5G uygulamaları için dizi yama anten tasarımı ve optimizasyonu
Patch grid antenna design and optimization for 5g applications
Yazar: ALP EREN BAKIR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEBAHATTİN EKER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Bilişim Enstitüsü / İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı / Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: 5G = Five-Generation Wireless Telephone Technology ; Anten = Antenna ; Anten dizileri = Antenna arrays

Özet:
5G teknolojisi son kullanıcıya yeni ve daha iyi servisler sunabilmek amacıyla sürekli gelişmektedir. Yeni servislerin yüksek video çözünürlüğü, sanal gerçeklik uygulamaları gibi yüksek bant genişliği gerektirmesi haberleşme alanında da yüksek kapasite ihtiyacını beraberinde getirmektedir. Bu ihtiyaç kullanım alanlarına bağlı
olarak değişiklik göstermekte, çoklu kullanımın desteklenmesi gereken uygulamalarda yüksek bant genişliği gerekirken, anlık aksiyonun önem taşıdığı uygulamalarda ise düşük gecikme sürelerini önemli hale getirmektedir. Bu nedenle 5. nesil kablosuz haberleşme teknolojisinde 4. nesil teknolojiye oranla hem data hacmi hem de data
transfer hızında çok daha fazla kapasiteye ulaşılması amaçlanmaktadır. 5G teknolojisinde frekans aralığı olarak yüksek data transferini gerçekleştirebilmek amacıyla yüksek frekans bantları tercih edilmekte ve böylece kapasite artırımı sağlanmaktadır. Aynı zamanda alt frekans aralıklarının da 5G teknolojisi için kullanıma açık olmasıyla birlikte daha çok 24-66 GHz frekans spektrumu tercih edilmektedir. Diğer haberleşme teknolojilerinde olduğu gibi 5. nesil teknolojide de sistemin en önemli entegrasyon elemanı antenlerdir. Yeni teknolojiyle birlikte hem veri hızındaki hem de veri hacmindeki artışı karşılayabilmek amacıyla yaşanan zorlukların üstesinden gelebilmek için kullanılan antenlerin tasarımında ulaşılan verimlilik, antenin ışıma özellikleri, kazancı ve üretim maliyeti gibi parametreler önem taşımaktadır. Yeni nesil haberleşme sistemlerinde yüksek kazanç ve verimlilik, düşük enerji tüketimi, yüksek yönlülük kullanılacak antenler için tercih edilen özellikler olmaktadır. Ayrıca kullanılacak anten boyutu ve ağırlığı gibi parametreler de antenin kullanım alanına göre değişiklik göstermekte özellikle 5G uygulamalarının kullanılacağı mobil cihazlar dikkate alındığında bu özellikler de ön plana çıkmaktadır. Anten boyutlarının olabildiğince küçük olması ve ağırlığının az olması amacıyla anten üretiminde kullanılacak maddeler de buna uygun şekilde seçilmelidir. Milimetre dalga boyundaki yapılan çalışmalarda antenin ışıma yaptığı frekans arttıkça anten boyutu da küçülmektedir. Anten boyutunun küçülmesiyle birlikte hem anten üretiminde hem anten parametre ve ışıma ölçümlerinde kullanılan araçların hassasiyeti, yüksek frekanslardaki elektromanyetik dalganın çevresel etkilere maruz kalarak hızlı zayıflaması nedeniyle, günümüzde kullanılan cihazların hassaiyetine oranla daha yüksek olmalıdır. 5G teknolojisinde kullanılabilir anten tasarımları bu çalışmanın temelini oluşturmaktadır. Bu kapsamda yapılan literatür taramalarıyla optimum frekans aralıkları ve anten çeşitleri incelenerek sıkça kullanılan frekans aralığında ve anten tiplerinde anten tasarımları gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında diğer frekanslara oranla yol kaybını ve elektomanyetik dalga emiliminin az olması nedeniyle 28 GHz merkez frekansı antenin çalışma bandı olarak belirlenmiştir. Bu çalışma frekansında mikroşerit yama anten, mikroşerit dizi anten,
çoklu giriş çoklu çıkış anten ve kafes dizi anten tasarımları Bilgisayar Simülasyon Teknolojisi (CST) ortamında gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan antenlerde, anten yapısına bağlı olarak optimum kazanç, verimlilik ve bant genişliğini elde edebilmek amacıyla optimizasyonlar gerçekleştirilmiştir. Öncelikle 12 x 9.8 mm boyutlarındabirim hücre mikroşerit yama anten tasarımı gerçekleştirilmiş ve bu anten kullanılarak yine aynı ışıma frekanslı 48 x 9.8 mm boyutlarında 4x1 MIMO anten formuna getirilmiştir. Mikroşerit yama anten için 6.16 dB yönelticilik ve 5.03 dBi anten kazancı elde edilirken MIMO anten formunda yönelticilik artarak 9.64 dB ve kazanç artarak 8.26 dBi değerine ulaşmıştır. Anten verimliliği ise -1.33 dB'den -1.384 dB'ye az miktarda düşüş göstermiştir. Her iki anten için de 2.2 GHz bant genişliği elde edilerek literaturdeki 1.8 GHz bant genişliğine göre iyileştirme sağlanmıştır.
16 mm x 16 mm boyutlarında farklı formda ikinci bir mikroşerit anten tasarımı gerçekleştirilerek işlemler tekrarlanmış ve bu anten tasarımı da aynı frekansta çalışan 65 mm x 16 mm boyutlarında 4x1 MIMO anten formuna getirilmiştir. Mikroşerit yama anten için 7.83 dB yönelticilik ve 7.35 dBi kazanç elde edilirken MIMO anten için
13.08 dB yönelticilik ve 13.01 dBi kazanç değeri elde edilmiştir. Dizi anten tasarımı içinse öncelikle 5 x 5.9 mm boyutlarında birim hücre mikroşerit yama anten tasarımı yapılmış ve sonrasında 2x1 ve 4x1 dizi anten formuna
dönüştürülmüştür. Mikroşerit yama antenin yönelticilik ve kazanç değerleri sırasıyla 6.61 dB ve 2.26 dBi olarak elde edilmiştir. Tasarlanan 2x1 ve 4x1 antenin ise yönelticilik ve kazanç değerleri ise sırasıyla 7.35 dB, 3.62 dBi, 9.15 dB ve 5.67 dBi'dır. Dizi anten tasarımında eleman sayısını artırdıkça kazanç ve yönelticilik değerlerinin arttığı görülmüş. Anten boyut sınırlamaları nedeniyle bu artış belirli oranda sağlanmıştır.
Son olarak 28 x 20.8 mm ve 36 x 35 mm boyutlarında sırasıyla 8 kafesli ve 16 kafesli kafes dizi anten tasarımı yapılmıştır. Her iki anten için de mobil cihazlara uyumluluk amacıyla anten boyutunun uygunluğu gözetilmiştir. Yönelticilik ve kazanç değerleri sırasıyla, 12.7 dB ve 12 dBi, 12.3 dB ve 12.1 dBi olarak ölçülmüştür. Kafes sayısının optimizasyonuyla anten bant genişliğinde verimliliğinde iyileşme sağlanmıştır. Bu çalışmada genel olarak 5G teknolojisinde kullanılacak antenin kazanç, verimlilik gibi parametrelerinin iyileştirilmesi amaçlanmıştır. İyileştirme amacıyla anten tipi, tasarımı ve boyutlarında değişiklikler gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
5G technology is developing day by day in order to provide a better experience to the user. The fact that new services require high bandwidth, such as high video resolution and virtual reality applications, also brings with it the need for high capacity in the field of communication. This need varies depending on the areas of usage, while high bandwidth is required in applications where multi-user should be supported, while in applications where instant action is important, it makes low latency important. Therefore, it is aimed to reach much more capacity in the 5th generation wireless communication technology compared to the 4th generation technology. In order to realize high data transfer in 5G technology, high frequency bands are preferred and thus capacity increase is provided. At the same time, although the lower frequency ranges are available for 5G technology. High frequency bands can be preferred by service providers in areas where high data density is required, such as urban areas. However, low frequencies can be preferred in areas that do not have a direct view or in areas where more devices need to be serviced. Although it varies according to the needs, it has been seen in the literature that high frequency bands are used more often than low frequency bands. In the 24-66 GHz high frequency band range, lower bands in the high band range are more preferred in order to minimize attenuation and loss. As with other communication technologies, the most important integration element of the system in 5th generation technology is antennas. With the new technology, antenna parameters such as the efficiency achieved in the design of the antennas, the radiation properties of the antenna, its gain and production cost are important in order to
overcome the difficulties experienced in order to meet the increase in both data rate, accessibility and data volume. In the new generation communication systems, high gain and efficiency, low energy consumption and high directionality are the preferred features for the antennas to be used. In addition, parameters such as antenna size and weight to be used vary according to the usage area of the antenna, especially when mobile devices that will use 5G applications are taken into consideration, these features come to the fore. When the most frequently recently used antennas in mobile and broadband communication technologies are examined, it is seen that array antennas and multiple input multiple output antennas are preferred in new generation applications where they are more important in terms of their advantages. In order for the antenna sizes to be as small as possible and to have a low weight, the substances to be used in antenna production should be selected accordingly. In studies carried out in millimeter wavelength, as the frequency of the antenna increases, the antenna size decreases. As the antenna size decreases, the sensitivity of the vehicles used in both antenna production and antenna parameter and radiation measurements should be higher sensitivity than the sensitivity of the devices used today, due to the
rapid weakening of the electromagnetic wave at high frequencies due to environmental effects. Antenna designs usable in 5G technology form the basis of this study. With the literature scans carried out in this context, the optimum frequency ranges and antenna types were examined and antenna designs were made in the frequent frequency range and antenna types. In the scope of the study, 28 GHz operating frequency was determined as the working
band of the antenna due to the lower loss of path and electromagnetic wave absorption compared to other frequencies. Electromagnetyic waves in higher bands are also absorbed more easily by gases in the air, trees, and nearby buildings. Therefore, high frequencies are advantageous in high data density transmission, but for long-distance transmission, they cause loss due to high attenuation. In this working frequency, microstrip patch antenna, microstrip array antenna, multiple input multiple output antenna and lattice array antenna design were realized. In the designed antennas, optimizations were carried out in order to obtain optimum gain, efficiency and
bandwidth depending on the antenna structure. First of all, a 12 x 9.8 mm unit cell microstrip patch antenna design was made and it was transformed into a 4x1 MIMO antenna with the same operating frequency and 48 x 9.8 mm dimensions. 6.16 dB directivity and 5.03 dBi antenna gain were achieved for the microstrip patch antenna, while the direction of MIMO antenna increased 9.64 dB and the gain increased to 8.26 dBi. Antenna efficiency has decreased slightly from -1.33 dB to -1.384 dB. 2.2 GHz bandwidth was obtained for both antennas, and an
improvement was achieved according to the 1.8 GHz bandwidth in the literature. A second microstrip antenna design in 16mm x 16mm dimensions was carried out and the processes were repeated, and this antenna design was converted into a 4x1 MIMO antenna with 65mm x 16mm dimensions operating at the same frequency. 7.83 dB directivity and 7.35 dBi gain were obtained for the microstrip patch antenna, while 13.08 dB directivity and 13.01 dBi gain value were obtained for the MIMO antenna. For the array antenna design, first 5 x 5.9 mm unit cell microstrip patch antenna design was made and then it was converted into 2x1 and 4x1 array antenna form. The directivity and gain values of the microstrip patch antenna were 6.61 dB and 2.26 dBi, respectively. The directionality and gain values of the designed 2x1 and 4x1 antennas are 7.35 dB, 3.62 dBi, 9.15 dB and 5.67 dBi, respectively. As the number of elements
increased in the array antenna design, it was observed that the gain and directivity values increased. Due to antenna size limitations, this increase has been achieved to a certain extent. Finally, a series of 8 lattice and 16 lattice lattice array antennas were designed in the dimensions of 28 x 20.8 mm and 36 x 35 mm respectively. For both antennas, the compatibility of the antenna size was observed for compatibility with mobile devices. Directivity and gain values were measured as 12.7 dB and 12 dBi, 12.3 dB and 12.1 dBi, respectively. With the optimization of the number of lattices, an improvement in antenna bandwidth efficiency was achieved. In this study, it is aimed to improve the parameters of the antenna to be used in 5G technology such as gain and efficiency. For improvement, changes have been made to the antenna type, design and dimensions.