Geniş band mikro şerit yama anten tasarımları için uygun yöntemlerin araştırılması
Investigation on favourable methods for wideband microstrip patch antenna designs
Yazar: DİLEK UZER
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SEYFETTİN SİNAN GÜLTEKİN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Anten = Antenna ; Bant genişliği = Band width ; Bilgisayar destekli benzetim = Computer aided simulation

Özet:
Günümüzde kablo karmaşası ve maliyetlerinden kurtulma ve kullanıcıların hareket özgürlüklerini sağlama avantajlarından dolayı kablosuz sistemler sıklıkla tercih edilmektedir. Kablosuz haberleşme teknolojilerinin gelişmesiyle de kullanıcılar tarafından beklenilen yüksek hız ve daha geniş kullanım alanları beraberlerinde geniş bir haberleşme bandı ihtiyacı doğurmaktadır. Bununla birlikte, kablosuz cihazların aynı anda ve hareketli ortamlarda kullanılmasının tercih edilmesi, taşınabilir boyutlarda tasarlanmaları ve uzun süre dayanacak güç kaynaklarına ihtiyaç duymaları hâsıl olmuştur. Bu sebeple cihazlarda kullanılan elemanlarında düşük güç tüketimine sahip, küçük boyutlu ve yüksek bant ihtiyacını karşılayabilecek özelliklerde olmaları arzu edilmektedir. Daha hızlı ve daha kaliteli haberleşme için büyük band genişliğine daima ihtiyaç duyulmaktadır. Bluetooth, GPS, doğrudan sayısal yayın, uydu haberleşmesi gibi kablosuz haberleşme uygulamalarında ve akıllı telefonlar gibi birden fazla frekansta çalışan cihazların üretilmesi ile tüm bu çalışma frekanslarını içine alacak büyük veri oranlarının sorunsuz iletilebilmesi gibi uygulamalarda geniş band kapasiteli antenlere ihtiyaç vardır. Kullanıcı sayısının artışı, cihazlarda ve yeni geliştirilen teknolojilerde istenilen düşük güç tüketimi ve iletim mesafesinin artması da geniş band ihtiyacını doğrudan etkileyen faktörler arasındadır. Ek olarak, modern kablosuz el cihazları, hücresel ses ve veri, Wi-Fi ve GPS gibi sistemlerin sorunsuz haberleşme ihtiyaçlarına cevap vermek amacıyla, çoğu kez çoklu bandlar üzerinden üç ya da daha fazla antenin işbirliği içerisinde çalışması ve dolayısıyla band genişliklerinin büyük olması beklenir. Ayrıca yüksek veri oranına sahip 4G ve 5G teknolojilerinin gelişimi ve uygulama tabanlı kullanımlarının artışıyla, çoklu hava kanalları üzerinden yapılan kablosuz haberleşmelerinde tasarımlanan mobil cihazların RF mimarisinde, geniş banda ihtiyaç duyulmaktadır. Dolayısıyla kablosuz ve geniş banda ihtiyaç duyan bu tür cihazların üretimlerinin hız kazanmasıyla tasarlanacak antenlerin de bu ihtiyaçlara cevap verebilecek yeterlilikte olmaları gerekmektedir. Yaklaşık 15 yıldır, kablosuz haberleşme devreleri ve cihazları üzerine doğan bu ihtiyaçların karşılanması adına pek çok çalışma sürdürülmektedir. 
Bu tez çalışmasında, kablosuz haberleşme sistemlerinde birçok avantajından dolayı yoğun olarak kullanılan fakat bandgenişliği dezavantajı probleminin üzerinde çalışılan mikroşerit yama antenlerin dar olan band genişliklerini arttırmak için çeşitli yöntemler araştırılmıştır. Bu yöntemlerden en yaygın kullanılanları; uygun özelliklerde dielektrik malzeme kullanımı, besleme yönteminin belirlenmesi, yama şeklinin belirlenmesi, toprak düzlemi boyutlarının belirlenmesi, yama üzerine yarık açma, kısa devre pini ilavesi ya da birden fazla yöntemin aynı anda kullanılmasıdır. Temelde hedef; elektriksel uzunluğu arttırmak, yüzey akımının takip ettiği yolu uzatmak ve birden fazla rezonans frekansının oluşmasını sağlayarak band genişliğini arttırmaktır. Bu tür yöntemler üretim aşamasını zorlaştırsa da, ya da tasarımı karmaşık hale getirse de, güncel haberleşme uygulamalarında ihtiyaç duyulan geniş band ihtiyacını karşılamak üzere göz ardı edilmemelidir. 
Bazı durumlarda tek bir band genişliğini arttırma yöntemi, arzu edilen performansı sağlayamamaktadır. Bu sebeple malzeme seçimi, yama ve toprak düzlemi boyutlarıyla şekillerindeki değişiklikler, besleme yönteminin belirlenmesi, yama üzerine yarık, kısa devre pini, dielektrik kapak gibi ilavelerin yapılması ve bütün bu yöntemlerin bazılarının birlikte uygulanması band genişliğini arttıran çalışmalardır. Bu sebeplerle mikroşerit antenlerin üretimlerinin de bu durumlar dikkate alınarak ve uygun yöntemler kullanılarak gerçekleştirilmeleri gerekmektedir. Tez çalışmasında da tüm bu yöntemler denenmiş ve sonuçları alınmıştır. Bu amaçla önce yalın yama tasarımıyla işe başlanmış, sonrasında gerek besleme noktası gerekse toprak düzlemi boyutları değiştirilerek simülasyon ortamında en iyi sonuçları veren tasarım parametreleri elde edilmiştir. Bu aşamadan sonra, hedeflenen yüksek band genişliğini yakalamak adına, anten üzerine bir band genişliğini arttırma yöntemi uygulanarak çalışmaya devam edilmiştir. Tasarlanan antenlerin performanslarının tam olarak belirlenebilmesi için bu tez çalışmasında mümkün olan en fazla sayıda antenin üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretimde hassasiyetin yüksek tutulabilmesi amacıyla farklı yöntemler denenmiş ve gelişmiş bir baskı devre makinası (PCB) kullanılarak tamamlanmıştır. Anten ölçümleri network analizör yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Laboratuvar imkânları dâhilinde yapılan ölçümler birkaç kez ve aynı ölçüm ortamında tekrarlanarak ölçüm doğruluğunun tam anlamıyla sağlanması hedeflenmiştir.
Tez çalışması kapsamında yama hacmini artırmadan farklı yama şekillerinin karşılaştırılmasına da yer verilmiştir. Bu tasarımlarda aynı malzeme kullanılarak aynı frekanslarda kare ve daire şeklindeki yamalar kullanılmıştır. Bu yama şekillerine göre yama alanında küçültmeye imkân tanırken bandgenişliğinde de bir iyileştirme sağlayan, yeni bir yama şekli olarak Selçuklu Yıldızı şekilli mikroşerit anten tasarımları gerçekleştirilmiştir. Yama alanı yanında mikroşerit antenin toplam alanının da küçültülmesi amacıyla mikroşerit hat yerine koaksiyel hat tercih edilmiştir. Selçuklu yıldızı şekilli mikroşerit yama anten gerek boyutları gerekse tasarım kolaylığı açısından diğer geniş band antenlere üstünlük sağlamıştır. Bu anten yapısı dairesel yama benzeri adımlarla tasarlanarak üretimi de kolaylıkla gerçekleştirilebilmiştir. Böylelikle bandgenişliği ve boyut avantajı sağlayan Selçuklu Yıldızı şekilli mikroşerit yama anten tasarımları gerçekleştirilerek literatüre yeni bir yama anten şekli kazandırılmıştır.

Abstract:
Today, to get rid of cable clutter and cost and provide users the freedom of movement because of the advantages of wireless systems are often preferred. By the development of wireless communication technologies, a wide communication band need exists with the high speed demanded by users and wider usage areas. At the same time, the preference of wireless devices used simultaneously and in mobile environments exists the need of device designs that are portable sizes and have long term power supplies. For this reason, the elements used by the devices are desired to be lower power consumption, small size and in features to meet the broadband needs. For faster and more qualificated communication, broadband are always needed. In wireless communication applications like Bluetooth, GPS, direct digital broadcasting, satelite communication and with producing devices like smart phones that works in more than one frequency, for transmitting large data rates smoothly, including all these operating frequencies, these applications need broadband antennas. The increase of user number, the desired low power consumption at new developed technologies and devices with also increasing in the transmission distance are among the factors of which directly effect the need of broadband. In addition, in order to meet the needs of smooth communication at systems like modern wireless handsets, cellular voice and data, WI-FI and GPS, it is often expected that three or more antennas cooperate with through multibands so their bandwidths are larger. Futhermore, by the improvement of 4G and 5G technologies which have high data rates and the increase at application based usage, broadband is needed in RF architecture of mobile devices that designed for wireless communication through multiple air channel. Because of the acceleration at producing these kind of devices that are wireless and need broadband, the designed antenna should be sufficient to meet these needs. Nearly 15 years, there have been a lot of studies in order to meet these needs of wireless communication circuits and devices.
In this study, various methods has been investigated to improve the narrow bandwidth of microstrip patch antenna on the working of the heavily used in wireless communication systems because of the many advantages, but disadvantages bandwidth problem. The most popular methods of these are, dielectric material with suitable features usage, choosing feeding methods, patch shape and the dimensions of the ground plane, etching slots on patch, adding shorting pin or using more than one method together. Basically, the aim is to increase the electrical length, maket he path that surface current leads and providing of multiple resonance frequencies to increase the bandwidth.  However these kind of methods make the manufactoring stage harder or the designs more complex, it should not be ignored to meet the broadband needs of current communication applications.
In some cases, only a method of increasing bandwidth can not give the desired performance. For this reason, choosing the material, changes in form of patch and ground plane size, determination of the feding method, etching slots on patch, adding shorting pin, adding dielectric superstrate and using more than one of these with together are studies that increase the bandwidth. Therefore, the production of microstrip antennas must be realized by taking into accountof these situations and using favorable methods. In this thesis study, all these methods are tried and their results are taken. For this purpose, it was began with a simple patch design, then design parameters that have been obtained the best resultsby both changing the feeding point and the size of ground plane dimensions in the simulation environment. After, to obtain the targeted wider bandwidth, the study was continued by applying a method of increasing bandwidth on the antenna. In order to determine the performance of designed antennas exactly, lots of the antennas as many as possible were produced in this thesis. Different methods have been tried in order to keep high-precision at production and was completed using an improved printed circuit board (PCB) machine. Antenna measurements have been obtained by the help of a network analyser. In the limitations of laboratuary, the measurements were repeated in the same enviroment to obtain the measurement accuracy exactly.
Within the thesis study, without increasing the volume, the comparison of different patch shapes are included. For these designs, at the same frequencies square and circular shape patches are used on the same materials.
Seljuk star microstrip antenna design which is a new patch geometry that allows a reduction on patch surface, at the same time a bandwidth improvement is realized. For the same target with reducing the patch surface, a coaxial feed is used. Seljuk star micrstrip antenna is superior to other broadband antennas both in terms of reduction of total surface and ease of design. This antenna structure is easily occurred by designing with the similar steps with circular patch. Thus, providing the bandwidth and the size advantage of the Seljuk Star-shaped microstrip patch antenna design, a new form of patches applied in the literature.