DİKDÖRTGEN MİKROŞERİT ANTENİN BİLGİSAYAR DESTEKLİ TASARIM VE PARAMETRİK ANALİZİ

COMPUTER AIDED DESIGN AND PARAMETRIC ANALYSIS OF RECTANGULAR MICROSTRIP PATCH ANTENNA

Funda Küçük1, Ali Ziya Özer1, Erdem Öğüt1,2, Deniz Bölükbaş1,3

1. Elektromanyetik Tasarım ve Analiz Ekibi Figes A.Ş.,

{funda.kucuk,ali.ozer}@figes.com.tr

2. Elektronik Mühendisliği Bölümü Sabancı Üniversitesi

erdem.ogut@sabancı.edu.tr

3. Elektrik- Elektronik Mühendisliği Bölümü Okan Üniversitesi

deniz.bolukbas@okan.edu.tr

ÖZETÇE Mikroşerit antenler, düşük maliyet, kolay kullanılabilir yapısı ve kolay üretim avantajlarıyla günümüzde oldukça yaygın kullanım alanına sahiptirler. Bu bildiride, dikdörtgen mikroşerit antenin tasarım kriterleri incelenmiş ve bilgisayar destekli analizleri gerçekleştirilmiştir. 900 MHz ve 1800 MHz frekanslarında çalışan iki anten tasarımı yapılmış ve dikdörtgen antenin geometrik özelliklerinin rezonans frekanslarına etkisi analiz edilmiştir. Bildiride koaksiyel kablo ile besleme ve mikroşerit hat besleme teknikleri kullanılarak giriş empedansının besleme tekniklerine göre değişimi incelenmiştir. Analizler ANSYS HFSS® yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiş ve sonuçlar sergilenmiştir.

ABSTRACT Nowadays, microstrip antennas, with the advantages of low cost, easy to use and easy production have quite wide application area. At this paper, the design criteria of a rectangular microstrip antenna is investigated and computer aided analyses are performed. Two antenna designs have been realised which the operating frequencies are 900 MHz and 1800 MHz respectively and the effects of geometrical properties to the resonance frequencies are analysed. At this work, the effects of coaxial cable feed and microstrip feed, to the input impedance is analysed. The analyses are performed with ANSYS HFSS® software and the results are presented.

1. GİRİŞ Mikroşerit antenler, kolay tasarlanabilir, kullanılabilir yapısı ve baskı devre teknolojisi ile üretilmesi gibi kolaylıklar nedeniyle günümüzde oldukça yaygın kullanım alanına sahiptirler. Kablosuz iletişim, internet, cep telefonu gibi elektromanyetik dalga yayılımına dayalı teknolojilerin gelişmesi ve bu teknolojilerin kullanıcı sayısının artması nedeniyle mikroşerit anten teknolojisi hızla gelişmektedir. Mikroşerit antenler hafif, küçük, ince ve kullanışlı olması, düşük üretim maliyeti, yüzeye ve baskı devreye kolayca monte edilebilmesi gibi avantajlara sahiptir. Bunun yanı sıra dar bantlı, düşük kazançlı, tek yarı düzlemde ışıması gibi dezavantajları bulunmaktadır [1]. Bu bildiride, dikdörtgen biçimli mikroşerit antenlerin tasarım kriterleri incelenmiş ve bilgisayar destekli analizleri

gerçekleştirilmiştir. Çalışmada 900 ve 1800 frekanslarında çalışan iki anten tasarımı yapılmış ve dikdörtgen antenin genişlik, uzunluk, kalınlık gibi geometrik özelliklerinin rezonans frekanslarına etkisi analiz edilmiştir. Anten tasarımlarında oldukça önemli bir parametre olan giriş empedansı antenin besleme tekniklerine göre değişmektedir. Bildiride koaksiyel kablo ile besleme ve mikroşerit hat besleme teknikleri kullanılarak giriş empedansının ve rezonans frekansının besleme tekniklerine göre değişimi incelenmiştir. Analizler ANSYS HFSS® yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiş ve sonuçlar sergilenmiştir. Bu bildiride 1. Bölüm giriş niteliğindedir. 2. Bölümde iki farklı frekans için mikroşerit anten tasarımının analitik formülasyonu verilmiş ve tasarım sonucu elde edilen antenin analiz sonuçları sergilenmiştir. Bu bölümde dikdörtgen mikroşerit antenin kenar uzunluklarına göre rezonans frekansının değişimi de incelenmiştir. 3. Bölümde besleme teknikleri ile besleme noktasına göre giriş empedansının değişimi analiz edilmiştir. 4. Bölüm ileride yapılması planlanan çalışmaları içermektedir.

2. 900 MHz ve 1800 MHz İÇİN MİKROŞERİT ANTEN TASARIMI

Mikroşerit antenler parçalı antenler, yürüyen dalga antenleri ve yarık antenler olmak üzere temel olarak üç grupta toplanabilir. Bu çalışmada kullanılan parçalı antenlerde düzlemsel ince bir iletken parça ile toprak düzlemi arasında dielektrik tabaka yerleştirilmek suretiyle tasarım yapılır. Anten genellikle ismini iletken parçanın şeklinden almaktadır.

2.1. Dikdörtgen Mikroşerit Anten (DMA) Tasarımı Analitik Formülasyon

Dikdörtgen mikroşerit antenin genel yapısı ve parametreleri Şekil-1'de görülmektedir. Şekilde görüldüğü gibi iletken bir parça ile toprak düzlemi arasında kalınlığı (ℎ) olan dielektrik tabaka bulunmaktadır. Dielektrik tabakanın boyutları genellikle iletken boyutlarına göre büyük seçilmektedir. Dikdörtgen mikroşerit anten tasarımında üç önemli parametreyi esas alarak antenin kenar uzunluğu ( ) ve genişliği ( ) belirlenebilir [2].

1587

2014 IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU 2014)

Şekil 1: DMA fiziksel yapısı

Tasarımda dikkate alınacak olan parametreler şunlardır. (1) Rezonans frekansı ( ): Antenin ışıma yapması beklenen frekansın kullanıcı tarafından ihtiyaca göre belirlenmesi gerekmektedir. Analizlerde = 900 ve =1800 olmak üzere iki farklı rezonans frekansı için tasarım yapılmıştır. (2) Dielektrik tabakanın dielektrik sabiti ( ): Bu uygulamada Rogers RT/Duroid 5880 malzemesi dielektrik katman olarak kullanılmıştır ve bağıl dielektrik sabiti = 2.2'dir. (3) Dielektrik tabakanın kalınlığı (ℎ): Analizlerde dielektrik tabaka kalınlığı ℎ = 62 = 1,57 olarak seçilmiştir. Bu parametreler belirlendikten sonra DMA'nın genişliği , Denklem (1) ile hesaplanır.

W = 12fr 0ℇ0 2ℇr +1 = c2fr 2(ℇr +1) (1)

Burada boşluğun dielektrik permitivitesi ε0 = 8,85 ×10−12 F/m ve boşluğun manyetik permeabilitesi μ0 = 4π ×10−7H/m 'dir. Elektromanyetik dalganın boşlukta yayılma hızı c = 3 × 108 m/s’dir. DMA'nın uzunluğu ( ) ise Denklem (2) ile hesaplanabilir.

L = c2fr ℇreff − 2ΔL (2)

Efektif dielektrik sabiti olarak adlandırılan ℇ , Denklem (3) ile;

ℇreff = ℇr +12 + ℇr−12 [ 1 + 12 hW]−12 (3)

ve uzunluk artımı olarak adlandırılan , Denklem (4) yardımıyla hesaplanabilir.

= 0.412 ℎ ℇ +0.3ℇ −0.258 ( ℎ )+0.264( ℎ )+0.813 (4)

Yukarıda açıklanan formülasyona uygun olarak ve parametreleri istenilen frekanslar için hesaplanmıştır. Bu parametreler ANSYS HFSS® yazılımının Antenna Design Kit (ADK) aracı kullanılarak modellenmiştir. Bu modelde DMA, mikroşerit besleme ile uyarılmıştır. Dielektrik tabaka boyutları, kenar mikroşerit besleme hattının uzunluk ve genişliği ile besleme hattının uzunluk ve genişlik değerleri ADK tarafından belirlenmiştir.

2.2. 900 MHz frekansında çalışan Dikdörtgen Mikroşerit Anten

900 MHz frekansında ışıma yapması istenen antenin parametreleri Tablo-1'de görüldüğü gibi seçilmiştir.

Tablo-1: 900 MHz frekansında ışıma yapan DMA ölçüleri Çözüm Frekansı fr 900 DMA Genişlik 13.18 DMA Uzunluk 11.17 Dielektrik tabaka genişliği 20.70 Dielektrik tabaka uzunluğu 46.17 Kenar besleme hattı genişliği 0.19 Kenar besleme hattı uzunluğu 6,25 Besleme hattı genişliği 0.49 Besleme hattı uzunluğu 10.15

Bu parametrelerle tasarlanan DMA antenin 11 parametresi Şekil-2'de görülmektedir. Işıma frekansı fr = 884 MHz olarak gerçekleşmiştir.

Şekil-2: 900 MHz frekansı için tasarlanan DMA 11 parametresi Antenin iki boyutlu (2B) ve üç boyutlu (3B) ışıma paterni ise Şekil-3'de görülmektedir.

Şekil-3: 900 MHz frekansı için tasarlanan DMA 2B ve 3B ışıma paterni

2.3. 1800 MHz frekansında çalışan Dikdörtgen Mikroşerit Anten

1800 MHz frekansında ışıma yapması istenen antenin parametreleri Tablo-2'de görüldüğü gibi seçilmiştir. Tablo-2: 1800 MHz frekansında ışıma yapan DMA ölçüleri

Çözüm Frekansı fr 1800 DMA Genişlik 6.59 DMA Uzunluk 5.55 Dielektrik tabaka genişliği 10.80 Dielektrik tabaka uzunluğu 23.04 Kenar besleme hattı genişliği 0,19 Kenar besleme hattı uzunluğu 3,12 Besleme hattı genişliği 0.49 Besleme hattı uzunluğu 5.08

Bu parametrelerle tasarlanan DMA antenin 11 parametresi Şekil-2'de görülmektedir. Işıma frekansı fr = 1760 MHz olarak gerçekleşmiştir.

1588

2014 IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU 2014)

Şekil-3: 1800 MHz frekansı için tasarlanan DMA 11 parametresi Antenin iki boyutlu (2B) ve üç boyutlu (3B) ışıma paterni ise Şekil-4'de görülmektedir.

Şekil-4: 1800 MHz frekansı için 2B ve 3B ışıma paterni

2.4. Işıma Frekansının DMA Geometrisine Bağlı Parametrik Analizi

Mikroşerit antenler dielektrikle dolu kavite oldukları için yüksek mertebeden rezonans da gerçekleşebilir. Dielektrik tabakanın (iletken parça ile toprak arasında bulunan kısım) normalize alanları bu bölgenin elektrik iletkenlerle sınırlanmış bir kavite olduğu kabulüyle hesaplanabilir. Kavitenin yan duvarları ise açık devreyi temsilen manyetik iletken olarak kabul edilebilir. Bu metotla analizlerin gerçeklenmesi kabul gören bir yaklaşımdır. Kavite içindeki alanlar vektör potansiyel yaklaşımı ile hesaplanabilir. Gerekli işlemler yapıldığında kavite için rezonans frekansları Denklem (5) ile hesaplanabilir [2].

( ) = 2 √ ℎ 2 + 2 + 2 (5) = = ≠ 0; = 0,1,2. . . ; = 0,1,2, . . ; = 0,1,2, ..

Bu şekilde hesaplanan frekanslardan yalnızca bazı modlar yayılabilecektir. Yukarıda açıklanan prosedüre uygun olarak tasarlanan antenin diğer rezonans frekansları incelendiğinde Denklem (5) ile ifade edilen modlara uygun yayılım frekansları oluştuğu görülür.

Örneğin parametreleri Tablo-2'de ve ışıma frekansı Şekil-3'de verilen antenin = 5.55 olarak verilen uzunluğu sabit kalmak üzere genişliği = 6.00 ile = 8.00 arasında farklı genişlikler vererek analizler gerçekleştirilmiştir. Analizlerde ikinci rezonans frekanslarının da Tablo-3'de hesaplanan değerlerle karşılaştırılmıştır. Denklem (5)'de dielektrik tabakanın ince olması nedeniyle = 0 seçilmiştir. = 0, 1, 2 ve = 0, 1, 2 değerleri kullanılarak 'nin farklı değerleri için ışıma modları Tablo-3'de gösterilmektedir. Tabloda tüm modlar değil yalnızca ışıyan modlar yer almaktadır ve yalnızca 3 frekansına kadar analiz sonuçları değerlendirilmiştir.

Değişen değerlerine göre HFSS ile hesaplanan rezonans frekansları Şekil-5'de yer almaktadır. Analizler sonucu elde edilen ışıma frekanslarının modlarla uyumlu olduğu görülmektedir. Tablo-3: Kavite modeline göre değişken için modlar ( ) = 1; = 0 ( )10

= 2; = 0 ( )20 6.00 1.8387 3.3710 6.50 1.8387 3.1117 7.00 1.8387 2.8894 7.50 1.8387 2.6968 8.00 1.8387 2.5282

Şekil-5: Değişen değerlerine göre DMA ışıma frekansları

Benzer analiz L uzunluk değeri değiştirilerek tekrar edilmiştir. Parametreleri Tablo-2'de ve ışıma frekansı Şekil-3'de verilen antenin = 6.59 olarak verilen genişliği sabit kalmak üzere uzunluğu = 5.1 ile = 6 arasında farklı uzunluklar verilerek analizler gerçekleştirilmiştir. = 0 , = 0, 1, 2 ve = 0, 1, 2 değerleri kullanılarak 'nin farklı değerleri için ışıma modları Tablo-4'de gösterilmektedir. Tabloda tüm modlar değil yalnızca ışıyan modlar yer almaktadır ve yalnızca 3 frekansına kadar analiz sonuçları değerlendirilmiştir.

Tablo-4: Kavite modeline göre değişken için modlar ( ) = 0; = 2 ( )02 = 1; = 0 ( )10 5.1 3.0692 1.9829 5.3 3.0692 1.9081 5.5 3.0692 1.8387 5.8 3.0692 1.7436 6.0 3.0692 1.6855

Değişen L değerlerine göre HFSS ile hesaplanan rezonans frekansları Şekil-6'da yer almaktadır. Analizler sonucu elde edilen ışıma frekanslarının modlarla uyumlu olduğu görülmektedir.

Şekil-6: Değişen değerlerine göre DMA ışıma frekansları

3. DMA GİRİŞ EMPEDANSI ANALİZİ Mikroşerit antenlerin giriş empedansı önemli bir parametredir. Giriş empedansı çeşitli besleme teknikleri kullanılarak uyumlulaştırılabilir. Besleme teknikleri temaslı ve temassız olarak ikiye ayrılabilir. Bu çalışmada, temaslı besleme tekniği

1589

2014 IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU 2014)

olan mikroşerit besleme ve koaksiyel besleme tekniği uygulanmıştır [4]. Her iki besleme tekniği de Şekil-7'de gösterilmiştir.

(a) Mikroşerit hattı besleme

(b) Koaksiyel besleme

Şekil-7: Mikroşerit anten besleme teknikleri 900 MHz için tasarlanan antende mikroşerit besleme hattının genişliği ve uzunluğuna göre giriş empedansının değişimi incelenmiştir. Şekil 8’de görüldüğü gibi, besleme hattı uzunluğu arttıkça giriş empedansı azalmaktadır. Besleme hattı uzunluğu 15.28 olduğunda, giriş empedansı 50 Ω olarak bulunmuştur.

Şekil-8: Giriş empedansının besleme hattı uzunluğuna göre değişimi. Şekil 9’da, giriş empdansının besleme hattı kalınlığına göre değişimi yer almaktadır. Yukarıdaki analize benzer şekilde besleme kalınlığı arttıkça giriş empedansı azalmaktadır. Seçilen hat kalınlığı değerleri 0,4 − 0.5 aralığında olup giriş empedansı 25Ω− 35 Ω arasındadır.

Şekil-9: Giriş empedansının besleme hattı kalınlığına göre değişimi. Koaksiyel besleme tekniği kullanıldığında, giriş empedansının koaksiyel kablonun pozisyonuna göre değişimi ve tüm durumlar için rezonans frekansı ve 11 parametresi HFSS yazılımıyla hesaplanmış ve sonuçlar Tablo-4'de sergilenmiştir. Tablodan görüldüğü gibi koaksiyel beslemenin konumu rezonans frekansını etkilememekte ancak giriş empedansı ve 11 parametresinde değişikliğe yol açmaktadır. Tablo-4: Koaksiyel besleme noktasının yerine göre antenin rezonans frekansı ve 11 parametresi değişimi

( , ) Rezonans Frekansı ( ) 11 ( )

(0, 10) 0.8360 -5.37

( , ) Rezonans Frekansı ( ) 11 ( )

(0, 12) 0.8340 -7.82

(0, 14) 0.8320 -12.40

(0, 16) 0.8370 -17.38

(0, 18) 0.8310 -22.27

(0, 20) 0.8870 -23.92

(0, 22) 0.8870 -17.00

(0, 24) 0.8870 -13.40

(0, 26) 0.8870 -11.15

(0, 28) 0.8880 -9.46

(0, 30) 0.8880 -8.38

Tabloda verilen besleme noktalarına göre giriş empedansı değerinin değişimi Şekil-9'da verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi (0,20) noktasından besleme yapıldığında giriş empedansı 50 Ω olacaktır.

Şekil-9: Koaksiyel besleme noktasına göre giriş empedansının değişimi

4. SONUÇ Bu bildiride, 900 ve 1800 frekanslarında çalışan iki anten tasarımı yapılmış ve dikdörtgen antenin geometrik özelliklerinin rezonans frekanslarına etkisi analiz edilmiştir.. Mikroşerit anten besleme tekniklerinden mikroşerit hattı besleme ve koaksiyel beslemenin anten tasarım parametrelerine etkisi incelenmiştir. İleride yapılacak çalışmalarda farklı besleme teknikleri üzerinde çalışılması planlanmaktadır.

5. KAYNAKÇA [1] Pattnaik, S.S.; Lazzi, G.; Gandhi, O. P., "On the use of

wide-band, high-gain, microstrip antennas for mobile telephones," Antennas and Propagation Magazine, IEEE , vol.40, no.1, pp.88,90, Feb 1998

[2] C.A. Balanis, Antenna Theory, Second Edition, 1997, John Wiley Sons.

[3] ANSYS HFSS User Manual [4] Pozar, D., "An update on microstrip antenna theory and

design including some novel feeding techniques," Antennas and Propagation Society Newsletter, IEEE , vol.28, no.5, pp.4,9, October 1986

1590

2014 IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU 2014)