DİKDÖRTGEN SPİRAL ANTENLER ÜZERİNE BİR İNCELEME

Transkript

1 DİKDÖRTGEN SPİRAL ANTENLER ÜZERİNE BİR İNCELEME Uğur SAYNAK ve Alp KUŞTEPELİ Elektrik-Elektroik Mühedisliği Bölümü İzmir Yüksek Tekoloji Estitüsü, 35430, Urla, İZMİR e-posta: e-posta: ABSTRACT Spiral ateas are geerally desiged by usig Archimedea spiral geometries which have the same spacig betwee the lies i each rotatio. I this study, the effect of the spacig o the desig of rectagular spiral ateas is ivestigated. Two similar but differet approaches are employed by cosiderig the desig procedure used to obtai logperiodic ateas. Simulatio results of the ew desigs are compared with those of the Archimedea spiral atea especially i terms of the frequecy depedecy. Aahtar sözcükler: Frekasta bağımsız ateler, Dikdörtge spiral ateler. 1. GİRİŞ Frekasta bağımsız ateler çok geiş çalışma badı gerektire uygulamalarda kullaılırlar [1,2]. Spiral, bikoik ve log-periyodik ateler frekasta bağımsız atelere iyi birer örek teşkil etmektedirler. Spiral ateler dairesel ışıma yapmaları ve düzlemsel yapıları sebebiyle geiş batlı sistemleri tasarımıda tercih edilmektedirler. İdeal frekasta bağımsız atelerde ate kazacı, ışıma diyagramı, giriş empedası gibi temel ate parametreleri her frekasta heme heme ayı davraışa sahiptir. Pratikte ise bu ateler boyut sıırlamaları ve besleme yapıları gibi birtakım sebepler dolayısıyla tamame frekasta bağımsız değildirler ve bu sebepte acak belirli bir geiş batta çalışabilirler. Kullaıla geometriler açısıda icelediğide spiral yapılar geel olarak Arşimet [3-6] ve logaritmik [7] olmak üzere ikiye ayrılmaktadırlar. Arşimet spiralleri geiş batlı olmalarıa rağme, teorik olarak frekasta bağımsız ateleri taımlaya Rumsay i ölçekleme presibie uymadıkları içi frekasta bağımsız ate olarak kabul edilemezler [8-11]. Özellikle tur sayısıı az olduğu durumlarda ate parametrelerii frekasa bağımlılığı daha da artmaktadır [12]. Uygulamalarda spiral ateler yuvarlak veya dikdörtge şeklide tasarlamaktadır. Dikdörtge tasarımlar, yuvarlak olalara orala daha küçük bir yapı ile bezer performası elde etmek gibi bir avataja sahiptirler [3]. Bu sebeple dikdörtge spiral ateleri kullaımı öem kazamakta ve geiş batlı sistem tasarımlarıda uygulama alaları bulmaktadırlar [13]. Bu çalışmada dikdörtge Arşimet spiral ateie kıyasla frekasa daha az bağımlı bir ate elde etmek hedeflemiştir. Buu gerçekleştirmek amacıyla logperiyodik ate tasarımıda esileerek iki yapı öerilmiş, bu yapılar ve dikdörtge Arşimet spiral atei momet metodu ile aaliz edilip souçlar ate kazacı, ışıma diyagramı ve eksesel oraı frekasla değişimi açısıda farklı tur sayıları içi birbiriyle karşılaştırılarak icelemiştir. 2. ANTEN GEOMETRİLERİ Spiral ateleri tasarımıda kullaıla e geel halde dairesel bir Arşimet spiral eğrisi ρ = aϕ + b (1) ifadesi ile verilebilir. Bu deklemde görüle ρ eğri üzeride ola bir oktaı orijie ola uzaklığıı, ϕ bu oktaı x ekseiyle yaptığı açıyı, a spirali açılma oraıı ve b de spirali x eksei üzerideki başlagıç oktasıı göstermektedir. Bua göre Arşimet spirali her döüşüde ayı miktarda açılarak merkezde uzaklaşa bir eğri halii almaktadır. Bu çalışmada icelee dikdörtge Arşimet geometrisi ise Şekil 1a da görüldüğü üzere her iki tur arasıda belli bir miktarda büyüyerek merkezde uzaklaşa dikdörtge bir kol ve bu kolu 180º dödürülmesiyle oluşturulmuş ikici bir kolda oluşmaktadır. Bua göre birbirie komşu her iki kol arasıda sabit bir uzaklık bulumaktadır. Log-periyodik ateler ise geel olarak darbatlı bir atei belirli bir k oraı ile N taesii ölçekleerek gee k oraıa bağlı çeşitli kurallarla periyodik olarak biraraya getirilmesiyle oluşturula atelerdir. Bu yapılarda e basiti ola log-periyodik dipol atelerde sırasıyla dipolleri boyları, aralarıdaki mesafeleri ve kalılıkları arasıda, Bu çalışma EU-FP6 INCO IYTE-Wireless adlı ve o lu proje kapsamıda desteklemektedir.

2 (a) (b) (c) Şekil 1. Dikdörtge spiral ateler. (a) Arşimet, (b) Yapı A ve (c) Yapı B. l R d k = = = l R d şeklide bir bağıtı buluur. Bu düşüüşle tasarlaa bezer fakat farklı iki atei geometrileri ise Şekil 1b ve Şekil 1c de görülmektedir. Bularda Şekil 1b deki ate Yapı A, Şekil 1c deki ise Yapı B olarak adladırılmıştır. Yapı A olarak isimledirile ate her turda belirli bir k oraıyla büyüye ve orijide uzaklaşa bir kol ve her turda birici kolla ayı orada büyüye ama bu kolu 180º dödürülmesiyle oluşturulmuş ikici bir kolda meydaa gelmiştir. Yapı B olarak isimledirile ate ise her turda belirli bir k oraı ile büyüye bir kol ve Arşimet geometrisie bezer biçimde bu kolu her iki turu arasıda iletkeleri tam ortalarıda geçerek büyüye ikici bir kolda meydaa gelmektedir. Yapı B oluşturulurke izlee bu farklı yol sayeside yie k oraıyla büyüye ikici bir kol elde edilmesie rağme iki yapı arasıda temel bir tasarım farkı ortaya çıkmıştır. Geel bir bakış açısı ile Yapı A içi elde edile geometri logaritmik spirali dikdörtge hali şeklide, Yapı B içi elde edile geometri ise ikici kolu farklılığı edeiyle Arşimet-logaritmik karışımı bir tasarım olarak düşüülebilir. (2) 3. BENZETİM SONUÇLARI Bezetim souçları Arşimet ve öerile iki yapıı 3, 5 ve 7 turda oluşmuş biçimleri içi SuperNEC 2.7 kullaılarak elde edilmiştir [14]. Kullaıla turlar açısıda bakıldığıda tüm yapılar içi tur olarak yapıla adladırma, tam olarak ( 1) + 7/8 tura karşılık gelmektedir (Bkz. Şekil 1). Yapıla tüm bezetimlerde tasarlaa ateler x z düzlemie yerleştirilmiştir. Boyutları yaklaşık olarak ayı olmak üzere 8cm x 8cm lik bir alaı kaplamakta ola ateler, kolları x = 2.3 mm ve x = 2.3 mm oktalarıda başlaya ve yarıçapları 0.1 mm ola tellerle modellemiştir. İcelee spiral ateleri 2 GHz - 18 GHz badıdaki ate kazacı ve eksesel ora verileri Şekil 2 de karşılaştırmalı olarak görülmektedir. Bu verilere dayaarak, öerile yapıları Arşimet biçimidekilere kıyasla frekasa çok daha az bağımlı olduğu söyleebilir. Özellikle 3 tur kullaılarak oluşturulmuş yapılar dikkate alıdığıda, frekası artmasıyla birlikte Arşimet spiral ateide ortaya çıka, kazaçta görüle aşırı düşüşler ve eksesel orada görüle aşırı yükselmeler dikkat çekici biçimde öerile ateleri grafikleride görülmemektedir. Az tur ile oluşturulmuş biçimler kazaç açısıda icelediğide Yapı B ile elde edile atei daha iyi souçlar verdiği görülmekle beraber, tur sayısı arttıkça Yapı A ile elde edile atei souçlarıa yaklaşmaktadır. Arşimet geometrisideki tur sayısı arttıkça spirali sıklaşmasıa bağlı olarak eksesel orada beklediği üzere iyileşme eğilimi görülmesie rağme, öerile yei tip yapıları yüksek sayıda tur kullaılarak tasarlaa biçimlerie kıyasla frekasta bağımsızlığı az değildir. İki yei yapı kıyasladığıda ise B atei düşük tur sayılarıa sahip yapılar içi A ateie bezer souçlar vermekte, tur miktarı arttırıldığıda ise souçlar yie birbirie yaklaşmaktadır. Dikdörtge Arşimet spiral atei kazacıı frekasa bağımlılığı bekleildiği gibi yüksek tur sayıları içi azalmasıa rağme, öerile ateleri frekasta bağımsızlığı tur sayısıı değişmesiyle az değişmekte ve öerile geometrileri üç tur kullaılarak oluşturula biçimleri, dikdörtge Arşimet spiralii yedi tur kullaılarak oluşturula biçimie kıyasla frekasta daha bağımsız olmaktadır. Bir spiral atei çalışma badıı belirleye ışıya halka teorisie göre [4,7,15] icelee bütü spiral ateleri yaklaşık olarak 1 GHz - 16 GHz badıda ışıma yapması ögörülebilmekte, bezetim souçlarıı da geel olarak buula uyumlu olduğu görülmektedir.

3 (a1) (a2) (b1) (b2) (c1) (c2) Şekil 2. Spiral ateleri kazaçları ve eksesel oraları. (a) 3 tur, (b) 5 tur ve (c) 7 tur.

4 5 GHz 10 GHz 15 GHz 7 tur 5 Tur 3 Tur Arşimet Yapı A Yapı B Şekil 3. Işıma diyagramları (ϕ =90º, 0º<θ <180º). Üst kesim frekasıı tahmiide kolları başlagıç oktalarıı koumları dikkate alıdığıda ve simülasyolarda gerilim kayağıı buluduğu yere kadar spiral geometrisii devam ettiği düşüüldüğüde 16 GHz de daha büyük frekaslarda da ışımaı olabileceği söyleebilir. Uzak aladaki ışıma diyagramı grafikleri Şekil 3 de verilmiştir. Bu verilerde dikkat çeke usur ise frekasta bağımsız ateleri diğer bir özelliği ola ışıma diyagramıı da frekasta bağımsız olmasıı yei yapılar içi büyük orada sağlamış olmasıdır. Ayrıca ate kazacı ve eksesel ora verileride olduğu gibi Yapı A ve Yapı B ile elde edile ate tiplerii yöelticilik eğrilerii tur miktarı arttıkça birbirie yaklaştığı görülmektedir. Buu yaıda Arşimet spiral ateii aksie öerile ateleri ışıma diyagramları frekas ve tur sayısı farklılığı gözetmeksizi çok bezer olmaktadırlar.

5 4. SONUÇ Bu çalışmada tasarlaa iki dikdörtge spiral ate ve dikdörtge Arşimet spiral atei momet metoduyla aaliz edilmiş, ateleri kazaçları, ışıma diyagramları ve eksesel oraları frekasa bağımlılık açısıda icelemiştir. Bezetim souçlarıa göre öerile yapılarda özellikle de Yapı B ile elde edile ateler, Arşimet geometrisiyle elde edile atelere kıyasla ate kazacı, eksesel ora ve ışıma diyagramları açısıda frekasa daha az bağımlıdır. Ayrıca az tur miktarları içi öerile her iki yapı ile de daha iyi souçlar elde edilmiştir. Tur sayıları arttırıldığıda ise dikdörtge Arşimet spiralii souçlarıda gözle görülür bir iyileşme olmasıa rağme öerile ateler frekasta bağımsızlık açısıda daha iyi souçlar vermekte, ayrıca Yapı B ile elde edile atei az turlu biçimlerii performası, Arşimet ateii çok turlu biçimlerii performasıda daha da iyi olmaktadır. Bua dayaarak, özelikle az tur miktarı ile oluşturulmuş spiral tasarımları veya çok turlu Arşimet yapıları dahi söz kousu olduğuda üretim kolaylıkları da düşüülerek öerile tip geometrii dikdörtge Arşimet tipidekilere tercih edilebileceği söyleebilir. KAYNAKLAR [1] Kramer, B.A., Lee, M., Che, C.C., ad Volakis, J.L., Desig ad Performace of a Ultrawide-Bad Ceramic-Loaded Slot Spiral,. IEEE Tras. Ateas ad Propagat, Vol. 53, No. 7, July 2005, pp [2] Iwasaki, T.A., Freudorfer, P., ad Iizuka, K. A, uidirectioal semicircular spiral atea for subsurface radars,. IEEE Tras. Electromagetic Compatibility, Feb Vol. 36, pp [3] Bawer, R., ad Wolfe, J.J., The Spiral Atea,. IRE It. Covetio Record, New York, U.S.A., March 1960, pp [4] Kaiser, J.A., The Archimedea two-wire spiral atea,. IRE Tras. Atea Propagat., Vol. AP-8, pp , May [5] Curtis, W.L., Spiral ateas,. IRE Tras. Ateas Propagat., Vol. AP-8, pp , May [6] Volakis, J.L, Nurberger, M.W., ad Filipovic, D.S., A Broadbad Cavity- Backed Slot Spiral Atea,. IEEE Ateas ad Propagat. Mag., Vol. 43, No. 6, December 2001, pp [7] Dyso, J.D., The Equiagular Spiral Atea,. IRE Tras. Ateas Propagat., 1954, 7, pp [8] Rumsey, V.H., Frequecy Idepedet Ateas, 1957 IRE Natioal Covetio Record, Pt. 1, pp [9] Dyso, J.D., Bawer, R., Mayes, P.E., Wolfe, J.I., A Note o the Differece betwee Equiagular ad Archimedes Spiral Ateas, IEEE Tras. o Microwave Theory ad Techiques, Vol. 9, 1961, pp [10] Kraus, J.D., Marhefka, R.J., Ateas, McGraw-Hill, New York, 2002 [11] Johso, R.C. ad Jasik, H., Atea Egieerig Hadbook, McGraw-Hill, New York, [12] Balais C.A., Atea Theory-Aalysis ad Desig, Wiley, New York, [13] Brow, E. R., Lee, A. W. M., Navi, B.S. ad Bjaraso, J.E., Characterizatio of Plaar Self-Complemetary Square-Spiral Atea i the THz Regio,. Microwave ad Optical Tech. Lett., March 2006, Vol. 48, No. 3, pp [14] SuperNEC 2.7 Academic versio, Poytig Software Ltd., [15] Filipovic D.S., ad Volakis J.L., Broadbad Meaderlie Slot Spiral Atea,. IEE Proc-Microw. Ateas Propagat., Vol April 2002, pp