Bazı Siindirik Eş-düzemi Dagakıavuzu Süreksizikerinin RF/Mikrodaga Pasif Devre Eemanı oarak Tasarım ve Anaizeri Designs and Anayses of Some Cyindrica CPW Discontinuities as RF/Microwave Passive Components Vokan Akan, Mehmet Duyar 2, Erdem Yazgan, Mehmet Bayrak TUBITAK-UZAY, Uydu Teknoojieri Grubu vokan.akan@uzay.tubitak.gov.tr 2 T.C. Sanayi ve Ticaret Bakanığı mehmetduyar@gmai.com Eektrik ve Eektronik Müh. Böümü, Hacettepe Üniversitesi yazgan@hacettepe.edu.tr Eektrik ve Eektronik Müh. Böümü, Seçuk Üniversitesi mbayrak@secuk.edu.tr Özet Bu çaışmada çeşiti Siindirik Eş-düzemi dagakıavuzu (SEDK süreksizikeri kuanıarak ouşturuan mikrodaga reaktif eemanar inceenmiştir. Hemen hemen TEM modundaki karakteristik parametreeri mikrodaga frekansarında bie tatmin edici hassasiyet sağayan ve Bigisayar Desteki Tasarım (BDT programarı için kapaı formda çözümer sağayan Konforma Dönüşüm Teknikeri (KDT kuanıarak ede edimiştir. Tasaranan bu süreksizikerin benzetimeri Zaman domeninde Sonu Farkar Yöntemine dayanan ticari bir eektromanyetik simüatörde gerçekeştirimiştir. Ede edien indüktans, kapasitans, giriş empedansı gibi sonuçar frekansa ve fizikse parametreere göre çaışma boyunca sunumaktadır. Bu sonuçar ışığında SEDK süreksizikerinin gereki yererde mikrodaga ve RF pasif devre eemanı oarak kuanıabieceği gösterimiştir. Abstract In this study, designs and anaysis of severa CCPW (Cyindrica CPW discontinuities as microwave reactive eements have been reaized. The quasi-tem characteristic parameters of CCPWs have been obtained by CMT (Conforma Mapping Techniques which provide satisfactory accuracy at microwave frequencies and ead to cosed-form anaytica soutions suitabe for CAD software packages. Designed discontinuities were then simuated in a commerciay avaiabe simuator based on Finite Difference Time Domain. The obtained resuts have been demonstrated in terms of inductance, capacitance and aso input impedance versus frequency and physica dimensions of the eements.. The resuts show that CCPW discontinuities can be used successfuy as microwave and RF passive eements for reated appications.. Giriş Son zamanarda farkı düzemere adapte edimiş ietim hatarına iginin arttığı görümektedir. Bu tipteki ietim hatarı hava araçarında, füzeerde, mobi habereşme araçarındaki uyguamaarda biinen düzemse gerçekemeerin uygun omadığı eiptik ve siindirik hacimeri çepeçevre saran anten beseme ve uyumandırma devreerinde rahatıka kuanımaktadırar [,2]. Bugüne kadar farkı düzemer üzerinde ouşturuan ietim hatarının karakteristik parametreerini hesapamak amacıya çeşiti çaışmaar yapımıştır [-5]. Ayrıca biinen düzemse ve SEDK yapıarı üzerinde süreksizikerin anaizeri gerçekeştirimiştir [6-8]. Bu çaışmaarda benzer oarak daha çok kapasitif eemanar siindirik düzemer üzerinde inceenmiştir. Bununa beraber bu bidiride SEDK üzerinde kısa devre sonandırmaı indüktif, açık devre sonandırmaı kapasitif ve boşuk bağaşımı kapasitif eemanarın tasarım ve anaizerinin yapıması amaçanmıştır. Karakteristik parametreerin hesapanması için KDT kuanımıştır. Bu çaışmaar daha sonra eektromanyetik simüatör yardımıya doğruanmıştır. Ayrıca beirenen fizikse değişkinere göre yine simüatör yardımıya bu eemanarın giriş empedansı, indüktans ve kapasitans değereri hesapanmıştır. 2. SEDK için Hat Parametreerinin Hesapanması Şeki- de üzerinde süreksizikerinin ouşturuduğu SEDK nın kesiti ve fizikse değişkeneri görümektedir. Hattın karakteristik empedans ve etkin dieektrik değereri şu şekide hesapanabiir: C T = C + C + C d (
burada ve kapasiteeri sırasıya birim uzunuktaki serbest uzay ve dieektrik katmandan kaynakanan kapasiteeri ifade etmektedir. Serbest uzay kapasite iişkisi şöye yazıabiir: K( k C = C = 2 (2 K( k Benzer oarak dieektrik katmandan kaynakanan kapasite K ( kd Cd = 2 ( r ( K ( kd şekinde ifade ediebiir. Son oarak ise etkin dieektrik ve karakteristik empedans ifadeeri yazıabiir. Şeki 2: SEDK üzerinde ouşturuan kısa devre sonandırmaı indüktif eemanın düzemse gösterimi... SEDK Kısa Devre Sonandırmaı İndüktif Eeman Şeki-2 de SEDK kısa devre sonandırmaı eemanın düzemse serimi görümektedir. Bu eeman uyarıdığında akım sinya ve sonandırma toprak ietkenerinin etrafında akarken bireşimin oduğu yerde eektromanyetik enerji depoanmaya başar. Bu depoanma eemanın reaktansını indüktif oarak arttırmaktadır. Şeki- de, indüktif eemanın ede edien indüktansı ie giriş empedansının gerçek ve sana kısımarının değereri.5-ghz arasında görümektedir..5 x -. Şeki : Üzerinde pasif devre eemanarının ouşturuduğu siindirik SEDK nın kesiti. CT eff = = + q( r ( C Burada q doum faktörünü göstermek üzere K( kd K( k q = 2 K( kd K( k (5 ve karakteristik empedans iişkisi π K ( k Z = (6 eff K ( k şekinde yazıabiir. Buradaki mod k ve mod k d [9] daki gibi hesapanabiir.. SEDK Üzerinde Ouşturuan Süreksiziker Şeki e göre ve 2 θ sırasıya orta ietken genişiğini ve orta ietken genişiği ie boşukarın topamını ifade etmektedir. Ayrıca r dieektriğin iç, r 2 de dış yarıçaparını göstermektedir. Tüm ietkener mükemme ietken ve sonsuz inceikte varsayımıştır. Dieektrik mazemeer de basit ortam oarak dikkate aınmıştır. Anaiz ve tasarımar boyunca çaışıan tüm eemanarın karakteristik parametreeri aynıdır. İndüktans Inductance (Henry (Henry Zinin Imaginary Sana Part Kısmı of Zin.5.95.9.85.8.5.5 2.5.5.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 (a 25 2 5 5.5.5 2.5.5.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 (b
Zinin Rea Gerçe Part of Kısmı Zin 5 x - 2.5.5 2.5.5.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 (c Şeki : İndüktif eemanın (a İndüktans değeri, (b Giriş empedansının sana kısmı (c Giriş empedansının gerçek kısmı sunumaktadır. Boşuk uzunuğunun kapasite değerinin değiştirimesinde etkisi buradan rahatıka anaşımaktadır. Kapasite Capacitance (Farad (Farad.5 x -.5 2.5.5.5 2.5.5.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 (a Imaginary part of Zin Zinin Sana Kısmı -2 - -6-8 - -2 Şeki : SEDK üzerinde ouşturuan açık devre sonandırmaı kapasitif eemanın düzemse serimi. -.5.5 2.5.5.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 Frequency Frekans (GHz (GHz (b.2. SEDK Açık Devre Sonandırmaı Kapasitif Eeman Bu eemanın kesiti de Şeki- dekine benzemektedir. Düzemse serimi ise Şeki- de verimiştir. Kısa devre sonandırmaı eemanda oduğu gibi eemanın sonundaki ani değişikik döne aanarın ve doayısıya depoanan eektrik enerjinin artmasına neden omaktadır. Bundan doayı eemanın kapasitif reaktansı artış gösterir. Bu eemanın topam kapasite ie giriş empedansının gerçek ve sana kısımarının ede edien değereri Şeki-5 de sunumaktadır... SEDK Boşuk Bağaşımı Kapasitif Eeman İnceenen son yapı kapasitif bir eemandır ve kesiti için yine Şeki- referans veriebiir. Boşuk bağaşımı bu kapasitif eemanın düzemse gösterimi boşuk boyutarı ie birikte Şeki-6 da verimiştir. Yapının merkezi şeridinin sonundaki bu boşuktan doayı ouşan eektrik aandaki artma eemanın kapasitif reaktansındaki artışa neden omaktadır. Giriş empedansı ve topam kapasite değererinin frekans ve boşuk uzunuğuna göre ede edien benzetim sonuçarı Şeki-7 de Rea Part of Zin Zinin Gerçe Kısmı 2.5.5 2.5.5.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 Frequency Frekans (GHz (GHz (c Şeki 5: Açık devre sonandırmaı kapasitif eemanın benzetimer sonucunda ede edien (a Kapasitans değeri, (b Giriş empedansının sana kısmı (c Giriş empedansının gerçek kısmı
. Sonuçar Bu makaede, SEDK üzerinde ouşturuan kısa devre sonandırmaı indüktif, açık devre sonandırmaı kapasitif ve boşuk bağaşımı kapasitif eemanarın tasarım ve benzetimeri gerçekeştirimiştir. Önceike KDT kuanıarak SEDK yapısının karakteristik empedansı ve etkin dieektrik empedansı hesapanmış ve daha sonra beirtien eemanar ticari bir eektromanyetik simüatör kuanıarak tasaranmış ve benzetimeri yapımıştır. Bu benzetimerde ede edien indüktans, kapasitans ve giriş empedansının gerçek ve sana kısımarı hesapanarak sunumuştur. Özet oarak yapıan bu çaışma ie RF/mikrodaga reaktif eemanarın SEDK üzerinde gerçekenebieceği gösterimiştir. Bu çaışma kapsamında bahsi geçen yapıar üzerindeki deneyse çaışmaar da devam etmektedir. 5. Teşekkür Bu çaışma Türkiye Biimse ve Teknoojik Araştırma Kurumu (TUBITAK tarafından EEEAG-5E22 nou proje kapsamında destekenmiştir. g Zinin Imaginary Sana Kısmı Part of Zin - -2 - - g = mm g =.775 mm g =.55 mm g =.25 mm -5.5.5 2 2.5.5.5 5 5.5 Frequency Frekans (GHz (GHz (b Zinin Rea Gerçe Part Kısmı of Zin 7 6 5 g = mm g =.775 mm g =.55 mm g =.25 mm Şeki 6: SEDK üzerinde ouşturuan boşuk bağaşımı kapasitif eemanın düzemse serimi. Kapasite Capacitance (Farad (Farad 5 x -2 2 (a g = mm g =.775 mm g =.55 mm g =.25 mm.5.5 2 2.5.5.5 5 5.5.5.5 2 2.5.5.5 5 5.5 (c Şeki 7: SEDK üzerinde ouşturuan boşuk bağaşımı kapasitif eemanın frekansa ve boşuk uzunuğuna göre ede edien (a Kapasitans değeri, (b Giriş empedansının sana kısmı (c Giriş empedansının gerçek kısmı. 6. Kaynakar [] N. Dib and A. Omar, Dispersion anaysis of mutiayer cyindrica tranmission ines containing magnetized ferrite substrates, IEEE Trans. Microwave Tech., vo. 5, No.7, pp.7-76, Juy 22. [2] M. Duyar, V. Akan, E. Yazgan and M. Bayrak, Anayses of Eiptica Copanar Couped Waveguides and Copanar Couped Waveguides with Finite Ground Width, IEEE Trans. Microwave Tech., vo. 5, No., pp.88-95, Apri 26. [] V. Akan and E. Yazgan, Quasistatic TEM Characteristics of Mutiayer Eiptica and Cyindrica Copanar Waveguides, Microwave Opt. Tech. Lett., Vo. 2, No. pp.7-22., Aug. 2. [] E. Yazgan and V. Akan, Conforma Mapping Techniques, Encycopedia of Rf and Microwave Engineering, Vo., John Wiey & Sons, 25.
[5] C. Karpuz, M. Duyar and A. Görür, Anaysis of Cyindrica Conductor-Backed Copanar Waveguides, Microwave Opt. Tech. Lett., vo.27, No:2, pp.: -6, Oct. 2. [6] A. A-Zoubi and N. Dib, CAD Mode of Gap in Cyindrica Copanar Waveguide, Eectronics Letters, vo. 5, No.25, pp.857-858, Oct. 999. [7] K. Beienhoff, H. Kingbei, W. Heinrich, and H. L. Hartnage, Open and Short Circuits in Copanar MMIC s, IEEE Trans. Microwave Tech., vo., No.9, pp.5-57, Sept. 99. [8] R. N. Simons, and G. E. Ponchak, Modeing of Some Copanar Waveguide Discontinuities, IEEE Trans. Microwave Tech., vo.6, No.2, Dec.998. [9] H-C. Su, and K-L. Wong, Quasistatic soutions of cyindrica copanar waveguides, Microwave and Optica Technoogy Lett., vo., no.6, pp.7-5, 997.