close

Enter

Log in using OpenID

Mobil Cihazlar Đçin Çok Bantlı Anten Tasarımı

embedDownload
URSI-TÜRKĐYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Mobil Cihazlar Đçin Çok Bantlı Anten Tasarımı
Aktül KAVAS1 Murat KARAGÖZ2
Yıldız Teknik Üniversitesi
Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü
34220 Đstanbul-Türkiye
[email protected], [email protected]
Özet: Bu çalışmada mobil cihazlar için GSM 1800, UMTS frekanslarında yüksek bant genişliğine yüksek kazanca
sahip yama antenin tasarlanması amaçlanmış ve çok bantlı mikroşerit anten tasarlanmıştır. Teorik denklemler ile
hesaplanan anten boyutları üzerinde değişiklikler yapılarak istenilen frekanslarda istenilen bant genişlikleri ve
anten kazancı elde edilmiştir. Anten tasarım ve analizinde CST Microwave Studio 2010 programı kullanılmıştır.
Abstract: In this study, microstrip patch antenna design for mobile phone is aimed. A multiband patch antenna
with high bandwidth at GSM1800 and UMTS frequencies is designed. Antenna dimensions are calculated by using
the theorical microstrip antenna formulas and by varying the dimensions desired bandwidth and antenna gain
is obtained at cut off frequencies. In this study, CST Microwave Studio 2010 programme used to design and analyze
the antenna.
1. Giriş
1864 yılında James Clerk Maxwell’in elektromanyetik dalgaların varlığını teorik olarak kanıtlamasından sonra
1886 yılında Heinrich Rudolf Hertz, elektromanyetik dalgaların varlığını pratik olarak ispatladı. Marconi 1897
yılında kısa mesafeli de olsa pratik anlam içeren bilgiyi vericiden alıcıya kablosuz olarak göndermeyi başardı.
Kablosuz haberleşmenin en önemli noktası olan, vericiden gelen elektriksel sinyali elektromanyetik dalgaya
çevirip iletim ortamı boyunca dalgayı istenen şekilde yayan ve alıcıda, gelen elektromanyetik dalgayı yine elektrik
sinyallerine çevirme işlemini yapan bileşenler olan antenler üzerindeki araştırma ve geliştirme çalışmaları da
Marconi’nin çalışmalarından sonra başlamış oldu.
20.yüzyılın sonlarından günümüze kadar gelen sürede ise haberleşme sistemlerinde gerçekleşen büyük gelişmeler
antenler üzerinde yapılan araştırmaların hız kesmeden devam etmesine neden olmuştur. Cep telefonu
teknolojilerinin gelişmesi ve ulaşılabilir fiyatlara düşmesi, RFID sistemlerin ve giyilebilir antenlerin pratik olarak
kullanılmaya başlamasıyla artık sıradan bir insanın da gerek bilinçli gerek bilinçsiz olarak üzerinde birden çok
anten taşıdığı bir dönemde yaşamaktayız.
2. Mikroşerit Yama Antenler
Mikroşerit yapıların ışıma yapan bir eleman olduğu fikri 1953 yılında Deschamps tarafından ortaya atılmıştır. 1955
yılında ise Gutton ve Baissinot tarafından mikroşerit anten patenti alınmıştır. Đlerleyen yıllarda Amerikan
donanmasında mikroşerit antenlerler ile ilgili çalışmalar yapıldı ancak gizlilik nedeniyle ayrıntıları
yayınlanmadı.1970’li yıllarda füzeler ve uzay mekikleri için küçük ve yüzeye göre boyutlarda mikroşerit antenler
üretilip pratik olarak kullanılmaya başlanmıştır. .[1][2]
Mikroşerit antenlerin küçük hacimlerde olması üretim maliyetinin düşük olması ve üretiminin kolay olması
ilerleyen yıllarda bu alandaki çalışmaları hızlandırmıştır. Mikroşerit antenler genel olarak, mikroşerit parça
antenler, mikroşerit yürüyen dalga antenler ve mikroşerit yarık antenler olmak üzere üç grup altında
toplanmaktadır.
Mikroşerit antenlerin genel olarak avantajları, hafifliği, küçük hacimli olması, üretim maliyetinin düşük olması,
düzlemsel şekli nedeniyle kullanışlı olması, ince olması sebebiyle aerodinamik yapının büyük önem taşıdığı uzay
araçları, uçaklar, güdümlü mermiler, roketler, uydular gibi araçlarda önemli değişikliklere neden olmadan monte
edilip, aerodinamik yapının bozulmasına sebep olmaması, düşük saçılma ara kesitine sahip olması, besleme
konumundaki ufak değişiklerle doğrusal ve dairesel kutuplanmış ışıma yapabilme özelliği, ikili frekans
antenlerinin kolaylıkla yapılabilir olması, osilator, yükseltgeç, değişken zayıflatıcılar, anahtarlar, modülatörler,
karıştırıcılar, faz değiştiriciler ve benzeri araçları mikroşerit antenin altyapısına ilave edilerek bileşik sistemler
geliştirilebilir olması, mikroşerit antenlerin üretiminin kolay olması gibi besleyici hatları ve uyumlandırma
devrelerinin de üretimi kolaylığı olarak sıralandırılabilir [4]
URSI-TÜRKĐYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Mikroşerit antenlerin, band genişliğinin dar olması, çeşitli kayıplar sebebiyle, düşük kazançlı olmaları, mikroşerit
antenlerin çoğu yarı düzlem içinde ışıma yapması, -20 dB olan en üst kazancın elde edilmesinde pratik güçlükler
olması, düşük uç noktalardan ışıma performansı, besleyici ve ışıma elemanı arasındaki zayıf yalıtım, yüzey
dalgaları uyarımının mümkün olabilmesi, düşük güç kapasitesi olması dezavantajı olarak gösterilebilir.[5][6]
2.1 Temel Mikroşerit Yama Anten ve Besleme Teknikleri
Mikroşerit antenlerin fiziksel olarak yapısı, ince bir düşük kayıplı yalıtkan tabaka, bu malzemenin yüzeyinde
iletken ışıma yüzeyi, diğer yüzeyinde de tamamı iletkenle kaplı toprak tabakasından oluşur.
W
L
H
µ0
ℇ0
∆
Đletken yamanın genişliği.
Đletken yamanın uzunluğu.
Yalıtkan malzemenin yüksekliği.
Boşluktaki manyetik geçirgenlik sabiti.
Boşluğun dielektrik sabiti.
Hat genişlemesi.
Işık hızı.
Yalıtkan Malzemenin Uzunluğu
Yalıtkan Malzemenin Genişliği
c
Lg
Wg
Şekil 2.1 Mikroşerit Anten Parametreleri
Mikroşerit antenler birçok farklı şekilde beslenebilir. En çok kullanılan dört besleme tekniği bulunmaktadır. Bu
besleme tekniklerinden ikisi temaslı(direk-indüktif) diğer ikisi ise temassız(in-direk-kapasitif) besleme
yöntemleridir. Temaslı metot kullanıldığında kaynaktan gelen güç, ışıma yapan yamaya doğrudan temas eden bir
yapı ile iletilir. Temassız metotta ise güç iletimi ışıyan yama ile mikroşerit hat arasında elektromanyetik kuplaj ile
gerçekleşir. Besleme şekli tasarımı etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Genel olarak kullanılan teknikler;
mikroşerit hat, koaksiyel prop, açıklık kuplajlı ve yakınlık kuplajlıdır.[3][5]
3. Mikroşerit Yama Antenin Tasarımı
Anten simülasyonunda CST MWS (2010) programı kullanılmıştır. CST Microwave Studio etkili ve kullanımı
kolay bir elektromanyetik alan benzetim programıdır. Bu program kullanıcıya üstün benzetim performansı ile
kullanıcı dostu arayüzünü birlikte sunmaktadır. CST MWS geniş frekans aralığında elektromanyetik analiz ve
tasarım için tam özellikli bir yazılım paketidir. Acis modelleme çekirdeğine dayalı olan program güçlü bir grafik
modelleme ile devrelerin tasarımını kolaylaştırır.
Tasarlanacak anten GSM 1800 ve UMTS frekanslarında yüksek band genişlikli ve yüksek kazançlı olması
amaçlanmaktadır. Anten tasarımı yapılırken yapılacak ilk iş anten boyutlarının mikroşerit anten denklemleri
kullanarak boyutların kaba olarak hesaplanmasıdır. Mikroşerit anten tasarımında birçok formül olmasına rağmen
bu denklemler, özellikle çok bantlı anten tasarımlarında kesin sonuçları ortaya çıkarmamaktadır. Bu sebeple
öncelikle antenin kaba boyutları hesaplanıp daha sonra anten üzerinde yapılacak değişiklikler ile istenen sonuca
yaklaşmak amaçlanmaktadır.[6]
Anten tasarımında kullanılacak denklemler:
=
=
ℇ
ℇ
=
∆ = 0.412 ∗ ℎ ∗
ℇ
− 2∆
%
(
.$)( .'()
&
%
(
).*+)( .+)
&
)
1
(3.1)[1]
(3.3)[1]
,-.// =
+
∗ [1 + 12 ])/ 2
Lg = 2* L , Wg = 2*W , µ0 = 1.2566*10-6 Weber,
(Esl4110-70c)
(3.2)[1]
(3.4)[1]
ℇ0 = 8.8542*10-12 Farad/m2 , ℇr = 4.5 Farad/m2
Rezonans frekansı için Fr = 1900 MHz ve yalıtkan malzeme yüksekliği olarak h = 5 mm değerleri kullanıldı. Bu
değerler kullanılarak anten boyutları; ℇreff =3.91 Farad/m2, ∆L = 2.25 mm, W = 47.6 mm , L = 36 mm, Lg = 72
URSI-TÜRKĐYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
mm, Wg = 95.2 mm olarak elde edilir. CST programında tasarlanan antenin geri dönüş kaybı şekil 3.2 de
verilmektedir..
Şekil 3.1: 1.9GHz Tasarlanmış Anten
Şekil 3.2: 1.9GHz Tasarlanmış Anten Geri Dönüş Kaybı
3.1 Yüsek Bant Genişlikli ve Çok Bantlı Anten Tasarımı
1900 MHz merkez frekansında tasarlanmış olan anteni çok bantlı ve yüksek bant genişlikli yapabilmek için 247.5
Ω olan empedans değerini düşürmek hedeflenmiştir. Bunu gerçekleştirmek için yalıtkan tabaka genişliği 30 mm
azaltılıp 65 mm olarak girildi ve iletken malzemenin genişliği 100 mm değerine yükseltildi. Değerler bu şekilde
değiştirildiğinde anten empedansı 61.5 Ω olarak elde edilmiştir.
Şekil 3.3: Empedansı Düşürülmüş Anten
Şekil 3.4:Empedansı Düşürülmüş Anten Geri Dönüş Kaybı
Frekans
Bant Genişliği
Kazanç
1800 MHz
4.7 dB
360 MHz
1900 MHz
3.9 dB
2100 MHz
0 dB
3.5 GHz
330 MHz
5.4 dB
5 GHz
350 MHz
4.4 dB
7 GHz
710 MHz
6.5 dB
9 GHz
1.66 GHz
5.5 dB
3.2 Anten Optimizsyonu
Tasarlanan mikroşerit antenin bant genişliklerini ve kazanç değerlerini arttırabilmek için anten üzerinde ters
rezonans oluşturan ve geri dönüş kaybını arttıran kısmın tespiti için yüzey akımları kontrol edilmiştir ve antenin
orta bölgesinde ters etkinin yoğun olduğu gözlemlenmiştir. Bu sebeple iletken yamanın orta kısmında 10mm
genişliğinde ve 25 mm yüksekliğinde bir boşluk açıldı.
Şekil 3.5: Optimize Edilmiş Anten
Şekil 3.6 Geri Dönüş Kaybı Grafiği
URSI-TÜRKĐYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Şekil 3.7: 1.8 GHz Polar Düzlemde Kazanç Grafiği Şekil 3.8: 1.9 GHz Polar Düzlemde Kazanç Grafiği
Şekil 3.9: 2.1 GHz Polar Düzlemde Kazanç Grafiği
Şekil 3.10: 2.9 GHz Polar Düzlemde Kazanç Grafiği
Sonuçlar
Tasarlanan mikroşerit antenin rezonans frekansı geri dönüş kayıp minimum değerleri kazanç değerleri ve band
genişlikleri aşağıdaki çizelgede belirtilmiştir.
Parametreler
Rezonans Frekansı
Geri Dönüş Kaybı
Kazanç
Band Genişliği
1.8 GHz
1.82 GHz
-48.6 dB
5.2 dBi
1.9 GHz
1.9 GHz
-12.5 dB
5.1 dBi
2.1 GHz
2.1 GHz
-16.4 dB
0.9 dBi
2.9 GHz
2.93 GHz
-14.4 dB
6.2 dBi
130 MHz
3.5 GHz
3.5 GHz
-57.4 dB
6 dBi
412 MHz
5 GHz
5.24 GHz
-25.3 dB
1 dBi
420 MHz
9.5 GHz
9.72 GHz
-25.7 dB
2.7 dBi
820 MHz
11 GHz
11.21 GHz
-21.3 dB
5.1 dBi
580 MHz
541 MHz
Antenin iletken kısmının yalıtkan kısmın dışına çıkartılması ile emdedans büyük ölçüde düşürülmüş ve kabul
edilebilir kazanç ve band genişliği değerleri elde edilebilmiştir. Bu şekilde tasarlanan antenin optimizasyonu
yapıldıktan sonra çok bantlı ve oldukça yüksek bant genişlikli mikroşerit antenin tasarımı tamamlanmıştır.
Tasarlanan mikroşerit antende tek bir yama kullanılarak altı frekans bandında kapsama yapılabilmiştir. Mikroşerit
antenlerin en büyük dez avantajı olan düşük band genişliği sorunu antenin, yalıtkan yapının genişliğinin
daraltılması ve iletken yapının genişliğinin arttırılması ile, bandların her birinde çözülerek yüksek band genişlikleri
elde edilmiştir. Antenin beslemesinde mikroşerit hat ile besleme yöntemi kullanılmıştır. Bazı rezonans
URSI-TÜRKĐYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
frekanslarında küçük miktarda kaymalar olmuştur ancak frekans bandlarının geniş olması nedeni ile bu çok büyük
bir sorun oluşturmamaktadır. Antenin genişliği ve uzunluğu 100 mm ve 72 mm, yüksekliği ise 5 mm’dir.
Kaynaklar
[1] Balanis, C.A., (1997) “Antenna Theory Analysis And Design”, John Wiley & Sons, Inc, New York/ABD.
[2] Scholz, P.,(2013) “Basic Antenna Principles For Mobile Communication”, Kathrein, Rosenheim/Almanya.
[3] Çakır, G., (2004), “Gezgin Đletişim Sistemleri Đçin Huzme Yönlendirmeli Mikroşerit Dizi Anten Tasarımı
Doktora Tezi”, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli.
[4] Fang, D.G., (2010), “Antenna Theory and Microstrip Antennas”, Taylor & Francis Group, Florida/ABD.
[5] Volakis, J.L., ve Eibert, T.F., (2007), “Antenna Engineering Handbook”, The McGraw-Hill Companies,
Ohio/ABD.
[6] Zhi, N. C. ve Michael Y. W. Chia, (2006) “Broadband Planar Antennas Design And Applications”, John Wiley
& Sons, New York/ABD.
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
23
File Size
308 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content