6 GHZ altında 5G baz istasyonları için çift kutuplu antisimetrik yarık kuplajlı yama anten tasarımı
Design of a dual polarized antisymmetric slot coupled patch antenna for sub – 6 GHZ 5G base stations
Yazar: BURAK UZMAN
Danışman: PROF. DR. MEHMET ÇİYDEM
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu tez çalışmasında, 6 GHz altında 5G baz istasyonları için ekonomik, çift kutuplu (±45° doğrusal), düşük profilli ve geniş bantlı (3.3 GHz – 4.2 GHz) açıklık bağlantılı yarık kuplaj beslemeli yama anten tasarımı sunulmuştur. Hedeflenen antenin temel teknik isterleri; geri dönüş kayıpları, S11, S22 < − 15 dB, portlar arası izolasyonları S12 = S21 < − 30 dB, yarım güç hüzme genişlikleri, HPBW = 65°  5, ön - arka ışıma oranı, FBR > 20 dB ve çapraz kutup ayrışımı, XPD > 15 dB olarak hedeflenmiştir. Anten tasarımının başlangıcında, farklı şekillerdeki yarık geometrileri benzetim ortamında tasarlanarak performansları incelenmiş ve en iyi performansa sahip H şekilli yarık geometrisi seçilmiştir. Farklı yarık geometrilerinin analizinden sonra, ilk H şekilli yarığın boyutlandırılması ve anten üzerinde konumlandırılması ardından da ikinci H şekilli yarığın boyutlandırılması, ilk H şekilli yarığa göre ve anten üzerinde konumlandırılması yapılmıştır. Hedeflenen temel teknik isterler referans alınarak doğru boyutlar seçilmiş ve konumlandırma yapılmıştır. Bu parametrik çalışmanın ardından ise, antenin toprak düzleminin boyutlarının, açıklık bağlantılı yarık kuplaj beslemeli yama antenin en büyük problemlerinden biri olan geriye doğru yansımaya olan etkileri benzetim ortamında incelenmiştir. Hedeflenen temel teknik isterler sağlandıktan sonra benzetim ortamında anten tasarımı tamamlanmış ve önerilen antenin üretimi gerçekleştirilmiştir. Son olarak, bu çalışmada önerilen açıklık bağlantılı yarık kuplaj beslemeli yama antenin, benzetimleri ve prototip anten üzerinde geri dönüş kaybı, portlar arası izolasyonu ve yarım güç hüzme genişliği gibi ölçümleri yapılarak sonuçları karşılaştırılmıştır. Benzetimler ve ölçüm sonuçları uyumlu olup, önerilen anten elemanının hedeflenen teknik isterleri sağlayarak 5G baz istasyonları için uygun olduğu doğrulanmıştır.

Abstract:
In this thesis, a cost-effective, dual-polarized (±45° linear), low-profile, and wideband (3.3 GHz – 4.2 GHz) aperture coupled slot coupled patch antenna design for sub - 6 GHz 5G base stations is presented. The primary technical specifications targeted for the antenna design include return losses, S11, S22 < − 15 dB, port-to-port isolation S12 = S21 < − 30 dB, half-power beamwidths, HPBW = 65° ± 5°, front-to-back ratio, FBR > 20 dB, and cross-polarization discrimination, XPD > 15 dB. At the beginning of the antenna design, different slot geometries were simulated, and their performances were examined, resulting in the selection of the H-shaped slot geometry, which exhibited the best performance.  Following the analysis of different slot geometries, the dimensions and placement of the first H-shaped slot on the antenna were determined. Subsequently, the dimensions and placement of the second H-shaped slot, relative to the first slot and on the antenna, were established. Accurate dimensions and positioning were chosen based on the targeted primary technical specifications. After this parametric study, the effects of the ground plane dimensions on the backward reflection, one of the main problems of the aperture-fed slot-coupled patch antenna, were investigated in the simulation environment. Once the targeted primary technical specifications were met, the antenna design was completed in the simulation environment, and the proposed antenna was fabricated. Finally, the proposed aperture coupled slot coupled patch antenna's performance, including return loss, port-to-port isolation, and half-power beamwidth, was measured on the prototype antenna and compared with the simulation results. The simulations and measurement results were consistent, confirming that the proposed antenna element meets the targeted technical specifications and is suitable for 5G base stations.