58
T.C. KARADENĠZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ MÜHENDĠSLĠK FAKÜLTESĠ ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ MĠKROġERĠT HATLARIN TASARIMI VE YÜKSEK FREKANSALARDA MĠKROġERĠT HATLARDAKĠ SÜREKSĠZLĠKLER BĠTĠRME ÇALIġMASI FATĠH ÇĠLESĠZ 137131 TEZ DANIġMANI Öğr.Gör. YASĠN OĞUZ

T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

  • Upload
    others

  • View
    17

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

TC

KARADENĠZ TEKNĠK UumlNĠVERSĠTESĠ

MUumlHENDĠSLĠK FAKUumlLTESĠ

ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MUumlHENDĠSLĠĞĠ BOumlLUumlMUuml

MĠKROġERĠT HATLARIN TASARIMI VE YUumlKSEK FREKANSALARDA

MĠKROġERĠT HATLARDAKĠ SUumlREKSĠZLĠKLER

BĠTĠRME CcedilALIġMASI

FATĠH CcedilĠLESĠZ

137131

TEZ DANIġMANI

OumlğrGoumlr YASĠN OĞUZ

TC

KARADENĠZ TEKNĠK UumlNĠVERSĠTESĠ

MUumlHENDĠSLĠK FAKUumlLTESĠ

ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MUumlHENDĠSLĠĞĠ BOumlLUumlMUuml

MĠKROġERĠT HATLARIN TASARIMI VE YUumlKSEK FREKANSALARDA

MĠKROġERĠT HATLARDAKĠ SUumlREKSĠZLĠKLER

BĠTĠRME CcedilALIġMASI

FATĠH CcedilĠLESĠZ

137131

TEZ DANIġMANI

OumlğrGoumlr YASĠN OĞUZ

ii

OumlNSOumlZ

Oumlncelikle eğitim ve oumlğretim hayatım boyunca bana maddi ve manevi desteklerini hiccedilbir

zaman eksik etmeyen sevgili aileme sonsuz Ģuumlkranlarımı sunuyorum Bu tezin

yuumlruumltuumllmesinde bilimsel desteğini aldığım ve tezin danıĢmanlığını yuumlruumlten Sayın OumlğrgoumlrDr

Yasin OĞUZ hocama teĢekkuumlr ederim Uumlniversite hayatım boyunca yaptığım kiĢisel

ccedilalıĢmalarda benimle beraber olan Aziz ANCINlsquo a ve bizden desteğini eksik etmeyen hocam

YrdDoccedilDr Haydar KAYArsquo ya bilimsel katkılarından dolayı teĢekkuumlr ederim

iii

ĠCcedilĠNDEKĠLER

OumlNSOumlZhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipII

ĠCcedilĠNDEKĠLER III

OumlZET V

SEMBOLLER VI

KISALTMALAR VII

1 GĠRĠġ 2

2 ĠLETĠM HATLARI 3

21 Ġletim Hattı EĢdeğeri Ve Ġletim Hattı Denklemleri 4

22 Duumlzlemsel Ġletim Hatları 9

221 Duumlzlemsel Ġletim Hatlarının Avantajları 10

222 Duumlzlemsel Ġletim Hatlarının Genel Yapısı 10

23 MikroĢerit Ġletim Hatları 12

231 Bir MikroĢerit Hatta Dalga Uzunluğu 12

232 MikroĢerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama 12

333 MikroĢerit Ġletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme 13

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı 18

235 MikroĢerit Hattın Yapı ndash Empedans ĠliĢkisi 20

3 MĠKROġERĠT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSĠZLĠK KAVRAMI 22

31 Ġletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavramı Ve Bağıntıları 22

311 Ġletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler 22

312 Suumlreksizlikler Ve Elektromanyetik Alan EtkileĢimi 24

313 Suumlreksizlikler Ġccedilin Devre Modelleri Ve EĢdeğer Devrenin Elde Edilmesi 25

32 MikroĢerit Hattın GerccedilekleĢtirilmesi AĢamaSında YaĢanan Problemler 26

iv

321 Via Ġccedilin Suumlreksizlik Analizi 26

322 Bend (buumlkuumlm viraj) Ġccedilin Suumlreksizlik Analizi 27

323 Step ( Basamak ) MikroĢerit Hatların Suumlreksizlik Analizi 29

324MikroĢerit Hatların T-junction ( T kavĢağı ) Suumlreksizlik analizi 31

325 MikroĢerit Hatlardaki Gap ( boĢluk ) Suumlreksizlik Analizi 34

33 Suumlreksizlikteki IĢıma Kayıpları 36

34 Suumlreksizliklerin MikroĢerit Hatta Etkisi ve Azaltılması 36

35 Suumlreksizlik Etkisinin Azaltılması Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 37

351 Viraj Suumlreksizliği Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 37

352 T- kavĢak Ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 37

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 38

36 Konnektoumlr Bağlantılısındaki Suumlreksizlikler 39

4MikroĢerit Hat ile TasarlanmıĢ 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması 42

41Uumlruumln oumlzellikleri 42

42 MikroĢerit Hattın Yapısı ve Devreyi OluĢturan Elemanların Sistem DavranıĢları 43

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı 43

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları 47

461 Omni Anten Ġle Accedilık Alan Test Sonuccedilları 47

46 2 Double quad Anten Ġle Accedilık Alan Test Sonuccedilları 48

5 SONUCcedilLAR 50

6 KAYNAKLAR 51

v

OumlZET

Bu ccedilalıĢmada mikroĢerit iletim hat suumlreksizliklerinin eĢdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroĢerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıĢtır

Ġlk olarak mikroĢerit iletim hatlarının temel yapısı yapı malzemesi ve oluĢum mantığı

incelenmiĢtir ve daha sonra en ccedilok karĢılaĢılan beĢ suumlreksizlik tuumlruuml uumlzerinde durulmuĢtur

Ġncelenen mikroĢerit iletim hat suumlreksizlikleri accedilık devre boĢluk basamak T-jonksiyonu ve

buumlkuumlm suumlreksizlikleridir CcedilalıĢmada suumlreksizlikler eĢdeğer devre elemanları ile

modellenmiĢ analitik formuumlller ile elde edilmiĢ eĢdeğer devre parametre değerleri ile bu

suumlreksizliklerin azaltılması youmlnuumlnde teorik ccedilalıĢmalara yer verilmiĢtir

CcedilalıĢmadaki amaccedil yuumlksek frekanslarda karĢılaĢılan suumlreksizlik etkilerini azaltmak bu

suumlreksizlikler iccedilin devre modelleri uumlretmektir CcedilalıĢma esnasında ampirik formuumlllerden ccedilokccedila

yararlanılmıĢtır

CcedilalıĢma sonunda deneysel olarak bilgisayar ortamında mikroĢeritbalun tasarlanıp FDTD

analizi ve Oumllccediluumlmleri yapılmıĢtır

vi

SEMBOLLER

119862119886 MikroĢerit kapasitansı

119862119887119890119899119889 Buumlkuumlm suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119891 Accedilık devre suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119892 BoĢluk suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119901 BoĢluk suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862 119878 Basamak suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119879 T-Jonksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

120576119890119891119891 Efektif dielektrik sabiti

120576119903 Taban maddesi boyunca dielektrik sabiti

H Taban madde kalınlığı

119867119890 Efektif taban madde kalınlığı

119897119890119900 Ġlave hat parccedila uzunluğu

119871119878 Basamak suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

1198711 T-Jonksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

1198712 T-Jnksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

119871119887119890119899119889 Buumlkuumlm suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

T ġerit kalınlığı

W MikroĢerit hatta Ģerit geniĢliği

ZcHattın karakteristik empedansı

vii

KISALTMA LĠSTESĠ

CAD Bilgisayar Destekli Modelleme

EM Elektromagnetik

GHz Gigahertz

MIC Mikrodalga TuumlmleĢik Devre

TEM Enine Elektrik ve manyetik alan

2

1 GİRİŞ

Koaksiyel hatlar veya diğer iletim hatlarının tuumlmuumlnde suumlreksizlik goumlzlenmektedir Duumlz ve

kesintisiz uzunluktaki bir mikroşerit hat iccedilin gerccedilek anlamda suumlrekli olduğu ve suumlreksizlik

etkilerinin goumlruumllmeyeceği soumlylenebilir Ancak laboratuar ortamında alınan bu duumlz iletim hat

parccedilaları muumlhendislik ccedilalışmaları iccedilin ccedilok uygun değildir Birccedilok kez bağlantı elemanlarına

ve jonksiyonlara (buumlkuumlm noktaları) ihtiyaccedil duyulmaktadır İletim hatlarındaki bir buumlkuumlm

genişlikteki değişim veya accedilık devre ile sonlandırma suumlreksizliğe neden olmaktadır

Yuumlksek frekanslarda suumlreksizlikler ccedilok kuumlccediluumlk kapasite ve enduumlktansların ortaya ccedilıkmasına

neden olmaktadır [2] (lt01pF ve lt01 nH) Bu kapasite ve enduumlktansların reaktansları yuumlksek

mikrodalga frekanslarında (10-20 Ghz) oumlnem kazanmaktadır Kuvvetlendirici performansları

suumlreksizlik etkisi ile değişmektedir (Bahl) Birkaccedil GHz in altındaki kuumlccediluumlk frekanslarda

suumlreksizlik etkisi ihmal edilebilmektedir Fakat 10 GHz ve uumlzerindeki frekanslarda

suumlreksizlik buumlyuumlk oumlnem kazanmaktadır Devre gereksinimlerinden dolayı ortaya ccedilıkan

başlıca suumlreksizlik tuumlrleri accedilık devre boşluk toprağa doğru kısa devre buumlkuumlm basamak T-

jonksiyonu ccedilapraz jonksiyonlar ve enine boşluklar olarak sayılabilir [2]

Filtreler karıştırıcılar ve osilatoumlr devrelerinde de birccedilok tuumlr suumlreksizliğe raslanmaktadır

Suumlreksizlik etkisine karşılık gelen kapasite ve enduumlktans elemanlarının tespit edilmesi devre

dizaynındaki ccedilalışma konularından bir tanesidir Kapasite elemanının tespit edilmesinde

kullanılan tekniklerden bazıları matris doumlnuumlşuumlm metodu varyasyon metodu spektral

domendeGalerkin metodu ve yuumlk değişimi ile hat kaynaklarının kullanımıdır

Genel olarak literatuumlrde duumlzlemsel iletim hatlarının suumlreksizlerinde iki yaklaşım

kullanılmaktadır (i) Elektromagnetik (EM) alan analiz temelli yaklaşım (ii) Eşdeğer devre

(ED) [2] temelli yaklaşım (ii)‟ deki devre parametreleri ya EM analiz sonuccedillarından ya da

deneysel sonuccedillar kullanılarak tayin edilmektedir Gerccedilekte de bir kısım araştırmacılar her bir

iletim hat tipi iccedilin analitik ccediloumlzuumlmlere dayandırılan ve ccedileşitli nuumlmerik sabitlerinin ampirik

ayarlanması ile arzu edilen doğruluğu veren formuumlller geliştirmişlerdir (Edwards) [2]

3

2 İLETİM HATLARI

Mikrodalga enerjisinin bir yerden başka bir yere iletimi tipik bir muumlhendislik problemidir

Bu iletimi gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletim hattı kaynak ile yuumlk arasında doğrudan

bağlantı sağlayan bir devre elemanıdır Boyutları ve elektriksel oumlzellikleri yayılma

(propagasyon) youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde değişmeyen iletim hatları uumlniform hat olarak

adlandırılır Eğer iletim hatlarının uccedilları kendi karakteristik empedansı ile sonlandırılırsa

maksimum enerji transferi sağlanır ve boumlyle bir iletim hattı uyumlu hat olarak adlandırılır

Alccedilak frekans devrelerindeki buumltuumln empedans elemanları toplu devre elemanlarıdır Ancak

yuumlksek frekanslarda kullanılan iletim yapıları iccedilin aynı tanım kullanılamaz Mikrodalga

frekanslarında kuumlccediluumlk iletken parccedilaları induumlktans ve iletken parccedilaları arasındaki ortam

kapasitans oumlzelliği goumlsterir [3] Bu elemanlar iletkenler boyunca dağılmış durumdadırlar ve

iletkenlerin her noktasında etkindirler Mikrodalgaların dalga boyları iletim hattının fiziksel

boyuna oranla daha kısa olduğundan dağılmış parametreler toplu parametre eşdeğeri ile

doğru olarak goumlsterilemezler Bu yuumlzden mikrodalga iletim hatları sadece dağılmış devre

teorisi yardımıyla voltaj akım ve empedans cinsinden analiz edilebilir İletim hatları ccedileşitli

şekillerde gerccedilekleştirilebilir

Guumlnuumlmuumlzdeki en genel oumlrnekleri şekil21‟de goumlsterilen paralel telli hat koaksiyel kablo

veya mikroşerit‟dir Kolaylık accedilısından devre bağlantılarını goumlstermek iccedilin pek ccedilok devre

diyagramında paralel telli iletim hattı kullanılır (Şekil22) Ancak iletim hatlarının buumltuumln

tiplerine aynı teori uygulanır[4]

Şekil (21) Genel iletim hattı yapısı

4

Şekil (22)Temel iletim hattı modelleri

21İletim Hattı Eşdeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri

Alccedilak frekans devreleri ile ccedilalışırken ccedileşitli devre elemanlarını bağlamak iccedilin kullanılan

buumltuumln hatlar uumlzerinde gerilim duumlşuumlmuuml ve hat ile birleşik empedansı olmayan (toplu

empedans devreleri) muumlkemmel iletkenden yapılmış teller olarak duumlşuumlnuumllebilir [3] Tellerin

uzunluğu işaretin dalga boyundan ccedilok daha kuumlccediluumlk olduğu suumlrece bu durum geccedilerlidir Bu

durumda her hangi bir anda aynı tel uumlzerindeki her noktada akım ve gerilim aynıdır

şekil(211)

Şekil (211) Alccedilak frekanslarda iletim hattı uumlzerindeki gerilim değerleri

5

119881119871 = 119881119866

119885119871

119885119871 + 119885119866

Şimdi bazı oumlrnekleri ele alalım Bilindiği gibi evlere sağlanan elektrik uumllkeye bağlı olarak

50 veya 60 Hz frekanslı yuumlksek guumlccedilluuml sinuumlzoidal işaretlerden oluşur Teller arasındaki

izolatoumlruumln hava (εasymp1205760) olduğu kabul edilirse 50 Hz iccedilin dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50= 6000119896119898bulunur

Bu uzunluk yaklaşık olarak Niğde-İstanbul arasındaki mesafenin 6 katı kadardır Şimdi

bunu mikrodalga boumllgesindeki bir frekans ile oumlrneğin 50 GHz ile karşılaştıracak olursak

dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50109 = 6119898119898bulunur İki uzunluk karşılaştırıldığında daha anlamlı olacaktır

şekil(212) dağılmış empedans devreleri

Yeteri kadar yuumlksek frekanslarda dalga boyunun uzunluğu ile iletim hattının

iletkenlerinin uzunluğu aynı mertebelerdedir Akım ve gerilim iletim hattının her noktasında

aynı değere sahip olamayacağından (şekil 212) hat boyunca akım ve gerilim bir dalga

olarak yayılırlar Bundan dolayı iletkenlerin empedans oumlzellikleri ihmal edilemez

6

Bilindiği gibi bir kaynağın eşdeğer devresi ideal bir AC gerilim kaynağının gerccedilek iccedil

empedansıyla seri bağlanmasından ibarettir (şekil213) Kaynak accedilık devre iken

Şekil (213)

( infin rarr L Z )

119868119894119899 = 0119881119894119899 = 119881119866 (21a)

119868119894119899 =119881119866

119885119866olur (21b)

119885119871yuumlkuuml kısa devre edilirse ( 119885119871 = 0 )

119868119894119899 =119881119866

119885119866ve119881119894119899 = 0 (21c)

Bir uniform iletim hattıyla yuumlke bağlanan bir gerilim kaynağından oluşan sistem

ccedilalışabileceğimiz en basit problemdir Bu durumda aradaki iletim hattı nedeniyle kaynaktan

goumlruumlnen empedans (ccedilok oumlzel durumlar dışında) yuumlk empedansı ile aynı değildir Sadece

119871 = 119899120582

2 (n= tam sayı iken) 119885119894119899 = 119885119871 olur

7

Şekil (214) Bir iletim hattının giriş empedansı

Şekil(215) iletim hattının giriş empedansı

Amaccedil 119885119871 yuumlk empedansı ile sonlandırılmış bir iletim hattının kaynaktan goumlruumlnen

eşdeğer empedansını bulmaktır Bunun iccedilin devre teorisi youmlntemleri kullanılabilir Bir

uniform iletim hattı boyutları ve elektriksel oumlzellikleri iletim youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde

değişmeyen başka bir deyişle sonsuz kuumlccediluumlk uzunluktaki oumlzdeş birim uzunluktaki huumlcrelerin

kaskat bağlanmış hali olarak tanımlanabilen bir dağılmış devredir Bir iletim hattını

gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletkenler belirli bir seri dirence ve induumlktansa sahiptir

8

İlave olarak iletkenler arasında bir paralel kapasitans ve hatta iletkenler arasındaki dielektrik

ortam muumlkemmel değilse bir paralel konduumlktans mevcuttur Boumlylece bir iletim hattını

dağılmış devre elemanları eşdeğeri ile ( şekil216)‟deki gibi goumlstermek muumlmkuumlnduumlr (genel

kayıplı hat modeli) Burada R L C ve G empedans parametreleri

Şekil216 Kayıplı iletim hattının dağılmış parametreli eşdeğeri

R İletim hattının birim uzunluğundaki direnccedil (Ωm)

L İletim hattının birim uzunluğundaki induumlktansı (Hm)

C İletim hattının birim uzunluğundaki kapasitansı (Fm)

G İletim hattının birim uzunluğundaki konduumlktansı (Sm)

olarak belirtmektedir

Her bir birim uzunluktaki huumlcrenin sonsuz kuumlccediluumlk uzunluğu dz olmak uumlzere dağılmış

devrenin her bir huumlcresi değeri Rdz Ldz Cdz ve Gdz olan empedans elemanlarına sahip

olacaktır (şekil 216) Eğer akım ve gerilim vasıtasıyla dağılmış devrenin bir elemanter

huumlcresinin diferansiyel davranışını belirleyebilirsek iletim hattının tamamını tanımlayan

genel bir diferansiyel denklem bulabiliriz Uzunluğu boyunca hat uniform olduğundan bunu

yapmak muumlmkuumlnduumlr Boumlylece yapmamız gereken buumltuumln iş dağılmış devrenin bir tek birim

uzunluktaki elemanterhuumlcresinde gerilim ve akımın nasıl değiştiğini bilmektir

9

22 Duumlzlemsel İletim Hatları

Duumlzlemsel iletim hattı iletken metal şeridin buumltuumlnuumlyle paralel duumlzlem iccedilinde kaldığı iletim

hattıdır En ccedilok kullanılan yapısı bir veya daha fazla paralel metal şeridin iletken yer

duumlzlemine bağlı taban maddesi uumlzerine yerleştirilmesi ile elde edilir Duumlzlemsel iletim

hatlarının en ccedilok kullanılan tuumlruuml Şekil 221 (a)‟da goumlsterilen mikroşerit hattır Mikroşerit hat

yer duumlzlemine bağlı H kalınlığındaki taban maddesi uumlzerine W genişliğinde bir iletken şerit

yerleştirilmesi ile oluşturulur İmaj teorisi kullanılarak bu iletim hattının 2H kalınlığında

taban uumlzerine birbirine zıt olarak yerleştirilmiş iki paralel iletken şerit iccedileren iletim hattı

(Şekil 221 (b)) ile eşdeğer olduğu belirlenebilir

Şekil(221)

Mikro şerit iletim hatları geniş bir alanda kullanılır ve bununda iyi bir nedeni vardır

Mikro şerit hatlar tercih sebebi olarak yeterince geniş bir banda sahiptirler Bunlar az yer

kaplayan ve ağırlıkccedila hafif devreleri oluşturulmasını sağlarlar Mikro şerit hatlar entegre

gelişmiş devre fabrikasyonu olduğundan bu zamana ekonomik uumlruumlnler haline gelmiştir ve

bu teknolojiye kolayca uyum sağlamıştır

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 2: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

TC

KARADENĠZ TEKNĠK UumlNĠVERSĠTESĠ

MUumlHENDĠSLĠK FAKUumlLTESĠ

ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MUumlHENDĠSLĠĞĠ BOumlLUumlMUuml

MĠKROġERĠT HATLARIN TASARIMI VE YUumlKSEK FREKANSALARDA

MĠKROġERĠT HATLARDAKĠ SUumlREKSĠZLĠKLER

BĠTĠRME CcedilALIġMASI

FATĠH CcedilĠLESĠZ

137131

TEZ DANIġMANI

OumlğrGoumlr YASĠN OĞUZ

ii

OumlNSOumlZ

Oumlncelikle eğitim ve oumlğretim hayatım boyunca bana maddi ve manevi desteklerini hiccedilbir

zaman eksik etmeyen sevgili aileme sonsuz Ģuumlkranlarımı sunuyorum Bu tezin

yuumlruumltuumllmesinde bilimsel desteğini aldığım ve tezin danıĢmanlığını yuumlruumlten Sayın OumlğrgoumlrDr

Yasin OĞUZ hocama teĢekkuumlr ederim Uumlniversite hayatım boyunca yaptığım kiĢisel

ccedilalıĢmalarda benimle beraber olan Aziz ANCINlsquo a ve bizden desteğini eksik etmeyen hocam

YrdDoccedilDr Haydar KAYArsquo ya bilimsel katkılarından dolayı teĢekkuumlr ederim

iii

ĠCcedilĠNDEKĠLER

OumlNSOumlZhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipII

ĠCcedilĠNDEKĠLER III

OumlZET V

SEMBOLLER VI

KISALTMALAR VII

1 GĠRĠġ 2

2 ĠLETĠM HATLARI 3

21 Ġletim Hattı EĢdeğeri Ve Ġletim Hattı Denklemleri 4

22 Duumlzlemsel Ġletim Hatları 9

221 Duumlzlemsel Ġletim Hatlarının Avantajları 10

222 Duumlzlemsel Ġletim Hatlarının Genel Yapısı 10

23 MikroĢerit Ġletim Hatları 12

231 Bir MikroĢerit Hatta Dalga Uzunluğu 12

232 MikroĢerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama 12

333 MikroĢerit Ġletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme 13

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı 18

235 MikroĢerit Hattın Yapı ndash Empedans ĠliĢkisi 20

3 MĠKROġERĠT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSĠZLĠK KAVRAMI 22

31 Ġletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavramı Ve Bağıntıları 22

311 Ġletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler 22

312 Suumlreksizlikler Ve Elektromanyetik Alan EtkileĢimi 24

313 Suumlreksizlikler Ġccedilin Devre Modelleri Ve EĢdeğer Devrenin Elde Edilmesi 25

32 MikroĢerit Hattın GerccedilekleĢtirilmesi AĢamaSında YaĢanan Problemler 26

iv

321 Via Ġccedilin Suumlreksizlik Analizi 26

322 Bend (buumlkuumlm viraj) Ġccedilin Suumlreksizlik Analizi 27

323 Step ( Basamak ) MikroĢerit Hatların Suumlreksizlik Analizi 29

324MikroĢerit Hatların T-junction ( T kavĢağı ) Suumlreksizlik analizi 31

325 MikroĢerit Hatlardaki Gap ( boĢluk ) Suumlreksizlik Analizi 34

33 Suumlreksizlikteki IĢıma Kayıpları 36

34 Suumlreksizliklerin MikroĢerit Hatta Etkisi ve Azaltılması 36

35 Suumlreksizlik Etkisinin Azaltılması Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 37

351 Viraj Suumlreksizliği Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 37

352 T- kavĢak Ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 37

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 38

36 Konnektoumlr Bağlantılısındaki Suumlreksizlikler 39

4MikroĢerit Hat ile TasarlanmıĢ 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması 42

41Uumlruumln oumlzellikleri 42

42 MikroĢerit Hattın Yapısı ve Devreyi OluĢturan Elemanların Sistem DavranıĢları 43

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı 43

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları 47

461 Omni Anten Ġle Accedilık Alan Test Sonuccedilları 47

46 2 Double quad Anten Ġle Accedilık Alan Test Sonuccedilları 48

5 SONUCcedilLAR 50

6 KAYNAKLAR 51

v

OumlZET

Bu ccedilalıĢmada mikroĢerit iletim hat suumlreksizliklerinin eĢdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroĢerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıĢtır

Ġlk olarak mikroĢerit iletim hatlarının temel yapısı yapı malzemesi ve oluĢum mantığı

incelenmiĢtir ve daha sonra en ccedilok karĢılaĢılan beĢ suumlreksizlik tuumlruuml uumlzerinde durulmuĢtur

Ġncelenen mikroĢerit iletim hat suumlreksizlikleri accedilık devre boĢluk basamak T-jonksiyonu ve

buumlkuumlm suumlreksizlikleridir CcedilalıĢmada suumlreksizlikler eĢdeğer devre elemanları ile

modellenmiĢ analitik formuumlller ile elde edilmiĢ eĢdeğer devre parametre değerleri ile bu

suumlreksizliklerin azaltılması youmlnuumlnde teorik ccedilalıĢmalara yer verilmiĢtir

CcedilalıĢmadaki amaccedil yuumlksek frekanslarda karĢılaĢılan suumlreksizlik etkilerini azaltmak bu

suumlreksizlikler iccedilin devre modelleri uumlretmektir CcedilalıĢma esnasında ampirik formuumlllerden ccedilokccedila

yararlanılmıĢtır

CcedilalıĢma sonunda deneysel olarak bilgisayar ortamında mikroĢeritbalun tasarlanıp FDTD

analizi ve Oumllccediluumlmleri yapılmıĢtır

vi

SEMBOLLER

119862119886 MikroĢerit kapasitansı

119862119887119890119899119889 Buumlkuumlm suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119891 Accedilık devre suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119892 BoĢluk suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119901 BoĢluk suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862 119878 Basamak suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119879 T-Jonksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

120576119890119891119891 Efektif dielektrik sabiti

120576119903 Taban maddesi boyunca dielektrik sabiti

H Taban madde kalınlığı

119867119890 Efektif taban madde kalınlığı

119897119890119900 Ġlave hat parccedila uzunluğu

119871119878 Basamak suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

1198711 T-Jonksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

1198712 T-Jnksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

119871119887119890119899119889 Buumlkuumlm suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

T ġerit kalınlığı

W MikroĢerit hatta Ģerit geniĢliği

ZcHattın karakteristik empedansı

vii

KISALTMA LĠSTESĠ

CAD Bilgisayar Destekli Modelleme

EM Elektromagnetik

GHz Gigahertz

MIC Mikrodalga TuumlmleĢik Devre

TEM Enine Elektrik ve manyetik alan

2

1 GİRİŞ

Koaksiyel hatlar veya diğer iletim hatlarının tuumlmuumlnde suumlreksizlik goumlzlenmektedir Duumlz ve

kesintisiz uzunluktaki bir mikroşerit hat iccedilin gerccedilek anlamda suumlrekli olduğu ve suumlreksizlik

etkilerinin goumlruumllmeyeceği soumlylenebilir Ancak laboratuar ortamında alınan bu duumlz iletim hat

parccedilaları muumlhendislik ccedilalışmaları iccedilin ccedilok uygun değildir Birccedilok kez bağlantı elemanlarına

ve jonksiyonlara (buumlkuumlm noktaları) ihtiyaccedil duyulmaktadır İletim hatlarındaki bir buumlkuumlm

genişlikteki değişim veya accedilık devre ile sonlandırma suumlreksizliğe neden olmaktadır

Yuumlksek frekanslarda suumlreksizlikler ccedilok kuumlccediluumlk kapasite ve enduumlktansların ortaya ccedilıkmasına

neden olmaktadır [2] (lt01pF ve lt01 nH) Bu kapasite ve enduumlktansların reaktansları yuumlksek

mikrodalga frekanslarında (10-20 Ghz) oumlnem kazanmaktadır Kuvvetlendirici performansları

suumlreksizlik etkisi ile değişmektedir (Bahl) Birkaccedil GHz in altındaki kuumlccediluumlk frekanslarda

suumlreksizlik etkisi ihmal edilebilmektedir Fakat 10 GHz ve uumlzerindeki frekanslarda

suumlreksizlik buumlyuumlk oumlnem kazanmaktadır Devre gereksinimlerinden dolayı ortaya ccedilıkan

başlıca suumlreksizlik tuumlrleri accedilık devre boşluk toprağa doğru kısa devre buumlkuumlm basamak T-

jonksiyonu ccedilapraz jonksiyonlar ve enine boşluklar olarak sayılabilir [2]

Filtreler karıştırıcılar ve osilatoumlr devrelerinde de birccedilok tuumlr suumlreksizliğe raslanmaktadır

Suumlreksizlik etkisine karşılık gelen kapasite ve enduumlktans elemanlarının tespit edilmesi devre

dizaynındaki ccedilalışma konularından bir tanesidir Kapasite elemanının tespit edilmesinde

kullanılan tekniklerden bazıları matris doumlnuumlşuumlm metodu varyasyon metodu spektral

domendeGalerkin metodu ve yuumlk değişimi ile hat kaynaklarının kullanımıdır

Genel olarak literatuumlrde duumlzlemsel iletim hatlarının suumlreksizlerinde iki yaklaşım

kullanılmaktadır (i) Elektromagnetik (EM) alan analiz temelli yaklaşım (ii) Eşdeğer devre

(ED) [2] temelli yaklaşım (ii)‟ deki devre parametreleri ya EM analiz sonuccedillarından ya da

deneysel sonuccedillar kullanılarak tayin edilmektedir Gerccedilekte de bir kısım araştırmacılar her bir

iletim hat tipi iccedilin analitik ccediloumlzuumlmlere dayandırılan ve ccedileşitli nuumlmerik sabitlerinin ampirik

ayarlanması ile arzu edilen doğruluğu veren formuumlller geliştirmişlerdir (Edwards) [2]

3

2 İLETİM HATLARI

Mikrodalga enerjisinin bir yerden başka bir yere iletimi tipik bir muumlhendislik problemidir

Bu iletimi gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletim hattı kaynak ile yuumlk arasında doğrudan

bağlantı sağlayan bir devre elemanıdır Boyutları ve elektriksel oumlzellikleri yayılma

(propagasyon) youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde değişmeyen iletim hatları uumlniform hat olarak

adlandırılır Eğer iletim hatlarının uccedilları kendi karakteristik empedansı ile sonlandırılırsa

maksimum enerji transferi sağlanır ve boumlyle bir iletim hattı uyumlu hat olarak adlandırılır

Alccedilak frekans devrelerindeki buumltuumln empedans elemanları toplu devre elemanlarıdır Ancak

yuumlksek frekanslarda kullanılan iletim yapıları iccedilin aynı tanım kullanılamaz Mikrodalga

frekanslarında kuumlccediluumlk iletken parccedilaları induumlktans ve iletken parccedilaları arasındaki ortam

kapasitans oumlzelliği goumlsterir [3] Bu elemanlar iletkenler boyunca dağılmış durumdadırlar ve

iletkenlerin her noktasında etkindirler Mikrodalgaların dalga boyları iletim hattının fiziksel

boyuna oranla daha kısa olduğundan dağılmış parametreler toplu parametre eşdeğeri ile

doğru olarak goumlsterilemezler Bu yuumlzden mikrodalga iletim hatları sadece dağılmış devre

teorisi yardımıyla voltaj akım ve empedans cinsinden analiz edilebilir İletim hatları ccedileşitli

şekillerde gerccedilekleştirilebilir

Guumlnuumlmuumlzdeki en genel oumlrnekleri şekil21‟de goumlsterilen paralel telli hat koaksiyel kablo

veya mikroşerit‟dir Kolaylık accedilısından devre bağlantılarını goumlstermek iccedilin pek ccedilok devre

diyagramında paralel telli iletim hattı kullanılır (Şekil22) Ancak iletim hatlarının buumltuumln

tiplerine aynı teori uygulanır[4]

Şekil (21) Genel iletim hattı yapısı

4

Şekil (22)Temel iletim hattı modelleri

21İletim Hattı Eşdeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri

Alccedilak frekans devreleri ile ccedilalışırken ccedileşitli devre elemanlarını bağlamak iccedilin kullanılan

buumltuumln hatlar uumlzerinde gerilim duumlşuumlmuuml ve hat ile birleşik empedansı olmayan (toplu

empedans devreleri) muumlkemmel iletkenden yapılmış teller olarak duumlşuumlnuumllebilir [3] Tellerin

uzunluğu işaretin dalga boyundan ccedilok daha kuumlccediluumlk olduğu suumlrece bu durum geccedilerlidir Bu

durumda her hangi bir anda aynı tel uumlzerindeki her noktada akım ve gerilim aynıdır

şekil(211)

Şekil (211) Alccedilak frekanslarda iletim hattı uumlzerindeki gerilim değerleri

5

119881119871 = 119881119866

119885119871

119885119871 + 119885119866

Şimdi bazı oumlrnekleri ele alalım Bilindiği gibi evlere sağlanan elektrik uumllkeye bağlı olarak

50 veya 60 Hz frekanslı yuumlksek guumlccedilluuml sinuumlzoidal işaretlerden oluşur Teller arasındaki

izolatoumlruumln hava (εasymp1205760) olduğu kabul edilirse 50 Hz iccedilin dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50= 6000119896119898bulunur

Bu uzunluk yaklaşık olarak Niğde-İstanbul arasındaki mesafenin 6 katı kadardır Şimdi

bunu mikrodalga boumllgesindeki bir frekans ile oumlrneğin 50 GHz ile karşılaştıracak olursak

dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50109 = 6119898119898bulunur İki uzunluk karşılaştırıldığında daha anlamlı olacaktır

şekil(212) dağılmış empedans devreleri

Yeteri kadar yuumlksek frekanslarda dalga boyunun uzunluğu ile iletim hattının

iletkenlerinin uzunluğu aynı mertebelerdedir Akım ve gerilim iletim hattının her noktasında

aynı değere sahip olamayacağından (şekil 212) hat boyunca akım ve gerilim bir dalga

olarak yayılırlar Bundan dolayı iletkenlerin empedans oumlzellikleri ihmal edilemez

6

Bilindiği gibi bir kaynağın eşdeğer devresi ideal bir AC gerilim kaynağının gerccedilek iccedil

empedansıyla seri bağlanmasından ibarettir (şekil213) Kaynak accedilık devre iken

Şekil (213)

( infin rarr L Z )

119868119894119899 = 0119881119894119899 = 119881119866 (21a)

119868119894119899 =119881119866

119885119866olur (21b)

119885119871yuumlkuuml kısa devre edilirse ( 119885119871 = 0 )

119868119894119899 =119881119866

119885119866ve119881119894119899 = 0 (21c)

Bir uniform iletim hattıyla yuumlke bağlanan bir gerilim kaynağından oluşan sistem

ccedilalışabileceğimiz en basit problemdir Bu durumda aradaki iletim hattı nedeniyle kaynaktan

goumlruumlnen empedans (ccedilok oumlzel durumlar dışında) yuumlk empedansı ile aynı değildir Sadece

119871 = 119899120582

2 (n= tam sayı iken) 119885119894119899 = 119885119871 olur

7

Şekil (214) Bir iletim hattının giriş empedansı

Şekil(215) iletim hattının giriş empedansı

Amaccedil 119885119871 yuumlk empedansı ile sonlandırılmış bir iletim hattının kaynaktan goumlruumlnen

eşdeğer empedansını bulmaktır Bunun iccedilin devre teorisi youmlntemleri kullanılabilir Bir

uniform iletim hattı boyutları ve elektriksel oumlzellikleri iletim youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde

değişmeyen başka bir deyişle sonsuz kuumlccediluumlk uzunluktaki oumlzdeş birim uzunluktaki huumlcrelerin

kaskat bağlanmış hali olarak tanımlanabilen bir dağılmış devredir Bir iletim hattını

gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletkenler belirli bir seri dirence ve induumlktansa sahiptir

8

İlave olarak iletkenler arasında bir paralel kapasitans ve hatta iletkenler arasındaki dielektrik

ortam muumlkemmel değilse bir paralel konduumlktans mevcuttur Boumlylece bir iletim hattını

dağılmış devre elemanları eşdeğeri ile ( şekil216)‟deki gibi goumlstermek muumlmkuumlnduumlr (genel

kayıplı hat modeli) Burada R L C ve G empedans parametreleri

Şekil216 Kayıplı iletim hattının dağılmış parametreli eşdeğeri

R İletim hattının birim uzunluğundaki direnccedil (Ωm)

L İletim hattının birim uzunluğundaki induumlktansı (Hm)

C İletim hattının birim uzunluğundaki kapasitansı (Fm)

G İletim hattının birim uzunluğundaki konduumlktansı (Sm)

olarak belirtmektedir

Her bir birim uzunluktaki huumlcrenin sonsuz kuumlccediluumlk uzunluğu dz olmak uumlzere dağılmış

devrenin her bir huumlcresi değeri Rdz Ldz Cdz ve Gdz olan empedans elemanlarına sahip

olacaktır (şekil 216) Eğer akım ve gerilim vasıtasıyla dağılmış devrenin bir elemanter

huumlcresinin diferansiyel davranışını belirleyebilirsek iletim hattının tamamını tanımlayan

genel bir diferansiyel denklem bulabiliriz Uzunluğu boyunca hat uniform olduğundan bunu

yapmak muumlmkuumlnduumlr Boumlylece yapmamız gereken buumltuumln iş dağılmış devrenin bir tek birim

uzunluktaki elemanterhuumlcresinde gerilim ve akımın nasıl değiştiğini bilmektir

9

22 Duumlzlemsel İletim Hatları

Duumlzlemsel iletim hattı iletken metal şeridin buumltuumlnuumlyle paralel duumlzlem iccedilinde kaldığı iletim

hattıdır En ccedilok kullanılan yapısı bir veya daha fazla paralel metal şeridin iletken yer

duumlzlemine bağlı taban maddesi uumlzerine yerleştirilmesi ile elde edilir Duumlzlemsel iletim

hatlarının en ccedilok kullanılan tuumlruuml Şekil 221 (a)‟da goumlsterilen mikroşerit hattır Mikroşerit hat

yer duumlzlemine bağlı H kalınlığındaki taban maddesi uumlzerine W genişliğinde bir iletken şerit

yerleştirilmesi ile oluşturulur İmaj teorisi kullanılarak bu iletim hattının 2H kalınlığında

taban uumlzerine birbirine zıt olarak yerleştirilmiş iki paralel iletken şerit iccedileren iletim hattı

(Şekil 221 (b)) ile eşdeğer olduğu belirlenebilir

Şekil(221)

Mikro şerit iletim hatları geniş bir alanda kullanılır ve bununda iyi bir nedeni vardır

Mikro şerit hatlar tercih sebebi olarak yeterince geniş bir banda sahiptirler Bunlar az yer

kaplayan ve ağırlıkccedila hafif devreleri oluşturulmasını sağlarlar Mikro şerit hatlar entegre

gelişmiş devre fabrikasyonu olduğundan bu zamana ekonomik uumlruumlnler haline gelmiştir ve

bu teknolojiye kolayca uyum sağlamıştır

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 3: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

ii

OumlNSOumlZ

Oumlncelikle eğitim ve oumlğretim hayatım boyunca bana maddi ve manevi desteklerini hiccedilbir

zaman eksik etmeyen sevgili aileme sonsuz Ģuumlkranlarımı sunuyorum Bu tezin

yuumlruumltuumllmesinde bilimsel desteğini aldığım ve tezin danıĢmanlığını yuumlruumlten Sayın OumlğrgoumlrDr

Yasin OĞUZ hocama teĢekkuumlr ederim Uumlniversite hayatım boyunca yaptığım kiĢisel

ccedilalıĢmalarda benimle beraber olan Aziz ANCINlsquo a ve bizden desteğini eksik etmeyen hocam

YrdDoccedilDr Haydar KAYArsquo ya bilimsel katkılarından dolayı teĢekkuumlr ederim

iii

ĠCcedilĠNDEKĠLER

OumlNSOumlZhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipII

ĠCcedilĠNDEKĠLER III

OumlZET V

SEMBOLLER VI

KISALTMALAR VII

1 GĠRĠġ 2

2 ĠLETĠM HATLARI 3

21 Ġletim Hattı EĢdeğeri Ve Ġletim Hattı Denklemleri 4

22 Duumlzlemsel Ġletim Hatları 9

221 Duumlzlemsel Ġletim Hatlarının Avantajları 10

222 Duumlzlemsel Ġletim Hatlarının Genel Yapısı 10

23 MikroĢerit Ġletim Hatları 12

231 Bir MikroĢerit Hatta Dalga Uzunluğu 12

232 MikroĢerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama 12

333 MikroĢerit Ġletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme 13

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı 18

235 MikroĢerit Hattın Yapı ndash Empedans ĠliĢkisi 20

3 MĠKROġERĠT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSĠZLĠK KAVRAMI 22

31 Ġletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavramı Ve Bağıntıları 22

311 Ġletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler 22

312 Suumlreksizlikler Ve Elektromanyetik Alan EtkileĢimi 24

313 Suumlreksizlikler Ġccedilin Devre Modelleri Ve EĢdeğer Devrenin Elde Edilmesi 25

32 MikroĢerit Hattın GerccedilekleĢtirilmesi AĢamaSında YaĢanan Problemler 26

iv

321 Via Ġccedilin Suumlreksizlik Analizi 26

322 Bend (buumlkuumlm viraj) Ġccedilin Suumlreksizlik Analizi 27

323 Step ( Basamak ) MikroĢerit Hatların Suumlreksizlik Analizi 29

324MikroĢerit Hatların T-junction ( T kavĢağı ) Suumlreksizlik analizi 31

325 MikroĢerit Hatlardaki Gap ( boĢluk ) Suumlreksizlik Analizi 34

33 Suumlreksizlikteki IĢıma Kayıpları 36

34 Suumlreksizliklerin MikroĢerit Hatta Etkisi ve Azaltılması 36

35 Suumlreksizlik Etkisinin Azaltılması Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 37

351 Viraj Suumlreksizliği Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 37

352 T- kavĢak Ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 37

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 38

36 Konnektoumlr Bağlantılısındaki Suumlreksizlikler 39

4MikroĢerit Hat ile TasarlanmıĢ 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması 42

41Uumlruumln oumlzellikleri 42

42 MikroĢerit Hattın Yapısı ve Devreyi OluĢturan Elemanların Sistem DavranıĢları 43

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı 43

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları 47

461 Omni Anten Ġle Accedilık Alan Test Sonuccedilları 47

46 2 Double quad Anten Ġle Accedilık Alan Test Sonuccedilları 48

5 SONUCcedilLAR 50

6 KAYNAKLAR 51

v

OumlZET

Bu ccedilalıĢmada mikroĢerit iletim hat suumlreksizliklerinin eĢdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroĢerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıĢtır

Ġlk olarak mikroĢerit iletim hatlarının temel yapısı yapı malzemesi ve oluĢum mantığı

incelenmiĢtir ve daha sonra en ccedilok karĢılaĢılan beĢ suumlreksizlik tuumlruuml uumlzerinde durulmuĢtur

Ġncelenen mikroĢerit iletim hat suumlreksizlikleri accedilık devre boĢluk basamak T-jonksiyonu ve

buumlkuumlm suumlreksizlikleridir CcedilalıĢmada suumlreksizlikler eĢdeğer devre elemanları ile

modellenmiĢ analitik formuumlller ile elde edilmiĢ eĢdeğer devre parametre değerleri ile bu

suumlreksizliklerin azaltılması youmlnuumlnde teorik ccedilalıĢmalara yer verilmiĢtir

CcedilalıĢmadaki amaccedil yuumlksek frekanslarda karĢılaĢılan suumlreksizlik etkilerini azaltmak bu

suumlreksizlikler iccedilin devre modelleri uumlretmektir CcedilalıĢma esnasında ampirik formuumlllerden ccedilokccedila

yararlanılmıĢtır

CcedilalıĢma sonunda deneysel olarak bilgisayar ortamında mikroĢeritbalun tasarlanıp FDTD

analizi ve Oumllccediluumlmleri yapılmıĢtır

vi

SEMBOLLER

119862119886 MikroĢerit kapasitansı

119862119887119890119899119889 Buumlkuumlm suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119891 Accedilık devre suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119892 BoĢluk suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119901 BoĢluk suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862 119878 Basamak suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119879 T-Jonksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

120576119890119891119891 Efektif dielektrik sabiti

120576119903 Taban maddesi boyunca dielektrik sabiti

H Taban madde kalınlığı

119867119890 Efektif taban madde kalınlığı

119897119890119900 Ġlave hat parccedila uzunluğu

119871119878 Basamak suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

1198711 T-Jonksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

1198712 T-Jnksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

119871119887119890119899119889 Buumlkuumlm suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

T ġerit kalınlığı

W MikroĢerit hatta Ģerit geniĢliği

ZcHattın karakteristik empedansı

vii

KISALTMA LĠSTESĠ

CAD Bilgisayar Destekli Modelleme

EM Elektromagnetik

GHz Gigahertz

MIC Mikrodalga TuumlmleĢik Devre

TEM Enine Elektrik ve manyetik alan

2

1 GİRİŞ

Koaksiyel hatlar veya diğer iletim hatlarının tuumlmuumlnde suumlreksizlik goumlzlenmektedir Duumlz ve

kesintisiz uzunluktaki bir mikroşerit hat iccedilin gerccedilek anlamda suumlrekli olduğu ve suumlreksizlik

etkilerinin goumlruumllmeyeceği soumlylenebilir Ancak laboratuar ortamında alınan bu duumlz iletim hat

parccedilaları muumlhendislik ccedilalışmaları iccedilin ccedilok uygun değildir Birccedilok kez bağlantı elemanlarına

ve jonksiyonlara (buumlkuumlm noktaları) ihtiyaccedil duyulmaktadır İletim hatlarındaki bir buumlkuumlm

genişlikteki değişim veya accedilık devre ile sonlandırma suumlreksizliğe neden olmaktadır

Yuumlksek frekanslarda suumlreksizlikler ccedilok kuumlccediluumlk kapasite ve enduumlktansların ortaya ccedilıkmasına

neden olmaktadır [2] (lt01pF ve lt01 nH) Bu kapasite ve enduumlktansların reaktansları yuumlksek

mikrodalga frekanslarında (10-20 Ghz) oumlnem kazanmaktadır Kuvvetlendirici performansları

suumlreksizlik etkisi ile değişmektedir (Bahl) Birkaccedil GHz in altındaki kuumlccediluumlk frekanslarda

suumlreksizlik etkisi ihmal edilebilmektedir Fakat 10 GHz ve uumlzerindeki frekanslarda

suumlreksizlik buumlyuumlk oumlnem kazanmaktadır Devre gereksinimlerinden dolayı ortaya ccedilıkan

başlıca suumlreksizlik tuumlrleri accedilık devre boşluk toprağa doğru kısa devre buumlkuumlm basamak T-

jonksiyonu ccedilapraz jonksiyonlar ve enine boşluklar olarak sayılabilir [2]

Filtreler karıştırıcılar ve osilatoumlr devrelerinde de birccedilok tuumlr suumlreksizliğe raslanmaktadır

Suumlreksizlik etkisine karşılık gelen kapasite ve enduumlktans elemanlarının tespit edilmesi devre

dizaynındaki ccedilalışma konularından bir tanesidir Kapasite elemanının tespit edilmesinde

kullanılan tekniklerden bazıları matris doumlnuumlşuumlm metodu varyasyon metodu spektral

domendeGalerkin metodu ve yuumlk değişimi ile hat kaynaklarının kullanımıdır

Genel olarak literatuumlrde duumlzlemsel iletim hatlarının suumlreksizlerinde iki yaklaşım

kullanılmaktadır (i) Elektromagnetik (EM) alan analiz temelli yaklaşım (ii) Eşdeğer devre

(ED) [2] temelli yaklaşım (ii)‟ deki devre parametreleri ya EM analiz sonuccedillarından ya da

deneysel sonuccedillar kullanılarak tayin edilmektedir Gerccedilekte de bir kısım araştırmacılar her bir

iletim hat tipi iccedilin analitik ccediloumlzuumlmlere dayandırılan ve ccedileşitli nuumlmerik sabitlerinin ampirik

ayarlanması ile arzu edilen doğruluğu veren formuumlller geliştirmişlerdir (Edwards) [2]

3

2 İLETİM HATLARI

Mikrodalga enerjisinin bir yerden başka bir yere iletimi tipik bir muumlhendislik problemidir

Bu iletimi gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletim hattı kaynak ile yuumlk arasında doğrudan

bağlantı sağlayan bir devre elemanıdır Boyutları ve elektriksel oumlzellikleri yayılma

(propagasyon) youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde değişmeyen iletim hatları uumlniform hat olarak

adlandırılır Eğer iletim hatlarının uccedilları kendi karakteristik empedansı ile sonlandırılırsa

maksimum enerji transferi sağlanır ve boumlyle bir iletim hattı uyumlu hat olarak adlandırılır

Alccedilak frekans devrelerindeki buumltuumln empedans elemanları toplu devre elemanlarıdır Ancak

yuumlksek frekanslarda kullanılan iletim yapıları iccedilin aynı tanım kullanılamaz Mikrodalga

frekanslarında kuumlccediluumlk iletken parccedilaları induumlktans ve iletken parccedilaları arasındaki ortam

kapasitans oumlzelliği goumlsterir [3] Bu elemanlar iletkenler boyunca dağılmış durumdadırlar ve

iletkenlerin her noktasında etkindirler Mikrodalgaların dalga boyları iletim hattının fiziksel

boyuna oranla daha kısa olduğundan dağılmış parametreler toplu parametre eşdeğeri ile

doğru olarak goumlsterilemezler Bu yuumlzden mikrodalga iletim hatları sadece dağılmış devre

teorisi yardımıyla voltaj akım ve empedans cinsinden analiz edilebilir İletim hatları ccedileşitli

şekillerde gerccedilekleştirilebilir

Guumlnuumlmuumlzdeki en genel oumlrnekleri şekil21‟de goumlsterilen paralel telli hat koaksiyel kablo

veya mikroşerit‟dir Kolaylık accedilısından devre bağlantılarını goumlstermek iccedilin pek ccedilok devre

diyagramında paralel telli iletim hattı kullanılır (Şekil22) Ancak iletim hatlarının buumltuumln

tiplerine aynı teori uygulanır[4]

Şekil (21) Genel iletim hattı yapısı

4

Şekil (22)Temel iletim hattı modelleri

21İletim Hattı Eşdeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri

Alccedilak frekans devreleri ile ccedilalışırken ccedileşitli devre elemanlarını bağlamak iccedilin kullanılan

buumltuumln hatlar uumlzerinde gerilim duumlşuumlmuuml ve hat ile birleşik empedansı olmayan (toplu

empedans devreleri) muumlkemmel iletkenden yapılmış teller olarak duumlşuumlnuumllebilir [3] Tellerin

uzunluğu işaretin dalga boyundan ccedilok daha kuumlccediluumlk olduğu suumlrece bu durum geccedilerlidir Bu

durumda her hangi bir anda aynı tel uumlzerindeki her noktada akım ve gerilim aynıdır

şekil(211)

Şekil (211) Alccedilak frekanslarda iletim hattı uumlzerindeki gerilim değerleri

5

119881119871 = 119881119866

119885119871

119885119871 + 119885119866

Şimdi bazı oumlrnekleri ele alalım Bilindiği gibi evlere sağlanan elektrik uumllkeye bağlı olarak

50 veya 60 Hz frekanslı yuumlksek guumlccedilluuml sinuumlzoidal işaretlerden oluşur Teller arasındaki

izolatoumlruumln hava (εasymp1205760) olduğu kabul edilirse 50 Hz iccedilin dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50= 6000119896119898bulunur

Bu uzunluk yaklaşık olarak Niğde-İstanbul arasındaki mesafenin 6 katı kadardır Şimdi

bunu mikrodalga boumllgesindeki bir frekans ile oumlrneğin 50 GHz ile karşılaştıracak olursak

dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50109 = 6119898119898bulunur İki uzunluk karşılaştırıldığında daha anlamlı olacaktır

şekil(212) dağılmış empedans devreleri

Yeteri kadar yuumlksek frekanslarda dalga boyunun uzunluğu ile iletim hattının

iletkenlerinin uzunluğu aynı mertebelerdedir Akım ve gerilim iletim hattının her noktasında

aynı değere sahip olamayacağından (şekil 212) hat boyunca akım ve gerilim bir dalga

olarak yayılırlar Bundan dolayı iletkenlerin empedans oumlzellikleri ihmal edilemez

6

Bilindiği gibi bir kaynağın eşdeğer devresi ideal bir AC gerilim kaynağının gerccedilek iccedil

empedansıyla seri bağlanmasından ibarettir (şekil213) Kaynak accedilık devre iken

Şekil (213)

( infin rarr L Z )

119868119894119899 = 0119881119894119899 = 119881119866 (21a)

119868119894119899 =119881119866

119885119866olur (21b)

119885119871yuumlkuuml kısa devre edilirse ( 119885119871 = 0 )

119868119894119899 =119881119866

119885119866ve119881119894119899 = 0 (21c)

Bir uniform iletim hattıyla yuumlke bağlanan bir gerilim kaynağından oluşan sistem

ccedilalışabileceğimiz en basit problemdir Bu durumda aradaki iletim hattı nedeniyle kaynaktan

goumlruumlnen empedans (ccedilok oumlzel durumlar dışında) yuumlk empedansı ile aynı değildir Sadece

119871 = 119899120582

2 (n= tam sayı iken) 119885119894119899 = 119885119871 olur

7

Şekil (214) Bir iletim hattının giriş empedansı

Şekil(215) iletim hattının giriş empedansı

Amaccedil 119885119871 yuumlk empedansı ile sonlandırılmış bir iletim hattının kaynaktan goumlruumlnen

eşdeğer empedansını bulmaktır Bunun iccedilin devre teorisi youmlntemleri kullanılabilir Bir

uniform iletim hattı boyutları ve elektriksel oumlzellikleri iletim youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde

değişmeyen başka bir deyişle sonsuz kuumlccediluumlk uzunluktaki oumlzdeş birim uzunluktaki huumlcrelerin

kaskat bağlanmış hali olarak tanımlanabilen bir dağılmış devredir Bir iletim hattını

gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletkenler belirli bir seri dirence ve induumlktansa sahiptir

8

İlave olarak iletkenler arasında bir paralel kapasitans ve hatta iletkenler arasındaki dielektrik

ortam muumlkemmel değilse bir paralel konduumlktans mevcuttur Boumlylece bir iletim hattını

dağılmış devre elemanları eşdeğeri ile ( şekil216)‟deki gibi goumlstermek muumlmkuumlnduumlr (genel

kayıplı hat modeli) Burada R L C ve G empedans parametreleri

Şekil216 Kayıplı iletim hattının dağılmış parametreli eşdeğeri

R İletim hattının birim uzunluğundaki direnccedil (Ωm)

L İletim hattının birim uzunluğundaki induumlktansı (Hm)

C İletim hattının birim uzunluğundaki kapasitansı (Fm)

G İletim hattının birim uzunluğundaki konduumlktansı (Sm)

olarak belirtmektedir

Her bir birim uzunluktaki huumlcrenin sonsuz kuumlccediluumlk uzunluğu dz olmak uumlzere dağılmış

devrenin her bir huumlcresi değeri Rdz Ldz Cdz ve Gdz olan empedans elemanlarına sahip

olacaktır (şekil 216) Eğer akım ve gerilim vasıtasıyla dağılmış devrenin bir elemanter

huumlcresinin diferansiyel davranışını belirleyebilirsek iletim hattının tamamını tanımlayan

genel bir diferansiyel denklem bulabiliriz Uzunluğu boyunca hat uniform olduğundan bunu

yapmak muumlmkuumlnduumlr Boumlylece yapmamız gereken buumltuumln iş dağılmış devrenin bir tek birim

uzunluktaki elemanterhuumlcresinde gerilim ve akımın nasıl değiştiğini bilmektir

9

22 Duumlzlemsel İletim Hatları

Duumlzlemsel iletim hattı iletken metal şeridin buumltuumlnuumlyle paralel duumlzlem iccedilinde kaldığı iletim

hattıdır En ccedilok kullanılan yapısı bir veya daha fazla paralel metal şeridin iletken yer

duumlzlemine bağlı taban maddesi uumlzerine yerleştirilmesi ile elde edilir Duumlzlemsel iletim

hatlarının en ccedilok kullanılan tuumlruuml Şekil 221 (a)‟da goumlsterilen mikroşerit hattır Mikroşerit hat

yer duumlzlemine bağlı H kalınlığındaki taban maddesi uumlzerine W genişliğinde bir iletken şerit

yerleştirilmesi ile oluşturulur İmaj teorisi kullanılarak bu iletim hattının 2H kalınlığında

taban uumlzerine birbirine zıt olarak yerleştirilmiş iki paralel iletken şerit iccedileren iletim hattı

(Şekil 221 (b)) ile eşdeğer olduğu belirlenebilir

Şekil(221)

Mikro şerit iletim hatları geniş bir alanda kullanılır ve bununda iyi bir nedeni vardır

Mikro şerit hatlar tercih sebebi olarak yeterince geniş bir banda sahiptirler Bunlar az yer

kaplayan ve ağırlıkccedila hafif devreleri oluşturulmasını sağlarlar Mikro şerit hatlar entegre

gelişmiş devre fabrikasyonu olduğundan bu zamana ekonomik uumlruumlnler haline gelmiştir ve

bu teknolojiye kolayca uyum sağlamıştır

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 4: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

iii

ĠCcedilĠNDEKĠLER

OumlNSOumlZhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipII

ĠCcedilĠNDEKĠLER III

OumlZET V

SEMBOLLER VI

KISALTMALAR VII

1 GĠRĠġ 2

2 ĠLETĠM HATLARI 3

21 Ġletim Hattı EĢdeğeri Ve Ġletim Hattı Denklemleri 4

22 Duumlzlemsel Ġletim Hatları 9

221 Duumlzlemsel Ġletim Hatlarının Avantajları 10

222 Duumlzlemsel Ġletim Hatlarının Genel Yapısı 10

23 MikroĢerit Ġletim Hatları 12

231 Bir MikroĢerit Hatta Dalga Uzunluğu 12

232 MikroĢerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama 12

333 MikroĢerit Ġletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme 13

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı 18

235 MikroĢerit Hattın Yapı ndash Empedans ĠliĢkisi 20

3 MĠKROġERĠT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSĠZLĠK KAVRAMI 22

31 Ġletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavramı Ve Bağıntıları 22

311 Ġletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler 22

312 Suumlreksizlikler Ve Elektromanyetik Alan EtkileĢimi 24

313 Suumlreksizlikler Ġccedilin Devre Modelleri Ve EĢdeğer Devrenin Elde Edilmesi 25

32 MikroĢerit Hattın GerccedilekleĢtirilmesi AĢamaSında YaĢanan Problemler 26

iv

321 Via Ġccedilin Suumlreksizlik Analizi 26

322 Bend (buumlkuumlm viraj) Ġccedilin Suumlreksizlik Analizi 27

323 Step ( Basamak ) MikroĢerit Hatların Suumlreksizlik Analizi 29

324MikroĢerit Hatların T-junction ( T kavĢağı ) Suumlreksizlik analizi 31

325 MikroĢerit Hatlardaki Gap ( boĢluk ) Suumlreksizlik Analizi 34

33 Suumlreksizlikteki IĢıma Kayıpları 36

34 Suumlreksizliklerin MikroĢerit Hatta Etkisi ve Azaltılması 36

35 Suumlreksizlik Etkisinin Azaltılması Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 37

351 Viraj Suumlreksizliği Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 37

352 T- kavĢak Ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 37

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 38

36 Konnektoumlr Bağlantılısındaki Suumlreksizlikler 39

4MikroĢerit Hat ile TasarlanmıĢ 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması 42

41Uumlruumln oumlzellikleri 42

42 MikroĢerit Hattın Yapısı ve Devreyi OluĢturan Elemanların Sistem DavranıĢları 43

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı 43

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları 47

461 Omni Anten Ġle Accedilık Alan Test Sonuccedilları 47

46 2 Double quad Anten Ġle Accedilık Alan Test Sonuccedilları 48

5 SONUCcedilLAR 50

6 KAYNAKLAR 51

v

OumlZET

Bu ccedilalıĢmada mikroĢerit iletim hat suumlreksizliklerinin eĢdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroĢerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıĢtır

Ġlk olarak mikroĢerit iletim hatlarının temel yapısı yapı malzemesi ve oluĢum mantığı

incelenmiĢtir ve daha sonra en ccedilok karĢılaĢılan beĢ suumlreksizlik tuumlruuml uumlzerinde durulmuĢtur

Ġncelenen mikroĢerit iletim hat suumlreksizlikleri accedilık devre boĢluk basamak T-jonksiyonu ve

buumlkuumlm suumlreksizlikleridir CcedilalıĢmada suumlreksizlikler eĢdeğer devre elemanları ile

modellenmiĢ analitik formuumlller ile elde edilmiĢ eĢdeğer devre parametre değerleri ile bu

suumlreksizliklerin azaltılması youmlnuumlnde teorik ccedilalıĢmalara yer verilmiĢtir

CcedilalıĢmadaki amaccedil yuumlksek frekanslarda karĢılaĢılan suumlreksizlik etkilerini azaltmak bu

suumlreksizlikler iccedilin devre modelleri uumlretmektir CcedilalıĢma esnasında ampirik formuumlllerden ccedilokccedila

yararlanılmıĢtır

CcedilalıĢma sonunda deneysel olarak bilgisayar ortamında mikroĢeritbalun tasarlanıp FDTD

analizi ve Oumllccediluumlmleri yapılmıĢtır

vi

SEMBOLLER

119862119886 MikroĢerit kapasitansı

119862119887119890119899119889 Buumlkuumlm suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119891 Accedilık devre suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119892 BoĢluk suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119901 BoĢluk suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862 119878 Basamak suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119879 T-Jonksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

120576119890119891119891 Efektif dielektrik sabiti

120576119903 Taban maddesi boyunca dielektrik sabiti

H Taban madde kalınlığı

119867119890 Efektif taban madde kalınlığı

119897119890119900 Ġlave hat parccedila uzunluğu

119871119878 Basamak suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

1198711 T-Jonksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

1198712 T-Jnksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

119871119887119890119899119889 Buumlkuumlm suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

T ġerit kalınlığı

W MikroĢerit hatta Ģerit geniĢliği

ZcHattın karakteristik empedansı

vii

KISALTMA LĠSTESĠ

CAD Bilgisayar Destekli Modelleme

EM Elektromagnetik

GHz Gigahertz

MIC Mikrodalga TuumlmleĢik Devre

TEM Enine Elektrik ve manyetik alan

2

1 GİRİŞ

Koaksiyel hatlar veya diğer iletim hatlarının tuumlmuumlnde suumlreksizlik goumlzlenmektedir Duumlz ve

kesintisiz uzunluktaki bir mikroşerit hat iccedilin gerccedilek anlamda suumlrekli olduğu ve suumlreksizlik

etkilerinin goumlruumllmeyeceği soumlylenebilir Ancak laboratuar ortamında alınan bu duumlz iletim hat

parccedilaları muumlhendislik ccedilalışmaları iccedilin ccedilok uygun değildir Birccedilok kez bağlantı elemanlarına

ve jonksiyonlara (buumlkuumlm noktaları) ihtiyaccedil duyulmaktadır İletim hatlarındaki bir buumlkuumlm

genişlikteki değişim veya accedilık devre ile sonlandırma suumlreksizliğe neden olmaktadır

Yuumlksek frekanslarda suumlreksizlikler ccedilok kuumlccediluumlk kapasite ve enduumlktansların ortaya ccedilıkmasına

neden olmaktadır [2] (lt01pF ve lt01 nH) Bu kapasite ve enduumlktansların reaktansları yuumlksek

mikrodalga frekanslarında (10-20 Ghz) oumlnem kazanmaktadır Kuvvetlendirici performansları

suumlreksizlik etkisi ile değişmektedir (Bahl) Birkaccedil GHz in altındaki kuumlccediluumlk frekanslarda

suumlreksizlik etkisi ihmal edilebilmektedir Fakat 10 GHz ve uumlzerindeki frekanslarda

suumlreksizlik buumlyuumlk oumlnem kazanmaktadır Devre gereksinimlerinden dolayı ortaya ccedilıkan

başlıca suumlreksizlik tuumlrleri accedilık devre boşluk toprağa doğru kısa devre buumlkuumlm basamak T-

jonksiyonu ccedilapraz jonksiyonlar ve enine boşluklar olarak sayılabilir [2]

Filtreler karıştırıcılar ve osilatoumlr devrelerinde de birccedilok tuumlr suumlreksizliğe raslanmaktadır

Suumlreksizlik etkisine karşılık gelen kapasite ve enduumlktans elemanlarının tespit edilmesi devre

dizaynındaki ccedilalışma konularından bir tanesidir Kapasite elemanının tespit edilmesinde

kullanılan tekniklerden bazıları matris doumlnuumlşuumlm metodu varyasyon metodu spektral

domendeGalerkin metodu ve yuumlk değişimi ile hat kaynaklarının kullanımıdır

Genel olarak literatuumlrde duumlzlemsel iletim hatlarının suumlreksizlerinde iki yaklaşım

kullanılmaktadır (i) Elektromagnetik (EM) alan analiz temelli yaklaşım (ii) Eşdeğer devre

(ED) [2] temelli yaklaşım (ii)‟ deki devre parametreleri ya EM analiz sonuccedillarından ya da

deneysel sonuccedillar kullanılarak tayin edilmektedir Gerccedilekte de bir kısım araştırmacılar her bir

iletim hat tipi iccedilin analitik ccediloumlzuumlmlere dayandırılan ve ccedileşitli nuumlmerik sabitlerinin ampirik

ayarlanması ile arzu edilen doğruluğu veren formuumlller geliştirmişlerdir (Edwards) [2]

3

2 İLETİM HATLARI

Mikrodalga enerjisinin bir yerden başka bir yere iletimi tipik bir muumlhendislik problemidir

Bu iletimi gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletim hattı kaynak ile yuumlk arasında doğrudan

bağlantı sağlayan bir devre elemanıdır Boyutları ve elektriksel oumlzellikleri yayılma

(propagasyon) youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde değişmeyen iletim hatları uumlniform hat olarak

adlandırılır Eğer iletim hatlarının uccedilları kendi karakteristik empedansı ile sonlandırılırsa

maksimum enerji transferi sağlanır ve boumlyle bir iletim hattı uyumlu hat olarak adlandırılır

Alccedilak frekans devrelerindeki buumltuumln empedans elemanları toplu devre elemanlarıdır Ancak

yuumlksek frekanslarda kullanılan iletim yapıları iccedilin aynı tanım kullanılamaz Mikrodalga

frekanslarında kuumlccediluumlk iletken parccedilaları induumlktans ve iletken parccedilaları arasındaki ortam

kapasitans oumlzelliği goumlsterir [3] Bu elemanlar iletkenler boyunca dağılmış durumdadırlar ve

iletkenlerin her noktasında etkindirler Mikrodalgaların dalga boyları iletim hattının fiziksel

boyuna oranla daha kısa olduğundan dağılmış parametreler toplu parametre eşdeğeri ile

doğru olarak goumlsterilemezler Bu yuumlzden mikrodalga iletim hatları sadece dağılmış devre

teorisi yardımıyla voltaj akım ve empedans cinsinden analiz edilebilir İletim hatları ccedileşitli

şekillerde gerccedilekleştirilebilir

Guumlnuumlmuumlzdeki en genel oumlrnekleri şekil21‟de goumlsterilen paralel telli hat koaksiyel kablo

veya mikroşerit‟dir Kolaylık accedilısından devre bağlantılarını goumlstermek iccedilin pek ccedilok devre

diyagramında paralel telli iletim hattı kullanılır (Şekil22) Ancak iletim hatlarının buumltuumln

tiplerine aynı teori uygulanır[4]

Şekil (21) Genel iletim hattı yapısı

4

Şekil (22)Temel iletim hattı modelleri

21İletim Hattı Eşdeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri

Alccedilak frekans devreleri ile ccedilalışırken ccedileşitli devre elemanlarını bağlamak iccedilin kullanılan

buumltuumln hatlar uumlzerinde gerilim duumlşuumlmuuml ve hat ile birleşik empedansı olmayan (toplu

empedans devreleri) muumlkemmel iletkenden yapılmış teller olarak duumlşuumlnuumllebilir [3] Tellerin

uzunluğu işaretin dalga boyundan ccedilok daha kuumlccediluumlk olduğu suumlrece bu durum geccedilerlidir Bu

durumda her hangi bir anda aynı tel uumlzerindeki her noktada akım ve gerilim aynıdır

şekil(211)

Şekil (211) Alccedilak frekanslarda iletim hattı uumlzerindeki gerilim değerleri

5

119881119871 = 119881119866

119885119871

119885119871 + 119885119866

Şimdi bazı oumlrnekleri ele alalım Bilindiği gibi evlere sağlanan elektrik uumllkeye bağlı olarak

50 veya 60 Hz frekanslı yuumlksek guumlccedilluuml sinuumlzoidal işaretlerden oluşur Teller arasındaki

izolatoumlruumln hava (εasymp1205760) olduğu kabul edilirse 50 Hz iccedilin dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50= 6000119896119898bulunur

Bu uzunluk yaklaşık olarak Niğde-İstanbul arasındaki mesafenin 6 katı kadardır Şimdi

bunu mikrodalga boumllgesindeki bir frekans ile oumlrneğin 50 GHz ile karşılaştıracak olursak

dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50109 = 6119898119898bulunur İki uzunluk karşılaştırıldığında daha anlamlı olacaktır

şekil(212) dağılmış empedans devreleri

Yeteri kadar yuumlksek frekanslarda dalga boyunun uzunluğu ile iletim hattının

iletkenlerinin uzunluğu aynı mertebelerdedir Akım ve gerilim iletim hattının her noktasında

aynı değere sahip olamayacağından (şekil 212) hat boyunca akım ve gerilim bir dalga

olarak yayılırlar Bundan dolayı iletkenlerin empedans oumlzellikleri ihmal edilemez

6

Bilindiği gibi bir kaynağın eşdeğer devresi ideal bir AC gerilim kaynağının gerccedilek iccedil

empedansıyla seri bağlanmasından ibarettir (şekil213) Kaynak accedilık devre iken

Şekil (213)

( infin rarr L Z )

119868119894119899 = 0119881119894119899 = 119881119866 (21a)

119868119894119899 =119881119866

119885119866olur (21b)

119885119871yuumlkuuml kısa devre edilirse ( 119885119871 = 0 )

119868119894119899 =119881119866

119885119866ve119881119894119899 = 0 (21c)

Bir uniform iletim hattıyla yuumlke bağlanan bir gerilim kaynağından oluşan sistem

ccedilalışabileceğimiz en basit problemdir Bu durumda aradaki iletim hattı nedeniyle kaynaktan

goumlruumlnen empedans (ccedilok oumlzel durumlar dışında) yuumlk empedansı ile aynı değildir Sadece

119871 = 119899120582

2 (n= tam sayı iken) 119885119894119899 = 119885119871 olur

7

Şekil (214) Bir iletim hattının giriş empedansı

Şekil(215) iletim hattının giriş empedansı

Amaccedil 119885119871 yuumlk empedansı ile sonlandırılmış bir iletim hattının kaynaktan goumlruumlnen

eşdeğer empedansını bulmaktır Bunun iccedilin devre teorisi youmlntemleri kullanılabilir Bir

uniform iletim hattı boyutları ve elektriksel oumlzellikleri iletim youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde

değişmeyen başka bir deyişle sonsuz kuumlccediluumlk uzunluktaki oumlzdeş birim uzunluktaki huumlcrelerin

kaskat bağlanmış hali olarak tanımlanabilen bir dağılmış devredir Bir iletim hattını

gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletkenler belirli bir seri dirence ve induumlktansa sahiptir

8

İlave olarak iletkenler arasında bir paralel kapasitans ve hatta iletkenler arasındaki dielektrik

ortam muumlkemmel değilse bir paralel konduumlktans mevcuttur Boumlylece bir iletim hattını

dağılmış devre elemanları eşdeğeri ile ( şekil216)‟deki gibi goumlstermek muumlmkuumlnduumlr (genel

kayıplı hat modeli) Burada R L C ve G empedans parametreleri

Şekil216 Kayıplı iletim hattının dağılmış parametreli eşdeğeri

R İletim hattının birim uzunluğundaki direnccedil (Ωm)

L İletim hattının birim uzunluğundaki induumlktansı (Hm)

C İletim hattının birim uzunluğundaki kapasitansı (Fm)

G İletim hattının birim uzunluğundaki konduumlktansı (Sm)

olarak belirtmektedir

Her bir birim uzunluktaki huumlcrenin sonsuz kuumlccediluumlk uzunluğu dz olmak uumlzere dağılmış

devrenin her bir huumlcresi değeri Rdz Ldz Cdz ve Gdz olan empedans elemanlarına sahip

olacaktır (şekil 216) Eğer akım ve gerilim vasıtasıyla dağılmış devrenin bir elemanter

huumlcresinin diferansiyel davranışını belirleyebilirsek iletim hattının tamamını tanımlayan

genel bir diferansiyel denklem bulabiliriz Uzunluğu boyunca hat uniform olduğundan bunu

yapmak muumlmkuumlnduumlr Boumlylece yapmamız gereken buumltuumln iş dağılmış devrenin bir tek birim

uzunluktaki elemanterhuumlcresinde gerilim ve akımın nasıl değiştiğini bilmektir

9

22 Duumlzlemsel İletim Hatları

Duumlzlemsel iletim hattı iletken metal şeridin buumltuumlnuumlyle paralel duumlzlem iccedilinde kaldığı iletim

hattıdır En ccedilok kullanılan yapısı bir veya daha fazla paralel metal şeridin iletken yer

duumlzlemine bağlı taban maddesi uumlzerine yerleştirilmesi ile elde edilir Duumlzlemsel iletim

hatlarının en ccedilok kullanılan tuumlruuml Şekil 221 (a)‟da goumlsterilen mikroşerit hattır Mikroşerit hat

yer duumlzlemine bağlı H kalınlığındaki taban maddesi uumlzerine W genişliğinde bir iletken şerit

yerleştirilmesi ile oluşturulur İmaj teorisi kullanılarak bu iletim hattının 2H kalınlığında

taban uumlzerine birbirine zıt olarak yerleştirilmiş iki paralel iletken şerit iccedileren iletim hattı

(Şekil 221 (b)) ile eşdeğer olduğu belirlenebilir

Şekil(221)

Mikro şerit iletim hatları geniş bir alanda kullanılır ve bununda iyi bir nedeni vardır

Mikro şerit hatlar tercih sebebi olarak yeterince geniş bir banda sahiptirler Bunlar az yer

kaplayan ve ağırlıkccedila hafif devreleri oluşturulmasını sağlarlar Mikro şerit hatlar entegre

gelişmiş devre fabrikasyonu olduğundan bu zamana ekonomik uumlruumlnler haline gelmiştir ve

bu teknolojiye kolayca uyum sağlamıştır

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 5: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

iv

321 Via Ġccedilin Suumlreksizlik Analizi 26

322 Bend (buumlkuumlm viraj) Ġccedilin Suumlreksizlik Analizi 27

323 Step ( Basamak ) MikroĢerit Hatların Suumlreksizlik Analizi 29

324MikroĢerit Hatların T-junction ( T kavĢağı ) Suumlreksizlik analizi 31

325 MikroĢerit Hatlardaki Gap ( boĢluk ) Suumlreksizlik Analizi 34

33 Suumlreksizlikteki IĢıma Kayıpları 36

34 Suumlreksizliklerin MikroĢerit Hatta Etkisi ve Azaltılması 36

35 Suumlreksizlik Etkisinin Azaltılması Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 37

351 Viraj Suumlreksizliği Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 37

352 T- kavĢak Ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 37

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak Ġccedilin Yapılan DeğiĢiklikler 38

36 Konnektoumlr Bağlantılısındaki Suumlreksizlikler 39

4MikroĢerit Hat ile TasarlanmıĢ 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması 42

41Uumlruumln oumlzellikleri 42

42 MikroĢerit Hattın Yapısı ve Devreyi OluĢturan Elemanların Sistem DavranıĢları 43

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı 43

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları 47

461 Omni Anten Ġle Accedilık Alan Test Sonuccedilları 47

46 2 Double quad Anten Ġle Accedilık Alan Test Sonuccedilları 48

5 SONUCcedilLAR 50

6 KAYNAKLAR 51

v

OumlZET

Bu ccedilalıĢmada mikroĢerit iletim hat suumlreksizliklerinin eĢdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroĢerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıĢtır

Ġlk olarak mikroĢerit iletim hatlarının temel yapısı yapı malzemesi ve oluĢum mantığı

incelenmiĢtir ve daha sonra en ccedilok karĢılaĢılan beĢ suumlreksizlik tuumlruuml uumlzerinde durulmuĢtur

Ġncelenen mikroĢerit iletim hat suumlreksizlikleri accedilık devre boĢluk basamak T-jonksiyonu ve

buumlkuumlm suumlreksizlikleridir CcedilalıĢmada suumlreksizlikler eĢdeğer devre elemanları ile

modellenmiĢ analitik formuumlller ile elde edilmiĢ eĢdeğer devre parametre değerleri ile bu

suumlreksizliklerin azaltılması youmlnuumlnde teorik ccedilalıĢmalara yer verilmiĢtir

CcedilalıĢmadaki amaccedil yuumlksek frekanslarda karĢılaĢılan suumlreksizlik etkilerini azaltmak bu

suumlreksizlikler iccedilin devre modelleri uumlretmektir CcedilalıĢma esnasında ampirik formuumlllerden ccedilokccedila

yararlanılmıĢtır

CcedilalıĢma sonunda deneysel olarak bilgisayar ortamında mikroĢeritbalun tasarlanıp FDTD

analizi ve Oumllccediluumlmleri yapılmıĢtır

vi

SEMBOLLER

119862119886 MikroĢerit kapasitansı

119862119887119890119899119889 Buumlkuumlm suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119891 Accedilık devre suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119892 BoĢluk suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119901 BoĢluk suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862 119878 Basamak suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119879 T-Jonksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

120576119890119891119891 Efektif dielektrik sabiti

120576119903 Taban maddesi boyunca dielektrik sabiti

H Taban madde kalınlığı

119867119890 Efektif taban madde kalınlığı

119897119890119900 Ġlave hat parccedila uzunluğu

119871119878 Basamak suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

1198711 T-Jonksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

1198712 T-Jnksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

119871119887119890119899119889 Buumlkuumlm suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

T ġerit kalınlığı

W MikroĢerit hatta Ģerit geniĢliği

ZcHattın karakteristik empedansı

vii

KISALTMA LĠSTESĠ

CAD Bilgisayar Destekli Modelleme

EM Elektromagnetik

GHz Gigahertz

MIC Mikrodalga TuumlmleĢik Devre

TEM Enine Elektrik ve manyetik alan

2

1 GİRİŞ

Koaksiyel hatlar veya diğer iletim hatlarının tuumlmuumlnde suumlreksizlik goumlzlenmektedir Duumlz ve

kesintisiz uzunluktaki bir mikroşerit hat iccedilin gerccedilek anlamda suumlrekli olduğu ve suumlreksizlik

etkilerinin goumlruumllmeyeceği soumlylenebilir Ancak laboratuar ortamında alınan bu duumlz iletim hat

parccedilaları muumlhendislik ccedilalışmaları iccedilin ccedilok uygun değildir Birccedilok kez bağlantı elemanlarına

ve jonksiyonlara (buumlkuumlm noktaları) ihtiyaccedil duyulmaktadır İletim hatlarındaki bir buumlkuumlm

genişlikteki değişim veya accedilık devre ile sonlandırma suumlreksizliğe neden olmaktadır

Yuumlksek frekanslarda suumlreksizlikler ccedilok kuumlccediluumlk kapasite ve enduumlktansların ortaya ccedilıkmasına

neden olmaktadır [2] (lt01pF ve lt01 nH) Bu kapasite ve enduumlktansların reaktansları yuumlksek

mikrodalga frekanslarında (10-20 Ghz) oumlnem kazanmaktadır Kuvvetlendirici performansları

suumlreksizlik etkisi ile değişmektedir (Bahl) Birkaccedil GHz in altındaki kuumlccediluumlk frekanslarda

suumlreksizlik etkisi ihmal edilebilmektedir Fakat 10 GHz ve uumlzerindeki frekanslarda

suumlreksizlik buumlyuumlk oumlnem kazanmaktadır Devre gereksinimlerinden dolayı ortaya ccedilıkan

başlıca suumlreksizlik tuumlrleri accedilık devre boşluk toprağa doğru kısa devre buumlkuumlm basamak T-

jonksiyonu ccedilapraz jonksiyonlar ve enine boşluklar olarak sayılabilir [2]

Filtreler karıştırıcılar ve osilatoumlr devrelerinde de birccedilok tuumlr suumlreksizliğe raslanmaktadır

Suumlreksizlik etkisine karşılık gelen kapasite ve enduumlktans elemanlarının tespit edilmesi devre

dizaynındaki ccedilalışma konularından bir tanesidir Kapasite elemanının tespit edilmesinde

kullanılan tekniklerden bazıları matris doumlnuumlşuumlm metodu varyasyon metodu spektral

domendeGalerkin metodu ve yuumlk değişimi ile hat kaynaklarının kullanımıdır

Genel olarak literatuumlrde duumlzlemsel iletim hatlarının suumlreksizlerinde iki yaklaşım

kullanılmaktadır (i) Elektromagnetik (EM) alan analiz temelli yaklaşım (ii) Eşdeğer devre

(ED) [2] temelli yaklaşım (ii)‟ deki devre parametreleri ya EM analiz sonuccedillarından ya da

deneysel sonuccedillar kullanılarak tayin edilmektedir Gerccedilekte de bir kısım araştırmacılar her bir

iletim hat tipi iccedilin analitik ccediloumlzuumlmlere dayandırılan ve ccedileşitli nuumlmerik sabitlerinin ampirik

ayarlanması ile arzu edilen doğruluğu veren formuumlller geliştirmişlerdir (Edwards) [2]

3

2 İLETİM HATLARI

Mikrodalga enerjisinin bir yerden başka bir yere iletimi tipik bir muumlhendislik problemidir

Bu iletimi gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletim hattı kaynak ile yuumlk arasında doğrudan

bağlantı sağlayan bir devre elemanıdır Boyutları ve elektriksel oumlzellikleri yayılma

(propagasyon) youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde değişmeyen iletim hatları uumlniform hat olarak

adlandırılır Eğer iletim hatlarının uccedilları kendi karakteristik empedansı ile sonlandırılırsa

maksimum enerji transferi sağlanır ve boumlyle bir iletim hattı uyumlu hat olarak adlandırılır

Alccedilak frekans devrelerindeki buumltuumln empedans elemanları toplu devre elemanlarıdır Ancak

yuumlksek frekanslarda kullanılan iletim yapıları iccedilin aynı tanım kullanılamaz Mikrodalga

frekanslarında kuumlccediluumlk iletken parccedilaları induumlktans ve iletken parccedilaları arasındaki ortam

kapasitans oumlzelliği goumlsterir [3] Bu elemanlar iletkenler boyunca dağılmış durumdadırlar ve

iletkenlerin her noktasında etkindirler Mikrodalgaların dalga boyları iletim hattının fiziksel

boyuna oranla daha kısa olduğundan dağılmış parametreler toplu parametre eşdeğeri ile

doğru olarak goumlsterilemezler Bu yuumlzden mikrodalga iletim hatları sadece dağılmış devre

teorisi yardımıyla voltaj akım ve empedans cinsinden analiz edilebilir İletim hatları ccedileşitli

şekillerde gerccedilekleştirilebilir

Guumlnuumlmuumlzdeki en genel oumlrnekleri şekil21‟de goumlsterilen paralel telli hat koaksiyel kablo

veya mikroşerit‟dir Kolaylık accedilısından devre bağlantılarını goumlstermek iccedilin pek ccedilok devre

diyagramında paralel telli iletim hattı kullanılır (Şekil22) Ancak iletim hatlarının buumltuumln

tiplerine aynı teori uygulanır[4]

Şekil (21) Genel iletim hattı yapısı

4

Şekil (22)Temel iletim hattı modelleri

21İletim Hattı Eşdeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri

Alccedilak frekans devreleri ile ccedilalışırken ccedileşitli devre elemanlarını bağlamak iccedilin kullanılan

buumltuumln hatlar uumlzerinde gerilim duumlşuumlmuuml ve hat ile birleşik empedansı olmayan (toplu

empedans devreleri) muumlkemmel iletkenden yapılmış teller olarak duumlşuumlnuumllebilir [3] Tellerin

uzunluğu işaretin dalga boyundan ccedilok daha kuumlccediluumlk olduğu suumlrece bu durum geccedilerlidir Bu

durumda her hangi bir anda aynı tel uumlzerindeki her noktada akım ve gerilim aynıdır

şekil(211)

Şekil (211) Alccedilak frekanslarda iletim hattı uumlzerindeki gerilim değerleri

5

119881119871 = 119881119866

119885119871

119885119871 + 119885119866

Şimdi bazı oumlrnekleri ele alalım Bilindiği gibi evlere sağlanan elektrik uumllkeye bağlı olarak

50 veya 60 Hz frekanslı yuumlksek guumlccedilluuml sinuumlzoidal işaretlerden oluşur Teller arasındaki

izolatoumlruumln hava (εasymp1205760) olduğu kabul edilirse 50 Hz iccedilin dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50= 6000119896119898bulunur

Bu uzunluk yaklaşık olarak Niğde-İstanbul arasındaki mesafenin 6 katı kadardır Şimdi

bunu mikrodalga boumllgesindeki bir frekans ile oumlrneğin 50 GHz ile karşılaştıracak olursak

dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50109 = 6119898119898bulunur İki uzunluk karşılaştırıldığında daha anlamlı olacaktır

şekil(212) dağılmış empedans devreleri

Yeteri kadar yuumlksek frekanslarda dalga boyunun uzunluğu ile iletim hattının

iletkenlerinin uzunluğu aynı mertebelerdedir Akım ve gerilim iletim hattının her noktasında

aynı değere sahip olamayacağından (şekil 212) hat boyunca akım ve gerilim bir dalga

olarak yayılırlar Bundan dolayı iletkenlerin empedans oumlzellikleri ihmal edilemez

6

Bilindiği gibi bir kaynağın eşdeğer devresi ideal bir AC gerilim kaynağının gerccedilek iccedil

empedansıyla seri bağlanmasından ibarettir (şekil213) Kaynak accedilık devre iken

Şekil (213)

( infin rarr L Z )

119868119894119899 = 0119881119894119899 = 119881119866 (21a)

119868119894119899 =119881119866

119885119866olur (21b)

119885119871yuumlkuuml kısa devre edilirse ( 119885119871 = 0 )

119868119894119899 =119881119866

119885119866ve119881119894119899 = 0 (21c)

Bir uniform iletim hattıyla yuumlke bağlanan bir gerilim kaynağından oluşan sistem

ccedilalışabileceğimiz en basit problemdir Bu durumda aradaki iletim hattı nedeniyle kaynaktan

goumlruumlnen empedans (ccedilok oumlzel durumlar dışında) yuumlk empedansı ile aynı değildir Sadece

119871 = 119899120582

2 (n= tam sayı iken) 119885119894119899 = 119885119871 olur

7

Şekil (214) Bir iletim hattının giriş empedansı

Şekil(215) iletim hattının giriş empedansı

Amaccedil 119885119871 yuumlk empedansı ile sonlandırılmış bir iletim hattının kaynaktan goumlruumlnen

eşdeğer empedansını bulmaktır Bunun iccedilin devre teorisi youmlntemleri kullanılabilir Bir

uniform iletim hattı boyutları ve elektriksel oumlzellikleri iletim youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde

değişmeyen başka bir deyişle sonsuz kuumlccediluumlk uzunluktaki oumlzdeş birim uzunluktaki huumlcrelerin

kaskat bağlanmış hali olarak tanımlanabilen bir dağılmış devredir Bir iletim hattını

gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletkenler belirli bir seri dirence ve induumlktansa sahiptir

8

İlave olarak iletkenler arasında bir paralel kapasitans ve hatta iletkenler arasındaki dielektrik

ortam muumlkemmel değilse bir paralel konduumlktans mevcuttur Boumlylece bir iletim hattını

dağılmış devre elemanları eşdeğeri ile ( şekil216)‟deki gibi goumlstermek muumlmkuumlnduumlr (genel

kayıplı hat modeli) Burada R L C ve G empedans parametreleri

Şekil216 Kayıplı iletim hattının dağılmış parametreli eşdeğeri

R İletim hattının birim uzunluğundaki direnccedil (Ωm)

L İletim hattının birim uzunluğundaki induumlktansı (Hm)

C İletim hattının birim uzunluğundaki kapasitansı (Fm)

G İletim hattının birim uzunluğundaki konduumlktansı (Sm)

olarak belirtmektedir

Her bir birim uzunluktaki huumlcrenin sonsuz kuumlccediluumlk uzunluğu dz olmak uumlzere dağılmış

devrenin her bir huumlcresi değeri Rdz Ldz Cdz ve Gdz olan empedans elemanlarına sahip

olacaktır (şekil 216) Eğer akım ve gerilim vasıtasıyla dağılmış devrenin bir elemanter

huumlcresinin diferansiyel davranışını belirleyebilirsek iletim hattının tamamını tanımlayan

genel bir diferansiyel denklem bulabiliriz Uzunluğu boyunca hat uniform olduğundan bunu

yapmak muumlmkuumlnduumlr Boumlylece yapmamız gereken buumltuumln iş dağılmış devrenin bir tek birim

uzunluktaki elemanterhuumlcresinde gerilim ve akımın nasıl değiştiğini bilmektir

9

22 Duumlzlemsel İletim Hatları

Duumlzlemsel iletim hattı iletken metal şeridin buumltuumlnuumlyle paralel duumlzlem iccedilinde kaldığı iletim

hattıdır En ccedilok kullanılan yapısı bir veya daha fazla paralel metal şeridin iletken yer

duumlzlemine bağlı taban maddesi uumlzerine yerleştirilmesi ile elde edilir Duumlzlemsel iletim

hatlarının en ccedilok kullanılan tuumlruuml Şekil 221 (a)‟da goumlsterilen mikroşerit hattır Mikroşerit hat

yer duumlzlemine bağlı H kalınlığındaki taban maddesi uumlzerine W genişliğinde bir iletken şerit

yerleştirilmesi ile oluşturulur İmaj teorisi kullanılarak bu iletim hattının 2H kalınlığında

taban uumlzerine birbirine zıt olarak yerleştirilmiş iki paralel iletken şerit iccedileren iletim hattı

(Şekil 221 (b)) ile eşdeğer olduğu belirlenebilir

Şekil(221)

Mikro şerit iletim hatları geniş bir alanda kullanılır ve bununda iyi bir nedeni vardır

Mikro şerit hatlar tercih sebebi olarak yeterince geniş bir banda sahiptirler Bunlar az yer

kaplayan ve ağırlıkccedila hafif devreleri oluşturulmasını sağlarlar Mikro şerit hatlar entegre

gelişmiş devre fabrikasyonu olduğundan bu zamana ekonomik uumlruumlnler haline gelmiştir ve

bu teknolojiye kolayca uyum sağlamıştır

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 6: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

v

OumlZET

Bu ccedilalıĢmada mikroĢerit iletim hat suumlreksizliklerinin eĢdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroĢerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıĢtır

Ġlk olarak mikroĢerit iletim hatlarının temel yapısı yapı malzemesi ve oluĢum mantığı

incelenmiĢtir ve daha sonra en ccedilok karĢılaĢılan beĢ suumlreksizlik tuumlruuml uumlzerinde durulmuĢtur

Ġncelenen mikroĢerit iletim hat suumlreksizlikleri accedilık devre boĢluk basamak T-jonksiyonu ve

buumlkuumlm suumlreksizlikleridir CcedilalıĢmada suumlreksizlikler eĢdeğer devre elemanları ile

modellenmiĢ analitik formuumlller ile elde edilmiĢ eĢdeğer devre parametre değerleri ile bu

suumlreksizliklerin azaltılması youmlnuumlnde teorik ccedilalıĢmalara yer verilmiĢtir

CcedilalıĢmadaki amaccedil yuumlksek frekanslarda karĢılaĢılan suumlreksizlik etkilerini azaltmak bu

suumlreksizlikler iccedilin devre modelleri uumlretmektir CcedilalıĢma esnasında ampirik formuumlllerden ccedilokccedila

yararlanılmıĢtır

CcedilalıĢma sonunda deneysel olarak bilgisayar ortamında mikroĢeritbalun tasarlanıp FDTD

analizi ve Oumllccediluumlmleri yapılmıĢtır

vi

SEMBOLLER

119862119886 MikroĢerit kapasitansı

119862119887119890119899119889 Buumlkuumlm suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119891 Accedilık devre suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119892 BoĢluk suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119901 BoĢluk suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862 119878 Basamak suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119879 T-Jonksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

120576119890119891119891 Efektif dielektrik sabiti

120576119903 Taban maddesi boyunca dielektrik sabiti

H Taban madde kalınlığı

119867119890 Efektif taban madde kalınlığı

119897119890119900 Ġlave hat parccedila uzunluğu

119871119878 Basamak suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

1198711 T-Jonksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

1198712 T-Jnksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

119871119887119890119899119889 Buumlkuumlm suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

T ġerit kalınlığı

W MikroĢerit hatta Ģerit geniĢliği

ZcHattın karakteristik empedansı

vii

KISALTMA LĠSTESĠ

CAD Bilgisayar Destekli Modelleme

EM Elektromagnetik

GHz Gigahertz

MIC Mikrodalga TuumlmleĢik Devre

TEM Enine Elektrik ve manyetik alan

2

1 GİRİŞ

Koaksiyel hatlar veya diğer iletim hatlarının tuumlmuumlnde suumlreksizlik goumlzlenmektedir Duumlz ve

kesintisiz uzunluktaki bir mikroşerit hat iccedilin gerccedilek anlamda suumlrekli olduğu ve suumlreksizlik

etkilerinin goumlruumllmeyeceği soumlylenebilir Ancak laboratuar ortamında alınan bu duumlz iletim hat

parccedilaları muumlhendislik ccedilalışmaları iccedilin ccedilok uygun değildir Birccedilok kez bağlantı elemanlarına

ve jonksiyonlara (buumlkuumlm noktaları) ihtiyaccedil duyulmaktadır İletim hatlarındaki bir buumlkuumlm

genişlikteki değişim veya accedilık devre ile sonlandırma suumlreksizliğe neden olmaktadır

Yuumlksek frekanslarda suumlreksizlikler ccedilok kuumlccediluumlk kapasite ve enduumlktansların ortaya ccedilıkmasına

neden olmaktadır [2] (lt01pF ve lt01 nH) Bu kapasite ve enduumlktansların reaktansları yuumlksek

mikrodalga frekanslarında (10-20 Ghz) oumlnem kazanmaktadır Kuvvetlendirici performansları

suumlreksizlik etkisi ile değişmektedir (Bahl) Birkaccedil GHz in altındaki kuumlccediluumlk frekanslarda

suumlreksizlik etkisi ihmal edilebilmektedir Fakat 10 GHz ve uumlzerindeki frekanslarda

suumlreksizlik buumlyuumlk oumlnem kazanmaktadır Devre gereksinimlerinden dolayı ortaya ccedilıkan

başlıca suumlreksizlik tuumlrleri accedilık devre boşluk toprağa doğru kısa devre buumlkuumlm basamak T-

jonksiyonu ccedilapraz jonksiyonlar ve enine boşluklar olarak sayılabilir [2]

Filtreler karıştırıcılar ve osilatoumlr devrelerinde de birccedilok tuumlr suumlreksizliğe raslanmaktadır

Suumlreksizlik etkisine karşılık gelen kapasite ve enduumlktans elemanlarının tespit edilmesi devre

dizaynındaki ccedilalışma konularından bir tanesidir Kapasite elemanının tespit edilmesinde

kullanılan tekniklerden bazıları matris doumlnuumlşuumlm metodu varyasyon metodu spektral

domendeGalerkin metodu ve yuumlk değişimi ile hat kaynaklarının kullanımıdır

Genel olarak literatuumlrde duumlzlemsel iletim hatlarının suumlreksizlerinde iki yaklaşım

kullanılmaktadır (i) Elektromagnetik (EM) alan analiz temelli yaklaşım (ii) Eşdeğer devre

(ED) [2] temelli yaklaşım (ii)‟ deki devre parametreleri ya EM analiz sonuccedillarından ya da

deneysel sonuccedillar kullanılarak tayin edilmektedir Gerccedilekte de bir kısım araştırmacılar her bir

iletim hat tipi iccedilin analitik ccediloumlzuumlmlere dayandırılan ve ccedileşitli nuumlmerik sabitlerinin ampirik

ayarlanması ile arzu edilen doğruluğu veren formuumlller geliştirmişlerdir (Edwards) [2]

3

2 İLETİM HATLARI

Mikrodalga enerjisinin bir yerden başka bir yere iletimi tipik bir muumlhendislik problemidir

Bu iletimi gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletim hattı kaynak ile yuumlk arasında doğrudan

bağlantı sağlayan bir devre elemanıdır Boyutları ve elektriksel oumlzellikleri yayılma

(propagasyon) youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde değişmeyen iletim hatları uumlniform hat olarak

adlandırılır Eğer iletim hatlarının uccedilları kendi karakteristik empedansı ile sonlandırılırsa

maksimum enerji transferi sağlanır ve boumlyle bir iletim hattı uyumlu hat olarak adlandırılır

Alccedilak frekans devrelerindeki buumltuumln empedans elemanları toplu devre elemanlarıdır Ancak

yuumlksek frekanslarda kullanılan iletim yapıları iccedilin aynı tanım kullanılamaz Mikrodalga

frekanslarında kuumlccediluumlk iletken parccedilaları induumlktans ve iletken parccedilaları arasındaki ortam

kapasitans oumlzelliği goumlsterir [3] Bu elemanlar iletkenler boyunca dağılmış durumdadırlar ve

iletkenlerin her noktasında etkindirler Mikrodalgaların dalga boyları iletim hattının fiziksel

boyuna oranla daha kısa olduğundan dağılmış parametreler toplu parametre eşdeğeri ile

doğru olarak goumlsterilemezler Bu yuumlzden mikrodalga iletim hatları sadece dağılmış devre

teorisi yardımıyla voltaj akım ve empedans cinsinden analiz edilebilir İletim hatları ccedileşitli

şekillerde gerccedilekleştirilebilir

Guumlnuumlmuumlzdeki en genel oumlrnekleri şekil21‟de goumlsterilen paralel telli hat koaksiyel kablo

veya mikroşerit‟dir Kolaylık accedilısından devre bağlantılarını goumlstermek iccedilin pek ccedilok devre

diyagramında paralel telli iletim hattı kullanılır (Şekil22) Ancak iletim hatlarının buumltuumln

tiplerine aynı teori uygulanır[4]

Şekil (21) Genel iletim hattı yapısı

4

Şekil (22)Temel iletim hattı modelleri

21İletim Hattı Eşdeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri

Alccedilak frekans devreleri ile ccedilalışırken ccedileşitli devre elemanlarını bağlamak iccedilin kullanılan

buumltuumln hatlar uumlzerinde gerilim duumlşuumlmuuml ve hat ile birleşik empedansı olmayan (toplu

empedans devreleri) muumlkemmel iletkenden yapılmış teller olarak duumlşuumlnuumllebilir [3] Tellerin

uzunluğu işaretin dalga boyundan ccedilok daha kuumlccediluumlk olduğu suumlrece bu durum geccedilerlidir Bu

durumda her hangi bir anda aynı tel uumlzerindeki her noktada akım ve gerilim aynıdır

şekil(211)

Şekil (211) Alccedilak frekanslarda iletim hattı uumlzerindeki gerilim değerleri

5

119881119871 = 119881119866

119885119871

119885119871 + 119885119866

Şimdi bazı oumlrnekleri ele alalım Bilindiği gibi evlere sağlanan elektrik uumllkeye bağlı olarak

50 veya 60 Hz frekanslı yuumlksek guumlccedilluuml sinuumlzoidal işaretlerden oluşur Teller arasındaki

izolatoumlruumln hava (εasymp1205760) olduğu kabul edilirse 50 Hz iccedilin dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50= 6000119896119898bulunur

Bu uzunluk yaklaşık olarak Niğde-İstanbul arasındaki mesafenin 6 katı kadardır Şimdi

bunu mikrodalga boumllgesindeki bir frekans ile oumlrneğin 50 GHz ile karşılaştıracak olursak

dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50109 = 6119898119898bulunur İki uzunluk karşılaştırıldığında daha anlamlı olacaktır

şekil(212) dağılmış empedans devreleri

Yeteri kadar yuumlksek frekanslarda dalga boyunun uzunluğu ile iletim hattının

iletkenlerinin uzunluğu aynı mertebelerdedir Akım ve gerilim iletim hattının her noktasında

aynı değere sahip olamayacağından (şekil 212) hat boyunca akım ve gerilim bir dalga

olarak yayılırlar Bundan dolayı iletkenlerin empedans oumlzellikleri ihmal edilemez

6

Bilindiği gibi bir kaynağın eşdeğer devresi ideal bir AC gerilim kaynağının gerccedilek iccedil

empedansıyla seri bağlanmasından ibarettir (şekil213) Kaynak accedilık devre iken

Şekil (213)

( infin rarr L Z )

119868119894119899 = 0119881119894119899 = 119881119866 (21a)

119868119894119899 =119881119866

119885119866olur (21b)

119885119871yuumlkuuml kısa devre edilirse ( 119885119871 = 0 )

119868119894119899 =119881119866

119885119866ve119881119894119899 = 0 (21c)

Bir uniform iletim hattıyla yuumlke bağlanan bir gerilim kaynağından oluşan sistem

ccedilalışabileceğimiz en basit problemdir Bu durumda aradaki iletim hattı nedeniyle kaynaktan

goumlruumlnen empedans (ccedilok oumlzel durumlar dışında) yuumlk empedansı ile aynı değildir Sadece

119871 = 119899120582

2 (n= tam sayı iken) 119885119894119899 = 119885119871 olur

7

Şekil (214) Bir iletim hattının giriş empedansı

Şekil(215) iletim hattının giriş empedansı

Amaccedil 119885119871 yuumlk empedansı ile sonlandırılmış bir iletim hattının kaynaktan goumlruumlnen

eşdeğer empedansını bulmaktır Bunun iccedilin devre teorisi youmlntemleri kullanılabilir Bir

uniform iletim hattı boyutları ve elektriksel oumlzellikleri iletim youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde

değişmeyen başka bir deyişle sonsuz kuumlccediluumlk uzunluktaki oumlzdeş birim uzunluktaki huumlcrelerin

kaskat bağlanmış hali olarak tanımlanabilen bir dağılmış devredir Bir iletim hattını

gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletkenler belirli bir seri dirence ve induumlktansa sahiptir

8

İlave olarak iletkenler arasında bir paralel kapasitans ve hatta iletkenler arasındaki dielektrik

ortam muumlkemmel değilse bir paralel konduumlktans mevcuttur Boumlylece bir iletim hattını

dağılmış devre elemanları eşdeğeri ile ( şekil216)‟deki gibi goumlstermek muumlmkuumlnduumlr (genel

kayıplı hat modeli) Burada R L C ve G empedans parametreleri

Şekil216 Kayıplı iletim hattının dağılmış parametreli eşdeğeri

R İletim hattının birim uzunluğundaki direnccedil (Ωm)

L İletim hattının birim uzunluğundaki induumlktansı (Hm)

C İletim hattının birim uzunluğundaki kapasitansı (Fm)

G İletim hattının birim uzunluğundaki konduumlktansı (Sm)

olarak belirtmektedir

Her bir birim uzunluktaki huumlcrenin sonsuz kuumlccediluumlk uzunluğu dz olmak uumlzere dağılmış

devrenin her bir huumlcresi değeri Rdz Ldz Cdz ve Gdz olan empedans elemanlarına sahip

olacaktır (şekil 216) Eğer akım ve gerilim vasıtasıyla dağılmış devrenin bir elemanter

huumlcresinin diferansiyel davranışını belirleyebilirsek iletim hattının tamamını tanımlayan

genel bir diferansiyel denklem bulabiliriz Uzunluğu boyunca hat uniform olduğundan bunu

yapmak muumlmkuumlnduumlr Boumlylece yapmamız gereken buumltuumln iş dağılmış devrenin bir tek birim

uzunluktaki elemanterhuumlcresinde gerilim ve akımın nasıl değiştiğini bilmektir

9

22 Duumlzlemsel İletim Hatları

Duumlzlemsel iletim hattı iletken metal şeridin buumltuumlnuumlyle paralel duumlzlem iccedilinde kaldığı iletim

hattıdır En ccedilok kullanılan yapısı bir veya daha fazla paralel metal şeridin iletken yer

duumlzlemine bağlı taban maddesi uumlzerine yerleştirilmesi ile elde edilir Duumlzlemsel iletim

hatlarının en ccedilok kullanılan tuumlruuml Şekil 221 (a)‟da goumlsterilen mikroşerit hattır Mikroşerit hat

yer duumlzlemine bağlı H kalınlığındaki taban maddesi uumlzerine W genişliğinde bir iletken şerit

yerleştirilmesi ile oluşturulur İmaj teorisi kullanılarak bu iletim hattının 2H kalınlığında

taban uumlzerine birbirine zıt olarak yerleştirilmiş iki paralel iletken şerit iccedileren iletim hattı

(Şekil 221 (b)) ile eşdeğer olduğu belirlenebilir

Şekil(221)

Mikro şerit iletim hatları geniş bir alanda kullanılır ve bununda iyi bir nedeni vardır

Mikro şerit hatlar tercih sebebi olarak yeterince geniş bir banda sahiptirler Bunlar az yer

kaplayan ve ağırlıkccedila hafif devreleri oluşturulmasını sağlarlar Mikro şerit hatlar entegre

gelişmiş devre fabrikasyonu olduğundan bu zamana ekonomik uumlruumlnler haline gelmiştir ve

bu teknolojiye kolayca uyum sağlamıştır

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 7: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

vi

SEMBOLLER

119862119886 MikroĢerit kapasitansı

119862119887119890119899119889 Buumlkuumlm suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119891 Accedilık devre suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119892 BoĢluk suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119901 BoĢluk suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862 119878 Basamak suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

119862119879 T-Jonksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer kapasite elemanı

120576119890119891119891 Efektif dielektrik sabiti

120576119903 Taban maddesi boyunca dielektrik sabiti

H Taban madde kalınlığı

119867119890 Efektif taban madde kalınlığı

119897119890119900 Ġlave hat parccedila uzunluğu

119871119878 Basamak suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

1198711 T-Jonksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

1198712 T-Jnksiyonu suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

119871119887119890119899119889 Buumlkuumlm suumlreksizliği eĢdeğer enduumlktans elemanı

T ġerit kalınlığı

W MikroĢerit hatta Ģerit geniĢliği

ZcHattın karakteristik empedansı

vii

KISALTMA LĠSTESĠ

CAD Bilgisayar Destekli Modelleme

EM Elektromagnetik

GHz Gigahertz

MIC Mikrodalga TuumlmleĢik Devre

TEM Enine Elektrik ve manyetik alan

2

1 GİRİŞ

Koaksiyel hatlar veya diğer iletim hatlarının tuumlmuumlnde suumlreksizlik goumlzlenmektedir Duumlz ve

kesintisiz uzunluktaki bir mikroşerit hat iccedilin gerccedilek anlamda suumlrekli olduğu ve suumlreksizlik

etkilerinin goumlruumllmeyeceği soumlylenebilir Ancak laboratuar ortamında alınan bu duumlz iletim hat

parccedilaları muumlhendislik ccedilalışmaları iccedilin ccedilok uygun değildir Birccedilok kez bağlantı elemanlarına

ve jonksiyonlara (buumlkuumlm noktaları) ihtiyaccedil duyulmaktadır İletim hatlarındaki bir buumlkuumlm

genişlikteki değişim veya accedilık devre ile sonlandırma suumlreksizliğe neden olmaktadır

Yuumlksek frekanslarda suumlreksizlikler ccedilok kuumlccediluumlk kapasite ve enduumlktansların ortaya ccedilıkmasına

neden olmaktadır [2] (lt01pF ve lt01 nH) Bu kapasite ve enduumlktansların reaktansları yuumlksek

mikrodalga frekanslarında (10-20 Ghz) oumlnem kazanmaktadır Kuvvetlendirici performansları

suumlreksizlik etkisi ile değişmektedir (Bahl) Birkaccedil GHz in altındaki kuumlccediluumlk frekanslarda

suumlreksizlik etkisi ihmal edilebilmektedir Fakat 10 GHz ve uumlzerindeki frekanslarda

suumlreksizlik buumlyuumlk oumlnem kazanmaktadır Devre gereksinimlerinden dolayı ortaya ccedilıkan

başlıca suumlreksizlik tuumlrleri accedilık devre boşluk toprağa doğru kısa devre buumlkuumlm basamak T-

jonksiyonu ccedilapraz jonksiyonlar ve enine boşluklar olarak sayılabilir [2]

Filtreler karıştırıcılar ve osilatoumlr devrelerinde de birccedilok tuumlr suumlreksizliğe raslanmaktadır

Suumlreksizlik etkisine karşılık gelen kapasite ve enduumlktans elemanlarının tespit edilmesi devre

dizaynındaki ccedilalışma konularından bir tanesidir Kapasite elemanının tespit edilmesinde

kullanılan tekniklerden bazıları matris doumlnuumlşuumlm metodu varyasyon metodu spektral

domendeGalerkin metodu ve yuumlk değişimi ile hat kaynaklarının kullanımıdır

Genel olarak literatuumlrde duumlzlemsel iletim hatlarının suumlreksizlerinde iki yaklaşım

kullanılmaktadır (i) Elektromagnetik (EM) alan analiz temelli yaklaşım (ii) Eşdeğer devre

(ED) [2] temelli yaklaşım (ii)‟ deki devre parametreleri ya EM analiz sonuccedillarından ya da

deneysel sonuccedillar kullanılarak tayin edilmektedir Gerccedilekte de bir kısım araştırmacılar her bir

iletim hat tipi iccedilin analitik ccediloumlzuumlmlere dayandırılan ve ccedileşitli nuumlmerik sabitlerinin ampirik

ayarlanması ile arzu edilen doğruluğu veren formuumlller geliştirmişlerdir (Edwards) [2]

3

2 İLETİM HATLARI

Mikrodalga enerjisinin bir yerden başka bir yere iletimi tipik bir muumlhendislik problemidir

Bu iletimi gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletim hattı kaynak ile yuumlk arasında doğrudan

bağlantı sağlayan bir devre elemanıdır Boyutları ve elektriksel oumlzellikleri yayılma

(propagasyon) youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde değişmeyen iletim hatları uumlniform hat olarak

adlandırılır Eğer iletim hatlarının uccedilları kendi karakteristik empedansı ile sonlandırılırsa

maksimum enerji transferi sağlanır ve boumlyle bir iletim hattı uyumlu hat olarak adlandırılır

Alccedilak frekans devrelerindeki buumltuumln empedans elemanları toplu devre elemanlarıdır Ancak

yuumlksek frekanslarda kullanılan iletim yapıları iccedilin aynı tanım kullanılamaz Mikrodalga

frekanslarında kuumlccediluumlk iletken parccedilaları induumlktans ve iletken parccedilaları arasındaki ortam

kapasitans oumlzelliği goumlsterir [3] Bu elemanlar iletkenler boyunca dağılmış durumdadırlar ve

iletkenlerin her noktasında etkindirler Mikrodalgaların dalga boyları iletim hattının fiziksel

boyuna oranla daha kısa olduğundan dağılmış parametreler toplu parametre eşdeğeri ile

doğru olarak goumlsterilemezler Bu yuumlzden mikrodalga iletim hatları sadece dağılmış devre

teorisi yardımıyla voltaj akım ve empedans cinsinden analiz edilebilir İletim hatları ccedileşitli

şekillerde gerccedilekleştirilebilir

Guumlnuumlmuumlzdeki en genel oumlrnekleri şekil21‟de goumlsterilen paralel telli hat koaksiyel kablo

veya mikroşerit‟dir Kolaylık accedilısından devre bağlantılarını goumlstermek iccedilin pek ccedilok devre

diyagramında paralel telli iletim hattı kullanılır (Şekil22) Ancak iletim hatlarının buumltuumln

tiplerine aynı teori uygulanır[4]

Şekil (21) Genel iletim hattı yapısı

4

Şekil (22)Temel iletim hattı modelleri

21İletim Hattı Eşdeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri

Alccedilak frekans devreleri ile ccedilalışırken ccedileşitli devre elemanlarını bağlamak iccedilin kullanılan

buumltuumln hatlar uumlzerinde gerilim duumlşuumlmuuml ve hat ile birleşik empedansı olmayan (toplu

empedans devreleri) muumlkemmel iletkenden yapılmış teller olarak duumlşuumlnuumllebilir [3] Tellerin

uzunluğu işaretin dalga boyundan ccedilok daha kuumlccediluumlk olduğu suumlrece bu durum geccedilerlidir Bu

durumda her hangi bir anda aynı tel uumlzerindeki her noktada akım ve gerilim aynıdır

şekil(211)

Şekil (211) Alccedilak frekanslarda iletim hattı uumlzerindeki gerilim değerleri

5

119881119871 = 119881119866

119885119871

119885119871 + 119885119866

Şimdi bazı oumlrnekleri ele alalım Bilindiği gibi evlere sağlanan elektrik uumllkeye bağlı olarak

50 veya 60 Hz frekanslı yuumlksek guumlccedilluuml sinuumlzoidal işaretlerden oluşur Teller arasındaki

izolatoumlruumln hava (εasymp1205760) olduğu kabul edilirse 50 Hz iccedilin dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50= 6000119896119898bulunur

Bu uzunluk yaklaşık olarak Niğde-İstanbul arasındaki mesafenin 6 katı kadardır Şimdi

bunu mikrodalga boumllgesindeki bir frekans ile oumlrneğin 50 GHz ile karşılaştıracak olursak

dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50109 = 6119898119898bulunur İki uzunluk karşılaştırıldığında daha anlamlı olacaktır

şekil(212) dağılmış empedans devreleri

Yeteri kadar yuumlksek frekanslarda dalga boyunun uzunluğu ile iletim hattının

iletkenlerinin uzunluğu aynı mertebelerdedir Akım ve gerilim iletim hattının her noktasında

aynı değere sahip olamayacağından (şekil 212) hat boyunca akım ve gerilim bir dalga

olarak yayılırlar Bundan dolayı iletkenlerin empedans oumlzellikleri ihmal edilemez

6

Bilindiği gibi bir kaynağın eşdeğer devresi ideal bir AC gerilim kaynağının gerccedilek iccedil

empedansıyla seri bağlanmasından ibarettir (şekil213) Kaynak accedilık devre iken

Şekil (213)

( infin rarr L Z )

119868119894119899 = 0119881119894119899 = 119881119866 (21a)

119868119894119899 =119881119866

119885119866olur (21b)

119885119871yuumlkuuml kısa devre edilirse ( 119885119871 = 0 )

119868119894119899 =119881119866

119885119866ve119881119894119899 = 0 (21c)

Bir uniform iletim hattıyla yuumlke bağlanan bir gerilim kaynağından oluşan sistem

ccedilalışabileceğimiz en basit problemdir Bu durumda aradaki iletim hattı nedeniyle kaynaktan

goumlruumlnen empedans (ccedilok oumlzel durumlar dışında) yuumlk empedansı ile aynı değildir Sadece

119871 = 119899120582

2 (n= tam sayı iken) 119885119894119899 = 119885119871 olur

7

Şekil (214) Bir iletim hattının giriş empedansı

Şekil(215) iletim hattının giriş empedansı

Amaccedil 119885119871 yuumlk empedansı ile sonlandırılmış bir iletim hattının kaynaktan goumlruumlnen

eşdeğer empedansını bulmaktır Bunun iccedilin devre teorisi youmlntemleri kullanılabilir Bir

uniform iletim hattı boyutları ve elektriksel oumlzellikleri iletim youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde

değişmeyen başka bir deyişle sonsuz kuumlccediluumlk uzunluktaki oumlzdeş birim uzunluktaki huumlcrelerin

kaskat bağlanmış hali olarak tanımlanabilen bir dağılmış devredir Bir iletim hattını

gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletkenler belirli bir seri dirence ve induumlktansa sahiptir

8

İlave olarak iletkenler arasında bir paralel kapasitans ve hatta iletkenler arasındaki dielektrik

ortam muumlkemmel değilse bir paralel konduumlktans mevcuttur Boumlylece bir iletim hattını

dağılmış devre elemanları eşdeğeri ile ( şekil216)‟deki gibi goumlstermek muumlmkuumlnduumlr (genel

kayıplı hat modeli) Burada R L C ve G empedans parametreleri

Şekil216 Kayıplı iletim hattının dağılmış parametreli eşdeğeri

R İletim hattının birim uzunluğundaki direnccedil (Ωm)

L İletim hattının birim uzunluğundaki induumlktansı (Hm)

C İletim hattının birim uzunluğundaki kapasitansı (Fm)

G İletim hattının birim uzunluğundaki konduumlktansı (Sm)

olarak belirtmektedir

Her bir birim uzunluktaki huumlcrenin sonsuz kuumlccediluumlk uzunluğu dz olmak uumlzere dağılmış

devrenin her bir huumlcresi değeri Rdz Ldz Cdz ve Gdz olan empedans elemanlarına sahip

olacaktır (şekil 216) Eğer akım ve gerilim vasıtasıyla dağılmış devrenin bir elemanter

huumlcresinin diferansiyel davranışını belirleyebilirsek iletim hattının tamamını tanımlayan

genel bir diferansiyel denklem bulabiliriz Uzunluğu boyunca hat uniform olduğundan bunu

yapmak muumlmkuumlnduumlr Boumlylece yapmamız gereken buumltuumln iş dağılmış devrenin bir tek birim

uzunluktaki elemanterhuumlcresinde gerilim ve akımın nasıl değiştiğini bilmektir

9

22 Duumlzlemsel İletim Hatları

Duumlzlemsel iletim hattı iletken metal şeridin buumltuumlnuumlyle paralel duumlzlem iccedilinde kaldığı iletim

hattıdır En ccedilok kullanılan yapısı bir veya daha fazla paralel metal şeridin iletken yer

duumlzlemine bağlı taban maddesi uumlzerine yerleştirilmesi ile elde edilir Duumlzlemsel iletim

hatlarının en ccedilok kullanılan tuumlruuml Şekil 221 (a)‟da goumlsterilen mikroşerit hattır Mikroşerit hat

yer duumlzlemine bağlı H kalınlığındaki taban maddesi uumlzerine W genişliğinde bir iletken şerit

yerleştirilmesi ile oluşturulur İmaj teorisi kullanılarak bu iletim hattının 2H kalınlığında

taban uumlzerine birbirine zıt olarak yerleştirilmiş iki paralel iletken şerit iccedileren iletim hattı

(Şekil 221 (b)) ile eşdeğer olduğu belirlenebilir

Şekil(221)

Mikro şerit iletim hatları geniş bir alanda kullanılır ve bununda iyi bir nedeni vardır

Mikro şerit hatlar tercih sebebi olarak yeterince geniş bir banda sahiptirler Bunlar az yer

kaplayan ve ağırlıkccedila hafif devreleri oluşturulmasını sağlarlar Mikro şerit hatlar entegre

gelişmiş devre fabrikasyonu olduğundan bu zamana ekonomik uumlruumlnler haline gelmiştir ve

bu teknolojiye kolayca uyum sağlamıştır

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 8: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

vii

KISALTMA LĠSTESĠ

CAD Bilgisayar Destekli Modelleme

EM Elektromagnetik

GHz Gigahertz

MIC Mikrodalga TuumlmleĢik Devre

TEM Enine Elektrik ve manyetik alan

2

1 GİRİŞ

Koaksiyel hatlar veya diğer iletim hatlarının tuumlmuumlnde suumlreksizlik goumlzlenmektedir Duumlz ve

kesintisiz uzunluktaki bir mikroşerit hat iccedilin gerccedilek anlamda suumlrekli olduğu ve suumlreksizlik

etkilerinin goumlruumllmeyeceği soumlylenebilir Ancak laboratuar ortamında alınan bu duumlz iletim hat

parccedilaları muumlhendislik ccedilalışmaları iccedilin ccedilok uygun değildir Birccedilok kez bağlantı elemanlarına

ve jonksiyonlara (buumlkuumlm noktaları) ihtiyaccedil duyulmaktadır İletim hatlarındaki bir buumlkuumlm

genişlikteki değişim veya accedilık devre ile sonlandırma suumlreksizliğe neden olmaktadır

Yuumlksek frekanslarda suumlreksizlikler ccedilok kuumlccediluumlk kapasite ve enduumlktansların ortaya ccedilıkmasına

neden olmaktadır [2] (lt01pF ve lt01 nH) Bu kapasite ve enduumlktansların reaktansları yuumlksek

mikrodalga frekanslarında (10-20 Ghz) oumlnem kazanmaktadır Kuvvetlendirici performansları

suumlreksizlik etkisi ile değişmektedir (Bahl) Birkaccedil GHz in altındaki kuumlccediluumlk frekanslarda

suumlreksizlik etkisi ihmal edilebilmektedir Fakat 10 GHz ve uumlzerindeki frekanslarda

suumlreksizlik buumlyuumlk oumlnem kazanmaktadır Devre gereksinimlerinden dolayı ortaya ccedilıkan

başlıca suumlreksizlik tuumlrleri accedilık devre boşluk toprağa doğru kısa devre buumlkuumlm basamak T-

jonksiyonu ccedilapraz jonksiyonlar ve enine boşluklar olarak sayılabilir [2]

Filtreler karıştırıcılar ve osilatoumlr devrelerinde de birccedilok tuumlr suumlreksizliğe raslanmaktadır

Suumlreksizlik etkisine karşılık gelen kapasite ve enduumlktans elemanlarının tespit edilmesi devre

dizaynındaki ccedilalışma konularından bir tanesidir Kapasite elemanının tespit edilmesinde

kullanılan tekniklerden bazıları matris doumlnuumlşuumlm metodu varyasyon metodu spektral

domendeGalerkin metodu ve yuumlk değişimi ile hat kaynaklarının kullanımıdır

Genel olarak literatuumlrde duumlzlemsel iletim hatlarının suumlreksizlerinde iki yaklaşım

kullanılmaktadır (i) Elektromagnetik (EM) alan analiz temelli yaklaşım (ii) Eşdeğer devre

(ED) [2] temelli yaklaşım (ii)‟ deki devre parametreleri ya EM analiz sonuccedillarından ya da

deneysel sonuccedillar kullanılarak tayin edilmektedir Gerccedilekte de bir kısım araştırmacılar her bir

iletim hat tipi iccedilin analitik ccediloumlzuumlmlere dayandırılan ve ccedileşitli nuumlmerik sabitlerinin ampirik

ayarlanması ile arzu edilen doğruluğu veren formuumlller geliştirmişlerdir (Edwards) [2]

3

2 İLETİM HATLARI

Mikrodalga enerjisinin bir yerden başka bir yere iletimi tipik bir muumlhendislik problemidir

Bu iletimi gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletim hattı kaynak ile yuumlk arasında doğrudan

bağlantı sağlayan bir devre elemanıdır Boyutları ve elektriksel oumlzellikleri yayılma

(propagasyon) youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde değişmeyen iletim hatları uumlniform hat olarak

adlandırılır Eğer iletim hatlarının uccedilları kendi karakteristik empedansı ile sonlandırılırsa

maksimum enerji transferi sağlanır ve boumlyle bir iletim hattı uyumlu hat olarak adlandırılır

Alccedilak frekans devrelerindeki buumltuumln empedans elemanları toplu devre elemanlarıdır Ancak

yuumlksek frekanslarda kullanılan iletim yapıları iccedilin aynı tanım kullanılamaz Mikrodalga

frekanslarında kuumlccediluumlk iletken parccedilaları induumlktans ve iletken parccedilaları arasındaki ortam

kapasitans oumlzelliği goumlsterir [3] Bu elemanlar iletkenler boyunca dağılmış durumdadırlar ve

iletkenlerin her noktasında etkindirler Mikrodalgaların dalga boyları iletim hattının fiziksel

boyuna oranla daha kısa olduğundan dağılmış parametreler toplu parametre eşdeğeri ile

doğru olarak goumlsterilemezler Bu yuumlzden mikrodalga iletim hatları sadece dağılmış devre

teorisi yardımıyla voltaj akım ve empedans cinsinden analiz edilebilir İletim hatları ccedileşitli

şekillerde gerccedilekleştirilebilir

Guumlnuumlmuumlzdeki en genel oumlrnekleri şekil21‟de goumlsterilen paralel telli hat koaksiyel kablo

veya mikroşerit‟dir Kolaylık accedilısından devre bağlantılarını goumlstermek iccedilin pek ccedilok devre

diyagramında paralel telli iletim hattı kullanılır (Şekil22) Ancak iletim hatlarının buumltuumln

tiplerine aynı teori uygulanır[4]

Şekil (21) Genel iletim hattı yapısı

4

Şekil (22)Temel iletim hattı modelleri

21İletim Hattı Eşdeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri

Alccedilak frekans devreleri ile ccedilalışırken ccedileşitli devre elemanlarını bağlamak iccedilin kullanılan

buumltuumln hatlar uumlzerinde gerilim duumlşuumlmuuml ve hat ile birleşik empedansı olmayan (toplu

empedans devreleri) muumlkemmel iletkenden yapılmış teller olarak duumlşuumlnuumllebilir [3] Tellerin

uzunluğu işaretin dalga boyundan ccedilok daha kuumlccediluumlk olduğu suumlrece bu durum geccedilerlidir Bu

durumda her hangi bir anda aynı tel uumlzerindeki her noktada akım ve gerilim aynıdır

şekil(211)

Şekil (211) Alccedilak frekanslarda iletim hattı uumlzerindeki gerilim değerleri

5

119881119871 = 119881119866

119885119871

119885119871 + 119885119866

Şimdi bazı oumlrnekleri ele alalım Bilindiği gibi evlere sağlanan elektrik uumllkeye bağlı olarak

50 veya 60 Hz frekanslı yuumlksek guumlccedilluuml sinuumlzoidal işaretlerden oluşur Teller arasındaki

izolatoumlruumln hava (εasymp1205760) olduğu kabul edilirse 50 Hz iccedilin dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50= 6000119896119898bulunur

Bu uzunluk yaklaşık olarak Niğde-İstanbul arasındaki mesafenin 6 katı kadardır Şimdi

bunu mikrodalga boumllgesindeki bir frekans ile oumlrneğin 50 GHz ile karşılaştıracak olursak

dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50109 = 6119898119898bulunur İki uzunluk karşılaştırıldığında daha anlamlı olacaktır

şekil(212) dağılmış empedans devreleri

Yeteri kadar yuumlksek frekanslarda dalga boyunun uzunluğu ile iletim hattının

iletkenlerinin uzunluğu aynı mertebelerdedir Akım ve gerilim iletim hattının her noktasında

aynı değere sahip olamayacağından (şekil 212) hat boyunca akım ve gerilim bir dalga

olarak yayılırlar Bundan dolayı iletkenlerin empedans oumlzellikleri ihmal edilemez

6

Bilindiği gibi bir kaynağın eşdeğer devresi ideal bir AC gerilim kaynağının gerccedilek iccedil

empedansıyla seri bağlanmasından ibarettir (şekil213) Kaynak accedilık devre iken

Şekil (213)

( infin rarr L Z )

119868119894119899 = 0119881119894119899 = 119881119866 (21a)

119868119894119899 =119881119866

119885119866olur (21b)

119885119871yuumlkuuml kısa devre edilirse ( 119885119871 = 0 )

119868119894119899 =119881119866

119885119866ve119881119894119899 = 0 (21c)

Bir uniform iletim hattıyla yuumlke bağlanan bir gerilim kaynağından oluşan sistem

ccedilalışabileceğimiz en basit problemdir Bu durumda aradaki iletim hattı nedeniyle kaynaktan

goumlruumlnen empedans (ccedilok oumlzel durumlar dışında) yuumlk empedansı ile aynı değildir Sadece

119871 = 119899120582

2 (n= tam sayı iken) 119885119894119899 = 119885119871 olur

7

Şekil (214) Bir iletim hattının giriş empedansı

Şekil(215) iletim hattının giriş empedansı

Amaccedil 119885119871 yuumlk empedansı ile sonlandırılmış bir iletim hattının kaynaktan goumlruumlnen

eşdeğer empedansını bulmaktır Bunun iccedilin devre teorisi youmlntemleri kullanılabilir Bir

uniform iletim hattı boyutları ve elektriksel oumlzellikleri iletim youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde

değişmeyen başka bir deyişle sonsuz kuumlccediluumlk uzunluktaki oumlzdeş birim uzunluktaki huumlcrelerin

kaskat bağlanmış hali olarak tanımlanabilen bir dağılmış devredir Bir iletim hattını

gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletkenler belirli bir seri dirence ve induumlktansa sahiptir

8

İlave olarak iletkenler arasında bir paralel kapasitans ve hatta iletkenler arasındaki dielektrik

ortam muumlkemmel değilse bir paralel konduumlktans mevcuttur Boumlylece bir iletim hattını

dağılmış devre elemanları eşdeğeri ile ( şekil216)‟deki gibi goumlstermek muumlmkuumlnduumlr (genel

kayıplı hat modeli) Burada R L C ve G empedans parametreleri

Şekil216 Kayıplı iletim hattının dağılmış parametreli eşdeğeri

R İletim hattının birim uzunluğundaki direnccedil (Ωm)

L İletim hattının birim uzunluğundaki induumlktansı (Hm)

C İletim hattının birim uzunluğundaki kapasitansı (Fm)

G İletim hattının birim uzunluğundaki konduumlktansı (Sm)

olarak belirtmektedir

Her bir birim uzunluktaki huumlcrenin sonsuz kuumlccediluumlk uzunluğu dz olmak uumlzere dağılmış

devrenin her bir huumlcresi değeri Rdz Ldz Cdz ve Gdz olan empedans elemanlarına sahip

olacaktır (şekil 216) Eğer akım ve gerilim vasıtasıyla dağılmış devrenin bir elemanter

huumlcresinin diferansiyel davranışını belirleyebilirsek iletim hattının tamamını tanımlayan

genel bir diferansiyel denklem bulabiliriz Uzunluğu boyunca hat uniform olduğundan bunu

yapmak muumlmkuumlnduumlr Boumlylece yapmamız gereken buumltuumln iş dağılmış devrenin bir tek birim

uzunluktaki elemanterhuumlcresinde gerilim ve akımın nasıl değiştiğini bilmektir

9

22 Duumlzlemsel İletim Hatları

Duumlzlemsel iletim hattı iletken metal şeridin buumltuumlnuumlyle paralel duumlzlem iccedilinde kaldığı iletim

hattıdır En ccedilok kullanılan yapısı bir veya daha fazla paralel metal şeridin iletken yer

duumlzlemine bağlı taban maddesi uumlzerine yerleştirilmesi ile elde edilir Duumlzlemsel iletim

hatlarının en ccedilok kullanılan tuumlruuml Şekil 221 (a)‟da goumlsterilen mikroşerit hattır Mikroşerit hat

yer duumlzlemine bağlı H kalınlığındaki taban maddesi uumlzerine W genişliğinde bir iletken şerit

yerleştirilmesi ile oluşturulur İmaj teorisi kullanılarak bu iletim hattının 2H kalınlığında

taban uumlzerine birbirine zıt olarak yerleştirilmiş iki paralel iletken şerit iccedileren iletim hattı

(Şekil 221 (b)) ile eşdeğer olduğu belirlenebilir

Şekil(221)

Mikro şerit iletim hatları geniş bir alanda kullanılır ve bununda iyi bir nedeni vardır

Mikro şerit hatlar tercih sebebi olarak yeterince geniş bir banda sahiptirler Bunlar az yer

kaplayan ve ağırlıkccedila hafif devreleri oluşturulmasını sağlarlar Mikro şerit hatlar entegre

gelişmiş devre fabrikasyonu olduğundan bu zamana ekonomik uumlruumlnler haline gelmiştir ve

bu teknolojiye kolayca uyum sağlamıştır

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 9: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

2

1 GİRİŞ

Koaksiyel hatlar veya diğer iletim hatlarının tuumlmuumlnde suumlreksizlik goumlzlenmektedir Duumlz ve

kesintisiz uzunluktaki bir mikroşerit hat iccedilin gerccedilek anlamda suumlrekli olduğu ve suumlreksizlik

etkilerinin goumlruumllmeyeceği soumlylenebilir Ancak laboratuar ortamında alınan bu duumlz iletim hat

parccedilaları muumlhendislik ccedilalışmaları iccedilin ccedilok uygun değildir Birccedilok kez bağlantı elemanlarına

ve jonksiyonlara (buumlkuumlm noktaları) ihtiyaccedil duyulmaktadır İletim hatlarındaki bir buumlkuumlm

genişlikteki değişim veya accedilık devre ile sonlandırma suumlreksizliğe neden olmaktadır

Yuumlksek frekanslarda suumlreksizlikler ccedilok kuumlccediluumlk kapasite ve enduumlktansların ortaya ccedilıkmasına

neden olmaktadır [2] (lt01pF ve lt01 nH) Bu kapasite ve enduumlktansların reaktansları yuumlksek

mikrodalga frekanslarında (10-20 Ghz) oumlnem kazanmaktadır Kuvvetlendirici performansları

suumlreksizlik etkisi ile değişmektedir (Bahl) Birkaccedil GHz in altındaki kuumlccediluumlk frekanslarda

suumlreksizlik etkisi ihmal edilebilmektedir Fakat 10 GHz ve uumlzerindeki frekanslarda

suumlreksizlik buumlyuumlk oumlnem kazanmaktadır Devre gereksinimlerinden dolayı ortaya ccedilıkan

başlıca suumlreksizlik tuumlrleri accedilık devre boşluk toprağa doğru kısa devre buumlkuumlm basamak T-

jonksiyonu ccedilapraz jonksiyonlar ve enine boşluklar olarak sayılabilir [2]

Filtreler karıştırıcılar ve osilatoumlr devrelerinde de birccedilok tuumlr suumlreksizliğe raslanmaktadır

Suumlreksizlik etkisine karşılık gelen kapasite ve enduumlktans elemanlarının tespit edilmesi devre

dizaynındaki ccedilalışma konularından bir tanesidir Kapasite elemanının tespit edilmesinde

kullanılan tekniklerden bazıları matris doumlnuumlşuumlm metodu varyasyon metodu spektral

domendeGalerkin metodu ve yuumlk değişimi ile hat kaynaklarının kullanımıdır

Genel olarak literatuumlrde duumlzlemsel iletim hatlarının suumlreksizlerinde iki yaklaşım

kullanılmaktadır (i) Elektromagnetik (EM) alan analiz temelli yaklaşım (ii) Eşdeğer devre

(ED) [2] temelli yaklaşım (ii)‟ deki devre parametreleri ya EM analiz sonuccedillarından ya da

deneysel sonuccedillar kullanılarak tayin edilmektedir Gerccedilekte de bir kısım araştırmacılar her bir

iletim hat tipi iccedilin analitik ccediloumlzuumlmlere dayandırılan ve ccedileşitli nuumlmerik sabitlerinin ampirik

ayarlanması ile arzu edilen doğruluğu veren formuumlller geliştirmişlerdir (Edwards) [2]

3

2 İLETİM HATLARI

Mikrodalga enerjisinin bir yerden başka bir yere iletimi tipik bir muumlhendislik problemidir

Bu iletimi gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletim hattı kaynak ile yuumlk arasında doğrudan

bağlantı sağlayan bir devre elemanıdır Boyutları ve elektriksel oumlzellikleri yayılma

(propagasyon) youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde değişmeyen iletim hatları uumlniform hat olarak

adlandırılır Eğer iletim hatlarının uccedilları kendi karakteristik empedansı ile sonlandırılırsa

maksimum enerji transferi sağlanır ve boumlyle bir iletim hattı uyumlu hat olarak adlandırılır

Alccedilak frekans devrelerindeki buumltuumln empedans elemanları toplu devre elemanlarıdır Ancak

yuumlksek frekanslarda kullanılan iletim yapıları iccedilin aynı tanım kullanılamaz Mikrodalga

frekanslarında kuumlccediluumlk iletken parccedilaları induumlktans ve iletken parccedilaları arasındaki ortam

kapasitans oumlzelliği goumlsterir [3] Bu elemanlar iletkenler boyunca dağılmış durumdadırlar ve

iletkenlerin her noktasında etkindirler Mikrodalgaların dalga boyları iletim hattının fiziksel

boyuna oranla daha kısa olduğundan dağılmış parametreler toplu parametre eşdeğeri ile

doğru olarak goumlsterilemezler Bu yuumlzden mikrodalga iletim hatları sadece dağılmış devre

teorisi yardımıyla voltaj akım ve empedans cinsinden analiz edilebilir İletim hatları ccedileşitli

şekillerde gerccedilekleştirilebilir

Guumlnuumlmuumlzdeki en genel oumlrnekleri şekil21‟de goumlsterilen paralel telli hat koaksiyel kablo

veya mikroşerit‟dir Kolaylık accedilısından devre bağlantılarını goumlstermek iccedilin pek ccedilok devre

diyagramında paralel telli iletim hattı kullanılır (Şekil22) Ancak iletim hatlarının buumltuumln

tiplerine aynı teori uygulanır[4]

Şekil (21) Genel iletim hattı yapısı

4

Şekil (22)Temel iletim hattı modelleri

21İletim Hattı Eşdeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri

Alccedilak frekans devreleri ile ccedilalışırken ccedileşitli devre elemanlarını bağlamak iccedilin kullanılan

buumltuumln hatlar uumlzerinde gerilim duumlşuumlmuuml ve hat ile birleşik empedansı olmayan (toplu

empedans devreleri) muumlkemmel iletkenden yapılmış teller olarak duumlşuumlnuumllebilir [3] Tellerin

uzunluğu işaretin dalga boyundan ccedilok daha kuumlccediluumlk olduğu suumlrece bu durum geccedilerlidir Bu

durumda her hangi bir anda aynı tel uumlzerindeki her noktada akım ve gerilim aynıdır

şekil(211)

Şekil (211) Alccedilak frekanslarda iletim hattı uumlzerindeki gerilim değerleri

5

119881119871 = 119881119866

119885119871

119885119871 + 119885119866

Şimdi bazı oumlrnekleri ele alalım Bilindiği gibi evlere sağlanan elektrik uumllkeye bağlı olarak

50 veya 60 Hz frekanslı yuumlksek guumlccedilluuml sinuumlzoidal işaretlerden oluşur Teller arasındaki

izolatoumlruumln hava (εasymp1205760) olduğu kabul edilirse 50 Hz iccedilin dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50= 6000119896119898bulunur

Bu uzunluk yaklaşık olarak Niğde-İstanbul arasındaki mesafenin 6 katı kadardır Şimdi

bunu mikrodalga boumllgesindeki bir frekans ile oumlrneğin 50 GHz ile karşılaştıracak olursak

dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50109 = 6119898119898bulunur İki uzunluk karşılaştırıldığında daha anlamlı olacaktır

şekil(212) dağılmış empedans devreleri

Yeteri kadar yuumlksek frekanslarda dalga boyunun uzunluğu ile iletim hattının

iletkenlerinin uzunluğu aynı mertebelerdedir Akım ve gerilim iletim hattının her noktasında

aynı değere sahip olamayacağından (şekil 212) hat boyunca akım ve gerilim bir dalga

olarak yayılırlar Bundan dolayı iletkenlerin empedans oumlzellikleri ihmal edilemez

6

Bilindiği gibi bir kaynağın eşdeğer devresi ideal bir AC gerilim kaynağının gerccedilek iccedil

empedansıyla seri bağlanmasından ibarettir (şekil213) Kaynak accedilık devre iken

Şekil (213)

( infin rarr L Z )

119868119894119899 = 0119881119894119899 = 119881119866 (21a)

119868119894119899 =119881119866

119885119866olur (21b)

119885119871yuumlkuuml kısa devre edilirse ( 119885119871 = 0 )

119868119894119899 =119881119866

119885119866ve119881119894119899 = 0 (21c)

Bir uniform iletim hattıyla yuumlke bağlanan bir gerilim kaynağından oluşan sistem

ccedilalışabileceğimiz en basit problemdir Bu durumda aradaki iletim hattı nedeniyle kaynaktan

goumlruumlnen empedans (ccedilok oumlzel durumlar dışında) yuumlk empedansı ile aynı değildir Sadece

119871 = 119899120582

2 (n= tam sayı iken) 119885119894119899 = 119885119871 olur

7

Şekil (214) Bir iletim hattının giriş empedansı

Şekil(215) iletim hattının giriş empedansı

Amaccedil 119885119871 yuumlk empedansı ile sonlandırılmış bir iletim hattının kaynaktan goumlruumlnen

eşdeğer empedansını bulmaktır Bunun iccedilin devre teorisi youmlntemleri kullanılabilir Bir

uniform iletim hattı boyutları ve elektriksel oumlzellikleri iletim youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde

değişmeyen başka bir deyişle sonsuz kuumlccediluumlk uzunluktaki oumlzdeş birim uzunluktaki huumlcrelerin

kaskat bağlanmış hali olarak tanımlanabilen bir dağılmış devredir Bir iletim hattını

gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletkenler belirli bir seri dirence ve induumlktansa sahiptir

8

İlave olarak iletkenler arasında bir paralel kapasitans ve hatta iletkenler arasındaki dielektrik

ortam muumlkemmel değilse bir paralel konduumlktans mevcuttur Boumlylece bir iletim hattını

dağılmış devre elemanları eşdeğeri ile ( şekil216)‟deki gibi goumlstermek muumlmkuumlnduumlr (genel

kayıplı hat modeli) Burada R L C ve G empedans parametreleri

Şekil216 Kayıplı iletim hattının dağılmış parametreli eşdeğeri

R İletim hattının birim uzunluğundaki direnccedil (Ωm)

L İletim hattının birim uzunluğundaki induumlktansı (Hm)

C İletim hattının birim uzunluğundaki kapasitansı (Fm)

G İletim hattının birim uzunluğundaki konduumlktansı (Sm)

olarak belirtmektedir

Her bir birim uzunluktaki huumlcrenin sonsuz kuumlccediluumlk uzunluğu dz olmak uumlzere dağılmış

devrenin her bir huumlcresi değeri Rdz Ldz Cdz ve Gdz olan empedans elemanlarına sahip

olacaktır (şekil 216) Eğer akım ve gerilim vasıtasıyla dağılmış devrenin bir elemanter

huumlcresinin diferansiyel davranışını belirleyebilirsek iletim hattının tamamını tanımlayan

genel bir diferansiyel denklem bulabiliriz Uzunluğu boyunca hat uniform olduğundan bunu

yapmak muumlmkuumlnduumlr Boumlylece yapmamız gereken buumltuumln iş dağılmış devrenin bir tek birim

uzunluktaki elemanterhuumlcresinde gerilim ve akımın nasıl değiştiğini bilmektir

9

22 Duumlzlemsel İletim Hatları

Duumlzlemsel iletim hattı iletken metal şeridin buumltuumlnuumlyle paralel duumlzlem iccedilinde kaldığı iletim

hattıdır En ccedilok kullanılan yapısı bir veya daha fazla paralel metal şeridin iletken yer

duumlzlemine bağlı taban maddesi uumlzerine yerleştirilmesi ile elde edilir Duumlzlemsel iletim

hatlarının en ccedilok kullanılan tuumlruuml Şekil 221 (a)‟da goumlsterilen mikroşerit hattır Mikroşerit hat

yer duumlzlemine bağlı H kalınlığındaki taban maddesi uumlzerine W genişliğinde bir iletken şerit

yerleştirilmesi ile oluşturulur İmaj teorisi kullanılarak bu iletim hattının 2H kalınlığında

taban uumlzerine birbirine zıt olarak yerleştirilmiş iki paralel iletken şerit iccedileren iletim hattı

(Şekil 221 (b)) ile eşdeğer olduğu belirlenebilir

Şekil(221)

Mikro şerit iletim hatları geniş bir alanda kullanılır ve bununda iyi bir nedeni vardır

Mikro şerit hatlar tercih sebebi olarak yeterince geniş bir banda sahiptirler Bunlar az yer

kaplayan ve ağırlıkccedila hafif devreleri oluşturulmasını sağlarlar Mikro şerit hatlar entegre

gelişmiş devre fabrikasyonu olduğundan bu zamana ekonomik uumlruumlnler haline gelmiştir ve

bu teknolojiye kolayca uyum sağlamıştır

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 10: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

3

2 İLETİM HATLARI

Mikrodalga enerjisinin bir yerden başka bir yere iletimi tipik bir muumlhendislik problemidir

Bu iletimi gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletim hattı kaynak ile yuumlk arasında doğrudan

bağlantı sağlayan bir devre elemanıdır Boyutları ve elektriksel oumlzellikleri yayılma

(propagasyon) youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde değişmeyen iletim hatları uumlniform hat olarak

adlandırılır Eğer iletim hatlarının uccedilları kendi karakteristik empedansı ile sonlandırılırsa

maksimum enerji transferi sağlanır ve boumlyle bir iletim hattı uyumlu hat olarak adlandırılır

Alccedilak frekans devrelerindeki buumltuumln empedans elemanları toplu devre elemanlarıdır Ancak

yuumlksek frekanslarda kullanılan iletim yapıları iccedilin aynı tanım kullanılamaz Mikrodalga

frekanslarında kuumlccediluumlk iletken parccedilaları induumlktans ve iletken parccedilaları arasındaki ortam

kapasitans oumlzelliği goumlsterir [3] Bu elemanlar iletkenler boyunca dağılmış durumdadırlar ve

iletkenlerin her noktasında etkindirler Mikrodalgaların dalga boyları iletim hattının fiziksel

boyuna oranla daha kısa olduğundan dağılmış parametreler toplu parametre eşdeğeri ile

doğru olarak goumlsterilemezler Bu yuumlzden mikrodalga iletim hatları sadece dağılmış devre

teorisi yardımıyla voltaj akım ve empedans cinsinden analiz edilebilir İletim hatları ccedileşitli

şekillerde gerccedilekleştirilebilir

Guumlnuumlmuumlzdeki en genel oumlrnekleri şekil21‟de goumlsterilen paralel telli hat koaksiyel kablo

veya mikroşerit‟dir Kolaylık accedilısından devre bağlantılarını goumlstermek iccedilin pek ccedilok devre

diyagramında paralel telli iletim hattı kullanılır (Şekil22) Ancak iletim hatlarının buumltuumln

tiplerine aynı teori uygulanır[4]

Şekil (21) Genel iletim hattı yapısı

4

Şekil (22)Temel iletim hattı modelleri

21İletim Hattı Eşdeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri

Alccedilak frekans devreleri ile ccedilalışırken ccedileşitli devre elemanlarını bağlamak iccedilin kullanılan

buumltuumln hatlar uumlzerinde gerilim duumlşuumlmuuml ve hat ile birleşik empedansı olmayan (toplu

empedans devreleri) muumlkemmel iletkenden yapılmış teller olarak duumlşuumlnuumllebilir [3] Tellerin

uzunluğu işaretin dalga boyundan ccedilok daha kuumlccediluumlk olduğu suumlrece bu durum geccedilerlidir Bu

durumda her hangi bir anda aynı tel uumlzerindeki her noktada akım ve gerilim aynıdır

şekil(211)

Şekil (211) Alccedilak frekanslarda iletim hattı uumlzerindeki gerilim değerleri

5

119881119871 = 119881119866

119885119871

119885119871 + 119885119866

Şimdi bazı oumlrnekleri ele alalım Bilindiği gibi evlere sağlanan elektrik uumllkeye bağlı olarak

50 veya 60 Hz frekanslı yuumlksek guumlccedilluuml sinuumlzoidal işaretlerden oluşur Teller arasındaki

izolatoumlruumln hava (εasymp1205760) olduğu kabul edilirse 50 Hz iccedilin dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50= 6000119896119898bulunur

Bu uzunluk yaklaşık olarak Niğde-İstanbul arasındaki mesafenin 6 katı kadardır Şimdi

bunu mikrodalga boumllgesindeki bir frekans ile oumlrneğin 50 GHz ile karşılaştıracak olursak

dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50109 = 6119898119898bulunur İki uzunluk karşılaştırıldığında daha anlamlı olacaktır

şekil(212) dağılmış empedans devreleri

Yeteri kadar yuumlksek frekanslarda dalga boyunun uzunluğu ile iletim hattının

iletkenlerinin uzunluğu aynı mertebelerdedir Akım ve gerilim iletim hattının her noktasında

aynı değere sahip olamayacağından (şekil 212) hat boyunca akım ve gerilim bir dalga

olarak yayılırlar Bundan dolayı iletkenlerin empedans oumlzellikleri ihmal edilemez

6

Bilindiği gibi bir kaynağın eşdeğer devresi ideal bir AC gerilim kaynağının gerccedilek iccedil

empedansıyla seri bağlanmasından ibarettir (şekil213) Kaynak accedilık devre iken

Şekil (213)

( infin rarr L Z )

119868119894119899 = 0119881119894119899 = 119881119866 (21a)

119868119894119899 =119881119866

119885119866olur (21b)

119885119871yuumlkuuml kısa devre edilirse ( 119885119871 = 0 )

119868119894119899 =119881119866

119885119866ve119881119894119899 = 0 (21c)

Bir uniform iletim hattıyla yuumlke bağlanan bir gerilim kaynağından oluşan sistem

ccedilalışabileceğimiz en basit problemdir Bu durumda aradaki iletim hattı nedeniyle kaynaktan

goumlruumlnen empedans (ccedilok oumlzel durumlar dışında) yuumlk empedansı ile aynı değildir Sadece

119871 = 119899120582

2 (n= tam sayı iken) 119885119894119899 = 119885119871 olur

7

Şekil (214) Bir iletim hattının giriş empedansı

Şekil(215) iletim hattının giriş empedansı

Amaccedil 119885119871 yuumlk empedansı ile sonlandırılmış bir iletim hattının kaynaktan goumlruumlnen

eşdeğer empedansını bulmaktır Bunun iccedilin devre teorisi youmlntemleri kullanılabilir Bir

uniform iletim hattı boyutları ve elektriksel oumlzellikleri iletim youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde

değişmeyen başka bir deyişle sonsuz kuumlccediluumlk uzunluktaki oumlzdeş birim uzunluktaki huumlcrelerin

kaskat bağlanmış hali olarak tanımlanabilen bir dağılmış devredir Bir iletim hattını

gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletkenler belirli bir seri dirence ve induumlktansa sahiptir

8

İlave olarak iletkenler arasında bir paralel kapasitans ve hatta iletkenler arasındaki dielektrik

ortam muumlkemmel değilse bir paralel konduumlktans mevcuttur Boumlylece bir iletim hattını

dağılmış devre elemanları eşdeğeri ile ( şekil216)‟deki gibi goumlstermek muumlmkuumlnduumlr (genel

kayıplı hat modeli) Burada R L C ve G empedans parametreleri

Şekil216 Kayıplı iletim hattının dağılmış parametreli eşdeğeri

R İletim hattının birim uzunluğundaki direnccedil (Ωm)

L İletim hattının birim uzunluğundaki induumlktansı (Hm)

C İletim hattının birim uzunluğundaki kapasitansı (Fm)

G İletim hattının birim uzunluğundaki konduumlktansı (Sm)

olarak belirtmektedir

Her bir birim uzunluktaki huumlcrenin sonsuz kuumlccediluumlk uzunluğu dz olmak uumlzere dağılmış

devrenin her bir huumlcresi değeri Rdz Ldz Cdz ve Gdz olan empedans elemanlarına sahip

olacaktır (şekil 216) Eğer akım ve gerilim vasıtasıyla dağılmış devrenin bir elemanter

huumlcresinin diferansiyel davranışını belirleyebilirsek iletim hattının tamamını tanımlayan

genel bir diferansiyel denklem bulabiliriz Uzunluğu boyunca hat uniform olduğundan bunu

yapmak muumlmkuumlnduumlr Boumlylece yapmamız gereken buumltuumln iş dağılmış devrenin bir tek birim

uzunluktaki elemanterhuumlcresinde gerilim ve akımın nasıl değiştiğini bilmektir

9

22 Duumlzlemsel İletim Hatları

Duumlzlemsel iletim hattı iletken metal şeridin buumltuumlnuumlyle paralel duumlzlem iccedilinde kaldığı iletim

hattıdır En ccedilok kullanılan yapısı bir veya daha fazla paralel metal şeridin iletken yer

duumlzlemine bağlı taban maddesi uumlzerine yerleştirilmesi ile elde edilir Duumlzlemsel iletim

hatlarının en ccedilok kullanılan tuumlruuml Şekil 221 (a)‟da goumlsterilen mikroşerit hattır Mikroşerit hat

yer duumlzlemine bağlı H kalınlığındaki taban maddesi uumlzerine W genişliğinde bir iletken şerit

yerleştirilmesi ile oluşturulur İmaj teorisi kullanılarak bu iletim hattının 2H kalınlığında

taban uumlzerine birbirine zıt olarak yerleştirilmiş iki paralel iletken şerit iccedileren iletim hattı

(Şekil 221 (b)) ile eşdeğer olduğu belirlenebilir

Şekil(221)

Mikro şerit iletim hatları geniş bir alanda kullanılır ve bununda iyi bir nedeni vardır

Mikro şerit hatlar tercih sebebi olarak yeterince geniş bir banda sahiptirler Bunlar az yer

kaplayan ve ağırlıkccedila hafif devreleri oluşturulmasını sağlarlar Mikro şerit hatlar entegre

gelişmiş devre fabrikasyonu olduğundan bu zamana ekonomik uumlruumlnler haline gelmiştir ve

bu teknolojiye kolayca uyum sağlamıştır

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 11: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

4

Şekil (22)Temel iletim hattı modelleri

21İletim Hattı Eşdeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri

Alccedilak frekans devreleri ile ccedilalışırken ccedileşitli devre elemanlarını bağlamak iccedilin kullanılan

buumltuumln hatlar uumlzerinde gerilim duumlşuumlmuuml ve hat ile birleşik empedansı olmayan (toplu

empedans devreleri) muumlkemmel iletkenden yapılmış teller olarak duumlşuumlnuumllebilir [3] Tellerin

uzunluğu işaretin dalga boyundan ccedilok daha kuumlccediluumlk olduğu suumlrece bu durum geccedilerlidir Bu

durumda her hangi bir anda aynı tel uumlzerindeki her noktada akım ve gerilim aynıdır

şekil(211)

Şekil (211) Alccedilak frekanslarda iletim hattı uumlzerindeki gerilim değerleri

5

119881119871 = 119881119866

119885119871

119885119871 + 119885119866

Şimdi bazı oumlrnekleri ele alalım Bilindiği gibi evlere sağlanan elektrik uumllkeye bağlı olarak

50 veya 60 Hz frekanslı yuumlksek guumlccedilluuml sinuumlzoidal işaretlerden oluşur Teller arasındaki

izolatoumlruumln hava (εasymp1205760) olduğu kabul edilirse 50 Hz iccedilin dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50= 6000119896119898bulunur

Bu uzunluk yaklaşık olarak Niğde-İstanbul arasındaki mesafenin 6 katı kadardır Şimdi

bunu mikrodalga boumllgesindeki bir frekans ile oumlrneğin 50 GHz ile karşılaştıracak olursak

dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50109 = 6119898119898bulunur İki uzunluk karşılaştırıldığında daha anlamlı olacaktır

şekil(212) dağılmış empedans devreleri

Yeteri kadar yuumlksek frekanslarda dalga boyunun uzunluğu ile iletim hattının

iletkenlerinin uzunluğu aynı mertebelerdedir Akım ve gerilim iletim hattının her noktasında

aynı değere sahip olamayacağından (şekil 212) hat boyunca akım ve gerilim bir dalga

olarak yayılırlar Bundan dolayı iletkenlerin empedans oumlzellikleri ihmal edilemez

6

Bilindiği gibi bir kaynağın eşdeğer devresi ideal bir AC gerilim kaynağının gerccedilek iccedil

empedansıyla seri bağlanmasından ibarettir (şekil213) Kaynak accedilık devre iken

Şekil (213)

( infin rarr L Z )

119868119894119899 = 0119881119894119899 = 119881119866 (21a)

119868119894119899 =119881119866

119885119866olur (21b)

119885119871yuumlkuuml kısa devre edilirse ( 119885119871 = 0 )

119868119894119899 =119881119866

119885119866ve119881119894119899 = 0 (21c)

Bir uniform iletim hattıyla yuumlke bağlanan bir gerilim kaynağından oluşan sistem

ccedilalışabileceğimiz en basit problemdir Bu durumda aradaki iletim hattı nedeniyle kaynaktan

goumlruumlnen empedans (ccedilok oumlzel durumlar dışında) yuumlk empedansı ile aynı değildir Sadece

119871 = 119899120582

2 (n= tam sayı iken) 119885119894119899 = 119885119871 olur

7

Şekil (214) Bir iletim hattının giriş empedansı

Şekil(215) iletim hattının giriş empedansı

Amaccedil 119885119871 yuumlk empedansı ile sonlandırılmış bir iletim hattının kaynaktan goumlruumlnen

eşdeğer empedansını bulmaktır Bunun iccedilin devre teorisi youmlntemleri kullanılabilir Bir

uniform iletim hattı boyutları ve elektriksel oumlzellikleri iletim youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde

değişmeyen başka bir deyişle sonsuz kuumlccediluumlk uzunluktaki oumlzdeş birim uzunluktaki huumlcrelerin

kaskat bağlanmış hali olarak tanımlanabilen bir dağılmış devredir Bir iletim hattını

gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletkenler belirli bir seri dirence ve induumlktansa sahiptir

8

İlave olarak iletkenler arasında bir paralel kapasitans ve hatta iletkenler arasındaki dielektrik

ortam muumlkemmel değilse bir paralel konduumlktans mevcuttur Boumlylece bir iletim hattını

dağılmış devre elemanları eşdeğeri ile ( şekil216)‟deki gibi goumlstermek muumlmkuumlnduumlr (genel

kayıplı hat modeli) Burada R L C ve G empedans parametreleri

Şekil216 Kayıplı iletim hattının dağılmış parametreli eşdeğeri

R İletim hattının birim uzunluğundaki direnccedil (Ωm)

L İletim hattının birim uzunluğundaki induumlktansı (Hm)

C İletim hattının birim uzunluğundaki kapasitansı (Fm)

G İletim hattının birim uzunluğundaki konduumlktansı (Sm)

olarak belirtmektedir

Her bir birim uzunluktaki huumlcrenin sonsuz kuumlccediluumlk uzunluğu dz olmak uumlzere dağılmış

devrenin her bir huumlcresi değeri Rdz Ldz Cdz ve Gdz olan empedans elemanlarına sahip

olacaktır (şekil 216) Eğer akım ve gerilim vasıtasıyla dağılmış devrenin bir elemanter

huumlcresinin diferansiyel davranışını belirleyebilirsek iletim hattının tamamını tanımlayan

genel bir diferansiyel denklem bulabiliriz Uzunluğu boyunca hat uniform olduğundan bunu

yapmak muumlmkuumlnduumlr Boumlylece yapmamız gereken buumltuumln iş dağılmış devrenin bir tek birim

uzunluktaki elemanterhuumlcresinde gerilim ve akımın nasıl değiştiğini bilmektir

9

22 Duumlzlemsel İletim Hatları

Duumlzlemsel iletim hattı iletken metal şeridin buumltuumlnuumlyle paralel duumlzlem iccedilinde kaldığı iletim

hattıdır En ccedilok kullanılan yapısı bir veya daha fazla paralel metal şeridin iletken yer

duumlzlemine bağlı taban maddesi uumlzerine yerleştirilmesi ile elde edilir Duumlzlemsel iletim

hatlarının en ccedilok kullanılan tuumlruuml Şekil 221 (a)‟da goumlsterilen mikroşerit hattır Mikroşerit hat

yer duumlzlemine bağlı H kalınlığındaki taban maddesi uumlzerine W genişliğinde bir iletken şerit

yerleştirilmesi ile oluşturulur İmaj teorisi kullanılarak bu iletim hattının 2H kalınlığında

taban uumlzerine birbirine zıt olarak yerleştirilmiş iki paralel iletken şerit iccedileren iletim hattı

(Şekil 221 (b)) ile eşdeğer olduğu belirlenebilir

Şekil(221)

Mikro şerit iletim hatları geniş bir alanda kullanılır ve bununda iyi bir nedeni vardır

Mikro şerit hatlar tercih sebebi olarak yeterince geniş bir banda sahiptirler Bunlar az yer

kaplayan ve ağırlıkccedila hafif devreleri oluşturulmasını sağlarlar Mikro şerit hatlar entegre

gelişmiş devre fabrikasyonu olduğundan bu zamana ekonomik uumlruumlnler haline gelmiştir ve

bu teknolojiye kolayca uyum sağlamıştır

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 12: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

5

119881119871 = 119881119866

119885119871

119885119871 + 119885119866

Şimdi bazı oumlrnekleri ele alalım Bilindiği gibi evlere sağlanan elektrik uumllkeye bağlı olarak

50 veya 60 Hz frekanslı yuumlksek guumlccedilluuml sinuumlzoidal işaretlerden oluşur Teller arasındaki

izolatoumlruumln hava (εasymp1205760) olduğu kabul edilirse 50 Hz iccedilin dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50= 6000119896119898bulunur

Bu uzunluk yaklaşık olarak Niğde-İstanbul arasındaki mesafenin 6 katı kadardır Şimdi

bunu mikrodalga boumllgesindeki bir frekans ile oumlrneğin 50 GHz ile karşılaştıracak olursak

dalga boyu

120582 =119862

119891=

3108

50109 = 6119898119898bulunur İki uzunluk karşılaştırıldığında daha anlamlı olacaktır

şekil(212) dağılmış empedans devreleri

Yeteri kadar yuumlksek frekanslarda dalga boyunun uzunluğu ile iletim hattının

iletkenlerinin uzunluğu aynı mertebelerdedir Akım ve gerilim iletim hattının her noktasında

aynı değere sahip olamayacağından (şekil 212) hat boyunca akım ve gerilim bir dalga

olarak yayılırlar Bundan dolayı iletkenlerin empedans oumlzellikleri ihmal edilemez

6

Bilindiği gibi bir kaynağın eşdeğer devresi ideal bir AC gerilim kaynağının gerccedilek iccedil

empedansıyla seri bağlanmasından ibarettir (şekil213) Kaynak accedilık devre iken

Şekil (213)

( infin rarr L Z )

119868119894119899 = 0119881119894119899 = 119881119866 (21a)

119868119894119899 =119881119866

119885119866olur (21b)

119885119871yuumlkuuml kısa devre edilirse ( 119885119871 = 0 )

119868119894119899 =119881119866

119885119866ve119881119894119899 = 0 (21c)

Bir uniform iletim hattıyla yuumlke bağlanan bir gerilim kaynağından oluşan sistem

ccedilalışabileceğimiz en basit problemdir Bu durumda aradaki iletim hattı nedeniyle kaynaktan

goumlruumlnen empedans (ccedilok oumlzel durumlar dışında) yuumlk empedansı ile aynı değildir Sadece

119871 = 119899120582

2 (n= tam sayı iken) 119885119894119899 = 119885119871 olur

7

Şekil (214) Bir iletim hattının giriş empedansı

Şekil(215) iletim hattının giriş empedansı

Amaccedil 119885119871 yuumlk empedansı ile sonlandırılmış bir iletim hattının kaynaktan goumlruumlnen

eşdeğer empedansını bulmaktır Bunun iccedilin devre teorisi youmlntemleri kullanılabilir Bir

uniform iletim hattı boyutları ve elektriksel oumlzellikleri iletim youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde

değişmeyen başka bir deyişle sonsuz kuumlccediluumlk uzunluktaki oumlzdeş birim uzunluktaki huumlcrelerin

kaskat bağlanmış hali olarak tanımlanabilen bir dağılmış devredir Bir iletim hattını

gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletkenler belirli bir seri dirence ve induumlktansa sahiptir

8

İlave olarak iletkenler arasında bir paralel kapasitans ve hatta iletkenler arasındaki dielektrik

ortam muumlkemmel değilse bir paralel konduumlktans mevcuttur Boumlylece bir iletim hattını

dağılmış devre elemanları eşdeğeri ile ( şekil216)‟deki gibi goumlstermek muumlmkuumlnduumlr (genel

kayıplı hat modeli) Burada R L C ve G empedans parametreleri

Şekil216 Kayıplı iletim hattının dağılmış parametreli eşdeğeri

R İletim hattının birim uzunluğundaki direnccedil (Ωm)

L İletim hattının birim uzunluğundaki induumlktansı (Hm)

C İletim hattının birim uzunluğundaki kapasitansı (Fm)

G İletim hattının birim uzunluğundaki konduumlktansı (Sm)

olarak belirtmektedir

Her bir birim uzunluktaki huumlcrenin sonsuz kuumlccediluumlk uzunluğu dz olmak uumlzere dağılmış

devrenin her bir huumlcresi değeri Rdz Ldz Cdz ve Gdz olan empedans elemanlarına sahip

olacaktır (şekil 216) Eğer akım ve gerilim vasıtasıyla dağılmış devrenin bir elemanter

huumlcresinin diferansiyel davranışını belirleyebilirsek iletim hattının tamamını tanımlayan

genel bir diferansiyel denklem bulabiliriz Uzunluğu boyunca hat uniform olduğundan bunu

yapmak muumlmkuumlnduumlr Boumlylece yapmamız gereken buumltuumln iş dağılmış devrenin bir tek birim

uzunluktaki elemanterhuumlcresinde gerilim ve akımın nasıl değiştiğini bilmektir

9

22 Duumlzlemsel İletim Hatları

Duumlzlemsel iletim hattı iletken metal şeridin buumltuumlnuumlyle paralel duumlzlem iccedilinde kaldığı iletim

hattıdır En ccedilok kullanılan yapısı bir veya daha fazla paralel metal şeridin iletken yer

duumlzlemine bağlı taban maddesi uumlzerine yerleştirilmesi ile elde edilir Duumlzlemsel iletim

hatlarının en ccedilok kullanılan tuumlruuml Şekil 221 (a)‟da goumlsterilen mikroşerit hattır Mikroşerit hat

yer duumlzlemine bağlı H kalınlığındaki taban maddesi uumlzerine W genişliğinde bir iletken şerit

yerleştirilmesi ile oluşturulur İmaj teorisi kullanılarak bu iletim hattının 2H kalınlığında

taban uumlzerine birbirine zıt olarak yerleştirilmiş iki paralel iletken şerit iccedileren iletim hattı

(Şekil 221 (b)) ile eşdeğer olduğu belirlenebilir

Şekil(221)

Mikro şerit iletim hatları geniş bir alanda kullanılır ve bununda iyi bir nedeni vardır

Mikro şerit hatlar tercih sebebi olarak yeterince geniş bir banda sahiptirler Bunlar az yer

kaplayan ve ağırlıkccedila hafif devreleri oluşturulmasını sağlarlar Mikro şerit hatlar entegre

gelişmiş devre fabrikasyonu olduğundan bu zamana ekonomik uumlruumlnler haline gelmiştir ve

bu teknolojiye kolayca uyum sağlamıştır

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 13: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

6

Bilindiği gibi bir kaynağın eşdeğer devresi ideal bir AC gerilim kaynağının gerccedilek iccedil

empedansıyla seri bağlanmasından ibarettir (şekil213) Kaynak accedilık devre iken

Şekil (213)

( infin rarr L Z )

119868119894119899 = 0119881119894119899 = 119881119866 (21a)

119868119894119899 =119881119866

119885119866olur (21b)

119885119871yuumlkuuml kısa devre edilirse ( 119885119871 = 0 )

119868119894119899 =119881119866

119885119866ve119881119894119899 = 0 (21c)

Bir uniform iletim hattıyla yuumlke bağlanan bir gerilim kaynağından oluşan sistem

ccedilalışabileceğimiz en basit problemdir Bu durumda aradaki iletim hattı nedeniyle kaynaktan

goumlruumlnen empedans (ccedilok oumlzel durumlar dışında) yuumlk empedansı ile aynı değildir Sadece

119871 = 119899120582

2 (n= tam sayı iken) 119885119894119899 = 119885119871 olur

7

Şekil (214) Bir iletim hattının giriş empedansı

Şekil(215) iletim hattının giriş empedansı

Amaccedil 119885119871 yuumlk empedansı ile sonlandırılmış bir iletim hattının kaynaktan goumlruumlnen

eşdeğer empedansını bulmaktır Bunun iccedilin devre teorisi youmlntemleri kullanılabilir Bir

uniform iletim hattı boyutları ve elektriksel oumlzellikleri iletim youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde

değişmeyen başka bir deyişle sonsuz kuumlccediluumlk uzunluktaki oumlzdeş birim uzunluktaki huumlcrelerin

kaskat bağlanmış hali olarak tanımlanabilen bir dağılmış devredir Bir iletim hattını

gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletkenler belirli bir seri dirence ve induumlktansa sahiptir

8

İlave olarak iletkenler arasında bir paralel kapasitans ve hatta iletkenler arasındaki dielektrik

ortam muumlkemmel değilse bir paralel konduumlktans mevcuttur Boumlylece bir iletim hattını

dağılmış devre elemanları eşdeğeri ile ( şekil216)‟deki gibi goumlstermek muumlmkuumlnduumlr (genel

kayıplı hat modeli) Burada R L C ve G empedans parametreleri

Şekil216 Kayıplı iletim hattının dağılmış parametreli eşdeğeri

R İletim hattının birim uzunluğundaki direnccedil (Ωm)

L İletim hattının birim uzunluğundaki induumlktansı (Hm)

C İletim hattının birim uzunluğundaki kapasitansı (Fm)

G İletim hattının birim uzunluğundaki konduumlktansı (Sm)

olarak belirtmektedir

Her bir birim uzunluktaki huumlcrenin sonsuz kuumlccediluumlk uzunluğu dz olmak uumlzere dağılmış

devrenin her bir huumlcresi değeri Rdz Ldz Cdz ve Gdz olan empedans elemanlarına sahip

olacaktır (şekil 216) Eğer akım ve gerilim vasıtasıyla dağılmış devrenin bir elemanter

huumlcresinin diferansiyel davranışını belirleyebilirsek iletim hattının tamamını tanımlayan

genel bir diferansiyel denklem bulabiliriz Uzunluğu boyunca hat uniform olduğundan bunu

yapmak muumlmkuumlnduumlr Boumlylece yapmamız gereken buumltuumln iş dağılmış devrenin bir tek birim

uzunluktaki elemanterhuumlcresinde gerilim ve akımın nasıl değiştiğini bilmektir

9

22 Duumlzlemsel İletim Hatları

Duumlzlemsel iletim hattı iletken metal şeridin buumltuumlnuumlyle paralel duumlzlem iccedilinde kaldığı iletim

hattıdır En ccedilok kullanılan yapısı bir veya daha fazla paralel metal şeridin iletken yer

duumlzlemine bağlı taban maddesi uumlzerine yerleştirilmesi ile elde edilir Duumlzlemsel iletim

hatlarının en ccedilok kullanılan tuumlruuml Şekil 221 (a)‟da goumlsterilen mikroşerit hattır Mikroşerit hat

yer duumlzlemine bağlı H kalınlığındaki taban maddesi uumlzerine W genişliğinde bir iletken şerit

yerleştirilmesi ile oluşturulur İmaj teorisi kullanılarak bu iletim hattının 2H kalınlığında

taban uumlzerine birbirine zıt olarak yerleştirilmiş iki paralel iletken şerit iccedileren iletim hattı

(Şekil 221 (b)) ile eşdeğer olduğu belirlenebilir

Şekil(221)

Mikro şerit iletim hatları geniş bir alanda kullanılır ve bununda iyi bir nedeni vardır

Mikro şerit hatlar tercih sebebi olarak yeterince geniş bir banda sahiptirler Bunlar az yer

kaplayan ve ağırlıkccedila hafif devreleri oluşturulmasını sağlarlar Mikro şerit hatlar entegre

gelişmiş devre fabrikasyonu olduğundan bu zamana ekonomik uumlruumlnler haline gelmiştir ve

bu teknolojiye kolayca uyum sağlamıştır

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 14: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

7

Şekil (214) Bir iletim hattının giriş empedansı

Şekil(215) iletim hattının giriş empedansı

Amaccedil 119885119871 yuumlk empedansı ile sonlandırılmış bir iletim hattının kaynaktan goumlruumlnen

eşdeğer empedansını bulmaktır Bunun iccedilin devre teorisi youmlntemleri kullanılabilir Bir

uniform iletim hattı boyutları ve elektriksel oumlzellikleri iletim youmlnuumlne dik duumlzlem iccedilinde

değişmeyen başka bir deyişle sonsuz kuumlccediluumlk uzunluktaki oumlzdeş birim uzunluktaki huumlcrelerin

kaskat bağlanmış hali olarak tanımlanabilen bir dağılmış devredir Bir iletim hattını

gerccedilekleştirmek iccedilin kullanılan iletkenler belirli bir seri dirence ve induumlktansa sahiptir

8

İlave olarak iletkenler arasında bir paralel kapasitans ve hatta iletkenler arasındaki dielektrik

ortam muumlkemmel değilse bir paralel konduumlktans mevcuttur Boumlylece bir iletim hattını

dağılmış devre elemanları eşdeğeri ile ( şekil216)‟deki gibi goumlstermek muumlmkuumlnduumlr (genel

kayıplı hat modeli) Burada R L C ve G empedans parametreleri

Şekil216 Kayıplı iletim hattının dağılmış parametreli eşdeğeri

R İletim hattının birim uzunluğundaki direnccedil (Ωm)

L İletim hattının birim uzunluğundaki induumlktansı (Hm)

C İletim hattının birim uzunluğundaki kapasitansı (Fm)

G İletim hattının birim uzunluğundaki konduumlktansı (Sm)

olarak belirtmektedir

Her bir birim uzunluktaki huumlcrenin sonsuz kuumlccediluumlk uzunluğu dz olmak uumlzere dağılmış

devrenin her bir huumlcresi değeri Rdz Ldz Cdz ve Gdz olan empedans elemanlarına sahip

olacaktır (şekil 216) Eğer akım ve gerilim vasıtasıyla dağılmış devrenin bir elemanter

huumlcresinin diferansiyel davranışını belirleyebilirsek iletim hattının tamamını tanımlayan

genel bir diferansiyel denklem bulabiliriz Uzunluğu boyunca hat uniform olduğundan bunu

yapmak muumlmkuumlnduumlr Boumlylece yapmamız gereken buumltuumln iş dağılmış devrenin bir tek birim

uzunluktaki elemanterhuumlcresinde gerilim ve akımın nasıl değiştiğini bilmektir

9

22 Duumlzlemsel İletim Hatları

Duumlzlemsel iletim hattı iletken metal şeridin buumltuumlnuumlyle paralel duumlzlem iccedilinde kaldığı iletim

hattıdır En ccedilok kullanılan yapısı bir veya daha fazla paralel metal şeridin iletken yer

duumlzlemine bağlı taban maddesi uumlzerine yerleştirilmesi ile elde edilir Duumlzlemsel iletim

hatlarının en ccedilok kullanılan tuumlruuml Şekil 221 (a)‟da goumlsterilen mikroşerit hattır Mikroşerit hat

yer duumlzlemine bağlı H kalınlığındaki taban maddesi uumlzerine W genişliğinde bir iletken şerit

yerleştirilmesi ile oluşturulur İmaj teorisi kullanılarak bu iletim hattının 2H kalınlığında

taban uumlzerine birbirine zıt olarak yerleştirilmiş iki paralel iletken şerit iccedileren iletim hattı

(Şekil 221 (b)) ile eşdeğer olduğu belirlenebilir

Şekil(221)

Mikro şerit iletim hatları geniş bir alanda kullanılır ve bununda iyi bir nedeni vardır

Mikro şerit hatlar tercih sebebi olarak yeterince geniş bir banda sahiptirler Bunlar az yer

kaplayan ve ağırlıkccedila hafif devreleri oluşturulmasını sağlarlar Mikro şerit hatlar entegre

gelişmiş devre fabrikasyonu olduğundan bu zamana ekonomik uumlruumlnler haline gelmiştir ve

bu teknolojiye kolayca uyum sağlamıştır

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 15: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

8

İlave olarak iletkenler arasında bir paralel kapasitans ve hatta iletkenler arasındaki dielektrik

ortam muumlkemmel değilse bir paralel konduumlktans mevcuttur Boumlylece bir iletim hattını

dağılmış devre elemanları eşdeğeri ile ( şekil216)‟deki gibi goumlstermek muumlmkuumlnduumlr (genel

kayıplı hat modeli) Burada R L C ve G empedans parametreleri

Şekil216 Kayıplı iletim hattının dağılmış parametreli eşdeğeri

R İletim hattının birim uzunluğundaki direnccedil (Ωm)

L İletim hattının birim uzunluğundaki induumlktansı (Hm)

C İletim hattının birim uzunluğundaki kapasitansı (Fm)

G İletim hattının birim uzunluğundaki konduumlktansı (Sm)

olarak belirtmektedir

Her bir birim uzunluktaki huumlcrenin sonsuz kuumlccediluumlk uzunluğu dz olmak uumlzere dağılmış

devrenin her bir huumlcresi değeri Rdz Ldz Cdz ve Gdz olan empedans elemanlarına sahip

olacaktır (şekil 216) Eğer akım ve gerilim vasıtasıyla dağılmış devrenin bir elemanter

huumlcresinin diferansiyel davranışını belirleyebilirsek iletim hattının tamamını tanımlayan

genel bir diferansiyel denklem bulabiliriz Uzunluğu boyunca hat uniform olduğundan bunu

yapmak muumlmkuumlnduumlr Boumlylece yapmamız gereken buumltuumln iş dağılmış devrenin bir tek birim

uzunluktaki elemanterhuumlcresinde gerilim ve akımın nasıl değiştiğini bilmektir

9

22 Duumlzlemsel İletim Hatları

Duumlzlemsel iletim hattı iletken metal şeridin buumltuumlnuumlyle paralel duumlzlem iccedilinde kaldığı iletim

hattıdır En ccedilok kullanılan yapısı bir veya daha fazla paralel metal şeridin iletken yer

duumlzlemine bağlı taban maddesi uumlzerine yerleştirilmesi ile elde edilir Duumlzlemsel iletim

hatlarının en ccedilok kullanılan tuumlruuml Şekil 221 (a)‟da goumlsterilen mikroşerit hattır Mikroşerit hat

yer duumlzlemine bağlı H kalınlığındaki taban maddesi uumlzerine W genişliğinde bir iletken şerit

yerleştirilmesi ile oluşturulur İmaj teorisi kullanılarak bu iletim hattının 2H kalınlığında

taban uumlzerine birbirine zıt olarak yerleştirilmiş iki paralel iletken şerit iccedileren iletim hattı

(Şekil 221 (b)) ile eşdeğer olduğu belirlenebilir

Şekil(221)

Mikro şerit iletim hatları geniş bir alanda kullanılır ve bununda iyi bir nedeni vardır

Mikro şerit hatlar tercih sebebi olarak yeterince geniş bir banda sahiptirler Bunlar az yer

kaplayan ve ağırlıkccedila hafif devreleri oluşturulmasını sağlarlar Mikro şerit hatlar entegre

gelişmiş devre fabrikasyonu olduğundan bu zamana ekonomik uumlruumlnler haline gelmiştir ve

bu teknolojiye kolayca uyum sağlamıştır

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 16: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

9

22 Duumlzlemsel İletim Hatları

Duumlzlemsel iletim hattı iletken metal şeridin buumltuumlnuumlyle paralel duumlzlem iccedilinde kaldığı iletim

hattıdır En ccedilok kullanılan yapısı bir veya daha fazla paralel metal şeridin iletken yer

duumlzlemine bağlı taban maddesi uumlzerine yerleştirilmesi ile elde edilir Duumlzlemsel iletim

hatlarının en ccedilok kullanılan tuumlruuml Şekil 221 (a)‟da goumlsterilen mikroşerit hattır Mikroşerit hat

yer duumlzlemine bağlı H kalınlığındaki taban maddesi uumlzerine W genişliğinde bir iletken şerit

yerleştirilmesi ile oluşturulur İmaj teorisi kullanılarak bu iletim hattının 2H kalınlığında

taban uumlzerine birbirine zıt olarak yerleştirilmiş iki paralel iletken şerit iccedileren iletim hattı

(Şekil 221 (b)) ile eşdeğer olduğu belirlenebilir

Şekil(221)

Mikro şerit iletim hatları geniş bir alanda kullanılır ve bununda iyi bir nedeni vardır

Mikro şerit hatlar tercih sebebi olarak yeterince geniş bir banda sahiptirler Bunlar az yer

kaplayan ve ağırlıkccedila hafif devreleri oluşturulmasını sağlarlar Mikro şerit hatlar entegre

gelişmiş devre fabrikasyonu olduğundan bu zamana ekonomik uumlruumlnler haline gelmiştir ve

bu teknolojiye kolayca uyum sağlamıştır

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 17: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

10

221 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Avantajları

Geniş bir bant genişliğine sahiptir

Az yer kaplayan ağırlıkccedila hafif devreler kullanılır

Entegre devre teknolojisine paralel olarak ucuzlamıştır

Karşılıklı bağlantı ve ayarlamalar kolaydır

222 Duumlzlemsel İletim Hatlarının Genel Yapısı

w iletken metal şerit genişliği

h manyetik olmayan yalıtkan malzeme yuumlksekliği

En alt tabaka iletken metal toprak yuumlzeyi

h2 ikinci bir dielektrik malzeme veya hava

En uumlst tabaka koruyucu tabaka

Şekil(2211) Duumlzlemsel iletim hattı temel yapısı

Genellikle şekil (2222)‟ de goumlsterildiği gibi farklı iletim hatları mikrodalga ICs

(MICs) iccedilin kullanılır Her bir ccedileşit diğer ccedileşide goumlre avantajlıdır Şekil (2222)‟ de dikkat

edilirse burada taralı alanlar yapı malzemesini belirtir ve kalın ccedilizgiler iletkenleri goumlsterir

Mikroşerit hat dielektrik yapı ve karşı taraftaki tek bir toprak duumlzleminin bir tarafı

uumlzerindeki tek bir iletken tabakası ile bir iletim hattı geometrisine sahiptir Ondan sonra o

accedilık yapıdır mikroşerit hat şerit hattan daha uumlstuumln bir fabrikasyon avantajına sahiptir Bir

de karşılıklı bağlantılar ve ayarlamaların kolay oumlzelliklerine sahiptir

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 18: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

11

Şekil(2222) Farklı iletim hatlarının yapısı

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 19: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

12

23 Mikroşerit İletim Hatları

231 Bir mikroşerit Hatta Dalga Uzunluğu

Λ=λ(Ɛ119890119891119891 )05 (2311)

Burada

Ɛ119890119891119891 efektif dielektrik sabitidir Bu sabit mikroşerit hattın fiziksel boyutlarına ve

yapı malzemesinin dielektrik sabitine bağlıdır

λ= Boşluktaki dalga uzunluğu Bir mikroşerit hatta elektromanyetik alanlar (EM)

malzeme iccedilinde ve dielektrik malzeme uumlstuumlndeki havada kısmen mevcuttur Hattın

efektif dielektrik sabiti accedilık hava dielektrik sabitinden daha buumlyuumlk olması gerekir

232 Mikroşerit Hatlarda Koruma ve Ambalajlama

Mikroşerit hatta koruma aşağıdaki nedenlerden dolayı yapılır

1- Yuumlksek guumlccedil uygulamalarında mekanik direnccedil sağlamak iccedilin

2- Rutubetnemtoz ve diğer ccedilevresel etkilerden koruma iccedilin

Koruma iccedilin dayanıklı iletkenlehimconta malzemeleri ve mantetik metal bant kullanılır

Koruma ve ambalajlamanın ana amaccedilları yuumlksek guumlccedil uygulamaları durumunda

mekanik direnccedil EM koruyucu kılıf ve ısıl batma sağlamaktadır [2] Ambalajlama rutubet

nem toz ve diğer ccedilevresel bozmalardan devreyi korumak zorundadır Devre koruma amacı

ile muumlhuumlrlemenin kesin methodları kullanılabilir bunlar dayanıklı iletken bir plastik

lehim conta malzemeleri ve manyetik metal bandır Bire korumaya binmiş bir MIC dahili

boyutlarla birlikte bir dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr (şekil 2321) deki gibi goumlruumlnebilir

Ebatlar a genişlik l uzunluk ve H kutunun yuumlksekliğidir

Bu boyutlar bir yolla seccedililebilir bu yol iccedilin dalga youmlnlendiricisi modlarıcutoff‟ un

altındadır Bu resanatoumlr iccedilinde parazit modlar goumlruumlnuumlr

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 20: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

13

Şekil (2321)Dielektrik yuumlkluuml oyuk resanatoumlr

a = 24 mm l = 30 mm‟ lik kılıf boyutları ve 98‟ lik bir dielektriksabitindeki dielektrik

yapı iccedilin H‟ ye goumlre oluşan λ‟ nın değişimini goumlsterir

233 Mikroşerit İletim Hatlarında Kullanılan Taban Malzeme

Mikroşerit iletim hatlarında kullanılan taban maddesi duumlşuumlk kayıplı olmalıdır Dielektrik

sabitinin buumlyuumlk bir değere sahip olması daha kısa yayılım dalga boyuna sebep olur Taban

maddesinin mekanik kuvveti ve ısıl iletimi iyi olmalıdır

Aktif elemanlar duumlzlemsel iletim hattı devresine monte edildiğinde aktif elemanın

oluşturduğu ısının bir kısmı taban maddesi uumlzerinden toprağa iletilir Mikrodalga

devrelerinde metal ısı azalmasını kullanmak bu buumlyuumlk metal yapıların elektromagnetik

alanlarının istenmeyen bir biccedilimde etkilenmesi sebebi ile zordur Sonuccedil olarak guumlccedil

yuumlkselteci devrelerinde iyi ısıl iletkenliğine sahip madde gereklidir Duumlşuumlk frekans

devrelerinde kullanılan taban maddeleri mikrodalga iletim hatlarında kullanmak iccedilin ccedilok

kayıplıdır Dielektrik sabiti ve taban maddesi kalınlığı madde uumlretiminde oldukccedila dikkat

edilmesi gereken hususlardır Aksi takdirde uumlretilen iletim hatları hat sabitinin ve

karakteristik empedansın bu parametrelere bağlı olmasından dolayı istenilen sonucu

vermeyecektir [2]

Uygun kalınlık ve dielektrik sabiti filtre tasarımında ve boyutları oumlneme sahip empedans

uydurma elemanlarında kısmen oumlnemlidir

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 21: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

14

Tasarlanan mikrodalga yapısı imal edildikten sonra istenilen şartları sağlatmak amacı ile

dışarıdan eleman eklemek kolay değildir Sıklıkla kullanılan taban maddelerinden

politetrafluetilen (PTFE) 21 dielektrik sabiti değerine ve 1MHz‟de 000002 mikrodalga

frekanslarında 00005 tanjant kaybına sahiptir

Mekanik guumlcuumlnuuml arttırmak amacıyla bu madde fiberglas oumlruumlluuml hasır ile veya cam mikro

parccedilacıklar ile doldurulabilir Bu işlem dielektrik sabitinin değerini 22 ndash 3 aralığına ccedileker

Fiberglas madde kullanımı dielektrik sabitinin anizotropik yapıya sahip olmasına sebep olur

Uumlretim işleminde fiberglas madde ile paralel sıralanır Boumlylece dielektrik sabiti madde

boyunca normal maddeye oranla 5-10 arasında artış goumlsterir Dolgu maddesi olarak

seramik toz kullanılırsa (oumlrn titanyumoksit) ccedilok daha buumlyuumlk dielektrik sabiti elde edilebilir

Aluminyumoksit (alumina) ve boronnitrat gibi seramik maddeler ve safir gibi camsı

maddelerde taban maddesi olarak kullanılır Bu maddelere şekil vermek zordur Isıl

iletkenliği muumlkemmel derecede olan alumina en ccedilok kullanılan taban maddesidir Entegre

ve mikrodalga devreleri iccedilin kullanılan yarı iletken maddeler ise germanyum silikon ve

galyum arsenittir Bu maddeler yuumlksek dielektrik sabitlerine sahiptir

Tablo 2331 ‟ de sıklıkla kullanılan maddelerin oumlnemli oumlzellikleri oumlzetlenmiştir Bu

tabloda 120576119903 madde boyunca dielektrik sabiti 120576119910 ise maddeye dik dielektrik sabitidir

Maddeler genelde 05 -1 veya 2 oz ağırlığında bakır ile kaplanır 1oz bakırın kullanımı

00014 in kalınlığında tabaka oluşturur Altın kaplama bazı durumlarda metalin

oksitlenmesini engellemek amacı ile kullanılır Entegre mikrodalga imalatında tipik kalınlık

birkaccedil mikrondur (Collins)

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 22: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

15

Tablo(2331)

Mikroşerit iletim hatlarında taban maddesi iletken şeridi tamamıyla sarmaz Bu sebepten

dolayı yayılan temel mod saf TEM modu değildir Duumlşuumlk frekanslarda uygulamadaki

mikroşerit hatlarında birkaccedil GHz‟de yayılan modkuvazi-TEM modudur GHz veya daha

yuumlksek frekans aralığında mikroşerit iletim hattı dağılmış kapasitesi ve induumlktansı cinsinden

karakterize edilebilir Duumlzlemsel iletim hatlarının karakteristiğini veya alan dağılımını

tanımlayan basit analitik ifadeler mevcut değildir Formal ccediloumlzuumlmler iletim hattının

karakteristiğini tanımlamak amacı ile kullanılabilir Alccedilak frekans karakteristiğini elde etmek

amacı ile statik alan analizi de kullanılır

Madde 120634119955 120634119962 Tanjant

Kaybı

Isıl

İletkenlik

İşlenebilme

PTFEwoven cam 284 245 0001-0002 Duumlşuumlk Iyi

PTFEmikrofiberglas 226 22 00005-

0001

Duumlşuumlk Iyi

CuFlon 21 21 00004 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 5880 226 22 0001 Duumlşuumlk Iyi

RTDuroid 6006 636 6 Orta Iyi

Epsilam 10 13 103 Orta Iyi

Boronnitrit 512 34 İyi Zayıf

Silikon 117-

129

117-

129

0001-0003 Orta Zayıf

Germanyum 16 16 Orta Zayıf

Galyum arsenit 129 129 00005-

0001

Orta Zayıf

Alumina 96-

101

96-

101

0005-0002 İyi Zayıf

Safir 94 116 00002 İyi Zayıf

Berilyum oksit 67 67 0001-0002 İyi Zayıf

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 23: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

16

Duumlzlemsel iletim hatlarının analizi yapıdaki elektrik ve magnetik alanların ccediloumlzuumlmuumlnuuml

temel alır Skaler ve vektoumlrel potansiyel fonksiyonlarının ccediloumlzuumlmlerini kullanarak

elektromagnetik alanları bulmak buna alternatif bir yaklaşım olabilir Yayılım sabiti ve

karakteristik empedans potansiyellerden kolayca bulunabilir Analizlerde skaler vevektoumlrel

potansiyellerinin kullanımının avantajı bu yaklaşımın bilinen alccedilak frekans kuvazi-statik

ccediloumlzuumlmlerle bağlantılı olmasıdırMikroşerit iletim hattının skaler ve vektoumlrel potansiyelleri

kullanılarak elde edilmiş eşitliklerden alccedilak frekanslarda kuvazi-TEM modu yayılımını

accedilıklayan basite indirgenmiş denklemler elde edilebilir Alccedilak frekans terimi goumlreceli bir

terimdir ve mikroşerit hattın kuvazi-TEM modunda yayılımını belirleyen dalga boyu ile hat

boyutlarının oranıdır MIC devrelerinde hat genişliği 100 μm olduğunda alccedilak frekans bandı

20-30 GHz‟ e kadar genişleyebilir [4]

Pratik uygulamalarda mikroşerit hattın kapasitansı hesaplanırken tam ccediloumlzuumlmleri ile

yakın sonuccedillar veren basite indirgenmiş ccediloumlzuumlmleri kullanılabilir [2] Bu ccediloumlzuumlmler birccedilok

araştırmacı tarafından analitik ccediloumlzuumlmleri temel alınarak ve yeterli sonucu elde etmek iccedilin

değişik nuumlmerik sabitlerinde eklenmesi ile elde edilmiştir

W genişliğinde şeride ve yer duumlzlemi uumlzerinde H kalınlığında hava dielektriğine sahip

mikroşeridinkapasitansı

119862119886 =21205871205760

119897119899 8119867

119882+

119882

4119867 119882119867 le 1 (21)

119862119886 = 119882

119867+ 1393 + 0667119897119899

119882

119867+ 1444

119882

119867gt 1 (22)

Şerit kalınlığı T‟nin etkisi genellikle ihmal edilir Gerekli olduğu durumlarda şerit

kalınlığı etkisiW‟nın yerine efektif genişlik 119882119890 konulması ile elde edilir

119882119890 = 119882 + 0398119879 1 + 1198971198994120587119882

119879 WHle

1

2120587 (23a)

= 119882 + 0398119879 1 + 1198971198992120587

119879 WHgt

1

2120587 (23b)

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 24: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

17

Yukarıdaki ifadeler izotropik veya anizotropik taban maddesine sahip mikroşerit hattın

kapasitansını hesaplamak iccedilin kullanılır Hattın efektif dielektrik sabiti 120576119890119891119891 (23) numaralı

denklem ile verilebilir Karakteristik empedans ise (24)‟ de yer almaktadır Efektif dielektrik

sabitini elde etmek amacı ile elde edilen formuumlller yapılan ccedilalışmalar sonucunda basite

indirgenmiştir(2334)‟de tam ccediloumlzuumlmlere 1‟den daha kuumlccediluumlk hata ile yaklaşan ccediloumlzuumlmuuml yer

almaktadır[4]

120576119890119891119891 =120576119903+1

2+

120576119903minus1

2 1 +

12119867

119882 minus05

+ 119865 120576119903 119867 minus 0217 120576119903 minus 1 119879

119882119867 (23)

119885119862 = 120576119890119891119891 120583 01205760

119862=

12058301205760

120576119890119891119891

1

119862119860 (2334)

burada

119865 120576119903 119867 = 002(120576119903 minus 1)(1 minus 119882119867)2 119882

119867le 1 (24)

0 119882

119867gt 1 (2 34)

(23) no‟ lu denklemdeki son terim şerit kalınlığı T‟ nin etkisini goumlsterir Anizotropik

yapılara bu ccediloumlzuumlmler uygulanırsa (25)-(29) denklemleri elde edilebilir Burada He

anizotropik yapı goumlz oumlnuumlnde bulundurulduğunda H‟ nin yerini alan efektif kalınlıktır (27)

no‟lu denklemde yer alan 120576119892 ise 120576119903 yerine kullanılır

HHy

rC

g ry (2335)

C(gHe )

Ca(He )

2

1g

g 1

2

112He

W

1

2

F gHe (26)

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 25: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

18

eff g 1

2g 1

2112

He

W

1

2

F g He

C gHe Ca He

(27)

234 Yapının Temel Parametrelere Bağlılığı

bull Tabanın bağıl dielektrik sabiti εr arttıkccedila enerji daha fazla mikroşerit altında

hapsolmakta ve iletim verimi artarken istenmeyen EMC sızıntısı azalmakta

bull Taban dielektrik yuumlksekliği h genelde milimetreden de kuumlccediluumlk olmakta (yani ccedilok ince bir

tabaka)

bull Uumlst mikroşerit hattın genişliği W genelde dielektrik taban yuumlksekliği mertebelerinde h

(01 le Wh le 30) Hattın karakteristik empedansını belirleyen ana etken bu Wh oranı

Şekil (21)‟de karakteristik empedansın Wh oranı ile değişimi değişik dielektrik

malzemeleri iccedilin goumlsterilmekte

Şekil(21) Farklı 120576119903 değerlieri iccedilin Wh oranı

Goumlruumllduumlğuuml gibi tipik bir mikroşerit hattın karakteristik empedansı 20-30 Ω ile 150-250

Ω arasında değişmekte Pratikte kullanılan tipik değer ise 50 Ω ve aksi belirtilmedikccedile bir

mikroşerit hattın karakteristik empedansının bu değerde olduğu varsayılır

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 26: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

19

Boumlyle bir yapının elektriksel oumlzelliklerinin matematiksel yoldan elde edilmesi iccedilin

Maxwell denklemlerinin (ya da bu denklemlerden tuumlretilen dalga denkleminin) yapıya ait

sınır koşulları altında ccediloumlzuumllmesiyle olur Yapı geometrik olarak dikdoumlrtgensel oumlzelliklere

sahip olduğundan Kartezyen Koordinat sisteminin kullanılması uygun Bu accedilıdan yapıda

sorun yok Ancak sınır koşullarının sağlanması ccedilok sıkıntılı Yapıda dielektrik ndash metal

sınırları olduğu gibi dielektrik hava sınırları da var Bu haliyle geometrik şekil olarak

uygun olsa da sınır koşulları olarak yapıyı 3 adet tek boyutlu dalga denklemine

indirgemek olası değil

Oumlzetle yapının doğrudan 3-boyutta matematiksel tam ccediloumlzuumlmuuml henuumlz bulunabilmiş

değil Bu durumda ya yapının basitleştirilmiş ve belli parametre boumllgelerinde geccedilerli

matematiksel ccediloumlzuumlmleri aranmakta ya oumllccediluumllere dayalı ampirik formuumlllerle ccedilalışılmakta ya

da guumlnuumlmuumlzuumln guumlccedilluuml sayısal youmlntemleri kullanılmakta

Z0 0

2 reffln8h

We

025We

h

W

h1

(28)

Z0 0reff

lnWe

h1393 0667ln

We

h1444

1

W

h1 ( 28)

We

hW

h125

t

h1 ln

4W

t

W

h1

(29)

We

hW

h125

t

h1 ln

2h

t

W

h1

(210)

reff r 1

2r 1

2FW

h

C

(211)

FW

h

112

h

W

05

004 1W

h

2

W

h1

(212)

FW

h

112

h

W

05

W

h1

(213)

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 27: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

20

C r 1

46

t h

W h (214)

Aslında Şekil (21)‟deki eğriler bu ve benzeri ampirik formuumlllerden elde edilmiş

durumda Bir mikroşerit hattın karakteristik empedansını arttırmak iccedilin (i) bağıl dielektrik

sabiti daha buumlyuumlk olan taban dielektrik malzemesi seccedilmek (ii) mikroşerit genişliğinin

taban dielektrik malzemesine oranını (Wh) duumlşuumlrmek (sabit dielektrik taban yuumlksekliği

iccedilin daha ince mikroşerit hat kullanmak) gerektiği unutulmamalı

235 Mikroşerit Hattın Yapı ndash Empedans İlişkisi

Mikroşerit hattın genişlideğiştirilerek veya yanına değişik geometrilerde başka metal

şeritler kullanarak hemen her tuumlrluuml pasif mikrodalga devresi elde edilebilmekte Şekil

23‟te mikroşeritler uumlzerinde iki kapılı devre mantığı goumlsterilmekte

Şekil (23) Mikroşerit devre mantığı (uumlstte) 3-boyutlu goumlruumlnuumlş (altta) yandan kesit

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 28: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

21

Şekil(23)‟de giriş ve ccedilıkış kapıları sırasıyla solda ve sağda mikroşerit devre ise

ortada (şekilde duumlşey kesikli ccedilizgiyle goumlsterilen boumllge) yer almakta Sol taraftan

uygulanacak bir işaretin bir(elektromanyetik dalganın) 1 kapı girişinde bir kısmı

iletilecek bir kısmı ise geriye yansıyacaktır Birinci ve ikinci kapıdaki giren ve kapılardan

yansıyan işaretler kullanılarak devrenin iletim ve yansıma karakteristikleri elde edilmekte

İki kapılı elektronik (toplu parametreli) devrelerde empedans (Z) ve admitans (Y)

parametreleri kullanılırken mikrodalga oumlzellikle mikroşerit devrelerinde dağılmış

parametreler (S-parametreleri) kullanılmakta Bunun nedeni empedans ve admitans

devrelerinin kapılarda accedilık devre (AD) ve kısa devre (KD) sonlandırma gerektirmesi ve

bunun mikrodalgalarda neredeyse olanaksız olması Oysa S parametreleri uygun

sonlandırma gerektirdiğinden kapıların mikroşerithattınkarakteristik empedansıyla

sonlandırılması yeterli olmakta Şekil(23)‟deki a ve b kapılardan giren ve yansıyan

normalize gerilim dalgalarını goumlstermekte Şekil(23)‟de uumlstte verilen iki kapılı mikroşerit

yapıya bakalım

Bu yapı ana mikroşerit hatta aralarında belli bir mesafe olan iki adet farklı kalınlıkta ve

boyda iki adet mikroşerit hat kaskad bağlanmış gibi yorumlanabilir [5] Herşey aynı iken

sadece mikroşerit genişliklerinin (W) değişmesi empedans değişmesi demek olduğundan

araya iki adet paralel empedans bağlanmış gibi de duumlşuumlnuumllebilir Bir başka duumlşuumlnce ana

hatta iki farklı uzunlukta ve sonu AD yan hat bağlanmış olmasıUnutmayın ki uumlst şeritin

goumllgesi alt metal tabanda daima mevcut olmakta Yan hattın KD olası iccedilin uumlst hattın alt

hatta bir tel ya da pim ile birleştirilmesi gerek

Başka bazı mikroşerit devreler Şekil 4‟te goumlsterilmekte İki kapılı bu devreler giriş ve

ccedilıkış arasında kesinti olup olmamasına ve elemanlar arasındaki kuplajlara goumlre farklı devre

karakteristikleri goumlstermekte Oumlrneğin (a) (b) ve (c) devrelerinin giriş ve ccedilıkışları arasında

suumlrekli bir iletken bulunmamakta Bu ise DC‟nin iletilmeyeceğini goumlstermekte Oysa (d)

devresi DC işaretleri de iletecektir

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 29: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

22

3 MİKROŞERİT HATLARIN PCB TASARIMI VE SUumlREKSİZLİK KAVRAMI

Şekil(31) Mikroşerit hattın temel yapısı

31İletim Hatlarında Suumlreksizlik Kavram Bağıntıları

İletim hatlarındaki suumlreksizlikler iletim hatlarının borda yerleşim geometrisiyle ve bord

uumlzerindeki diğer elemanların etkisiyle değiştirilirler Hemen hemen buumltuumln uygulamalarda

ister coaxial kablolar ister dalga kılavuzlarından veya mikroşerit hatlardan oluşsun bunların

suumlrekliliği sağlanamaz muumlhendislikte bunların suumlreklilik sağması pek goumlzlenemez

Bu anlatım TEM ya da quasi-TEM modlarıyla sınırlıdır [4]

311 İletim Hatlarındaki Suumlreksizlikler

Şekil (311)

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 30: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

23

Şekil 311 de mikroşerit hatlarda suumlreksizlik durumları goumlzlenmekte ve bu suumlreksizliklerin

etkilerine ccediloumlzuumlm aranmakytadır

Şekil(312) Burada microşerit hatlardaki suumlreksizlikler goumlsterilmektedir Benzer yapıların

yanı sıra diğer iletimhattı yapılandırmaları iccedilinde geccedilerlidir [2]

Şekil (312) Microşerit hatlardaki suumlreksizlikler

Şekil (313)Mikroşerit ve ortak hat suumlreksizliklerin diğer oumlrnekleri

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 31: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

24

312 Suumlreksizlikler ve Elektromanyetik Alan Etkileşimi

Hattaki suumlreksizlikler sonsuz uzunluktaki uniform bir iletim hattının elektromagnetik

yapısını bozacaktır Yayılım modunu TEM ya da (yarı) quasi-TEM duumlşuumlnuumlrsek suumlreksizlik

sınır koşullarını yerine getirmek iccedilin ccedilevresinde 119879119872111198791198721211987911986411 gibi yuumlksek mertebeden

modların oluşmasına neden olacaktır ancak TEM modalarından sadece biri mevcuttur [2]

Bu yuumlksek mertebeli induumlklenmiş modların ccediloğu ya geccedilicidir ya da ccedilalışma frekansından

daha yuumlksek kesim frekansı gibi non-propagasyonlu devrelerdir

Bu şekilde yuumlksek mertebelimodların alanları yerel alanlar olarak adlandırılır Gerilim ve

akım iccedilin reaktif sistemin etkisi LC devreleri kullanarak modellenebilir

TEM veya yarı-TEM modu iccedilin bobin ve kondansatoumlr iccedileren suumlreksiz 2 bağlantı noktası ağı

olarak duumlşuumlnebilirsiniz

Suumlreksiz modellemede şekil (31) RLCG devre elemanları teorisini kullanarak ccedilalışma

frekansı 2 ndash 6 GHz lik uygulamaların yapılması oldukccedila uygun bir seccedilim olacaktır [2]

Burada uumlst sınır yuumlzey kalınlığına ve suumlreksizliğe bağlıdır Suumlreksizliğin boyutu dalga

boyuyla karşılaştırıldığında bunların en yuumlkseği kullanılabilir uumlst frekans olacaktır

Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu modeller 10 GHz e kadardır

Şekil(31) Mikroşeritvirajlar iccedilin 2 portlu model

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 32: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

25

Şekil 32 de bir mikroşerit hattın kısa bir zaman oumllccedileğinde viraj geccedilişleri esnasındaki

elektromanyetik alanların oluşumunu goumlrmekteyiz

Şekil(32) bir mikroşeritviraj geccedilişleri

313 Suumlreksizlikler İccedilin Devre Modelleri ve Eşdeğer Devrenin Elde Edilmesi

Bunun iccedilin 3 tipik yaklaşım metodu vardır

Metot 1 Analitik ccediloumlzuumlmler

Metot 2 Sayısal metot

ndash Moment Metodu (Method of Moments)

ndash Sonlu Elemanlar Metodu (Finite-Element Method)

ndash Zaman Alanında Sonlu Farklar Metodu (Finite-Difference Time Domain Method)

Sayısal metot 3D modellemelerinde suumlreksizlikler iccedileren quasi-statik elektromanyetik

alanları bulmak iccedilin kullanılır Suumlreksizliğin ccedilevresinde oluşan elektromanyetik alanlar

TEM ve non-TEM olarak ayrılmıştır ve LC elemanları kullanılarak bunlar

ilişkilendirilebilirler[5]

Metot 3 Devre modelleriyle oumllccediluumlm yaparak uydurma youmlntemleri kullanılır Oumlneri olarak

tasarıdaki devre elemanlarının değer ve parametrelerini değiştirerek frekans zaman

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 33: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

26

domeninde teorik analiz ve oumllccediluumlm eşleştirmelerinden etkileşim sağlanır Oumllccediluumlmler zaman

domenindeyken zamandomenireflectometry (TDR) ve frekans domeninde iken oumllccediluumlmler

vektoumlrel network analizoumlr olarak kullanılır (VNA) [4]

32Mikroşerit Hattın Gerccedilekleştirilmesi Aşamasındaki Yaşanan Problemler

321 Via Suumlreksizlikler İccedilin Analiz

Ls 02h ln4h

d

1

(31)

Cp 0056rhd

d2 dN

(32)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(33)

119862119901 = via ve iccedil uzantısı aralığında oluşan kapasitelerdir ve Birdenccedilok iletkenuccedilaklarıvarsa

o zaman Cphericcedilduumlzleminekarşılıkolmalıdır

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 34: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

27

322 Bend (buumlkuumlm viraj) İccedilin Suumlreksizlik Analizi

Buumlkuumlm suumlreksizliği ve eşdeğer devresi Şekil 322‟de verilmiştir

Şekil 33 (a) Buumlkuumlm suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CBEND

w 95r 125

w

h 52r 7

(321)

CBEND

w14r 125

w

h 183r 225

w h (322)

L

h100 4

w

h

421

(323)

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 35: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

28

Eğer şekil (22) T1 ve T1 iletim hatlarının genişlikleri farklı olursa Bahl [5] analitik

formuumlller ile şu şekilde hesaplanabilir

Sekil (22) buumlkuumlm suumlreksizliğinin eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı statik ifadeler

C

w14r 125

w

d 183r 225

w d wdlt1 iccedilin (324)

C

w 95r 125

w

d 52r 70

wdgt1 iccedilin (325)

L

d100 4

w

d

421

Bu yapıyı ccediloumlzuumlmlemeyi teorik bir uygulamada goumlsterecek olursak

90 derecelik mikroşerit hat doumlnuumlşuuml iccedilin w = 28mm d = 157mm εr= 42 buradan L ve C

yi hesaplayalım

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 36: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

29

323 Step ( Basamak ) Mikroşerit Hatların Suumlreksizlik Analizi

Farklı genişliklerdeki mikroşerit hatların birbirine bağlanması gereksinimi mikrodalga devre

tasarımında sıkccedila karşılaşılan bir durumdur Ccedileyrek dalga doumlnuumlştuumlruumlcuumller filtreler ve

kuploumlrler genişlik değişiminin goumlruumllduumlğuuml durumlara oumlrnek olarak verilebilirler Yine aynı

şekilde transistoumlrluuml kuvvetlendirici devrelerinde birccedilok zaman bu tuumlr genişlik değişimlerine

gereksinim duyulmaktadır Mikroşerit iletim hatlarında genişlik değişiminden kaynaklanan

suumlreksizlik Benedek ve Silvester tarafından detaylı olarak incelenmiştir (Benedek P ve

Silvester P 1972) Basamak suumlreksizliği eşdeğer devresi ve eşdeğer devre parametreleri

Şekil 33‟de goumlsterilmektedir

Şekil 33 (a) Mikroşerit basamak suumlreksizliği (b1) Eşdeğer devresi

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 37: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

30

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması iccedilin bir dizi analitik formuumlle başvurmuştur

[4]

Cs

HpF m 1370

1

Z011W2

W1

eff1 03

eff1 0258

W1 H 0264

W1 H 08

(31)

Ls

HH m 1

Z01

Z02

eff1

eff 2

2

(32)

Diğer bir eşdeğer devreye goumlre analizi ise [3]

Şekil 33 (b2) Eşdeğer devresi

L1 L2 ve C iccedilin yaklaşık yarı sratik ifadeleri şekil 33 (b2) den amprik formuumlllerden

yaklaşık değerler hesaplanırsa

C

w1w2 101logr 233

w1

w2126logr 317

(33)

C

w1w2130log

w1

w2

44

(34)

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 38: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

31

L

d 405

w1

w210

75

w1

w2 02

w1

w210

2

(35)

L1 Lm1

Lm1 Lm2L

(36)

L2 Lm2

Lm1 Lm2L

324 Mikroşerit Hatların T-junction ( T kavşağı ) Suumlreksizlik analizi

Mikroşerit iletim hatlarında sıkccedila karşılaşılan bir diğer suumlreksizlik tuumlruuml de T-Jonksiyonu

suumlreksizliğidir Mikroşerit antenler ve iletim hattı ile kollar arası kuploumlrler bu suumlreksizliğin

goumlruumllebileceği yerlerdir Şekil 34‟de T-Jonksiyonu suumlreksizliği ve eşdeğer devresi

verilmiştir

Şekil 34 (a) T-Jonksiyonu suumlreksizliği (b) Eşdeğer devresi

Eşdeğer devre parametreleri şu analitik formuumlller ile hesaplanabilir (Bahl)

CT

W1

pF m 100

tanH 00072Z02 064Z02 261

(35)

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 39: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

32

25 Z02 100 (3241)

L1

HnH m

W2

H

W2

H0016

W1

H 0064

0016

W1 H

Lw1

(36)

05 W1

HW2

H

20

L2

HnH m 012

W1

H047

W2

H 0195

W1

H0357 00283sin

W1

H075

Lw2

1W1

H 20

(37)

05 W2

H 2

Lw Z0 eff

cH m

(38)

c 3108m s

T kavşakarımicrodalgada en oumlnemli devamsız yapı olarak bilinmektedir ve birccedilok

mikrodalga yapısında kullanılmaktadır Bununla birlikte T kavşakları guumlccedilleri dengesiz

bolmak iccedilin kullanılabilir Oumlrneğin şekil 34

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 40: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

33

Sekil (34)

T kavşakları kullanımında her iki kola giden guumlcuumln ayarlanmasında kavşağın uzanan

kollarında kullanılan mikroşeritler etkilidir ( uyulmama işlemi bu kollarda yapılır) Guumlccedil

boumllmesinde ise temel olarak Ohm kanunundan faydalanılır Bunlarla birlikte mikrodalganın

bir diğer suumlreksiz yapısı olan basamaklarda T kavşaklarına dahil edilir Tasarlanan T

kavşakları birbirlerine 1198850 empedanslı hatlar ile bağlanmışlardır bu bağlantılarda karşılaşılan

diğer tip suumlreksiz yapı ise buumlkuumllme noktalarıdır

Sekil 34 Mikroşerit hat ile tasarlanmış guumlccedil boumlluumlcuuml

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 41: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

34

325 Mikroşerit Hatlardaki Gap ( boşluk ) Suumlreksizlik Analizi

Şekil 32 (a) Mikroşerit Boşluk Suumlreksizliği (b) Eşdeğer Devresi

Enerjinin boşluğun diğer tarafına iletilebilmesi iccedilin accedilık devre sonlandırılmış mikroşerit

hatlar eşit ve ters olarak şarj edilmelidir Cg kapasite elemanı bu durumu accedilıklamaktadır

Topraklanmış kapasite elemanı Cp simetrik bir boşlukta herbir hattın sonundan doğrudan

toprağa yayılan alanı belirtmektedir Burada boşluğun neden olduğu suumlreksizliğin capasite

etkilerini goumlrebilmekteyiz

119897119890119900 =1198881198850119862119891

120576119890119891119891 formuumlluumlnuumln geliştirilmesi ile boşluk iccedilin geccedilerli ilave hat parccedilası 119897119890119900

hesaplanabilir

119897119890119900 =1198881198850(119862119901 +119866119892)

120576119890119891119891 (32)

Buradan hareketle Cp veCg ‟nin bilinmesi durumunda ilave hat parccedilasının uzunluğu

hesaplanabilir Bu durum sentez iccedilin uygun değildir Buna oumlrnek olarak filtre sentezi

verilebilir Prototip filtre karakteristiklerinden boşluk kapasite elemanının bilgisine

ulaşılabilir

Garg ve Bahl‟a goumlre

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 42: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

35

Bu eşitlikler 25le 120576119903 le 15 aralığında 7‟lik bir hata oranına sahiptir Tuumlm bu bilgilerin

ışığında g boşluk genişliği

ln 119878

119882 =

1

1198980 119897119899

1198620

119882 minus 1198960 (34)

Formuumlluuml kullanılarak hesaplanabilir

Bahl eşdeğer devre parametrelerinin hesaplanması (Bahl)

119862119901 =119862ccedil119894119891119905

2 119862119892 =

119862119905119890119896 minus119862119901

2(3252

119862ccedil119894119891119905 = 120576119903

96

09

119862119890 119862119905119890119896 = 120576119903

96

08

1198620 (35)

119862119890

120596 119901119865119898 =

119878

120596 119898119890

exp 119896119890 1198620

120596 119901119865

119898 =

119878

120596 1198980

exp 1198960119890 (36)

me 08675

ke 2043

H

(37)

01

H 03

me 1565

H 016

1

(38)

ke 197003

H (39)

03S

10

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 43: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

36

mo

H0619log

H 03853

ko 4261453log

H

01S

10

(39)

33Suumlreksizlikteki Işıma Kayıpları

Yuumlksek frekanslarda ( f gt 5Ghz) kayıpsız bir suumlreksizlik duumlşuumlnuumllemez Bu yuumlzden yuumlksek

mertebelimodlarda Elektromanyetik alan devre yuumlzey dalgaların oluşmasına neden olur ve

oluşan bu dalgalar enerji kayıplarına yol accedilar

Ayrıca hızlanma ve yavaşlamalarda ışımaya neden olur ışımadaki kayıplar suumlreksiz devre

eşdeğer modeline seri ve şoumlnt direnccediller bağlanarak dahil edilebilir

34 Suumlreksizliklerin Mikroşerit Hatta Etkisi ve Azaltılması

Mikroşerit suumlreksizlikleri iccedilin eşdeğer devre modelneleri baktığımızda keskin okuyucu

hemen hemen tuumlm buanların Low-Pass Filtre olarak yorumlanabilir olduğunu fark ediyoruz

Kapasiteler yuumlksek frekans etkisindeyken enduumlktansların yuumlksek frekanstaki etkisi de

zayıflama goumlsterir sekil

Ccedilok fazla suumlreksizliğe sahip iletim hattı toplam bant genişliğine etki ederek azalmasına

neden olur suumlreksizliğin diğer bir suonucuda suumlreksizliğin ışmadaki azalma kaybıdır

Şekil(32)Suumlreksizliğin ccedilıkıştaki etkisi

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 44: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

37

35Suumlreksizlik etkisinin azaltılması iccedilin yapılan değişikler

Suumlreksizlik etkisini azaltabilmek iccedilin endiktansa ve kapasite ilişki değerlerini azaltmamız

gereklidir bunu sağlayan değerlere ulaşmak iccedilin ise viraj ve benzeri suumlreksizliklerde

değişiklikler yapılabilir bu sayede akım kesintiye uğramayacak ve yuumlk birikimi

olmayacaktır optimum değerlere ve suumlreksizliğin kayıplarını minimuma indirmek iccedilin sekil

deki gibi viraj tasarımları yapılabilmektedir

351 Viraj suumlreksizlik etkisini azaltmak iccedilin tasarım

Şekil(33) optimum değer iccedilin b=057W olmalıdır

352 T- kavşak ve Adım Suumlreksizlik Etkisini Azaltmak İccedilin Yapılan Tasarım

(Şekil 33) dede goumlruumllduumlğuuml gibi T-kavşağı ve adım suumlreksizlik etkilerini gidermek iccedilin

yapılan değişikliklerde şekil keskinliklerden kaccedilınılmalı ve daha yumuşak geccedilişlerle

bağlantılar sağlanmalıdır teorik olarak şekil 352 de verilen oranlar optimum oranlardır

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 45: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

38

Sekil(352) T-Kavşak ve adım suumlrksizlikleri

353 Via ve Delikli Suumlreksizliklerin Etkisini Azaltmak İccedilin Tasarım

Sekil deki gibi vianın uzunluğunu iccedil hatlar kullanarak kısaltırız bununla beraber vianın

koumlk kısmı kaldırılmış olacak bu sayede suumlreksizlik etkisini azaltmış oluruz

Şekil(351)via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler

Diğer bir tedbir ise vialar arasındaki karşılaşmayı oumlnlemek iccedilin vialarbellirli oranda

kaydırılarak aralarındaki etkileşimi azaltmaktır

Şekil(3533) via suumlreksizlikleri iccedilin yapılan değişiklikler(uumlsten goumlruumlnuumlm)

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 46: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

39

Şekil (22a)Via noktası buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

Şekil (22b) Adım geccedilişi buumlyuumltuumllmuumlş mikroşerit yollar

36KonnektoumlrBağlantılısındaki Suumlreksizlikler

Bir dış hattın mikroşerit devreye bağlantısı konektoumlrler sayesinde olur ve bu

konektoumlrlerin bağlantı noktaları suumlreksizliğe ve etkilerine neden olur Mikroşerit hatta

coaxial kablolar bağlanır ve bu bağlantılar SMA-PCB connnektoumlruuml sayesinde gerccedilekleştirilir

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 47: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

40

Şekil (361)Konnektoumlr bağlantı suumlreksizlikleri

Sekil(361) de SMA konektoumlruumlnuumln hervia‟nın her iletim hattının ve her suumlreksizliğin

deneysel ortamda değerleri verilmiştir bu tuumlr bir devrenin analizi teorik olarak

sonuccedillandırılabir Deney yazılım ortamında ldquoAWR Design Environmenrdquo isimli programda

gerccedilekleştirilmiştir Şekil (362) kurulan devreyi goumlrmekteyiz

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 48: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

41

Şekil (362) Konnektoumlr ve via suumlreksizliklerinin analizi

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 49: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

42

4 Mikroşerit Hat ile Tasarlanmış 245 GHz AB sınıfı RF yuumlkselccedil Uygulaması

Bu uygulamada NXP firması tarafından tasarlanmış oumlrnek devrenin analizi oumllccediluumlmleri ve

uygulama alanındaki 245 GHz kablosuz haberleşme sitemi yapılandırması yapıldı Sonuccedil

olarak mikroşerit hatlı yuumlkselteccedil devresinin 245 GHz deki performansı ve kazanccedil verileri

incelendi Girişe 1 dBm ile 17 dBmlik sinyaller uygulandı ve ccedilıkıştakı guumlccedil ve kazanccedillardaki

değişimler 245 GHz iccedilin incelendi [13]

Kurulu duumlzenek ve oumllccediluumlm iccedilin sinyal kaynağı Airties AP-302 Access point 80211g

kanalları kullanıldı

41 Uumlruumln oumlzellikleri

BGA7124 yuumlksek bant genişliğine sahip tek aşamalı bir RF yuumlkselteccediltir BGA7124 NXP

firmasının tasarlamış olduğu 400 MHz den 2700 MHz kadar bant genişliğine sahip 1dB de

25 dBmlik ccedilıkış guumlcuumlnde yuumlksek performanslı bir yuumlkselteccedil olarak ccedilalışır ayrıca mantık

duumlzeyinde kontrol seviyesinde ccedilalışarak besleme akımı olan 4 microA seviyeyi accedil kapa ile

sistemden keserek kontrol eder [13]

400 MHz den 2700 MHzbdquo e kadar ccedilalışma frekans aralığı

2 GHz de 16 dB kazanccedil

1 dB de 25 dBmlik ccedilıkış guumlcuuml

33 V ya da 5 V ile besleme imkanı

Kablosuz haberleşme altyapılarında ( baz istasyonlarında tekrarlayıcılarda toplayıcılar)

gibi geniş kullanım alanına sahip bir yapı olarak kullanılan RF yuumlkselteccediller yakın zamanda

oldukccedila gelişmiş olan kablosuz haberleşme sistemlerinin uzak mesafelere iletimi ya da alımı

iccedilin kullanılmaktadır İncelenen BGA7124 entegresine sahip mikroşerit hatlardan oluşmuş

ve 245 GHz - 248 GHz frekans aralıklarında uygulaması yapmıştır sekil 543

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 50: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

43

42Mikroşerit Hattın Yapısı ve Devreyi Oluşturan Elemanların Sistem Davranışları

421 2405 MHz - 2485 MHz arasında devrenin tasarımı

Şekil (521) BGA-7124 5V 120mA accedilık şeması

Accedilık şeması verilen (Şekil 521) devrede kullanılan PCB‟ nin temel oumlzellikleri

PCB-RO4003C PCB kalınlığı = 0508 mm εr = 338 Bakır kalınlığı = 35 μm

Şekil(542) BGA-7124 pozitif yuumlzey şeması

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 51: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

44

BGA-7124 devresinde kullanılan malzemelerin sistem iccedilindeki goumlrevleri ve empedans

eşleştirmesi Tablo 54

Malzeme Tanımı Değeri Goumlrevi

C1C5 Kapasite 12pF DC bloklama

C2 Kapasite 12pF Giriş empedans eşleştirme

C3 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C4 Kapasite 12pF Ccedilıkış empedans eşleştirme

C6 Kapasite 12pF RF ayırıcı

C7 Kapasite 12pF DC ayırıcı

C8 Kapasite 12pF DC ayırıcı

L1 Enduumlktans 12pF DC besleme

MSL1 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times1095 mm Giriş eşleştirme

MSL2 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times108 mm Giriş eşleştirme

MSL3 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times73 mm Ccedilıkış eşleştirme

MSL4 MikroşeritHat 114 mm times08 mm times43 mm Ccedilıkış eşleştirme

Tablo 54 Kullanılan malzemenin devre iccedilerisindeki goumlrevleri

Tablo 54 de kullanılan yapıların geneli empedans uyumunu sağlamak iccedilin kullanılmıştır

mikro şerit hatlarda genel sorun suumlreksizliklerin sebep olduğu kayıplar ve empedans

uyumsuzluklarıdır Bu uyumsuzlukları ortadan kaldırmak iccedilin surface-mount yuumlksek frekans

devre elemanları kullanılır ya da suumlreksizlikler sonrasında mikro şerit yolların yapısı

değiştirilir

Devrede C2 C3 C4 kondansatoumlrleri devrede yuumlksek frekans yollarındaki suumlreksizliklerin

neden olduğu empedan uyumsuzluklarını ve devrenin giriş ccedilıkış empedans uyumsuzluklarını

gidermek iccedilin kullanılmıştır

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 52: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

45

Şekil (542) kullanılan PCB‟ nin milimetrik yapı goumlruumlnuumlmuuml

45 BGA7124rsquo uumln uygulamdaki kullanımı

Şekil (542) Uygulamadaki şema

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 53: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

46

Bu ccedilalışmada 245 GHz lik double quad anten tasarlanmış (şekil 51) ve AP-302 den 1

dBm den 17 dBm‟e kadar BGA 7124‟ uumln girişine guumlccedil uygulanmıştır ayrıca data testi double

quad anten tarafından yapılmıştır bu uygulamada tasarlanan antenle 245 GHz de data

hizmeti sağlanacak boumllgenin genişletilmesi kullanılan mikroşerit RF yuumlkseltecin performansı

test edilmiştir

Suumlreksizlik accedilısından BGA-7124 RF yuumlkseltecin tasarımı incelendiğinde mikroşerit

yolların suumlreksizliklerden kaccedilınmak iccedilin minimum viraj ve t boumlluumlnmelerei gibi geometrik

oluşumlar bulunmamaktadır dervreye dikkat edlirse şekil542‟de BGA-7124 devresinin R1

ve C7 elemanları arasında sadece bir suumlreksizlik mevcut ve bu suumlreksizlik etkilerini azaltmak

iccedilinde konu 351‟ deki geometrik değişime gidilmiştir

Şekil (51) 245 GHz double quad anten

Uygulamada BGA-7124 RF yuumlkselteccedil AP-302 Accesspoint ve 245 GHz lik anten

kullanılmıştır Amaccedil muumlhendislikteki minimum maliyetle yapılabilecek maksimum

performansı test ekmektir

Deneysel ortam olarak accedilık alan kullanıldı ve sistem 2 youmlnluuml ( datanın iletimi ve alınımı)

olarak test edildi

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 54: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

47

46 Uygulama Sahası Sonuccedilları

İlk etepta sistem olarak standart 2dB 245 GHz lik omni anten ile datanın max

ulaşabileceği boumllge tespit edildi

461 Omni Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 100m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 450m

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada omni anten ile yapılan accedilık alan taramasında 6 adet kablosuz bağlantı

noktası tespit edilmiştir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml 5 uumlzerinden Ping cevap suumlresi

Airties 302 2 40 ms

Bluecomputer 1 67 ms

Autocan 4 32 ms

Zyxel 4 30 ms

Akyuumlz oto 2 46 ms

Airties RT 211 2 41 ms

Tablo 1 Omni anten taraması

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 55: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

48

462 Double quad Anten İle Accedilık Alan Test Sonuccedilları

Data goumlnderimi 1dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 350 m

Data goumlnderimi 10dBm lik giş iccedilin yaklaşık sağlıklı data goumlnderim mesafesi 3 km

10 dBm uumlzeri girişlerde kayıp datlar oluşuyor yani RF yuumlkselteci iş yapmaz hale geldiği

goumlzlenmiştir

Tersinir ccedilalışmada double quad anten ile yapılan accedilık alan taramasında 102 adet kablosuz

bağlantı noktası tespit edilmiştir Bağzıları tablo 2 verilmektedir

Bağlantı noktası Ccedilekim guumlcuuml (5 uumlzerinden) Ping cevap suumlresi

Airties RT 211 4 21 ms

12Bluecomputer 3 32 ms

azizbaba 4 19 ms

AIRMAX-101 4 12 ms

furkan 4 26 ms

ALPEROTO 1 62 ms

konut 2 42 ms

15Bluecomputer 2 53 ms

hacıoğlu 4 26 ms

DAİRE-1A 4 18 ms

Airties 302 5 7 ms

lojmanlar 3 32 ms

YAPITEK 4 21 ms

atılım 1 56 ms

KONUT-1 4 24 ms

YASAR_SANAL 5 11 ms

Airties rt-206 5 25 ms

DAİRE-3B 1 62 ms

fango 2 41 ms

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 56: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

49

Airties rt-205 2 45 ms

Kore-2 2 32 ms

y-kafe 5 5 ms

BAŞAK E-4 3 37 ms

outlet 2 49 ms

OTOFORD 3 40 ms

SERDAR 1 70 ms

uzunoğlu 4 26 ms

11Bluecomputer 5 14 ms

showroom 5 11 ms

guumlmruumlkcuuml 4 22 ms

Aras-kargo 2 45 ms

Airties rt-205 4 25 ms

SERVİS 1 54 ms

13Bluecomputer 4 17 ms

DAİRE-1 3 28 ms

KAT4 3 34 ms

BAŞAK E-2 4 19 ms

irfanoğlu 1 72 ms

Autocan 5 10 ms

elanes 1 48 ms

hasan 2 34 ms

Akyuumlz oto 4 25 ms

BAŞAK E-6 4 22 ms

elektromodem 5 11 ms

Airties rt-205 3 41 ms

DAİRE-2 4 17 ms

TRB 2 31 ms

12Bluecomputer 3 29 ms

Dayı66 2 34 ms

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 57: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

50

SONUCcedil

Bu ccedilalışmada mikroşerit iletim hat suumlreksizliklerinin eşdeğer devre ccediloumlzuumlmlemeleri ve

mikroşerit iletim hatlarının tasarlanması ele alınmıştırMikroşerit iletim hatlarında en ccedilok

karşılaşılan beş suumlreksizlik tuumlruumlnuumln incelenmesi sonucu daha sağlıklı yuumlksek frekans

devreleri tasarlanabileceğini goumlrduumlk

Yapılan araştırmada mikroşerit hatların tasarlanmasında yaşan problemlere ccediloumlzuumlm

aranmış ve ampirik uygulamalarla suumlreksizlik etkilerinin azaltılması sağlanmıştır Uygulama

alanında mikroşerit hatlarla tasarlanmış NXP firmasının BGA-7124 RF yuumlkselteccedil devresi

Airties‟ in AP-302 245 GHz data sinyal uumlreteciyle test edilmiş [14] mikroanşerit uumlzerindeki

suumlreksizlikler belirlenmiş giderici oumlnlemlerin pratikte analizi ve devre elemanlarının

kullanımımı incelenmiştir Ayrıca oluşturulmuş buumltuumlnleşik deney gurubunun performansı

uzak mesafelerde 245 GHz de data transfer başarısı test edilmiş ve yuumlksek performanslı veri

alışverişi gerccedileklerştirilmiştir

Toplanan veriler doğrultusunda geniş bant hizmet ağlarında minimum maliyetli dış saha

kablosuz servis sağlıyıcılığında muumlhendislik accedilısından max kazanc sağlanmıştır

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr

Page 58: T.C. - eee.ktu.edu.tr · İletim Hattı Edeğeri Ve iletim Hattı Denklemleri. Alçak frekans devreleri ile çalıırken, çeitli devre elemanlarını bağlamak için kullanılan

51

KAYNAKLAR

[1] Tang W Chow YL ve Tsang KF (2004) ldquoDifferent Microstrip Line

Discontinuities on a Single Field-Based Equivalent Circuit Modelrdquo IEE Proc-Microw

Antennas Propag No3 256-262

[2] Edwards TC (1981) Foundations for MicrostripCircuit Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 5 Chap 6

[3] Collins RE (1992) Foundations for MicrowaveEngineering McGraw-Hill Chap3

[4] Bahl Ive BhartiaP(1988) Microwave Solid State Design Wiley-

IntersciencePublication Chap 2

[5] Beilenhoff K Klingbeil H Heinrich W ve Hartnagel HL (1993) ldquoOpen and

Short Circuits in CoplanarMMIC‟srdquo IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques

[8] Kinayman Noyan Aksun MI2005 Modern Microwave Circuits Artech House

Norwood USA

[9] Pozar D M 2005 Microwave Engineering John Wileyand Sons New York

[10] NXP Semiconductors400 MHz to 2700 MHz 025 W

highlinearitysiliconamplifierhttpwwwnxpcompippip=[pip=BGA7124]|pp=[t=pipi=BG

A7124]

[11] AirTiesAP-302 54Mbps Kablosuz Erişim

Noktasıhttpwwwairtiescomproduct-detailsasppn=AP-302ampci=1ampdil=tr