Anten Tasarımı. HFSS Anten Benzetimi

Transkript

1 Bu dokümanda, antene ait temel bilgiler verilmiş ve HFSS programında anten tasarımının nasıl yapıldığı gösterilmiştir. Anten Tasarımı HFSS Anten Benzetimi KAZIM EVECAN Dumlupınar Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Programı

2 Analog Devre ile Antenin Modellenmesi (Lumped Model Yükle Sonlandırılmış Thevenin Eşdeğer Devresiyle Analoji) Antene ait yükle sonlandırılmış Thevenin eşdeğer devresiyle (Güç katlayıcısının çıkışı olarak düşünülebilir), antene ait empedans radyasyon direnci ve anten reaktansı olmak üzere, yansıma katsayısı ve anten üzerindeki ve yansıyan güç teorik olarak ortaya konulmuştur. 3B elektromanyetik alan benzetim programında bu parametreler bulunabilir. Bu parametreler ek olarak S11, Elektrik alan, Manyetik alan, gerilim durağan dalga oranı, bir düzlem üzerinde yayılma motifi, uzak alan 3B yayılma motifi ve yöneme kazancı bulunabilir. 1

3 Saçılma Parametrelerini Neden Kullanıyoruz? Yüksek frekansta (iletken uzunluğu>dalga boyu/10) Z, H, Y, ABCD parametrelerini ölçmek aşağıdaki nedenlerden dolayı, 1- Gerilim ve akımı ölçümü yapabilecek aletin olmayışı. 2- Tam anlamıyla açık ve kısa devre sonlandırmasının yapılamayışı. (İndüktif ya da Kapasitif olur) 3- Aktif elemanların salınıma girme ihtimali. 4- Yüksek, Gerilim Durağan Dalga Oranının elemanların bozulmasına neden olmasından dolayı zordur. İletim hattı, yüksek frekanslarda Z 0 karakteristik empedansa sahip olup, dağıtılmış etkilerden dolayı kayıp ve faz kayması meydana gelmektedir. Buna ek olarak iletim hattındaki süreksizliklerden dolayı sinyal yansıması meydana gelmektedir. Bu mevcut duruma ait eşitlikler aşağıda verilmiştir. R + jwl Z 0 = G + jwc Karakteristik empedans V(z) = V + e γz + V e +γz Gerilime ait dalga denklemi (iletilen + yansıyan gerilime) I(z) = V+ Z 0 e γz V Z 0 e +γz 2

4 akıma ait dalga denklemi γ = α + jβ = (R + jwl)(g + jwc) propogasyon sabiti Z(z) = Z 0 [ Z L + Z 0 tanh(γz) Z 0 + Z L tanh(γz) ] z noktasındaki empedans Γ L = Z L + Z 0 Z L + Z 0 yasıma katsayısı Eğer iletim hattı ya da çok portlu devre Z 0 karakteristik empedansla sonlandırılırsa ne olur? Bu sorunun cevabı Saçılma Parametrelerinden elde edilebilir. Saçılma Parametreleri frekans ve DC kutuplamaya bağlı olduğundan tablo halinde veriler ya da frekans taraması yapılmış veriler gereklidir (aşağıda kondansatöre ait frekans tepkisi verilmiştir). Saçılma Parametreleri birimsiz fazör değerleridir. (Dikkat) İki portlu bir devrede S12 ve S22 parametreleri, birinci porta bağlı iletim hattı Z 01 karakteristik empedansla sonlandırıldığında, ikinci porta bakarak bulunur. Benzer şekilde, S11 ve S21 parametreleri, ikinci porta bağlı iletim hattı Z 02 karakteristik empedansla sonlandırıldığında, birinci porta bakarak bulunur. a ve b ifadeleri normalleştirilmiş edilmiş güç dalgalarıdır. 3

5 S 11 = b 1 = V 1 + a 1 V 1 a 2 =0 S 21 = b 2 = V 2 + a 1 V 1 a 2 =0 S 12 = b 1 = V 1 + a 2 V 2 a 1 =0 S 22 = b 2 = V 2 + a 2 V 2 a 1 =0 Saçılma Parametreleri Ne Anlama Gelir? - S11 Giriş Kapısı Yansıma Katsayısı, çıkış terminaline bağlı iletim hattı karakteristik empedansla sonlandırıldığında (Z 01) bulunur. Smith abağında gösterilebilir. S11 =<1. - S22 Çıkış Kapısı Yansıma Katsayısı, giriş terminaline bağlı iletim hattı karakteristik empedansla sonlandırıldığında (Z 02) bulunur. Smith abağında gösterilebilir. S22 =<1. - S21 İleri Yönde Gerilim Kazancı, çıkış terminaline bağlı iletim hattı karakteristik empedansla sonlandırıldığında (Z 01) bulunur. - S12 Geri Yönde Gerilim Kazancı, giriş terminaline bağlı iletim hattı karakteristik empedansla sonlandırıldığında (Z 02) bulunur. -20 log S11 db olarak Giriş Kapısı Geri Yönde Dönme Kaybı. -20 log S22 db olarak Çıkış Kapısı Geri Yönde Dönme Kaybı. 4

6 20 log S21 db olarak Güç Kazancı, giriş ve çıkış kapılarına bağlı iletim hatları karakteristik empedansla sonlandırıldığında bulunur. 20 log S12 db olarak Geri Yönde İzolasyon, giriş ve çıkış kapılarına bağlı iletim hatları karakteristik empedansla sonlandırıldığında bulunur. S11 ve S22 giriş ve çıkış kapıları empedans uyumluluğunu takip etmemizi sağlar. -10 db den düşük S11 ve S22 iyi empedans uyumluluğu olduğunu gösterir. Buna ek olarak, Gerilim Durağan Dalga Oranının (GDDO) aktif elemanların kırılma geriliminin aşılmasına ve bozulmasına neden olacağından takip edilmesi gerekir. Giriş ve çıkış kapılarına bağlı iletim hatları karakteristik empedansla sonlandırıldığında S11 ve S22 GDDO hesaplamada kullanılır. GDDO giriş= (1+ S11 )/(1- S11 ) GDDO çıkış= (1+ S22 )/(1- S22 ) S21 db olarak transdüser güç kazancı anlamına gelir ve her zaman yüksek değerleri istenir. S12 çıkış kapısının giriş kapısından ne kadar iyi izole edildiğini gösterir, düşük değerler istenir. Yüksek S12 olması durumunda çıkış sinyalleri giriş sinyallerine girişme ve etkileşime neden olabilir. Güç P Kaynakdanalınabilirgüç = V Kaynak 8 Z 0 P Yük = P Kaynaktanalınabilirgüç (1 S 11 ) V Kaynak RF üretecinin tepe gerilim değeridir. (Thevenin eşdeğer devresi oluşturulduğunda bu sonuç elde edilir) P Kaynakdanalınabilirgüç RF üretecinden yüke aktarılabilecek en fazla güçtür. Küresel Koordinat Sistemi Benzetim programında, ilgili düzlemde elektrik ve manyetik alan ve 3B yayılma motifini bulmak için küresel koordinat sistemi kullanılmaktadır. r dairesel mesafe, Ѳ (theta) azimuth açısı ve ф (Phi) elevation açısıdır. 2 5

7 ( ( )! )* *!+ "",#." / "., / $0 -'

8 '" 1 "" (""* 23" * * 4""$ 5 2""$ ""$ "( 6 ( ) *#! ) 7 " ( 464""6 0 ""69)7 5 2' %9+!)) , )! " ( 464,3 6 ;,3 69) !#! ,)!)#

9 68)< ()<7 -""))* 2 6" * 48) 0 < * -"", "" (! (!7 " ""4" (! 0 " (!9)7 5,#( 0

10 5,3 "3 % ( 7 ",3 4% 0 "3 %7 " %7 0 ", 3 ( 7 %,3 3 *" 0 ",9)7 (!==(> ==(>??$./ "!8 0 ;

11 5" ( 7 ",)4@ 0 %! * A7$ $*B7; ;*C7$$ $$* 0 %! * A7$$ $$*B7D$ D$*C7$0 $0* " )) 0 E 8!7" (#)7 " E)4 4#E) 65(=1F,

12 5-' ( 7 ",)4= 0 %! * A7$ $*B7; ;*C7$$ $$* %! * 7 A7$$ $$*B7D$ D$*C7$$ $$* " )) 0 E 8!7-H'8, (#)7 " E)4 4#E)!-' ( 7 " 4" 4@!8 0 " 6<, * " <7-H'8, 0 6: (! " ""4@ 44 87H-H'8, 0 -' 7 52 G

13 5-' 5 6 ( 7 ",)45 0 %! * A7$ $*B7$$ $$*C7$$ $$* %! * 7 A7$G $G*B7$$ $$*C7$$ $$* " )) 0 E 8!75 H6 (#)7 " E)4 4#E) 5 -' ( <-H'8, J5 H6 7 " 4" 4@!8 0 " 6<, * " <7-H'8, -H'8,* *5 H6 0 6: ( 7 ",3 4@ 4" 0 " 27-H', ( 75 H6 5 < 7 %2 I

14 5 ",)4= 0 %! * A70$ 0$*B7 *C7$0 $0* %! * 7 A7;$ ;$*B7$ $*C7$$ $$* " )) 0 E 8!7 (#)7 " E)4 4#E)!( ( 7 " 4" 4@!8 0 " 6<, * " <7 0 6: (! " ""4@ 44 87H 0?

15 ", 3 ( 7 %,3 3 *# 55 ",)45! 0 %! *! A7 $ $*B7 $$*C7 $$ %! * 7 A7 $G*B7 $$*C7 $$ ; %! *7 A7 $$*B7 $$*C7 $ $ " )) 0 E 8!75 (#)7 " E)4 4#E) D

16 ", 3 ( 7 %,3 3 *" 0 ",9)7 (! "! ",)45! 0 %! *! A7 $ $*B7 $$*C7 $$ %! * 7 A7 $$I*B7 $$*C7 $$ ; %! *7 A7 $$*B7 $$*C7 $ $ " )) 0 E 8!75H (#)7 " E)4 4#E) $

17 59# ( 7 ",)45 0 %! * A7 7$ $*B7$$ 7$$*C7 7$ $ %! * 7 A7$G 7$G*B7$$ 7$$*C7$$ 7$$ " )) 0 E 8!7 ( <7 " 4" 4@!8 0 " 6<, * " <7 0 6: ()# " ""4449# 0 9#7' #7( 8 ( 7* 0 ( (* 2% 8)1 %! *# A7$; $;*B7$$ $$*C7$ $* ; %! *# A7$$D $$D*B7$$ $$*C7$$ $$* 5 28 ; 9#7, G #7 =-7$ 5 2

18 5 ",)45! 0 %! *! A7 $ $*B7 $$*C7 $$ %! * 7 A7 $$I*B7 $$*C7 $$ ; %! *7 A7 $$*B7 $$*C7 $0 " )) 0 E 8!7 (#)7 " E)4 4#E) 0

19 ", 3 ( 7 %,3 3 *# 5 ",)4@ 0 %! * A7$ $*B7; ;*C7$$ $$* 0 %! * A7$$ $$*B7D$ D$*C70 0* " )) 0 E 8!7 (#)7 " E)4 4#E)

20 27 " 4" 4 0 '! <CK$$ (! " ""4@ 44= 0 =@!)) 87= 0 5=" ( " ""4=4- " 4- " 0 ="" " -" ( 87H0 0 7."7$* $*"7D$* D$*""+7D$/ D$/."7?$*?$*"7?$*?$*""+70/ 0 ;

21 !" 5!" (! 7 " ""4!" 4" " 0 " " 9)7 5 2' 7 "!700' $ 3, "7$$0 0!") (!)7 " ""4!" 4") " " " 7" 0 0 ")9)7 ")(!7 0!" (!715 "7 $'+ "7'+ 5 70$ "# 7 52

22 "#< (#<7 -""))* 4"# 0 "# "#))*! 7H 5 2"#!+ 3 E (# 7 " ""4E (#)!)* 3 3!+ ( 7 " ""4!+ G

23 ", (#)",7 " ""4= 4", (#) ( (#)5#7 5 25# ( 87( #)#( " #) # (#)3,7 5 23, ( 87(#) 3,* " " *1# I

24 5= 5( " 3 " ""4= 45= 0 5=9)7 =(!7( ( " 0,!(!7= 6: (9)7 " 7" 7") 0,7") 5 2B 5!7 ( " 0 L!7".*/* 7@ ; 5 2( ; 5 2, ; " =0,432 ( 5 23?

25 6#! 5 6#! (0, 7 " ""4= 45= 0 5=9)7 =(!7 0,!(!7= 6: (9)7 " 7" 7") 0 '!7 H0 -") * 8 * * ( ((!)( ; -") * )!0G0-3 5!7' 0 L!7'( 7@ ; 5 2( G 5 2, D