanması besleme tekniği ile direkt alakalıdır. Yani kullanılan besleme türüne göre daha farklı sonuçlar elde edilebilmektedir. Dolayısıyla ışıma yaması ile besleme arasındaki bölge, empedans uyumunu sağlamak için üzerinde durulması gereken bir bölgedir. Bu bölgede yapılacak herhangi bir değişiklik olumlu ya da olumsuz bir şekilde ışıma karakteristiği ve geri dönüş kaybı karakteristiğini etkileyecektir. Uygulamada koaksiyel besleme, mikroşerit besleme ve eş düzlemsel dalga kılavuzu besleme (CPW-fed: Coplanar Waveguide fed) şekilleri kullanılmaktadır.CPW-fed kullanılarak tasarlanan antenlerde toprak levhaları da ışımaya katkıda bulunarak daha geniş bir frekans aralığında hemen hemen hiç değişmeyen giriş empedansı elde etmeye olanak sağlamaktadır.Bu çalışmada ışıma yaması dikdörtgen olan çift bantlı dikdörtgen monopol planar anten tasarlanmıştır. Monopol antenlerde daha iyi empedans uyumu sağladığı için ve daha düzlemsel bir yapıya sahip olduğu için de CPW-fed kullanılmıştır. Empedans uyumunu sağlamak amacıyla besleme şeridi üzerinden ışıma yamasına uzanan simetrik iki yan şerit eklenmiştir. Eklenen bu yan şeritler yüksek frekans bölgesinde ikinci istenen bandı oluştururken aynı zamanda alt frekans bölgesinde de daha iyi bir empedans uyumu sağlanmasına yardımcı olmuştur. Genişlik ve boy değerleri değiştirilerek frekans bölgesinin kontrolü ve ışıma diyagramının kontrolü bu yan şeritler ile yapılmıştır. Ayrıca yüksek frekans bandındaki ışıma diyagramını iyileştirmek amacıyla ışıma yaması üzerine simetrik iki çentik açıldı.Tasarlanan anten W-LAN uygulamalarında kullanılabilecek çift bantlı bir frekans karakteristiğine ve bu bantlarda iyi bir ışıma karakteristiğine sahiptir.

Abstract:
After the FCC (Federal Communication Commission) issued the 3.1-10.6GHz as license free range in 2002, the design of UWB antennas that cover whole of this range or by making new modifications on the exist antennas for suppressing some part of this region has accelerated. Monopole planar antennas are the most preferred antennas in these studies because of their wide impedance bandwidth, compact and easy mounted structure. They are called according to the shape of their radiation patch such as rectangular, square, elliptical, circular or any combination of these shapes.The main aim in the antenna design is to obtain a good impedance matching in the desired frequency range. The impedance matching is considered as the antenna has return loss below -10dB in the desired frequency range. It corresponds to that the voltage standing wave ratio is smaller than 2 (WSVR<2) in this range. Also it is another important point that the antenna has a good radiation pattern at the resonance frequency. Although the antenna has a return loss below -10dB during the whole frequency range, it is not the desired result if the antenna doesn?t has a good radiation characteristic at the related resonance frequency. The radiation characteristic of the antennas gives information about the radiation intensity according to the space coordinates. It is desired directional or omnidirectional radiation depending on the application.The impedance matching is directly associated with the feeding technique. Different results can be obtained associated with the different feeding techniques. Due to that the region between the radiation patch and the feeding point needs to focus on for obtaining a good impedance matching. Any modifications in this region will affect the radiation pattern and the return loss values in a positive or negative way. Coaxial fed, microstrip fed and CPW-fed (coplanar waveguide-fed) are used in practice.In the CPW-fed technique, the ground planes also contribute the radiation, which help to improve impedance matching in a wide frequency range.In this study a monopole planar antenna which has a rectangular patch was designed. And CPW-fed technique was preferred because of its planar structure and serving a good impedance matching. For improving impedance matching, two new symmetric strips were added from the feeding strip to the radiation patch. The added new strips helped both obtaining a better impedance matching in the first band at lower frequencies also obtaining the second band at high frequencies. The return loss values and radiation pattern can be controlled by changing the length and width of these strips. Also for improving the radiation pattern in second band at high frequencies, two symmetric rectangular notches were added on the radiation patch.The designed antenna has a dual band frequency characteristic and a good radiation characteristic that can be used in the WLAN applications.