URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
3.5 GHz’de Çalışan WiMAX Yama Anten Tasarımı
Funda Cırık , Bahadır S. Yıldırım
Doğuş Üniversitesi
Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü
İstanbul, Türkiye
[email protected] [email protected]
Özet: Bu çalışmada 3.5 GHz frekansında çalışan parazitik radyatörlü ve yükseltilmiş toprak seviyeli yama türü
mikroşerit bir WiMAX anten yapısı kapsamlı üç boyutlu elektromanyetik simülasyonlar aracılığıyla incelenmiş
ve tasarlanmıştır. Temel yama anten yapısı ile 3.5 GHz frekansında yaklaşık 3.5 dBi’lık bir kazanç elde
edilmiştir. Daha sonra kazancı arttırmak için temel yamanın üzerine bakır malzemeden bir parazitik radyatör
konumlandırılmış, RF toprağa bağlı iki metalik yan duvar, ve dielektrik malzemeden yapılmış bir üst kapak
eklenerek, herhangi bir kuvvetlendirici devreye ihtiyaç göstermeden, kazanç yaklaşık olarak 5.2 dB artarak 3.6
dBi’dan 8.8 dBi değerine ulaşmıştır. Tasarlanan bu antenin S11 ve ışıma desen ölçümleri halen yapılma
aşamasındadır.
Abstract: This work presents a patch-type microstrip WiMAX antenna operating at 3.5 GHz with a parasitic
radiator and a raised ground plane. This high gain antenna has been analysed and designed through extensive
3-D electromagnetic simulations. The patch antenna itself provides a realized gain of about 3.5 dBi at 3.5 GHz.
When a parasitic radiator, two metallic side walls that are connected to the RF ground, and an upper dielectric
layer are placed on top of the patch, the gain increases from 3.6 dBi to about 8.8 dBi that's about an
improvement of 5.2 dB without the need of an amplifier. S11 and radiation pattern measurements of this antenna
are currently under progress.
1. Giriş
WiMAX Intel ve Alvarion şirketleri tarafından 2002 yılında ortaya atılan ve IEEE tarafından da IEEE-802.16 adı
altında onaylanan bir kablosuz haberleşme standardıdır. Çoklu frekanslarda ve geniş alanlarda yüksek hızlarda
bilgi iletimine olanak tanır. Bu standard için WiMAX Forum tarafında lisanslı üç frekans bandı tanımlanmıştır.
Bunlar: düşük frekans bandı olan 2.3-2.69 GHz, orta frekans bandı olan 3.2-3.8 GHz, ve yüksek frekans bandı
olan 5.2-5.8 GHz’dir [1].
Yapılan çalışmada 3.5 GHz frekansında çalışan parazitik radyatörlü ve yükseltilmiş toprak seviyeli mikroşerit
yama türü ve yüksek kazançlı bir WiMAX anten yapısı, üç boyutlu elektromanyetik simülasyonlar aracılığıyla
kapsamlı olarak incelenmiş ve tasarlanmıştır. Sadece parazitik radyatör kullanılarak bir mikroşerit antenin
kazancının arttırılmasından daha önce [2]’de bahsedilmiştir. Bu çalışmada ise önce temel yama anten ile 3.5
GHz frekansında yaklaşık 3.5 dBi’lik bir kazanç elde edilmiştir. Daha sonra, bu antene eklenen bir parazitik
radyatör, iki metalik yan duvar, ve bir üst dielektrik kapak ile 3.6 dBi’dan yaklaşık olarak 8.8 dBi kazanca
ulaşılmıştır. Bu demektir ki; herhangi bir yükseltece ihtiyaç duyulmadan 5.2 dB’ lik bir kazanç artımı elde
edilmiştir. Bildirinin 1. Bölüm'ü giriş, 2. Bölüm'ü antenin tasarımı ve simülasyon sonuçlarını içermektedir. 3.
Bölüm'de ise sonuçlar yer almaktadır.
2. Antenin Tasarımı ve Simulasyon Sonuçları
Yama anten düşük maliyetli ve kolaylıkla elde edilebilen 1.6 mm kalınlığında, 4.4 bağıl geçirgenliğe ve 0.02
kayıp tanjantına sahip FR-4 tipi tabaka kullanılarak tasarlanmıştır. RF toprak yüzey alanı
mm2’dir.
Teorik hesaplamalar sonucu temel yama boyutu hesaplanmış, ve yama anten karakteristik empedansı 50 Ω olan
bir mikroşerit hat ile beslenmiştir. Anten ile giriş portu arasındaki empedans uyumu çeyrek dalga dönüştürücü
kullanılarak sağlanmıştır. Şekil 1’de görüldüğü gibi 3.5 GHz frekansında yaklaşık 3.5 dBi’lik bir kazanç elde
edilmiştir.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
0
W
-10
lq
S11 (dB)
L
wq
-20
-30
-40
lt
wt
PEC Patch
Copper Patch
-50
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
Frequency (GHz)
(a) Yama anten yapısı.
(b) S11 simülasyonları (HFSS).
Şekil 1. Çeyrek dalga dönüştürücü kullanılarak tasarlanan yama anten ve S11 simülasyonu (W=19.6, L=19.4,
wt=2.8, lt=29.4, wq=0.6, lq=12.6). Tüm boyutlar mm cinsindendir.
Daha sonra kazancı arttırmak için temel yamanın üzerine h=5, 10, 15, 20 ve 25 mm yüksekliklerde bakır
malzemeden yapılmış, ve boyutları
mm2 olan bir parazitik radyatör konumlandırılmıştır. Temel
yama ile parazitik radyatör arasına ise mekanik destek olması açısından bağıl geçirgenliği havanın bağıl
geçirgenliğine çok yakın olan bir köpük malzeme yerleştirilmiştir. Bu şekildeki yapının S11 ve kazanç
simülasyonları HFSS [3] ile yapılmıştır. Daha sonra parazitik radyatör boyutları da değiştirilerek simülasyonlar
tekrarlanmıştır. Simülasyon sonuçlarına göre en iyi durum, yani hem S11’in hem de kazancın en iyi olduğu
durum, 27.6  27.4 mm2 boyutlarındaki parazitik radyatörün temel yamanın 15 mm üzerinde olduğu durum
olarak belirlenmiştir. Şekil 2’de simülasyon sonuçları verilmiştir.
0
10
-5
8
Realized Gain (dBi)
S11 (dB)
-10
-15
-20
-25
parasitic patch at 5mm
parasitic patch at 10mm
parasitic patch at 15mm
parasitic patch at 20mm
parasitic patch at 25mm
-30
6
4
19.6x19.4
23.6x23.4
27.6x27.4
31.6x31.4
-35
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Frequency (GHz)
4.5
5.0
mm2
mm2
mm2
mm2
patch
patch
patch
patch
2
0
5
10
15
20
25
30
Height (mm)
(a) S11 simülasyonları.
(b) Gerçekleşen kazanç değerleri.
Şekil 2. 23.6  23.4 mm2 boyutlarındaki parazitik radyatörlü yapının farklı h yüksekliklerindeki S11 eğrileri, ve
farklı boyutlardaki parazitik radyatörlü yapının farklı h yüksekliklerinde gerçekleşen kazanç değerleri.
Bir sonraki adımda ise, kazancı daha da arttırmak için bakır malzemeden yapılmış sağ ve sol duvarlar Şekil
3(a)’da görüldüğü gibi yapıya eklenmiştir. Duvarların yüksekliği olan d, 10 mm ile 50 mm arasında 10 mm’lik
adımlar ile değiştirilerek simülasyonlar yapılmış ve en iyi durum Şekil 3(b)’de görüldüğü gibi d=30 mm’de
yaklaşık 9 dBi kazanç veren durum olarak bulunmuştur. Son olarak ise koruyucu bir tabaka görevi görmesi
açısından dielektrik malzemeden yapılmış bir üst tabaka yapıya eklenmiştir. Şekil 4’de ise son yapının 3.5 GHz
frekansında yz, xy, xz düzlemlerindeki ışıma desenleri gösterilmiştir.
3. Sonuçlar
Bu çalışmada 3.5 GHz frekansında çalışan parazitik radyatörlü ve yükseltilmiş toprak seviyeli yama türü bir
mikroşerit WiMAX anten yapısı incelenmiş ve tasarlanmıştır. Temel yama antenin boyutları teorik metodlar ile
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
hesaplanmış ve yama anten 50 Ω’luk bir mikroşerit hat ile beslenmiştir. Bu yüksek kazançlı anten, üç boyutlu
elektromanyetik simülasyon yazılımları olan HFSS ve SEMCAD kullanılarak tasarlanmıştır [3] [4]. Temel yama
anten ile 3.5 GHz frekansında yaklaşık 3.5 dBi’lik bir kazanç elde edilmiştir. Daha sonra kazancı arttırmak için
temel yamanın 15 mm üzerine bakır malzemeden boyutları
mm2 olan bir parazitik radyatör, iki
metalik yan duvar, ve bir dielektrik üst tabaka yerleştirilerek, anten kazancı 5.2 dB arttırılarak 8.8 dBi kazanca
sahip bir anten gerçekleştirilmiştir. Şekil 4’te de görüldüğü gibi HFSS ve SEMCAD ile yapılan S11
simülasyonları arasındaki uyum son derece iyidir. Tasarlanan bu antenin S11 ve ışıma deseni ölçümleri yapılma
aşamasındadır.
10
Realized Gain (dBi)
9
8
7
R.gain vs height
of the side wall
6
0
10
20
30
40
50
60
Height (mm)
(b) Gerçekleşen kazanç değerleri.
(a) Anten yapısı.
Şekil 3. Metalik sağ ve sol duvarlı, ve üst dielektrik tabakalı yapı, ve farklı d yüksekliklerinde gerçekleşen
kazanç değerleri.
90
90
90
10
20
120
120
60
10
20
60
120
0
150
150
30
60
10
0
0
30
-10
150
30
-10
-10
-20
-20
180
-20
-30
0
-30
-20
-10
0
210
10
300
-30
-20
-10
210
0
10
330
240
300
180
-30
3.5 GHz XYplane SEMCAD
3.5 GHz XYplane HFSS
0
-30
-20
-10
0
210
10
20
330
240
270
270
3.5 GHz YZ plane SEMCAD
3.5 GHz YZ plane HFSS
0
-30
20
330
240
180
300
270
3.5 GHz XZ plane SEMCAD
3.5 GHz XZ plane HFSS
Şekil 4. Son yapının 3.5 GHz frekansında yz, xy, xz düzlemlerindeki ışıma desenleri.
Kaynaklar
[1] J. Andrews, A. Ghosh, and R. Muhamed, “Fundamentals of WiMAX”, Prentice Basım, 2007, Şubat.
[2] B. Yildirim, B. A. Cetiner, “Enhanced gain patch antenna with a rectangular loop shaped parasitic radiator”,
IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 7, 2008.
[3] 3D EM-Field Simulation for High Performance Electronic Design, Pittsburgh: Ansoft Corporation, Ansoft
HFSS.
[4] 3D EM-Field Simulation SEMCAD, Zürich: Schmid & Partner Engineering AG, SEMCAD.

Download Report