LEE- Uydu Haberleşme ve Uzaktan Algılama-Yüksek Lisans

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19487

Gözat

Konu "5G applications" ile LEE- Uydu Haberleşme ve Uzaktan Algılama-Yüksek Lisans'a göz atma
  • Öge
    GSM ve 5G uygulamaları için çift bantlı çift kutuplanmalı anten tasarımı
    (İTÜ Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2025-06-18) Ersöz, Mehmet Sami ; Karaçuha, Kamil ; 705151029 ; Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama
    Bu tezde, kablosuz iletişim sistemleri için yenilikçi çift besleme kapılı, çift bantlı, çift kutuplanmalı, paylaşımlı-açıklık yapısında, açıklıkla-bağlaşımlı ve süzgeçleme besleme yöntemiyle beslenen bir anten tasarımı incelenmiş, benzetimi yapılmış, üretilmiş ve ölçülmüştür. Çift bantlı bir anten, çift bant çalışmasıyla tek bir cihazda birden fazla iletişim ölçününü destekleyerek iki ayrı frekans bandında etkili bir şekilde çalışabilir. Örneğin, çift bantlı bir anten, uzun menzilli ve düşük hızlı iletişim için düşük frekans bandını kullanabilir ve aynı zamanda ortamda çok fazla gürültü olduğunda veya yoğun ağ kullanımı olan alanlarda yüksek hızlı veri iletimi için yüksek frekans bandını kullanabilir. Anten performansı, çift kutuplanma işlevselliğiyle iki dikgen kutuplanmayı destekleyerek daha da artırılır. Çift kutuplanma özelliği, kanal kapasitesini artırdığı ve çok yollu ortamda sinyal sağlamlığını iyileştirdiği için çağcıl iletişim sistemleri için önemlidir. Bu, sinyalin zayıflamasını ve gürültü yoluyla bozulmasını azaltır ve böylece kutuplanma çeşitliliğiyle daha güvenilir iletişim sağlar. Örneğin, farklı veri akışlarını iletmek ve almak için hem dikey hem de yatay kutuplanma aynı anda kullanılabilir. Böylece sistemin kapasitesi artar. Özellikle 5G gibi gelişmiş iletişim teknolojilerinin temel taşı olan Çoklu Giriş Çoklu Çıkış (MIMO) sistemlerinde büyük bir avantaj sağlar. Paylaşımlı-açıklık yapısında bir anten, birkaç anten elemanı veya işlevi içeren tek bir fiziksel açıklığa karşılık gelir ve genellikle çok bantlı ve/veya çok kutuplanmalı çalışma için kullanılır. Paylaşımlı-açıklık yapısına sahip antenlerde, ışıma elemanları genellikle aynı açıklıktan çok bantlı ve/veya çift kutuplanmalı çalışma sunmak için birlikte veya iç içe yerleştirilir. Örneğin, çift bantlı bir yapılandırmada, tek bir büyük radyasyon elemanı üst katmana yerleştirilerek düşük frekans bandında ışıma yaparken, yüksek frekans bantlarını kapsayan altta daha küçük iç içe geçmiş elemanlar yer alabilir. Bu toplu sistem, farklı frekans bandı veya kutuplanma için ayrı açıklıklara sahip bireysel elemanlara kıyasla daha küçük hacme ve ağırlığa sahiptir. Bu teknik, uydu sistemleri, faz dizileri ve 5G kablosuz iletişim ağları gibi alanın sınırlı olduğu senaryolarda yaygın olarak kullanılır. Öte yandan, paylaşımlı-açıklık yaklaşımının bazı zorlukları arasında farklı bant elemanları veya uygun kutuplanmalar arasındaki karşılıklı bağlaşım yalıtımının yönetimi ve yüzey dalgası girişimi gibi diğer sorunlar yer alır. Bu sorunları azaltmak için, gelişmiş süzgeçleme mekanizmaları olarak çalışan FSS (Frekans Seçici Yüzeyler), dik besleme ağları ve SLR (Saplama Yüklü Rezonatörler) gibi diğer özellikler, bu tür tasarımlarda sistem başarımını ve tayfsal saflığı iyileştirmek için sıklıkla dahil edilirler. Bu tez kapsamında kullanılan teknik ise saplama yüklü rezonatörlerdir. Açıklık-bağlaşımlı antenler mikro şerit antenler gibi düzlemsel antenler için, ışıma elemanının (genellikle bir yama) toprak düzlemine kazınmış bir bağlaşım açıklığı veya yarığından beslendiği belirli bir besleme mekanizmasıdır. Bu sayede empedans uyumu, yüksek kutuplanma saflığı ve azaltılmış sahte radyasyon elde edilebilir. Açıklık-bağlaşımlı besleme yönteminde, besleme hattı; genellikle bir mikro şerit veya şerit hat, toprak düzleminin altındaki bir alt tabaka katmanına yerleştirilir. Genellikle dikdörtgen, dairesel veya H şeklinde bir yuva biçiminde olan bağlaşım açıklığı (yarık); besleme hattından gelen enerjinin üst alt tabaka katmanında ışıma yamasını indüklemesine izin vermek için toprak düzlemine kazınır. Bu dolaylı bağlantı mekanizmasının, toprak düzleminin besleme ağını ışıma elemanından fiziksel olarak ayırması ve bu sayede besleme hattı radyasyonunun etkisini etkili bir şekilde azaltması ve gürültüyü en aza indirmesi gibi çeşitli üstünlükleri vardır. Ayrıca, bant genişliği ve ışıma örüntüsü, bağlaşım açıklığının şekli, boyutu ve konumu değiştirilerek uyarlanabildiğinden önemli bir tasarım esnekliği sağlar. Açıklık-bağlaşımlı tasarımlar ayrıca çok katmanlı yapılandırmaları destekler ve süzgeçler, güç bölücüler veya çoklu ışıma yamaları gibi bileşenlerin sorunsuz bir şekilde entegre edilmesine olanak tanır. Bu da onları gelişmiş anten sistemleri için çok kullanışlı hale getirir. Ancak, çok katmanlı yapıdan oluştukları ve çok hassas hizalama gerektirdikleri için, açıklık bağlaşımlı tasarımların üretimi daha karmaşık olabilir. Sistem, açıklık yarığından gelen geri ışımadan da etkilenebilir. Performansını iyileştirmek için kovuk destekli yapılar veya emici malzeme gerekebilir. Süzgeçleme antenleri, ışıma ve frekans seçici yeteneklerini tek bir yapıda birleştirerek harici süzgeçlere olan ihtiyacı ortadan kaldıran anten tasarımlarıdır. Kutupları ve sıfırları transfer fonksiyonlarına dahil ederek, saplama yüklemeli rezonatörler (SLR), kusurlu toprak yapıları (DGS) veya tamamlayıcı bölünmüş halka rezonatörleri (CSRR) gibi rezonans yapıları, dahili frekans seçiciliğine sahiptir. Kutuplar, geçiş bandı frekanslarını belirler ve sıfırlar, yüksek tayfsal saflığa ve mükemmel düşüşe yol açan keskin bant dışı bastırma miktarını belirler. SLR'ler, istenen bant genişliği üzerinde daha yüksek dereceli süzgeçleme özelliklerini ve iyileştirilmiş empedans dönüşümünü sağlayarak çift modlu işlemler için yaygın olarak kullanılır. Ancak, rezonatör yapılarının ve bağlaşım katsayılarının optimizasyonu yoluyla frekans tepkisinin hassas bir şekilde kontrol edilmesi gerekir ve bu da bir tasarım ve üretim sorunu haline gelebilir. Bununla birlikte, süzgeçleme antenleri, modern iletişim sistemlerinde toplu, verimli ve frekans seçici tasarımlar için bir atılımı temsil eder. Bu tasarım, kablosuz iletişim sistemlerinde iyi bağlantı, hızlı veri iletişimi ve görünge verimliliği gibi günümüz gereksinimlerini karşılamak için geliştirilmiştir. Tez çalışması kapsamında anten tasarımı ve benzetimine geçmeden önce, antenler ve anten tipleri kavramsal olarak incelenmiştir. Temel mikroşerit yama antenleri çalışılmıştır. Anten parametreleri ve anteni incelemek için kullanılan temel analiz yöntemleri araştırılmıştır. Benzer makaleler ve literatür dikkatlice taranmıştır. Temel mikroşerit yama antenleri üzerinde elektromagnetik benzetim araçları yardımıyla parametrik deneyler gerçekleştirilmiş ve böylece antenin geometrik yapısının benzetim sonuçlarına etkisi incelenmiştir. Bu tezin konusu olan 1.8 GHz (GSM) ve 3.6 GHz (5G) bantlarında çalışan anten tasarımına geçmeden önce, 5 GHz ve 10 GHz frekanslarında çalışan kare ve kare halka şeklindeki bir anten tasarımı ilk adım olarak çalışılmıştır. Bu tasarım benzetim programında uygulanmıştır. Böylece, açıklıkla bağlaşımlı besleme yönteminin ve besleme hattına eklenen rezonatörlerin etkisi tetkik edilmiştir. Bu antenden esinlenilerek, antenin geometrik yapısı daha sonra kare ve kare halkalardan; daire ve halka yapısına dönüştürülmüştür. Bu geçiş sırasında sadece geometrik yapı değiştirilmiş, ancak çalışma frekansları 5 GHz ve 10 GHz'de sabit tutulmuştur. Yani ikinci aşamadan sonra, 5 GHz ve 10 GHz'de çalışan kare anten yapısından, aynı frekanslarda çalışan daire ve halka anten yapısına geçiş yapılmıştır. Bu geçiş sırasında, antenin yansıma katsayıları ve kazanç değerleri gibi doğal olarak bozulan parametreleri yoğun, özverili ve yinelemeli çalışmalarla tekrar iyileştirilmiştir. Üçüncü aşamada, 5 GHz ve 10 GHz frekanslarında yayın yapan bu daire ve halka anten, gerekli geometrik düzenlemeler yapılarak, bu tezin konusu olan 1.8 GHz ve 3.6 GHz frekanslarında çalışan hale getirilmiştir. Bu anten, GSM tabanlı mobil iletişim sistemleri ve 5G kablosuz iletişim ağları için sırasıyla 1.8 GHz ve 3.6 GHz frekans bantlarında ışıma yapar. Toplamda üç katmandan oluşan antenin en alt katmanında bir besleme ağı bulunur. Bu yapının çalışma frekansları dışındaki frekansları bastırması, buraya yerleştirilen ve uygun tınlaşım frekanslarına göre boyutlandırılan saplama yüklemeli rezonatörler (SLR) vasıtasıyla sağlanır. Köpük tabakası antenin ortasında yer alır, üst ve alt katmanları birbirinden ayırır ve hem antenin mekanik kararlılığını hem de ışıma verimliliğini artırmaya yarar. Antenin alt katmanındaki besleme devresinden üst katmandaki ışıma elemanlarına güç aktarımı, her iki frekans bandında dikey ve yatay kutuplanma sağlamak ve çapraz kutuplanmayı en aza indirmek için birbirine dik olarak yerleştirilen yarıklar vasıtasıyla açıklık-bağlaşımlı besleme yöntemi kullanılarak yapılır. Bu yöntem sayesinde antenin yalıtımı artırılırken, girişim azaltılır ve antenin performansı artırılır. Antenin simülasyon sonuçlarına göre, geri yansıma katsayısı (|S11|) 1.8 GHz için -15 dB ve 3.6 GHz için -29 dB olarak bulunmuştur. Dolayısıyla, antenin bu değerlerle her iki frekansta da başarılı bir empedans uyumu sağladığı gösterilmiştir. İletim katsayıları (|S21| ve |S12|) sırasıyla -11 dB ve -11 dB civarında olup, antenin kazanç ve yönelim değerlerinin her iki frekans bandında da oldukça iyi olduğu benzetim sonuçlarında ortaya konmaktadır.