137 - ursi.org.tr
Transkript
137 - ursi.org.tr
3 Rezonanslı Dizi Anten Emrah Barış Haliç Üniversitesi Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü Kağıthane,İstanbul baris.emrah @gmail.com Taha İMECİ İstanbul Ticaret Üniversitesi Elektrik - Elektronik Mühendisliği Bölümü Küçükyalı, İstanbul timeci@ticaret.edu.tr Özet: Bu çalışma, 2-4 GHz arası frekans değerlerinde çalışan yüksek kazançlı ve yönlü mikroşerit yama antenin tasarımını sunmaktadır. Tasarımımız alttan beslemeli dört yamalı ortası delikli bir mikroşerit yama anten tasarımıdır. Tasarım Sonnet Suites programı ile simüle edilmiştir [1]. Çıkan benzetim sonuçları neticesinde 3.08 GHz frekansında geri dönüş kaybımız -10.18 dB, kazancımız ise 6.63 dB olarak gözlenmiştir. Abstract: In this design, high-gain, directional microstrip patch antenna operating at frequencies between 2-4 GHz is presented . Our design has a bottom-fed microstrip patch antenna each has four central holes. Sonnet Suites is used as a simulation program [1]. As a result, the return loss of -10.18 dB at 3.08 GHz resonance frequency has been observed. The gain was observed as 6.63 dB. 1.Giriş Tasarımımıza referans olan kaynakta dört yamalı 2-4 GHz arasında çalışan dizi anten uygulaması incelenmiştir. Tasarımımızda ana referansımızdan farklı olarak besleme hattındaki süreksizlikler giderilmiş hattın tammaı aynı empedansa sahip olmuştur, besleme noktası yamaların birbirleri ile bağlantısının gerçekleştirildiği orta noktadan yapılmıştır. Ayrıca dört adet yamamızın orta kısımlarından 24 x 11 mm boyutlarında delikler açılmıştır[2]. Ayrıca tasarımımızda yardımcı olabilecek mikroşerit yama anten ile ilgili makaleler ve uygulamalar incelenmiştir [3,4]. Mikroşerit antenler ile kablosuz güç aktarımı konulu bir makale ve uygulaması incelenerek tasarımımızda nasıl daha fazla kazanç elde edebiliriz sorusunun cevabı aranmıştır.[3] 2. Tasarım Adımları Antenimizin boyutları 146.0 x 164.0 mm olacak şekilde çizimi gerçekleştirilmiştir. Yamalar 55 x 48 mm olarak çizilmiş yamaları birbirine bağlayan hat 100 mm olarak çizilmiştir. Üst ve alt yamaları birbirine bağlayan hat 88 mm alınarak çizilmiştir. Her bir yamamızın orta kısmından 24 x 11 mm ölçülerinde delikler açılmıştır. Şekil 1’de antenimizin üstten görünüşü gözükmektedir. Tasarımımızda ilk olarak yamaların orta kısımlarından delik açılmadan analiz yapılmış, geri dönüş kaybı S11 sonuçlarında -26.37 dB lik bir değer gözlenmiş ise de herhangi bir kazanç elde edilememiştir. Gözlemlenen sonuçlar üzerine tasarımda yamaların orta kısımlarından delik açılarak kazanç elde edilmiştir. Şekil 1. Antenin üstten görünüşü 3.Simülasyon Sonuçları Antenimizin tasarımında dielektrik malzeme olarak FR-4 kullanılmış kalınlığı 1.575 mm olarak alınmıştır. Gerçekleştirilen simülasyonlar sonucunda geri dönüş kaybı, S11, Şekil 2’deki gibi gözlenmiştir. Şekil 2. Geri Dönüş Kaybı, S11 Bu sonuçların incelenmesi sonucu geri dönüş kaybının -10dB'nin altında olduğu noktalarda anten rezonansının olabileceği düşünülmektedir. Ancak 2.63 GHz ve 3.76 GHz frekanslarında kazanç elde edilememiş, Geri dönüş değeri -10.19 dB olan 3.08 GHz frekansında, Şekil 3’de görüleceği üzere elektrik alan ϕ polarizasyonunda 6.63 dB ve yönlü bir kazanç elde edilmiş olup, çapraz polarizasyon olan elektrik alan ϴ polarizasyonunda ise -5 dB altı değerler görülmektedir. Şekil 3. Kutupsal gösterimde kazanç grafiği Daha sonra kullanılan dielektrik malzemenin, FR-4, kayıplı olmasından dolayı optimizasyon ve fabrikasyon tolerans analizi kapsamında kalınlıkları değiştirilerek Tablo 1’deki değerler bulunmuştur. Dielektrik kalınlığı (mm) 1.565 1.57 1.58 1.585 Tablo 1. Yalıtkan kalınlığı değişikliği Geri dönüş Rezonans kaybı Frekansı S[11](dB) (GHz) -10.22 3.08 -10.20 3.08 -9.94 3.08 -10.14 3.08 Kazanç (dB) 6.60 6.61 6.61 6.66 Tablo 2’de ise kullanılan dielektrik malzemenin katsayıları değiştirilerek yapılan simülasyonlar sonucu elde edilen sonuçlar vardır. Her iki tabloya göre de anten fabrikasyon için yeterli toleransa sahiptir. Tablo 2. Yalıtkan katsayısı optimizasyonu Dielektrik Geri Rezonans Kazanç Katsayısı dönük Frekansı (dB) kaybı (GHz) S[11](dB) 4.5 -10.05 3.05 6.61 4.6 -9.86 3.02 6.62 4.8 -7.80 3.42 7.44 5.0 -7.94 3.35 7.48 4.Sonuç Bu tasarımımızda 2-4 GHz frekans değerleri arasında çalışması arzulanan bir mikroşerit yama anten tasarımı gerçekleştirilmiştir. Geri dönüş kaybımızın, S11, -10.18 dB olduğu 3.08 GHz frekans değerinde 6.63 dB’lik bir kazanç elde edilmiştir. Yapılan parametrik çalışmayla antenin yalıtkan sabiti ve katsayısı optimize edilerek üretim aşamasında karşılaşılabilecek malzeme toleransı incelenmiştir. Kaynaklar [1]. Sonnet Software 14.53 http://www.sonnetsoftware.com/ 2013. [2]. Alper Yıldırım H. Bülent Yağcı Selçuk Paker , “2.4 GHz’de Yüksek KazançlıMikroşerit Yama Anten Tasarım ve Gerçekleştirimi” Eleco 2008, 26-30 Kasım 2008. [3]. Abdul Mueed, Dr M. Noman Jafri, S. Irteza Butt, “ Integrated Design of Rectenna Using Microstrip Patch for Wireless Power Transfer at 4.3 GHz” Proceedings of International Bhurban Conference on Applied Sciences &Technology Islamabad,Pakistan, January19 – 22,2009. [4]. Mohamed Elhefnawy and Widad Ismail, “A Microstrip Antenna Array for Indoor Wireless Dynamic Environments” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 57, no. 12, december 2009.