4 GHz de Yüksek Kazançlı Mikoşeit Yama Anten Tasaım ve Geçekleştiimi 4 GHz High Powe Micostip Patch Antenna Design and Realization Alpe Yıldıım, H Bülent Yağcı, Selçuk Pake Telenetonics npsh, Mbeti Zog 6, Pizen, Kosova alpe@telenetonicscom İstanbul Teknik Ünivesitesi Elektonik ve Habeleşme Mühendisliği Bölümü bulentyagci@ituedut, spake@ituedut Özet Çalışma, 4 GHz ekansında çalışan yüksek kazançlı ve yönlü mikoşeit yama antenin tasaımını sunmaktadı Mikoşeit antenlein ucuz üetim maliyeti ve düşük poildeki özellikleinden dolayı bi çok aaştımacıyı bu tü antenlein peomanslaını aklı yollala aaştımalaı için cazip kılmıştı Anten tasaımı esnasında yüksek kazancın yanısıa sabit ışınımlı modelin elde edilmesi amaçlanmıştı Çalışma üç boyutlu anten modelini, benzetimini, abikasyonunu ve Ansot HFSS (Yüksek Fekans Yapı Benzetimi) yazılım paketinden elde edilen değişik sonuçlaı içemektedi Geniş alan çalışma aalığı ve yüksek kazanç, tasalanan mikoşeit yama anteninde gözlemlenmişti Abstact This wok pesents the design o high-gain diectional micostip patch antenna o opeation at 4 GHz Low cost o abication and low poile eatues o micostip antennas, attact many eseaches to investigate the peomance o this antenna in vaious waysthe design equiements o the antennas include a VSWR o less than o equal to : o 5 Ohm eeence impedance, antenna design is aimed to obtain high-gain and ixed-beam adiation patten The study includes o the development o a thee-dimensional antenna model, antenna simulation, abication and analysis o esults based on vaious outputs o the Ansot HFSS (High Fequency Stuctue Simulato) sotwae package Wideband opeation and high gain was obseved in designed micostip patch antenna Giiş Habeleşme geniş olaak bilginin bi noktadan diğe bi noktaya aktaımı olaak tanımlanabili Habeleşme sistemi içinde bilgi aktaımı, bilgiyi elektomagnetik bi dalgaya module edeek elde edili ki bu, bilgi sinyalinin taşıyıcı olünü oyna Module edilmiş taşıyıcı, istenilen vaış noktasına ulaştığında asıl bilgi sinyali demodule edileek yeniden elde edili Günümüzün moden habeleşme endüstisinde, habeleşme bağlantılaının en önemli bileşenleini antenle oluştumaktala Wi-Fi ve Wi-Max gibi yeni teknolojilede kendi diş alan uygulamalaında mikoşeit yama antenlei üstün olan yönleinden dolayı çoğu kez tecih etmektele Ayıca, mikoşeit antenlein askei uçaklada, üze, oket ve uydu teknolojileindede kullanıldığı bilini[] Mikoşeit Yama Antenle İlk olaak mikoşeit antenlein kavamı Deschamps[] taaından 953 yılında öneilmişti, oysa 955 yılında Fansada Gutton ve Bassinot[3] adına patenti alınmıştı O zamandan bei aadan yimi yıl a yakın bi süe geçtikten sona ilk patik mikoşeit anteni 97 senesinde Munson [4] ve Howell [5] taaından üetilmişti İlk olaak Howell mikoşeit anten tasaımını tanıtıken, Munson düşük poil mikoşeit antenini oketlee ve üzelee monte etmek ile meşguldu Ek olaak, mikoşeit antenlein gelişmesindeki aaştıma yayınlaı Bahl ile Bhatia [6] ve James, Hall ile Wood [7] taaından yayımlanıyodu Aynı şekilde mikoşeit antenle ile ilgili aaştımala Dubost taaından da yüütülüyodu Doğusu, tüm bu yayımlamala halen günümüzde kullanılmaktadı Ekim 979 yılında, ilk uluslaaası toplantı mikoşeit antenlein malzemesi, patik tasaımlaı, düzen koniguasyonlaı ve teoik modellei hakkında New Mexico State Ünivesitesinde ABD Askei Aaştıma Oisi ve New Mexico State Univesity s Physical Science Laboatoy sponsoluğunda düzenlenmişti[8],[9] 98 yıllaı sadece önemli aaştıma yayımlaıyla olmamakla bilikte aynı zamanda patikte mikoşeit antenlein geçeklemesinin ve abikasyonunun da yapıtaşı yıllaı olmuştu[] Temel Mikoşeit Yama Anteni Geleneksel mikoşeit yama anteni temel olaak dielektik zemin üzeinin taaındaki ışıyan metal yama ile diğe taaındaki topak zemin düzleminden oluşmaktadı (Şekil ) Metal yama genelde bakı, gümüş veya altın olan iletken malzemeden yapılabilmektedi ve çok aklı şekille alabilmektedi öneğin kae, dikdötgen, dipol, daiesel, eliptik, üçgen, disk daiesel dilim, daiesel çembe, ve çembe dilim, ama bizim çalışmamızda kae yama kullanılmıştı çünkü bu analizlein ve peomansın önceden tahminleini kolaylaştımaktadı Yinede, geleneksel kae, dikdötgen ve daiesel mikoşeit yama antenlei aalaında en ünlü tipple olaak bilinile çünkü abikasyonlai kolay olmakla bilikte çapaz polaizasyon gibi ışıma kaakteistiği ön planda tutmaktadı Yamalaın bulunduğu dielektik zemin manyetik değildi Önemli paamete olaak göeli pemitivite bilinmektedi Bağıl pemitivite saçak (kena) alanlaını çoğaltmaktadı ki bu ışımayı etkilemektedi Bu tip anten L uzunluğuyla, W genişliğiyle ve H kalınlığıyla kaakteize edili (Şekil ) İyi anten peomansı yakalamak için, genelde düşük dielektik sabitine sahip olan kalın dielektik zemini tecih edilmelidi
çünkü bu daha çok veimlilikle bilikte, daha büyük bant genişliği ve daha güzel ışıma sağlayacaktı Şekil Geleneksel dikdötgen yama mikoşeit anten yapısı Besleme Tekniklei Antenin güç bağdaştıması, antenin içine veya dışına doğu aklı metodlala geçekleşebili, bu metodla temaslı besleme ve teması olmayan besleme metodu olaak ayılabilile[] Temaslı metod, mikoşeit hat sayesinde RF gücü ışıyan yamayı doğudan beslemektedi Temassız metodta besleme hattının ve ışıyan yamanın aasında elektomagnetik bağdaştııcı kullanılmaktadı En önemli döt tane besleme tekniği bilinmektedi: Eşeksenli sonda ve Mikoşeit hat (he ikisi temaslı metodla) ile 3 Delik bağdaştıma ve 4 Yakınlık bağdaştıma Tekniklei (he ikisi temassız metodla) 3 Analiz Modellei Mikoşeit antenle için bi çok analiz modeli bulunmaktadı Mikoşeit yama antenlein analizi için en ünlü modelle olaak: iletme hattı modeli, oyuk modeli ve tam dalga modeli (bu model biincil olaak integal denklemleini /Moment Metodu nu içemekte) olaak bilini[] İletme hattı modeli diğe modelle aasında en basit model olup güzel de iziksel kavayışa sahipti, eksikliği ise çok doğuluk göstememesidi Oyuk modeli daha sağlam sonuç vei sadece çok complex doğaya sahiptitam dalga modeli aşıı doğudu, çok yönlü ve tek elemanla ile muhattab olu, sonlu ve sonsuz sıalaı, yığın elemanlaını ve isteğe göe şekil veilmiş elemanla ile ilgilidi 3 Mikoşeit Yama Antenin Tasaımı, Geçekleştiimi ve Simulasyonu Mikoşeit yama anten tasaımı için iletme hattı modeli, mikoşeit yama anten boyutlaı hesaplaması için kullanılmıştı Bu çalışmanın ana ıkinin yönlü mikoşeit dizi antenin tasalanmasıdı, ama önceden temel dikdötgen yama anteni tasalandıktan sona, antendeki dikdötgen yamanın boyutlaını, besleme hatlaını ve diğe paametelei en iyi tabanı bulaak optimize edeek tasalanacaktı 3 Temel Dikdögen Yama Anteni Mikoşeit yama anteninin esonans ekansı 4-45 GHz cıvaı olması isteni ve bu ekansta ezonansa gimesi için alttaki boyutlaın alınması geekiyo: FR-4 tabakasının kalınlığı t= 6 mm Malzemeye özgü bağıl dielektik sabiti = 44 Dielektik tanjan kaybı tanδ =9 Temel yama boyutlaı 37mm x 9mm Zeminden olan yukseklığı h = 588 mm Optimal bantgenişliği 45GHz ekansında çalışması için aşağıdaki hesplamala yapılı c W = = + + μ 3 W = x45 + W = 37cm 3 7cm W Eğe ise, eekti dielektik sabiti h bulunu + = + (3) = 6 x 68 = 37 cm (3) h + W (33) ten = 44, h = 588cm ve W = 3 7cm = 48 olaak elde edili Eğe alttaki koşul sağlanısa, geçeli olucaktı Le -ekans onksıyonu - eekti uzunluk (34) numaalı omülden bulunu: L e = c 8 c = 3x m / s, = 4, 8 ve için L e = 3 3cm olaak bulunu değeiyle saçak (kena) akto ΔL ΔL = 4h ( + 3) W + 64 h W ( 58) + 8 = 45GHz bulunabili: (33) (34) (35) h Δ L = 73cm L = Le ΔL (36) L = 884cm 9cm Sonunda temel dikdödgen yamanın boyutlaı: W = 37mm x L 9mm = olaak alını 3 Mikoşeit Dizi Anten Tasaım İlklei Mikoşeit dizilei, mikoşeit elemanlainin ve mikoşeit besleme ağlaının içediklei güç bölücülei, iletim hatlaı, az hatlaı ve aktı bileşenleiyle bi entegasyonudu Çalışmanın ana hedei döt tane yama elemanı ikiye-iki dizilişinde olan yüksek kazançlı yönlü anten tasaımıdı, şekil de göüldüğü gibi
34 Mikoşeit Yama Antenin Fabikasyon Süeci Mikoşeit yama antenin abikasyonu için sözü edilen posedü izlendi: Anten CoelDaw V4 uygulamasında yapıldı (Şekil 3), çizimden sona, FR-4 malzemesi ni kaşılayabilecek şekilde kesilmişti (Şekil 4) Şekil Yönlü mikoşeit anten He elemanın çeyek-dalga dönüştüücüsüyle giiş empedansı Rin Ω -a uyumlaştıılmıştı GiişiΩ - luk he çit a noktasında 5Ω sağlaması için kombine edilmişti 5Ω -luk empedans 7Ω çeyek-dalga dönüştüücüsüyle Ω -a dönüştüülmüştü İki tane Ω -luk iletim hatlaı aalaında paalel olaak giişleinde 5Ω Ω -u sağlamak için -luk empedansa sahiple n m Mikoşeit dizile hehangi ile gibi dizilee genişletilebilile Bileşik besleme ağlaı eşit güç ve az bölünmeyi sağlamak için genişletilmişti, çünkü simetik hat uzunluklaı mikoşeit elemanlaının giişine tüm elemanlaının azda beslenmeleini etki ede Mikoşeit dizinin en yüksek veimi (37) de veilmişti: 4π A G db = log a * ( D + D )/ (37) λ A = D * D Buada: D = Düzenli dizi alanının etkili genişliği D = Düzenli dizi alanının etkili yüksekliği a = zayılama, 5Ω -un, biim uzunluk başına db olaak, a db / cm 5Ω ( -nın tipik değei, mikoşeit hattın ve 794mm telon ibeglass için GHz ekansı için alınmıştı)[] Mikoşeit yama anteninin ezonans ekansı ( ) 4GHz cıvaında olması istendiği için, yama boyutlaını FR-4 kalınlığıyla bilikte tabanın da yüksekliğini optimize etmek geeklidi Böylece döt elemanlı mikoşeit dizi anteni için aşağıda belitildiği gibi yeni boyutla kullanılmıştı: (Şekil ) FR-4 kalınlığı t= 6 mm Malzemeye özgü bağıl dielektik sabiti = 44 Dielektik tanjant kaybı tanδ =9 Temel yama boyutu 55mm x 5mm Taban yüksekliği h=588mm 6 mm 33 Benzetim Kuulumu Tasalanmış antenin modellemesinde ve analizleinin yapılmasında Ansot-HFSS v uygulaması kullanılmıştı İlk aşamada tek dikdötgen yama antenin benzetimi yapıldıktan sona yüksek kazançlı yönlü anten paametelein optimizasyonun benzetimi yapılmıştı Temel dikdötgen yama anteninin HFSS-te benzetimi yapılmıştı ve aynı şekilde yüksek kazançlı yönlü anteninde benzetimi HFSS-te yapılmıştı [3] Şekil 3 Şekil 4 Şekil 5 te göüldüğü gibi çizimden FR-4 plakasına ipek baskı ile şekil aktaılmıştı FR-4 plakası baskıdan sona şeklin dışındaki kalan bakı bölgeleden aınmak için asite konulu En son olaak FR-4 plakası mm lik zemin aluminyum plakasıyla ve 5 ohm N-dişi şase tipi konektöle bileştiilmek üzee anten tamamlanmış olu (Şekil 6) Şekil 5 Şekil 6 Ve son olaak Şekil 7-de göüldüğü gibi anten açık alan uygulamalaında kullanılmak için ABS ve aluminyum kombinasyonu olan kabın içine yeleştiili Şekil 7 Diş alan uygulamalaı için mikoşeit yama anteni 4 Anten Ölçümlei ve Sonuç Analizi Bu bölümün ilk aşamasında dikdötgen yama boyutlaı W ve L, taban ile yansıtıcı aasındaki mesae, tambu için kullanılmış malzeme ve onun bağıl dielektik sabiti gibi paametelein analizi yapılmıştı Oysa ikinci aşamada tüm bu paametele optimize edileek yüksek kazançlı yönlü antenin analizlei yapılmıştı Tek dikdötgen yama için elde edilen ekans cevabı şekil 8 de gösteilmekte, şekildede göüldüğü gibi 45 GHz ekansındaki ezonansa gimekte olup gei dönüş kaybı yaklaşık -6dB di Gei dönüş kaybının güzel sonuç vemesi için kususuz yama boyutlaı ve besleme yollaının empedanslaını uyumlaştıılmasının olü çok yüksekti
Ansot Copoation db(s(wavepot,wavepot)) -5 - -5 - Retun Loss S[,] HFSSModel Cuve Ino db(s(wavepot,wavepot)) ekansındaki ezonansa gimekte olup gei dönüş kaybı yaklaşık -db di Bu sonuca sebep olan güzel empedans uyumlaştıması olaak gösteilebili Bununla bilikte, çalışma ekansındaki ince kaymanın kususuz tabanın veya boyutlaın seçiminden olabildiğini söyleyebilmek mümkündü Ansot Copoation Retun Loss - S[,] HFSSModel -5-3 Şekil 8 4 6 8 3 Feq [GHz] S Temel dikdötgen yama için gei dönüş kaybı Y -5 - -5 Cuve Ino db(s(wavepot,wavepot)) db(s(wavepot,wavepot))_ Temel dikdötgen yama antenin 4 GHz deki (E-düzlem ve H-düzlem) için Uzak alan kutupsal Şekil 9 da göülebili Ansot Copoation Fa Field Radiation Patten HFSSModel Cuve Ino -3 3 5 Phi='deg' Phi='9deg' -6 6 - -5 4 6 8 3 Feq [GHz] Şekil S Yüksek kazançlı yönlü antenin gei dönüş kaybı -9-5 - 9 S in daha az veya eşit olduğu db ekans aalığında antenin band genişliği tanımlanı Band genişliği (4) numaalı denklemden hesaplanabili: - -5 5 Buada: BW = ( ) x% (4) Şekil 9 Temel dikdötgen yama antenin Uzak alan kutupsal Temel dikdötgen yama antenin Katezyen uzak alan Şekil da göülebili -8 : S in en küçük olduğu duum veya ota ekans, : S in db e eşit olduklaı ekansla Üstteki denklemi kullanaak yüksek kazançlı yönlü antenin band genişliği yaklaşık olaak 6,7 % olaak elde edili Yüksek kazançlı yönlü antenin 4 GHz deki (E-düzlem ve H-düzlem) için Uzak alan kutupsal Şekil de göülebili Ansot Copoation Fa Field Radiation Patten (db) HFSSModel Cuve In o -3 7 3 Phi='deg' -6-6 Phi='9deg' -9-7 -9 9 - Şekil Temel dikdötgen ya ma antenin Uzak alan katezyen -5 5 Temel dikdötgen yama anteni, yüksek kazançlı yönlü antenin bi elemanı olduğundan dolayı üstteki simulasyonla temel dikdötgen yama anteni için yapılıp asıl bizi ilgilendien yüksek kazançlı yönlü antenin analizleidi Yüksek kazançlı yönlü anten için elde edilen ekans cevabı şekil de gösteilmişti, şekildede göüldüğü gibi 4 GHz Şekil Yüksek kazançlı yönlü antenin Uzak alan kutupsal Yüksek kazançlı yönlü antenin Katezyen uzak alan Şekil 3 te göülmektedi -8
Sinyal seviye testlei biinci noktada dbi panel anten ile 6dBm(4mw) çıkış gücü olan bi (Wi-Fi b/g) adio biimi kullanılıp diğe noktadaysa dbm(mw) çıkış gücü olan adio ile 3 aklı anten kullanılmıştı Noktala aasındaki mesae yaklaşık km olup, güültülü ve 4GHz ekansının çok yoğun olduğu koşullada test edilmişti 5 Sonuç ve Öneile Şekil 3 Yüksek kazançlı yönlü antenin Uzak alan katezyen S Üetilen yüksek kazançlı yönlü antenin gei dönüş kaybı Hz-65GHz ekans aalıklı Agilent E745A EMC analizö ile ülçülmüştü Üetilen anten kıyaslanmak için diğe iki tane aklı mikoşeit yama anten ile bilikte test edildi Şekil 4 te dbi mikoşeit yama anten sonucu göülmektedi, Şekil 5 te ise 8dBi mikoşeit yama anten sonucu veilmişti ve son olaak Şekil 6 da bu çalışmada konu olan antenin sinyal seviyesi gösteilmişti Şekil 4 dbi yama antenin sinyal seviyesi Şekil 5 8 dbi yama antenin sinyal seviyesi Şekil 6 Yeni üetilen antenin sinyal seviyesi Çalışmanın ana amacı 4 GHz ekansında içinde döt adet dikdötgen yama bulunduan yüksek kazançlı yönlü anten üetimidi(şekil 3) Uygulama benzetiminden elde edilen sonuçla ile laboatuvadaki spektum analizö taaından elde edilen sonuçlaın bibileine çok yakın olmalaı gözlemlenmişti Üetilmiş olan antenin çalışma ekansı 4-45 GHz ekans aalığında olmakla bilikte yaklaşık 67% lik bi bant genişliğe sahipti n m İleideki çalışma için ile boyutlaında yeni ve daha aklı mikoşeit anten üetmek mümkündü Mikoşeit yama antenin tabanını değiştieek aynı zamanda dielektik sabiti de değişmiş olduğu için yama boyutlaını küçültebilmemiz mümkün olu ve bu şekilde antenin de boyutlaı küçülmüş olacaktı Yama boyutlaındaki değişikliklele aynı zamanda antenin de aklı ekans aalıklaında çalışması mümkün olabili 6 Reeansla [] CA Balanis, Antenna Theoy,Analysis and Design, nd ed,wiley, New Yok, 997,p 4,64 [] G A Deschamps, Micostip Micowave Antennas, pesented at 3d USAR Symposium on Antennas, 953 [3] H Gutton and G Baissinot, Flat Aeial o Ulta High Fequencies, Fench Patent No 733, 995 [4]R E Munson, Single Slot Cavity Antennas Assembly, US Patent No3736, Jan 3, 973 [5] J Q Howell, Micostip Antennas, IEEE Tans on Antennas and Popagation, Jan 975, pp9-93 [6] RGag, PBhatia, I Bahl, A Ittipiboon, Micostip Antenna Design Handbook, Atech House, Boston-London,, pp 8 [7] J R James et al, Micostip Antenna Theoy and Design, IEE and Pete Peeginus, London and New Yok, 98 [8] Poc Wokshop on Pinted Cicuit Antenna Technology, Pape 3, New Mexico State Univesity, Las Cuces, Oct 979, pp 48 [9] K R Cave and JW Mink, Micostip Antenna Technology, IEEE Tans On Antennas and Popagation, Vol AP-9, No, Jan 98,pp4 [] J R James and P S Hall, Handbook o Micostip Antennas, Volume, Pete Peeginus Ltd, London, 989 [] R Q Lee and K F Lee, Expeimental Study o Twolaye Electomagnetically Coupled Rectangula Patch Antenna, IEEETans o Antennas and Popagat, volap- 38, no8, pp98-3, Aug 99 [] K Chung, Y Nam, T Yun, and J Choi, Reconiguable Micostip Patch Antenna with Switchable Polaization,ETRI Jounal,Volume 8, Numbe 3, June 6 [3] wwwansotcom Use s guide High Fequency Stuctue Simulato Vesion, 5