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.