5G uygulamaları için dizi yama anten tasarımı ve optimizasyonu

Abstract

5G teknolojisi son kullanıcıya yeni ve daha iyi servisler sunabilmek amacıyla sürekli gelişmektedir. Yeni servislerin yüksek video çözünürlüğü, sanal gerçeklik uygulamaları gibi yüksek bant genişliği gerektirmesi haberleşme alanında da yüksek kapasite ihtiyacını beraberinde getirmektedir. Bu ihtiyaç kullanım alanlarına bağlı olarak değişiklik göstermekte, çoklu kullanımın desteklenmesi gereken uygulamalarda yüksek bant genişliği gerekirken, anlık aksiyonun önem taşıdığı uygulamalarda ise düşük gecikme sürelerini önemli hale getirmektedir. Bu nedenle 5. nesil kablosuz haberleşme teknolojisinde 4. nesil teknolojiye oranla hem data hacmi hem de data transfer hızında çok daha fazla kapasiteye ulaşılması amaçlanmaktadır. 5G teknolojisinde frekans aralığı olarak yüksek data transferini gerçekleştirebilmek amacıyla yüksek frekans bantları tercih edilmekte ve böylece kapasite artırımı sağlanmaktadır. Aynı zamanda alt frekans aralıklarının da 5G teknolojisi için kullanıma açık olmasıyla birlikte daha çok 24-66 GHz frekans spektrumu tercih edilmektedir. Diğer haberleşme teknolojilerinde olduğu gibi 5. nesil teknolojide de sistemin en önemli entegrasyon elemanı antenlerdir. Yeni teknolojiyle birlikte hem veri hızındaki hem de veri hacmindeki artışı karşılayabilmek amacıyla yaşanan zorlukların üstesinden gelebilmek için kullanılan antenlerin tasarımında ulaşılan verimlilik, antenin ışıma özellikleri, kazancı ve üretim maliyeti gibi parametreler önem taşımaktadır. Yeni nesil haberleşme sistemlerinde yüksek kazanç ve verimlilik, düşük enerji tüketimi, yüksek yönlülük kullanılacak antenler için tercih edilen özellikler olmaktadır. Ayrıca kullanılacak anten boyutu ve ağırlığı gibi parametreler de antenin kullanım alanına göre değişiklik göstermekte özellikle 5G uygulamalarının kullanılacağı mobil cihazlar dikkate alındığında bu özellikler de ön plana çıkmaktadır. Anten boyutlarının olabildiğince küçük olması ve ağırlığının az olması amacıyla anten üretiminde kullanılacak maddeler de buna uygun şekilde seçilmelidir. Milimetre dalga boyundaki yapılan çalışmalarda antenin ışıma yaptığı frekans arttıkça anten boyutu da küçülmektedir. Anten boyutunun küçülmesiyle birlikte hem anten üretiminde hem anten parametre ve ışıma ölçümlerinde kullanılan araçların hassasiyeti, yüksek frekanslardaki elektromanyetik dalganın çevresel etkilere maruz kalarak hızlı zayıflaması nedeniyle, günümüzde kullanılan cihazların hassaiyetine oranla daha yüksek olmalıdır. 5G teknolojisinde kullanılabilir anten tasarımları bu çalışmanın temelini oluşturmaktadır. Bu kapsamda yapılan literatür taramalarıyla optimum frekans aralıkları ve anten çeşitleri incelenerek sıkça kullanılan frekans aralığında ve anten tiplerinde anten tasarımları gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında diğer frekanslara oranla yol kaybını ve elektomanyetik dalga emiliminin az olması nedeniyle 28 GHz merkez frekansı antenin çalışma bandı olarak belirlenmiştir. Bu çalışma frekansında mikroşerit yama anten, mikroşerit dizi anten, çoklu giriş çoklu çıkış anten ve kafes dizi anten tasarımları Bilgisayar Simülasyon Teknolojisi (CST) ortamında gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan antenlerde, anten yapısına bağlı olarak optimum kazanç, verimlilik ve bant genişliğini elde edebilmek amacıyla optimizasyonlar gerçekleştirilmiştir. Öncelikle 12 x 9.8 mm boyutlarındabirim hücre mikroşerit yama anten tasarımı gerçekleştirilmiş ve bu anten kullanılarak yine aynı ışıma frekanslı 48 x 9.8 mm boyutlarında 4x1 MIMO anten formuna getirilmiştir. Mikroşerit yama anten için 6.16 dB yönelticilik ve 5.03 dBi anten kazancı elde edilirken MIMO anten formunda yönelticilik artarak 9.64 dB ve kazanç artarak 8.26 dBi değerine ulaşmıştır. Anten verimliliği ise -1.33 dB'den -1.384 dB'ye az miktarda düşüş göstermiştir. Her iki anten için de 2.2 GHz bant genişliği elde edilerek literaturdeki 1.8 GHz bant genişliğine göre iyileştirme sağlanmıştır. 16 mm x 16 mm boyutlarında farklı formda ikinci bir mikroşerit anten tasarımı gerçekleştirilerek işlemler tekrarlanmış ve bu anten tasarımı da aynı frekansta çalışan 65 mm x 16 mm boyutlarında 4x1 MIMO anten formuna getirilmiştir. Mikroşerit yama anten için 7.83 dB yönelticilik ve 7.35 dBi kazanç elde edilirken MIMO anten için 13.08 dB yönelticilik ve 13.01 dBi kazanç değeri elde edilmiştir. Dizi anten tasarımı içinse öncelikle 5 x 5.9 mm boyutlarında birim hücre mikroşerit yama anten tasarımı yapılmış ve sonrasında 2x1 ve 4x1 dizi anten formuna dönüştürülmüştür. Mikroşerit yama antenin yönelticilik ve kazanç değerleri sırasıyla 6.61 dB ve 2.26 dBi olarak elde edilmiştir. Tasarlanan 2x1 ve 4x1 antenin ise yönelticilik ve kazanç değerleri ise sırasıyla 7.35 dB, 3.62 dBi, 9.15 dB ve 5.67 dBi'dır. Dizi anten tasarımında eleman sayısını artırdıkça kazanç ve yönelticilik değerlerinin arttığı görülmüş. Anten boyut sınırlamaları nedeniyle bu artış belirli oranda sağlanmıştır. Son olarak 28 x 20.8 mm ve 36 x 35 mm boyutlarında sırasıyla 8 kafesli ve 16 kafesli kafes dizi anten tasarımı yapılmıştır. Her iki anten için de mobil cihazlara uyumluluk amacıyla anten boyutunun uygunluğu gözetilmiştir. Yönelticilik ve kazanç değerleri sırasıyla, 12.7 dB ve 12 dBi, 12.3 dB ve 12.1 dBi olarak ölçülmüştür. Kafes sayısının optimizasyonuyla anten bant genişliğinde verimliliğinde iyileşme sağlanmıştır. Bu çalışmada genel olarak 5G teknolojisinde kullanılacak antenin kazanç, verimlilik gibi parametrelerinin iyileştirilmesi amaçlanmıştır. İyileştirme amacıyla anten tipi, tasarımı ve boyutlarında değişiklikler gerçekleştirilmiştir.