GSM ve 5G uygulamaları için çift bantlı çift kutuplanmalı anten tasarımı

Abstract

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.

In this thesis, an innovative two-port dual band dual polarized shared-aperture and aperture-coupled filtering antenna design for wireless communication systems is studied, simulated, printed and measured. A dual band antenna is able to effectively function across two distinct frequency bands, supporting multiple communication standards in a single device with the dual band operation. For example, a dual band antenna can use the lower frequency band for long range and low rate communication and at the same time use the higher frequency band for high speed data transmission when there is much interference in the environment, or in areas with dense network usage. The antenna performance is further enhanced by supporting two orthogonal polarizations with the dual polarization functionality. This is important for modern communication systems as it increases channel capacity and improves signal robustness in multipath environment. This reduces signal degradation by fading and interference, thus ensuring more reliable communication with polarization diversity. For example, both vertical and horizontal polarizations can be used at once to transmit and receive different data streams. Thus, the capacity of the system enhances. This is particularly a great benefit in Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems, which are a cornerstone of advanced communication technologies like 5G. A shared-aperture antenna corresponds to a single physical aperture contains several antenna elements or functions, and is often used for multi-band and/or multi-polarized operation. In shared aperture antennas, radiating elements are often located together or nested to offer multi band and/or dual polarized operation from the same aperture. For instance, in a dual band configuration, a single large radiating element may placed at the top layer and radiates in low frequency band while smaller nested elements located at the bottom which cover the high frequency bands. This compact system has small volume and weight compared to individual elements that have separate apertures for the different frequency band or polarization. This technique is widely used in scenarios where space is limited, such as in satellite systems, phased arrays, and future 5G wireless communication networks. The aim of the shared-aperture concepts is to enhance the share of the aperture in the spatial domain with minimal interference and complete freedom to adjust the radiation characteristics of each element or functionality. On the other hand, some challenges of the shared aperture approach include the management of the mutual coupling isolation between different bands elements or proper polarizations, and other issues such as grating lobes and surface wave interference. In order to mitigate these issues, FSS (Frequency Selective Surfaces), orthogonal feeding networks and other features like SLR (Stub-Loaded Resonators) that work as advanced filtering mechanisms are often integrated to improve the performance and spectral purity in such designs. The mitigation technique we used in the scope of this thesis is stub-loaded resonoators. For planar antennas such as microstrip antennas, it is a specific feeding mechanism in which the radiating element (usually a patch) is driven through a coupling aperture or slot etched into the ground plane, known as an aperture-coupled antenna. Excellent impedance matching, high polarization purity, and reduced spurious radiation can be attained. In aperture-coupled feeding method, the feedline; usually a microstrip or a stripline is positioned on a substrate layer under the ground plane. The coupling aperture; which is often in the form of a rectangular, circular or H shaped slot is etched into the ground plane to permit energy from the feedline to induce the radiating patch on the upper substrate layer. This indirect coupling mechanism has several advantages including that the ground plane physically separates the feed network from the radiating element, making it an excellent isolation, in that it effectively reduces the impact of feedline radiation and minimizes interference. It also provides significant design flexibility because the impedance bandwidth and radiation pattern can be tailored by modifying the shape, size and position of the coupling aperture. Aperture-coupled designs also support multi-layer configurations and allow for the seamless integration of components such as filters, power dividers or multiple radiating patches, which makes them very useful for advanced antenna systems. However, aperture coupled designs can be more complex to fabricate since they consist of multi-layered structure and require very precise alignment. This can also suffer from back radiation from the aperture slot. Cavity backed structures or absorptive material may be needed to improve its performance. Filtering antennas are antenna designs that eliminate the need for external filters by combining radiation and frequency selective capabilities into a single structure. By including poles and zeros in their transfer function, resonant structures such as stub-loaded resonators (SLR), defective ground structures (DGS), or complementary split-ring resonators (CSRR) based filtering antennas have built-in frequency selectivity. The poles determine the passband frequencies, and the zeros determine the amount of sharp out-of-band suppression, leading to high spectral purity and excellent roll off. Thus, SLRs are widely employed to implement dual mode operation to represent higher order filtering characteristics and improved impedance transformation over the desired bandwidth. These antennas simplify the system design because they reduce the size, weight and insertion losses. However, a precise control of the frequency response is required through optimization of resonator structures and coupling coefficients, which becomes a problem of design and fabrication. Nevertheless, filtering antennas represent a breakthrough for compact, efficient and frequency selective designs in modern communication systems. This design has been developed to meet the present day requirements of good connectivity, fast data rates and spectrum efficiency in wireless communication systems. These compact antennas provide multi-functional solutions as dual band dual polarization and are therefore applied in mobile communication systems, Wi-Fi networks, 5G base stations and satellite communication systems. Before moving on to antenna design and simulation within the scope of the thesis study, antennas and antenna types were studied conceptually. Basic microstrip patch antennas were examined. Antenna parameters and basic analysis methods used to examine the antenna were studied. Similar articles were examined carefully. Parametric experiments were performed on basic microstrip patch antennas with the help of electromagnetic simulation tools, and thus the effect of the geometric structure of the antenna on the simulation results was examined. Prior to moving forward with the antenna design operating at the 1.8 GHz (GSM) and 3.6 GHz (5G) bands, which is the subject of this thesis, a square and square-ring shaped antenna design operating at 5 GHz and 10 GHz frequencies was the first step. This design was implemented in the simulation program. Thus, the effect of the aperture-coupled feeding method and the resonators added to the feed line were investigated. Inspired by this antenna, the geometric structure of the antenna was later transformed from square and square rings; to a circle and ring structure. During this transition, only the geometric structure was changed, but the operating frequencies were kept constant at 5 GHz and 10 GHz. In other words, after the second stage, a transition was made from a square antenna structure operating at 5 GHz and 10 GHz to a circle and ring antenna structure operating at the same frequencies. During this transition, parameters such as reflection coefficients and gain values of the antenna, which were naturally deteriorated, were improved again with iterative and intense and dedicated work. In the third stage, this circle and ring antenna, which was made to operate at 5 GHz and 10 GHz frequencies, was made to operate at 1.8 GHz and 3.6 GHz frequencies, which are the subject of this thesis, by making the necessary geometric arrangements. This antenna operates at 1.8 GHz and 3.6 GHz frequency bands, respectively, for GSM-based mobile communication systems and 5G wireless communication networks. The antenna, which consists of three layers in total, has a feed network at the lowest layer. The suppression of frequencies other than the operating frequencies of this structure is provided by means of resonators positioned here and sized according to appropriate resonant frequencies. The foam layer is located in the middle of the antenna, separating the upper and lower layers from each other and serves to increase both the mechanical stability and radiation efficiency of the antenna. Power transfer from the feed circuit in the lower layer of the antenna to the radiation elements in the upper layer is made by using the aperture-coupled feeding method through slots placed perpendicular to each other to provide vertical and horizontal polarization in both frequency bands and to minimize cross-polarization. Thanks to this method, the isolation of the antenna is increased, while interference is reduced and the performance of the antenna is increased. According to the simulation results of the antenna, the return reflection coefficient (|S11|) was found to be -15 dB for 1.8 GHz and -29 dB for 3.6 GHz. Thus, it was shown that the antenna provides a successful impedance match at both frequencies with these values. The transmission coefficients (|S21| and |S12|) are around -11 dB and -11 dB, respectively, indicating that the antenna has good isolation. Regarding the radiation characteristics of the antenna, the radiation patterns have good symmetry and its gain and directivity values are also quite good in both frequency bands.