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
[email protected]
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.