RC DÖNÜTÜRÜCÜ LE RF ELEKTRONK KONTROLLÜ EMPEDANS AYARLAMA DEVRES KULLANILARAK, AKTF DKDÖRTGEN MKROERT ANTENN IIMA ÖRÜNTÜSÜ VE BAND KONTROL ANALZ

Transkript

1 R DÖNÜTÜRÜÜ LE RF ELEKTRONK KONTROLLÜ EMPEDANS AYARLAMA DEV KULLANILARAK, AKTF DKDÖRTGEN MKROERT ANTENN IIMA ÖRÜNTÜSÜ VE BAND KONTROL ANALZ Adnan KAYA Serkan GÜNEL E.Yeim YÜKSEL,, Elektronik ve Elektronik Mühendislii Bölümü Mühendislik Fakültesi Dokuz Eylül Üniversitesi Izmir, 56, Türkiye e-posta: Anahtar sözcükler:r dönütürücü, mikroerit anten, mutator ÖZET Bu bildiride anten ve çevresindeki terminaller arasındaki empedans uyumsuzluundan kaynaklanan kayıpları en aza indirecek basit ve etkili bir empedans uyumlandırma teknii önerilmitir. Empedans deerleri ayarlanabilir devreler, RF güç yükselteç devreleri tasarımında, anten gibi empedans uyumlandırma devrelerinin gerekli olduu bir çok elektronik uygulamalarda oldukça geni bir ekilde kullanılmaktadır. Bu makalede farklı bir elemanın - R dönütürücü- ayarlanabilir devre elemanı olarak kullanılabileceini ve direnç kontrollü bir uyumlandırma devresi elde edebileceini gösterilmitir. Yüksek frekanslarda R dönütürücünün kullanılabilecei gösterilerek direnç deerleriyle kontrol edilebilen kapasite ile oluturulmu j- inverterli uyumlandırma sistemi ile iyi seviyede bant kontrolü salanmı ve uyumlandırma seviyesi elde edilmitir. Uyumlandırma sisteminin kullanıldıı anten.5 GHz de çalıacak ekilde dikdörtgen mikroerit anten eklinde tasarlanmıtır. Önerilen uyumlandırma sistemindeki R dönütürücünün geni mikrodalga frekansında çalıma, yüksek güçlerde çalıma ve deerinin sadece direnç deerleriyle kontrol edilebilmesi gibi avantajları sistemin performansını arttırmakta bu da tasarımcıya yüksek güçlerde çalıma imkanı salamaktadır.. GR Genellikle, empedans uyumlandırma metodu klasik bir metot olmakla birlikte oldukça baarılı bir metot dur. Burada empedans deiimlerinin bant sınırlama faktörü olarak baskın olduu açıktır. Mikroerit antenlerde empedans uyumlatırma elemanı olarak aktif elemanların önerildii çalımalarda, literatürde mevcuttur. Bu çalımalarda yayılım örüntüsünün bant genilii içerisinde çok az deitii görülmektedir[]. Son bir kaç yıldır, mikrodalga entegre devreler (MI s) ve Monolitik devreler (MMIs) bir çok sistem uygulamasında büyük avantajlar salamaktadır. Sistem performansını gelitirmedeki baarıları, daha güvenilir olmaları ve düük maliyetleri sebebiyle RF sistemlerde çokça kullanılmaktadır. Bu avantajları nedeniyle anten portlarının önüne bu tip RF devreler yerletirilerek entegre antenler elde edilmektedir.bu çalımalarda anten dizaynı ve entegre edilecek devre ile kombinasyonlardaki etkiler de önem kazanmaktadır [,]. Bu çalımada ekil deki devre düzenei üzerinden benzetim ve teorik çalımalar yapılmıtır. ekil. Anten ve kaynakla uyumlandırılmı devre modeli Empedans uyumlandırmada en önemli problemlerden birisi mikrodalga devre dizaynıdır. Hibrid devrelerle, uygun bir ayarlanabilir empedans eması ile iyi bir uyumlandırma seviyesi mümkündür. Aktif antenlerde geleneksel 5 Ω giri çıkı portları yerine aktif mikrodalga devreleri önerilmektedir. Bu çalımada bandı kontrol edebilmek, kazancı arttırabilmek için kullanılan dönütürücü devresi MMI devresi olarak önerilmitir. Bu tip aktif antenlerde anten performansı daha da gelimektedir çünkü filtreleme, rezonans gibi devre fonksiyonları da sisteme eklenmektedir. Burada uyumlandırma elemanının filtreleme özelliinden yararlanılmıtır. Uyumlandırma elemanında, emitans dönütürücü kullanılarak yapılan bir alçak geçiren filtre tasarlanmıtır. L bobinin yerine ise R dönütürücü kullanılarak sistemin tepkileri incelenmitir. Sistemin, uyumlandırmadan önce ve sonraki durumları karılatırılmıtır. Sonuçta, sistemin teorik modelleri de kurularak teorik ve simülasyon sonuçlarının iyi derecede örtütüü de gösterilmitir.

2 . EMPEDANS ANALZ letim hatlarının toplu parametrelerle oluturulmu devre modeli, ekil deki ve L lump elemanlı kısmı eklinde modellenebilir. Bu devrede, elektronik olarak kapasiteler kolaylıkla elde edilebilmelerine ramen, ayarlanabilir bobinlerin yüksek frekanslarda gerçekletirilmesi oldukça zordur [,]. Ancak bu elemanlar MMI bir ilemle gerçeklenebilir. Bu devrede ayarlanabilir kapasiteler için varactor diyotlar kullanılabilir. Fakat bu elemanlar orta güçteki uygulamalar için kullanılabilir ve deerleri ancak dc voltaj la deitirilebilir. Bu durum da sistemde istenmeyen bazı deiiklikler olabilir. Genellikle varactor diyotlu dönütürücü uygulamaları için kompanzasyon devresi kutuplama hatlarına balanır. Bu istenmeyen durumları da telafi edecek ekilde L elemanı gerçeklenirken deeri ayarlanabilir kondansatör elemanı olarak R dönütürücü kullanılabilir ve deeri direnç deerlerinin deitirilmesi ile ayarlanabilir. J-Dönütürücüler özellikle Matthaei ve arkadaları tarafından detaylı bir ekilde aratırılmıtır[]. deal bir iletim hattının duraan durum Y parametresi eitlii öyle verilmektedir. Y iot( θ ) isc( θ ) Z Z isc( θ ) iot( θ ) Z Z = () Uyumlandırma katının duraan durum Y parametresi öyle verilebilir. i i( ω ) ωl ωl Y = i i( ω ) ωl ωl () Bu iki Y matrisi eitlii kullanılarak bir model oluturulursa ve in hat parametreleri cinsinden ifadesi () ve () eitliklerindeki gibidir. J J ω θ = ArcTan ω Z = ω J ω J J ω ω J ω (5) (6) Z ve θ eitlikleri aaıdaki durum altında geçerlidir. J < < & & Jω ω & & ( J ω ) (7) Dolayısı ile ve nin seçim kriterlerine dikkat edilmesi gerekmektedir. Aksi takdirde sistemde geri dönü kayıpları ciddi ölçüde artmaktadır. UYUMLANDIRMA DEVI Bura da MMI olarak elektriksel ayarlanabilir bobin gerçekletirilemediinden, bunun yerine ekil de görüldüü gibi iki j- inverter ve ayarlanabilir bir kapasite ile ayarlanabilir bobin gerçekletirilebilir. Empedans dönütürücüler λ / iletim hatları kullanılarak gerçekletirilebilir. λ / empedans dönütürücüler yerine ayrık elemanlarda kullanılabilir. ki invertere paralel bir kapasite eklendiinde her iki inverter çıkı terminallerinde görülen seri indüktans elemanı elde edilir. buradaki inverterler admitans seviyesini J parametresinin seçimine balı olarak kaydırmaktadır. Tabii ki admitans inverter olarak kullanılan,çeyrek dalga boyundaki bir hattın J parametresi J=Y c =/Z c olarak alınır. ot( θ ) sc( θ ) = () ωz J Sin( θ ) Z = () ω ve parametrelerine balı olarak Z ve θ ifadeleri de aaıdaki gibi bulunur. ekil. J dönütürücü sistemin prensip eması ekil deki devreye geri dönersek sistemin giri empedansı için aaıdaki eitlik elde edilmektedir.

3 Z = ( i( L X ω L ω X ir sistem L L L ( L ω )) os( βl) (( L ω ) Z L ( X ir ) ω) Sin( βl)))/( Z ( L L L ( XL irl ) ω ( ir L XL Lω) ω ) os( βl) ( ω( L ω ) Z ir ( L ω X ( L ω )) Sin( βl)) L L (8) Üretilen bu eitlikle teorik olarak, sistemin gerçek ve sanal empedans grafikleri, benzetim sonuçlarıyla karılatırıldıında ekil.a ve.b grafikleri elde edilmektedir. Benzetim ve teorik sonuçlar, pf, l mm, Z L 5 deerleri seçilerek bobin elemanın farklı deerleri için bulunmutur. Sonuçların birbirleriyle iyi seviyede örtütüü görülmektedir. RE (Z) Ohm 5 L nh (Benzetim) L nh (Teorik) L 6 nh (Teorik) L 6 nh (Benzetim) L nh (Teorik) L nh (Benzetim) W L ekil. Mikroerit anten eması Mikroerit anten için empedans eitlii aaıdaki gibidir. Z anten = iωµ hc G ϕ mn mn c kmn ( ω ( iδ eff ) ) ε r ε r θ φ (9) Bu çalımada Taconic firması tarafından üretilen TLYAH taban tabakası kullanılmıtır. Tabakanın özellikleri, göreceli dielektrik sabiti (ε r ).5, kalınlıı (h).5 mm ve kayıp faktörü.9 eklindedir. Antenin boyutları W= mm ve L= mm olarak seçilmitir. Toprak tabakanın boyutları ise 8x8mm dir. Bu özelliklerdeki bir ema için anten.5 GHz de rezonansa gelerek, S için.575 db deerine sahip olmaktadır. IM (Z) Ohm - (a) L nh (Benzetim) L nh (Teorik) L 6 nh (Teorik) L 6 nh (Benzetim) L nh (Teorik) L nh (Benzetim). DEVI Bir çok çeit dönütürücü tipi vardır. Buradaki R dönütürücü direnci kapasiteye dönütürmektedir. Bu tip devrelerde voltaj kontrollü akım kaynaklarına ihtiyaç vardır. Sonuçta sistemin giriine bir R x direnci balandıında Port uçlarından Kapasite elemanı gibi davrandıı görülmektedir. Bu makalede kullanılan R dönütürücü devre ekli ekil 5 teki gibidir. ID=Rx R= Ohm ID=R R= Ohm OPAMP ID=U M=e6 A= Deg R=8.5e5 Ohm R=e6 Ohm R=. Ohm =e6 Ohm F= GHz T= ns AP ID= =.6 pf ID=R R= Ohm ID= R= Ohm - (b) ekil. Uyumlandırma sistemi için teorik ve benzetim sonuçları: (a) Empedansın gerçek kısmının frekansla deiimi (b) Empedansın sanal kısmının frekansla deiimi Daha sonra sistemde Z L yükü yerine dikdörtgen mikroerit anten kullanılarak aynı ilemler yapıldıında sonuçların iyi seviyede uyum içinde olduu görülmektedir. Mikroerit anten için Kavite model [5] kullanılarak türetilen empedans eitlii kullanılmıtır. Anten ekli ekil. deki gibidir. 5 OPAMP ID=U M=e6 A= Deg R=8.5e6 Ohm R=e6 Ohm R=. Ohm =e6 Ohm F= GHz T= ns - PORT P= Z=5 Ohm ekil 5. R Dönütürücü eması (6 Portlu) Burada kondansatörü yerine kullanılabilecek R dönütürücü devresinin iletim matris formu asagidaki gibidir. ABDmutator = GG () xs Devrenin giriine bir R x direnci balandıında devrenin çıkıından () eitlii elde edilir. GG Rx Zcap = () s x

4 GHz Bu aktif dönütürücünün çekici özellikleri olarak (i) kayıpsız olması (ii) geni mikrodalga frekans bandı içinde çalıabilmesi (iii) MMI (monolithic microwave integrated circuit) devre olarak gerçekletirilebilir olması (iv) en önemlisi yüksek güçlerde çalıabilir olması (v) deerlerinin sadece R deerlerinin deitirilmesi ile kontrol edilebiliyor olması söylenebilir. Aaıda ekilde bir R dönütürücü çıkı empedansfrekans karakteristii görülüyor Burada R x Ω, R Ω, x pf, R -Ω sabit tutularak R ün farklı deerleri için ayrık olarak bir kapasite karılatırma sonuçları gösterilmektedir. Burada R deerinin artmasıyla deerindeki düü açıkça görülmektedir. Im (Z) Ohm - 5 Ohm Ohm Ohm -Kapasite-.5 pf -Kapasite-.7 pf -Kapasite-.6 pf.... (GHz) ekil 6. R Dönütürücü ve Ayrık olarak bir kapasitenin karılatırma sonuçları 5. BENZETM VE TEORK SONUÇLAR Sistemde birçok parametre deitirilerek iyi uyumlandırma seviyelerinin elde edilebilecei açıktır. Örnek sonuçlar ekil 7 deki gibidir db db Teorik. pf Kapasite. pf Mutator. pf Ohm db GHz -.56 db.5 GHz -.8 db RMSA Anten 5 Ohm 5 Ohm.66 GHz -9.5 db.... (GHz) (GHz) RMSA Anten 6 pf - pf. pf - pf pf - pf.pf - pf pf - pf 6 pf - pf R6 x R R ekil 7. Geri dönü kaybı için farklı durumlardaki teorik ve benzetim sonuçları Sistemin S karakteristii ve deerlerine balı olarak üç boyutlu grafii ekil 8 deki gibi elde edilebilir. S ekil 7. ve nin deiimine göre geri dönü kaybı R Ω iken ııma örüntüsü ekil 8 de görüldüü gibi, uyumlandırma sonucunda daha iyi sonuçlar vermektedir Referans Anten E-Düzlemi (f=.5 GHz) Uyumlandirilmis Anten E-Düzlemi (f=.5 GHz) (a) Referans Anten E-Düzlemi (f=.5 GHz) Uyumlandirilmis Anten E-Düzlemi (f=.5 GHz) (b) ekil 8. Iıma Örüntüsü (a)e Düzlemi grafii (b) H Düzlemi grafii Microwave Office 6.5 simülasyon programı kullanılarak bir çok simülasyon yapıldı ve sonuçlar teorik sonuçlarla karılatırıldı. 6. SONUÇ Bu makalede R dönütürücülü j-inverter devresi kullanarak geni bir bant içinde radyasyon yapabilen aktif bir mikroerit anten sistemi yapılabilecei gösterilmitir. Performans sonuçları Moment yöntemini kullanan Microwave Office simülasyon programı ve Mathematica ile yapılan teorik çözümler karsılatırılarak elde edilmitir. Sonuçta Aktif verici alıcı antenlerde bu emanın yayılım örüntüsünde de olumlu deiikliklere neden olduundan ve sistemin performansını arttırdıından literatürdeki dier tekniklere göre daha avantajlı olduu söylenebilir. Etkin bir sistemle sadece direnç deerlerini kontrol ederek her koulda iyi seviyede S ve E θ, E φ grafikleri elde edilebilir. Pin diyot ve Varactor diyot gibi ayrık elemanlardaki düük güç D voltaj baımlılıı kalkmasına ramen sadece R dönütürücüdeki diferansiyel fark yükselteçlerinin yüksek frekanslardaki gerçeklenmesindeki zorluk ve karmaıklık (VLSI) bir dezavantaj olarak ortaya çıkmaktadır. KAYNAKLAR [] D.M. Pozar, Microstrip Antennas, PRO. IEEE, vol. 8, no., pp.79-8, January 985. [] L. Goras, Linear and Nonlinear mutators derived from GI-Type configuration, IEEE TRANS. ANTENNAS ON IRUITS AND SYSTEMS P, vol. 8, pp.65-69,98. [] Y.T. Lo., et al. Theory and experiment on microstrip antennas IEEE TRANS. ANTENNAS AND PROPAGATON, vol.ap-7, pp.7-5,979 [] G. Matthei, L. Young Microwave filters, Impedance-matching Networks, and coupling structures,artech House,pp.-8,

5 .