126

URSI-TÜRKĠYE’2014VII. BilimselKongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
DİKDÖRTGEN VE DAİRESEL MİKROŞERİT ANTEN İÇİN
PARAMETRİK TASARIM VE ANALİZ YAZILIMI
(1)
(2)
Ayşe Çodur(1), DenizBölükbaş(1),(2)
FİGES, Elektromanyetik Tasarım ve Analiz Grubu, Kurtköy, İstanbul
[email protected]
Okan Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Tuzla, İstanbul,
[email protected]
Özet: Bu çalışmada, dikdörtgen ve dairesel mikroşerit yama anten tasarım parametreleri araştırılmış ve MAD
(Microstrip Antenna Design) adı verilen yeni bir tasarım ve analiz yazılımı geliştirilmiştir. MAD Yazılımı ile
elde edilen analiz sonuçları ANSYS HFSS yazılımı sonuçları ile karşılaştırılmış ve sonuçlar sergilenmiştir.
Mikroşerit antenin, dielektrik tabakası kalınlığı, bağıl dielektrik sabiti ve çalışma frekansı programa girdi olarak
verilmektedir. Yazılımın çıktısı olarak tasarım parametreleri olan fiziksel boyutlar ile birlikte bant genişliği,
verimlilik, kazanç, Q faktörü gibi analiz parametreleri elde edilmekte ve kullanıcıya sunulmaktadır.
Abstract: In this work, design parameters of rectangular and circular patch antennas have been investigated
and a new design and analysis software, MAD (Microstrip Antenna Design), have been developed. The analysis
results obtained from MAD software are compared and the results are verified with ANSYS HFSS results. The
dielectric constant, thickness and the operating frequency are the input parameters ofthe software. As an output,
the design parameters such as the physical dimensions and the analysis results such as bandwidth, efficiency,
gain, Q factors are obtained and presented to the user.
1. GİRİŞ
Mikroşerit, diğer adıyla yama antenler günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. Mikroşerit antenler, hafifliği,
uygulandığı yüzeye kolayca uyum sağlamaları, üretim kolaylığı, maliyetinin düşük olması gibi özellikleri
sayesinde son yıllarda mobil radyo ve kablosuz iletişim gibi pek çok uygulama alanında popüler hale gelmiştir.
Bunun yanında dar bant genişliği, düşük kazanç, düşük güç kapasitesi gibi dezavantajları anten performansını
düşürmekte ve kullanım alanlarını kısıtlamaktadır. Antenin beslendiği yama dikdörtgen, üçgen, daire, daire
dilimi gibi farklı geometrilere sahip olabilir ve genellikle yama şekline göre isimlendirilirler.
Bu çalışmada, dikdörtgen ve dairesel mikroşerit yama anten tasarım parametreleri araştırılmış ve MAD
(Microstrip Antenna Design) adı verilen bir tasarım ve analiz yazılımı geliştirilmiştir. Bu araç MATLAB
yazılımı ve GUI (Graphical User Interface) kiti ile geliştirilmiştir. Yazılım sonuçlarından elde edilen
parametreler ANSYS HFSS yazılımı sonuçları ile karşılaştırılmış ve sonuçlar sergilenmiştir. 1. Bölüm giriş
niteliğindedir. 2. Bölümde dikdörgen ve dairesel mikroşerit antenin fiziksel boyut hesaplama eşitlikleri ve 3.
Bölüm'de anten analizi hesaplamaları verilmiştir. 4. Bölüm'de sonuçlar yer almaktadır.
2. MİKROŞERİT ANTEN TASARIMI
Genel yapı olarak mikroşerit yama anten, yamanın bulunduğu ışıma yapan tabaka, orta kısımda bulunan
dielektrik tabaka ve altta bulunan toprak tabaka olmak üzere üç tabakadan oluşmaktadır. Standart bir mikroşerit
dikdörtgen ve dairesel yama antenin yapıları sırasıyla Şekil-1(a) ve Şekil-1(b)’de gösterilmiştir.
(a) Dikdörtgen Yama Anten
(a) Dairesel Yama Anten
Şekil-1:Mikroşerit Yama Anten Yapısı (a) Dikdörtgen Yama, (b) Dairesel Yama Anten
URSI-TÜRKĠYE’2014VII. BilimselKongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Altta bulunan toprak tabakası iletkendir ve mikroşerit antenin tek yönlü ışıma yapmasını sağlar. Orta tabaka
genellikle manyetik olmayan (𝜇𝑟 = 1), dielektrik malzeme olup bağıl dielektrik sabiti 2.5’den küçük seçilir. Bu
tabakanın kalınlığı ve bağıl dielektrik sabiti, ışınım değerleri ve bant genişliği gibi anten parametrelerini
doğrudan etkilemektedir. Yamanın bulunduğu tabaka genelde altın, gümüş ya da bakır gibi iyi iletken metalden
yapılır. Yamanın kalınlığı genellikle 0.035 mm ile 0.070 mm arasında değişmektedir [1].
2.1 DİKDÖRTGEN MİKROŞERİT ANTEN TASARIMI
Mikroşerit dikdörtgen yama anten, yamanın uzunluğu (𝐿), genişliği (𝑊) ve dielektrik tabakanın kalınlığı (ℎ) ile
karakterize edilir. Boşluğun dielektrik permitivitesi 𝜀0 = 8,85 × 10−12 𝐹/𝑚 ve manyetik permeabilitesi
𝜇0 = 4𝜋 × 10−7 𝐻 𝑚, boşlukta elektromanyetik dalganın hızı 𝑐 = 3 × 108 𝑚 𝑠 dir. Dielektrik tabakanın
kalınlığı ve bağıl dielektrik sabiti (𝜀𝑟 ), ışıma değerleri ve bant genişliği gibi anten parametrelerini doğrudan
etkilemektedir. Merkez frekansı 𝑓0 olmak üzere mikroşerit yamanın genişliği Denklem (1) ile hesaplanır.
W=
c
2
2f 0
ε r +1
(1)
Saçaklanma etkisi nedeniyle mikroşerit yama antenin fiziksel boyutları daha uzun, (Leff ) ve daha geniş
(Weff ) görünür. Saçaklanma alanlarından dolayı yamanın etkin boyutları fiziksel boyutlardan farklıdır ve bu fark
değerleri Denklem (2)'de verilmiştir.
W
∆L = 0.412 × h
(ε reff +0.3) h +0.264
W
(ε reff −0.258 ) +0.8
∆𝑊 = 0.44 × ℎ
(2)
h
Burada 𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 , etkin bağıl dielektrik sabitidir ve Denklem (3)'de görüldüğü gibi hesaplanabilir.
εreff =
𝐿𝑒𝑓𝑓 =
𝑐
2𝑓0 𝜀 𝑟
ε r +1
2
+
ε r −1
1
h −2
1 + 10
2
(3)
W
olarak kabul edildiğinde, yamanın fiziksel boyutları Denklem (4) eşitliği ile bulunur.
Leff = L + 2∆L
Weff = W + 2∆W
(4)
2.2. DAİRESEL MİKROŞERİT ANTEN TASARIMI
Mikroşerit dairesel yama anten, yamanın yarıçapı (𝑎), etkin yarıçap (𝑎𝑒 ) ve dielektrik tabakanın kalınlığı (ℎ) ile
karakterize edilir. Yamanın yarıçapı Denklem (5)'de verilmiştir.
𝑎=
𝐹
1
2ℎ
𝜋𝐹
1+
ln
+1.7726
𝜋 𝜀𝑟 𝐹
2ℎ
(5)
2
Burada 𝐹 = 8.791 × 109 /(𝑓0 𝜀𝑟 ) olarak tanımlanmıştır. Yamanın etkin yarıçapı Denklem (6) ile ifade edilir.
𝑎𝑒 = 𝑎 1 +
2ℎ
𝜋𝜀 𝑟 𝑎
ln
𝜋𝑎
1
+ 1.7726
2ℎ
2
(6)
3. MİKROŞERİT ANTEN ANALİZ PARAMETRELERİ
Fiziksel boyutları Bölüm 2'de verilen dikdörtgen ve dairesel mikroşerit antenlerin analiz parametrelerinin
analitik olarak hesaplama formülleri çeşitli kaynaklardan incelenmiştir. Antenlerin analiz parametreleri Tablo1'de verildiği gibi MAD yazılımında gerçekleştirilmiştir. Tablo'da verilen formüllerde kullanılan bazı
parametreler ilgili referanslarda açıklanmıştır [2].
Tablo 1: Dikdörtgen ve Dairesel Mikroşerit Antenlerin Analiz Parametreleri
Parametre
Dikdörtgen Mikroşerit Anten
Dairesel Mikroşerit Anten
Dielektrik Q
Faktörü
𝑄𝑑 = 1/ tan 𝛿
İletken Q
Faktörü
Space-Wave Q
Faktörü
Toplam Q
Faktörü
𝑄𝑐 = 𝜇𝑟
𝑄𝑠𝑝 =
3 𝜀𝑟
16 𝑝𝑟 𝑐1
𝐿𝑒𝑓𝑓
𝑊𝑒𝑓𝑓
𝜂0
2
𝑘0 ℎ
𝑅𝑠𝑎𝑣𝑒
𝜆0
ℎ
𝑄𝑠𝑝 = 2𝑥𝑐
1
𝑄
1
1
1
=𝑄 +𝑄 +𝑄
𝑑
𝑐
𝑠𝑝
1
𝜀 (𝐼 )−1
𝑘0 ℎ 𝑟 𝑐
URSI-TÜRKĠYE’2014VII. BilimselKongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Dikdörtgen Mikroşerit Anten
Parametre
Space Wave için
Işıyan Güç
𝑃𝑠𝑝 =
1
𝜆0
𝑘0 ℎ
2
2
Dairesel Mikroşerit Anten
80𝜋 2 𝜇𝑟 2 𝑐1
𝑃𝑠𝑝 =
Bant genişliği
(%)
𝐵𝑊 =
Işınım
Verimliliği (%)
𝑒𝑟 =
𝐷=
Yönlendiricilik
𝜂0
40𝜋
1
𝑝𝑟 𝑐1
E-düzlemi
𝝋 = 𝟎⁰
H-düzlemi
𝝋 = 𝟗𝟎⁰
𝐸𝜃 𝑟, 𝜃, 𝜑 = −2𝑊ℎ
𝛤 𝑇𝑀 𝜃
cos 𝑘𝑥
𝐿
2
𝐸𝜑 𝑟, 𝜃, 𝜑 = 2𝑊ℎ
𝛤
𝑇𝐸
𝜃
cos 𝑘𝑥
𝐿
2
𝜂0
𝜇𝑟
1+
𝜀𝑟
𝜂0
× 100
𝑄
× 100
𝑄𝑠𝑝
𝑊
2
sinc 𝑘𝑦
2
𝐺 = 𝑒𝑟 𝐷
3 tanc 2 𝑘1 ℎ
𝑝𝑐 1 +
𝜇𝑟
𝜀𝑟
tan2 𝑘1 ℎ
𝐸0
𝑎ℎ cos 𝜑 tanc 𝑘𝑧1 ℎ 𝐽1′ 𝑘0 𝑎 sin 𝜃
𝜂0
1 − 𝛤 𝑇𝑀 𝜃
𝐸𝜃 𝑟, 𝜃, 𝜑 = 2𝜋
tanc 𝑘𝑧1 ℎ
cos 𝜃 sin 𝜑 1 −
𝑊
𝐷=
tan2 𝑘0 ℎ𝑛1
cos 𝜑 1 −
sinc 𝑘𝑦
𝐸0
2𝑄
tanc 2 𝑘0 ℎ𝑛1
Kazanç
𝐸0
1
𝜋
𝑘 𝑎 2 ℎ2 𝐼𝑐
8𝜂0 0
𝐸𝜑 𝑟, 𝜃, 𝜑 = −2𝜋
tanc 𝑘𝑧1 ℎ
𝐸0
𝜂0
𝑇𝐸
1−𝛤
𝑎ℎ sin 𝜑 tanc 𝑘𝑧1 ℎ 𝐽𝑖𝑛𝑐 𝑘0 𝑎 sin 𝜃
𝜃
cos 𝜃
4. UYGULAMALAR VE SONUÇLAR
Dikdörtgen ve dairesel mikroşerit anten tasarımı için Tablo-1'de görülen formüller Şekil-2'de görüldüğü gibi
arayüze sahip olan MAD yazılımıyla 𝑓0 = 2.4 𝐺𝐻𝑧 için gerçeklenmiştir. Yazılımın girdisi olarak dielektrik
sabiti, dielektrik kalınlığı ve frekans girilmektedir. Çıktı olarak ise antenin tasarım ve analiz parametreleri
yazılım tarafından hesaplanabilmektedir. Analiz sonuçları ANSYS HFSS yazılım sonuçlarıyla karşılaştırılmış ve
sergilenmiştir.
(a) MAD yazılımı arayüzü
(b) Dikdörtgen yama için HFSS sonucu
(c) Dairesel yama için HFSS sonucu
Şekil-2 MAD yazılım arayüzü ve sonucu
5. KAYNAKLAR
[1]. C.A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 2. Basım., Bölüm. 14, Wiley, New York, 1997.
[2] J. Volakis, Antenna Engineering Handbook, 4. Basım, Bölüm 7, McGraw Hill, 2007

Download Report