T.C. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü

T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

KABLOSUZ HABERLEŞME UYGULAMALARI İÇİN FREKANSI YENİDEN DÜZENLENEBİLİR MİKROŞERİT ANTEN TASARIMI

İman Hafedh Yaseen Al HASNAWİ

Danışman Doç. Dr. Mesud KAHRİMAN

YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRONİK VE HABERLEŞME MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ISPARTA - 2018

İÇİNDEKİLER

İÇİNDEKİLER ...... i ÖZET ...... iii ABSTRACT ...... iv TEŞEKKÜR ...... v ŞEKİLLER DİZİNİ ...... vi ÇİZELGELER DİZİNİ ...... viii SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ ...... ix 1. GİRİŞ...... 1 1.1. Yeniden Yapılandırılabilir Anten Sınıflandırması ...... 3 1.1.1. Yeniden yapılandırılabilirlik fonksiyonuna göre antenler ...... 3 1.1.2. Konfigürasyonuna göre yeniden düzenlenebilir antenler ...... 4 1.1.3. Anten tiplerine göre yeniden düzenlenebilir antenler ...... 4 1.2. FET Anahtarı : ...... 6 1.3. Pin Diyot Anahtarlama ...... 7 1.4. Varikap Diyotlu Anahtarlama ...... 9 1.5. MEMS anahtarları ...... 10 2. KAYNAK ÖZETLERİ ...... 13 3. MATERYAL VE YÖNTEM ...... 21 3.1. Anten Tipleri...... 21 3.1.1. Dipol anten ...... 22 3.1.2. Slot anten ...... 24 3.1.3. Çanak Antenler ...... 25 3.1.4. Horn Anten ...... 26 3.2. Mikroşerit Antenler ...... 27 3.3. Mikroşerit Anten Tipleri ...... 28 3.3.1. Mikroşerit Yürüyen Dalga Antenleri...... 28 3.3.2. Mikroşerit Yarıklı Antenler ...... 29 3.4. Mikroşerit yama antenler ...... 29 3.5. Mikroşerit Antenin Temel Özellikleri ...... 31 3.6. Mikroşerit Anten Uygulamaları ...... 32 3.6.1. Mobil Ve Uydu İletişimi Uygulamaları ...... 32 3.6.2. GPS (Küresel Konumlandırma Sistemi) Uygulamaları ...... 32 3.6.3. RFID Uygulamaları...... 32 3.6.4. Radar Uygulamaları...... 33 3.6.5. Rectenna Uygulamaları ...... 33 3.6.6. Teletıp Uygulamalar ...... 33 3.6.7. Tıbbı Tedavi Uygulamaları ...... 33 3.7. Anten Parametreleri: ...... 34 3.7.1. Işıma Örüntüsü...... 34 3.7.2. Verim ...... 35 3.7.3. Kazanç ...... 36 3.7.4. Yönlülük ...... 36 3.7.5. Kutuplanma ...... 37 3.8. Empedans Eşleştirme ...... 38 3.8.1. Yansıma kaybı...... 39 3.8.2. Duran Dalga Oranı (SWR) ...... 39 3.8.3. Bant Genişliği (BW) ...... 40

3.9. İmalat İşlemi ...... 40 3.10. Mikroşerit Antenin Avantaj ve Dezavantajları...... 40 3.11. Mikroşerit Anten Besleme Teknikleri ...... 42 3.11.1. Mikroşeri hat beslemesi ...... 42 3.11.2. Koaksiyel Besleme ...... 43 3.11.3. Açıklık Bağlantı Besleme ...... 44 3.12. Yaklaşım Bağlaşımlı Besleme ...... 45 3.13. Analiz Yöntemleri ...... 46 3.13.1. İletim Hatt Modeli ...... 46 3.13.2. Cavity modeli ...... 49 4. ARAŞTIRMA BULGULARI ...... 52 4.1. Dört PIN Diyot kullanarak yenidendüzenlenebilir anten Tasarımı ...... 52 4.2. PIN diyot ...... 52 4.3. Önerilen Anten Tasarımı ...... 54 4.4. Simülasyon Ve Ölçüm Sonuçları ...... 57 5. SONUÇ ve ÖNERİLER ...... 77 KAYNAKLAR ...... 78

ÖZET

Yüksek Lisans Tezi

KABLOSUZ HABERLEŞME UYGULAMALARI İÇİN FREKANSI YENİDEN DÜZENLENEBİLİR MİKROŞERİT ANTEN TASARIMI

İman Hafedh Yaseen Al HASNAWİ

Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Anabilim Dalı

Danışman: Doç. Dr. Mesud KAHRİMAN

Modern iletişim sistemlerindeki gelişmeler, antenlerin birden fazla frekans bandında çalışması ihtiyacını ortaya çıkarmaktadır Kablosuz sensör ağları, tıbbı uygulamalar gibi birçok uygulama; birden fazla frekans bandına ihtiyaç duyabilmektedir. Hazırlanan çalışmada, farklı frekanslarda kullanılabilecek mikroşerit tasarımı gerçeklenmiştir. Tasarlanan mikroşerit yama anteninin analitik modelleri, Ansoft HFSS yazılımı kullanılarak, analiz edilmiştir. Temel anten parametrelerinden olan yansıma katsayısı ve ışıma örüntüleri incelenmiştir. Tasarlanan mikroşerit antenin, RF anahtarların durumuna, yani kontrol noktalarına uygulanan farklı besleme durumlarına göre, farklı frekanslarda (1.7, 1.9, 2.2, 2.6 ve 2.75 GHz) rezonansa geldiği tespit edimiştir. RF anahtarlama için 4 adet PIN diyot modellenmiş ve kullanılmıştır. Ayrıca PIN diyotların durumuna bağlı olarak antenin ışıma örüntüsünün de değiştiği gözlenmiştir. Ansoft HFSS programı ile fiziksel özellikleri ve geometrisi belirlenen mikroşerit anten, hfss simülatörü kullanılarak tasarlanmış ve çift tarafı bakır kaplı FR4 plaket kullanılarak gerçeklenmiştir. Kullanılan plaketin kalınlığı 1.6 mm’dir. Antenin eni 49.7mm ve boyu 50.9mm’dir. Gerçeklenen antenin yansıma katsayısı (S11) Spektrum analizör kullanılarak ölçülmüş ve benzetim sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar karşılaştırıdığında, benzetim sonuçları ile ölçüm sonuçlarının yapısal olarak uyum içnde olduğu gözlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Yeniden düzenlenebilir anten, Mikşerit anten, PINdiyot.

2018, 85 sayfa

iii ABSTRACT

M.Sc. Thesis

FREQUECY RECONFIGURABLE ANTENNA DESIGN FOR WIRELESS COMMUNICATION APPLICATIONS

İman Hafedh Yaseen Al HASNAWİ

Süleyman Demirel University Graduate School of Natural and Applied Sciences Electronics & Communication Engineering

Supervisor: Assoc. Prof. Mesud KAHRİMAN

The developments of modern communication systems lead to the need of antennas operate by more than one frequency band. Many applications need more than one frequency band. Wireless, and medical applications this is because of the different systems which these applications are working on This study organized new designs to expose to microstrip antennas with multiple frequencies and appropriate bandwidth. Analytical models for microstrip patch antenna, besides the effect of fundamental parameters on the antenna characteristics were studied by using HFSS software. For antennas designed, first covers systems (1.7, 1.9, 2.2, 2.6 ve 2.75 GHz) by using slotted etached to ground which from of these frequencies used in wireless communication application, Depending on the RF switches, slot gave good results in terms of bandwidth and obtain a new frequency band. For RF switching is 4 PIN diode used. The antenna have designed, studied, and simulated by using hfss simulator, which had executed and printed practically by using a panel consists of two layers of copper separated by dielectric material type (FR-4) with a thickness of 1.6mm using the method of printing paper and removal of chemical wetlands. The widht of antenna is 49.7mm, and the lenght is 50.9mmThe return loss of the antennas had been measured using spectrum analyzer, and the Radiation Pattern are simulated and S11 measured in an labrotery. The results for return loss show agreement with simulated

Keywords: Reconfigurable antennas, Microstrip Antennas, PIN Diode

2018, 85 pages

iv TEŞEKKÜR

Bu araştırma için beni yönlendiren, karşılaştığım zorlukları bilgi ve tecrübesi ile aşmamda yardımcı olan değerli Danışman Hocam Doç. Dr. Mesud KAHRİMAN’a teşekkürlerimi sunarım.

Verdiği Burs ile tezimi maddi olarak destekleyen Irak Hükümeti’ne teşekkür ederim.

Tezimin her aşamasında beni yalnız bırakmayan aileme sonsuz sevgi ve saygılarımı sunarım.

İman Hafedh Yaseen Al HASNAWİ ISPARTA, 2018

ŞEKİLLER DİZİNİ

Sayfa Şekil 1.1. Yeniden yaplabilirik için gerekenler (Haupt and Lanagan 2013) ...... 2 Şekil 1.2. Bir FET diyagramı (Haupt and Lanagan 2013) ...... 6 Şekil 1.3. Yeniden yapılandırılabilir dizi anten yamaları ...... 7 Şekil 1.4. PIN diyotunun diyagramı (Haupt and Lanagan 2013) ...... 8 Şekil 1.5. Yeniden yapılandırılabilir bir yarıklı mikroşerit anten ...... 9 Şekil 1.6. Bir Varaktör Diyodu ...... 10 Şekil 1.7. Çeşitli açma / kapama konumlarındaki MEMS anahtarları ...... 11 Şekil 3.1. Aktarma Elemanı olarak anten (Kraus 1988) ...... 21 Şekil 3.2. Bir dipol antenin eşdeğer elektrik ve manyetik yüzey akım yoğunlukları ...... 22 Şekil 3.3. Elektrik dipolü için küresel koordinatlar ...... 23 Şekil 3.4. a Radyasyon modeli; Kartezyen digram , b_ kutup diyagramı ...... 24 Şekil 3.5. Dalga kılavuzun geometrisi ...... 25 Şekil 3.6. Parabolik reflektörlü anteni beslenme ...... 26 Şekil 3.7. Farklı şekillere sahip Horn antenler ...... 27 Şekil 3.8. Mikroşerit anten yapılandırması (Garg 2001) ...... 28 Şekil 3.9. Mikroşerit Yürüyen Dalga Anten Geometrileri ...... 28 Şekil 3.10. Mikroşerit yanklı antenler ...... 29 Şekil 3.11. Mikroşerit Yama Anteninin Yapısı (Balanis 1997) ...... 29 Şekil 3.12. Mikroşerit yama elemanlarının ortak şekiller (Balanis 1997) ...... 30 Şekil 3.13. Yama antenin basit yapısı ...... 31 Şekil 3.14. Işıma Örüntüsü ...... 34 Şekil 3.15. Elektromanyetik dalganın polarizasyonu ...... 38 Şekil 3.16. Dikdörtgen yama ve onun iletim modeli eşdeğeri ...... 39 Şekil 3.17. Mikro şerit hat Beslemesi ...... 42 Şekil 3.18. Prob beslemeli Dikdörtgen Mikroşerit Yama Anten ...... 43 Şekil 3.19. Diyafram bağlantılı besleme ...... 44 Şekil 3.20. Proximity-coupled Besleme (Huang and Boyle 2008) ...... 45 Şekil 3.21. BirMikroşeritÇizgi, Elektrik Alan Çizgileri ...... 47 Şekil 3.22. Mikro şerit yama anteni ...... 48 Şekil 3.23. a Anten Üstü Görünümü Anten Anteninin, -b Yan Görünümü ...... 49 Şekil 3.24. Mikroşerit yamasında yük dağılımı ve akım yoğunluğu oluşturma . 50 Şekil 4.1. PIN diyot a -on durumunun, b-off durumunun eşdeğer devresi ...... 53 Şekil 4.2. Tasarlanan Antenin Ön Yüzü ...... 54 Şekil 4.3.Tasarlanan Antenin Arka Yüzü ...... 54 Şekil 4.4. Tasarlanan AnteninFiziksel Boyut Paramatreleri ...... 55 Şekil 4.5. İmal Edilen AnteninÖn Yüz Görüntüsü ...... 56 Şekil 4.6. İmal Edilen Antenin Arka Yüz Görüntüsü ...... 57 Şekil 4.7. Spektrum analizör cihazı ...... 58 Şekil 4.8 Pasif Anten için Karşılaştırmalı Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 58 Şekil 4.9 Pasif Anten için IşımaÖrüntüsü ...... 59 Şekil 4.10. Mode 0000 için Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 60 Şekil 4.11. Mode 0000 için IşımaÖrüntüsü ...... 60 Şekil 4.12. Mode 0001 için Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 61 Şekil 4.13. Mode 0001 için IşımaÖrüntüsü ...... 61 Şekil 4.14. Mode 0010 için Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 62

Şekil 4.15. Mode 0010 için IşımaÖrüntüsü ...... 62 Şekil 4.16. Mode 0011 için Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 63 Şekil 4.17. Mode 0011 için IşımaÖrüntüsü ...... 63 Şekil 4.18. Mode 0100 için Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 64 Şekil 4.19. Mode 0100 için IşımaÖrüntüsü ...... 64 Şekil 4.20. Mode 0101 için Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 65 Şekil 4.21. Mode 0101 için IşımaÖrüntüsü ...... 65 Şekil 4.22. Mode 0110 için Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 66 Şekil 4.23. Mode 0110 için IşımaÖrüntüsü ...... 66 Şekil 4.24. Mode 0111 için Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 67 Şekil 4.25. Mode 0111 için IşımaÖrüntüsü ...... 67 Şekil 4.26. Mode 1000 için Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 68 Şekil 4.27. Mode 1000 için IşımaÖrüntüsü ...... 68 Şekil 4.28. Mode 1001 için Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 69 Şekil 4.29. Mode 1001 için IşımaÖrüntüsü ...... 69 Şekil 4.30. Mode 1010 için Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 70 Şekil 4.31. Mode 1010 için IşımaÖrüntüsü ...... 70 Şekil 4.32. Mode 1011 için Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 71 Şekil 4.33. Mode 1011 için IşımaÖrüntüsü ...... 71 Şekil 4.34. Mode 1100 için Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 72 Şekil 4.35. Mode 1100 için IşımaÖrüntüsü ...... 72 Şekil 4.36. Mode 1101 için Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 73 Şekil 4.37. Mode 1101 için IşımaÖrüntüsü ...... 73 Şekil 4.38. Mode 1110 için Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 74 Şekil 4.39. Mode 1110 için IşımaÖrüntüsü ...... 74 Şekil 4.40. Mode 1111 için Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları ...... 75 Şekil 4.41. Mode 1111 için IşımaÖrüntüsü ...... 75 Şekil 4.42. Tüm Modların anten performansına etkisi ...... 76

vii

ÇİZELGELER DİZİNİ

Sayfa Çizelge 1.1. FET ve PIN diyot anahtarlarının karşılaştırılması ...... 7 Çizelge 3.1. Yama Anten özellik Karşılaştırma ...... 41 Çizelge 3.2. Farklı Besleme Tekniklerinin Karşılaştırılması ...... 46 Çizelge 4.1. PIN Diyot değerleri ...... 54 Çizelge 4.2. Tasarlanan antenin boyut parametre değerleri ...... 55 Çizelge 4.3. Diyot Durumlarına Göre modlar ...... 56

viii

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ

AR Axial Ratio BW Bandwidth CPW Coplanar Waveguide DARPA Defense Advanced Research Projects Agency E (θ,φ) Far-field pattern of the antenna pattern FeCl2 Ferric Chloride FIT Finite Integration Technique FEM Finite Element Method FET field effect transistor FR-4 Fire Retardant -4 GSM Global System for Mobile ISM Industrial Scientific Medical band LHCP Left hand circular polarization LTE Long Term Evolution UMTS Universal Mobile Telecommunication System VSWR Voltage Standing Wave Ratio BW MEMS Microelectro mechanical switch MESFET Metal–Semiconductor Field-Effect Transistor MIMO Multiple Input Multiple Output MUSA Multiple-Unit Steerable Antenna MSPA Microstrip Patch Antennas PASS Patch antenna switchable slots PCB Printed Circuit Board PCS PersonalCommunications Service PHEMT Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor PIFA Planer Inverted- F Antenna RL Return Loss RFID Radio Frequency Identification RHCP Right hand circular polarization RF radio frequency RL Return Loss TEM Transversal Electromagnetic UWB Ultra wide band VNA Vector Network Analyzer WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access WLAN WirelessLocal Area Network Z0 Free space impedance

1. GİRİŞ

Yeniden yapılandırılabilir antenler; kablosuz iletişim sistemlerinin performanslarını geliştirme potansiyeline sahip olduğundan; son yıllarda artan bir ilgi görmektedir. Yeniden yapılandırılabilir antenler; frekans, polarizasyon veya ışıma örüntüsünün yeniden yapılandırıldığı pek çok güncel çalışma bulunmaktadır. Yeniden yapılandırılabilir antenler; kanal kapasitesini artırmak ve /veya sinyal kapsama alanını genişletmek isteyen iletişim sistemleri için umut verici bir çözüm getirmektedir. Yeniden yapılandırılabilir antenlerin temel avantajları, frekanslarını, polarizasyonunu ve ışıma örüntüsünü düşük maliyetle değiştirme imkanı sağlamaktadır. Yeniden yapılandırılabilir antenler, iyi elektromanyetik özelliklerini koruyarak belirlenmiş değişen bir ortamda çalışacak şekilde tasarlanabilir.

Yeniden yapılandırılabilir RF aktarıcıların tasarımı, yeniden yapılandırılabilir anten prensibi ile ilgili bir uygulamadır. Yeniden yapılandırılabilir antenler; gelecekteki kablosuz iletişim sistemleri için pekçok araştırma fikrini ortaya çıkarmaktadır. 'Uyarlamalı anten', çevresel koşulların veya sistem gereksinimlerinin değişikliklerine uyum sağlama kabiliyeti nedeniyle 'Akıllı' veya 'yeniden yapılandırılabilir' anten olarak tanımlanabilmektedir. Frekansı yeniden yapılandırılabilir antenler, çalışma frekansının yapının radyasyon özelliklerini önemli derecede etkilemeden elektronik olarak değiştirilebildiği antenlerdir. Bu antenler; anahtarlamalı ve sürekli olmak üzere iki kategoriye ayrılabilmektedir. Anahtarlamalı frekans ayarlı antenlerde, merkez frekansı ayrı adımlarla değiştirilir (Bernhard 2007). Bu sistemde; farklı frekans bantları üzerinde çalışmayı sağlayan efektif uzunluk değişiminin kapsamı ve bu değişiklikleri gerçekleştirmek için anahtarlama mekanizmas kullanılmaktadır. Anahtarlamalı frekans çalışması için 50 Ω karakteristik empedansa sahip mikro şerit iletim hattından çıkan basit bir yapı kullanılarak, frekans tekrar yapılandırılabilir antenler önerilmiştir. Anten zemini üzerinde; kullanıcının ayar yapmasına imkan sağlayan; belirli bir şekilde yiv açılmaktadır

Hazırlanan çalışmada; birinci bölümde, yeniden yapılandırılabilir antenlerin tanıtılması, yeniden yapılandırılabilir anten türleri sunulmaktadır. İkinci bölümde; yeniden yapılandırılabilir anteler konusunda yapılmış çalışmalar ele alımıştır. Üçüncü bölümde; antenler ve yeniden düzenlenebilirin çalışma mekanizması ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Bölümün ilerleyen kısımlarında kullanılabilecek alternatif yöntemler ve gerekli materyaller tanıtılmaktadır. Dördüncü bölümde, önce tasarlanan antenin genel özellikleri ve tasarım aşaması sunulmuştur. İlerleyen kısımlarda ölçüm ve benzetim sonuçları verilmiştir. Beşinci bölüm olan son bölümde ise, elde edilen sonuçlar yorumlanmış ve ileriye dönük olarak, daha sonra yapılabilecek çalışmalara yön verebilmek adına önerilerde bulunulmuştur.

Gelecekteki birçok sistemin gereksinimlerindeki ortak bir tema, yapılandırma sistemi gereksinimlerinin değiştirilmesine yanıt verebilmeleri gerektiğidir. Yeniden şekillenebilirlik sistemi içinşekil 1.1.’deki gibi üç ana faktördensöz edilebilir. (Çoklu Yetenek, Evolvabilite, Sağlanabilirlik) (Siddiqi and de Weck 2008)

Şekil 1.1. Yeniden yaplabilirik için gerekenler (Haupt and Lanagan 2013)

Son yıllarda yeniden yapılandırılabilir antenlere talep gözlemlenmektedir. Bu eğilim, yeni ortaya çıkan birçok kablosuz servise dayanmaktadır. Çoklu bant kapasitesi ile, yeniden yapılandırılabilir antenler, radyo frekansı spektrumunu daha verimli

2 kullanabilmekte ve modern radyo vericilerinde kablosuz servislere daha iyi erişilmesini sağlamaktedır. Bununla birlikte, yeniden yapılandırılabilir antenler değişen işletim gereksinimlerini karşılamak için kendi çalışma frekanslarını. (Nguyen, Dao et al. 2008; Majid, Abd Rahim et al. 2014). Empedans, bant genişliklerini, polarizasyonları (Yang, Shao et al. 2012) ve radyasyon kalıplarını (Donelli, Azaro et al. 2007; Kang, Park et al. 2008) bağımsız olarak değiştirebilmelidirler. Yeniden yapılandırılabilen antenler, Çevresel sistem gereksinimi davranışlarındaki değişikliklere uyum sağlayacak birden fazla frekansta çalışabilmektedir. Yeniden yapılandırılabilirlik, kablosuz ve uydu iletişimi için modern, çevik, radyo frekansı (RF) sistemlerinin geometrilerini ve elektriklerini değiştirerek önemli ve istenen bir özellik haline gelmiştir Yeniden düzenlenebilir antenler, uzun sürelerden beri incelenmektedir. Birçok uygulama için on yıl geçmesine karşın, hepsi bir çeşit anahtarlama mekanizması yaparak anten radyasyonu empedansı üzerindeki olumsuz etkileri asgariye indirmektedir. Özellikle Konfigüre edilebilir antenler üzerine ilk patent Schaubert tarafından 1983'de ortaya çıkmaktadır (Schaubert, Farrar et al. 1983) 1999 yılında Savunma Geliştirme Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA), 12 tanınmış üniversite araştırma enstitüsü ve ABD'deki şirketler arasında birçok üniversite programı başlattı. Yeniden Yapılandırılabilir Diyafram Programı (RECAP) adı altında. Yeniden yapılandırılabilir antenlerin ve potansiyel uygulamalarının incelenmiştir. (Ijaz 2014)

1.1. Yeniden Yapılandırılabilir Anten Sınıflandırması

Yeniden yapılandırılabilir antenler farklı özelliklerine göre sınıflandırılabilmektedir. Aşağıda bu sınıflandırılmalar maddeler halinde sunulmuştur.

1.1.1. Yeniden yapılandırılabilirlik fonksiyonuna göre antenler

Yeniden yapılandırılabilir anten, yeniden konfigürasyon işlevine bağlı olarak göre dört ana kategoriye ayrılabilir. (Haupt and Lanagan 2013)

 -Kategori 1: Çeşitli frekans bantları arasında geçiş yaparak çalışma frekansı veya frekans aralığı değiştirebilen yapılarıdır. Bu, antenler tasarlanırken

yansıtma katsayısında istenilen frekans veya frekans aralığında çalışacak biçimde yansıma katsayısına bakılır.

 --Kategori 2: Radyasyon desenini yeniden ayarlayabilen bir anten olan radyasyon düzenini ayarlayabilen bir radyasyon konfigürasyonu. Bu türde, anten radyasyon modeli kazanım, yön veya şekil bakımından değiştirir.

 -Kategori 3: Kutuplaşmasını değiştirebilen yayılan bir yapılandırma (kutupsal kutuplaşmalı, sol sağ kutuplu, yatay / dikey, vb.) Polarizasyon yeniden yapılandırılabilir anten olarak da bilinir.

 Kategori 4: Bu kategori, önceki üç kategorinin bir kombinasyonudur. Örneğin, bir kutuplaşma gerçekleştirebilir

1.1.2. Konfigürasyonuna göre yeniden düzenlenebilir antenler

Ayrıca, yeniden yapılandırılabilir anten tasarımlarını elde etmek ve elektrikle istenen yapıyı elde etmek için tanımlanabilen üç farklı çalışma yöntemi vardır. Bunlar; anten geometrisi değiştirme, akıllı geometri ile yeniden yapılandırması ve besleme geometrisi değiştirme biçiminde sıralanabilir.

1.1.3. Anten tiplerine göre yeniden düzenlenebilir antenler

Yeniden yapılandırılabilir sistem için önde gelen teknoloji, değiştirilebilir anten elemanları üzerine kuruludur. Yeniden yapılandırılabilir antenler genellikle DC öngerilim sinyalleri tarafından kontrol edilen anahtarlarla donatılmıştır. RF anahtarı, yeniden yapılandırılabilir anten üzerindeki geçerli yolu açıp kapatmak için kullanılır. Yeniden yapılandırılabilir bir anten oluşturmak için ortak bir teknik, RF şalterleri ile istenen antenin çeşitli bileşenlerini birleştirmektir. RF MEMS, PIN diyodu ve FET transistörü gibi yeniden yapılandırılabilir anten için kullanılan çeşitli RF anahtarları türleri vardır. Anahtarların açık ve kapalı durumları arasındaki anahtarı, anten ayrı bir işletim parametreleri setini desteklemek üzere yeniden yapılandırılabilmektedir. Örneğin Frekans, polarizasyon, radyasyon paternini düzenlemede her türlü anahtarın

4 kendi avantajları ve dezavantajları vardır. Tasarlanan antenlerin performansları aşağıda verilen parametreler göre belirlenebilmekter. (Ramadan, Kabalan et al. 2009).

Characteristic impedance ( Karakteristik empedans): Hattın fiziksel yapısı ile doğrulanan bir iletim hattı faktörüdür. Ayrıca, sinyallerinin hat üzerinde nasıl iletildiği veya yansıtıldığının bir belirlenmesi olarak da kullanılır.

Bandwidth (Bant genişliği):RF anahtarının bant genişliği en önemli şartlardan biridir. RF anahtarının bant genişliği temel olarak maksimum frekans sinyalini belirtir.

Topology (Topoloji): RF anahtar topolojilerinin en önemli iki kategorisi, tek kutuplu çift konumlu (SPDT) röleler ve çoklayıcılardır. Tek bir SPDT röle, iki girişi bir çıkışa yönlendirebilir veya tersini gösterebilir. Bir çoklayıcı, birkaç girişi ardarda bir çıkışa yönlendiren bir anahtarlama sistemidir. Belirli bir uygulama için mükemmel bir seçimi seçmek için bu farklı topolojiler için en uygun kullanımları tanımlamak çok önemlidir.

Insertion loss ( Ekleme kaybı) : Bir anahtar bileşeninin "ekleme kaybı" açıklaması, anahtar açıldığında ve kapanırken giriş ve çıkış güçleri arasındaki oranın bir ölçüsüdür. Belirli bir frekans aralığındaki RF anahtarının ekleme kaybı, bu frekanstaki bir sinyal üzerindeki anahtar tarafından üretilen voltaj zayıflamasını veya güç kaybını belirlemek için kullanılabilir. Güç kaybını hesaplamada kullanılan denklem: Denklem (1) 'de olduğu gibi,

푰풏풔풆풓풕풊풐풏 푳풐풔풔 풅푩 =ퟏퟎ퐥퐨퐠ퟏ( 푷풐풖풕/푷풊풏) (1)

Biçimindedir.

Switching speed (Anahtarlama Hızı ) : Açma-kapama durumundan geçiş için gereken süreyi veya tersini belirlemek için gereken süreyi tanımlar. Yarı iletken

5 anahtarların anahtarlama hızları nanosaniye aralığındadır, ancak mekanik anahtarların anahtarlama hızları milisaniye aralığı içindedir.

Expected life time (Beklenen ömür süresi) :Alma başarısızlığından önce anahtar geçişlerinin sayısı için tahmini ifade etmektedir.

Power handling (Güç yönetimi) :Bu terim, RF anahtarlarını çalıştırmak için gereken güç miktarı watt olarak ölçümünü belirtmektedir.

1.2. FET Anahtarı:

(Lee and Lee 2010) Yarı iletken anahtarlarda, kapıda gerilimin güçlendirilmesi geçit altında iletken kanalın boyutunu genişletir ve kaynak ile drain arasında akım akımı sağlar. Bir FET diyagramı Hata! Başvuru kaynağı bulunamadı.’ de görülmektedir.

Şekil 1.2. Bir FET diyagramı (Haupt and Lanagan 2013)

FET anahtarlar birkaç çeşide ayrılmıştır. Psödomorfik Yüksek Elektron Hareketlilik Transistörü (PHEMT) ve Metal Yarıiletken Alan Etkili Transistör (MESFET) anahtarları, Çizelge 1 karşılaştırılan iki tiptir. Yazar (Pringle, Harms et al. 2004), yeniden yapılandırılabilir antenin FET anahtarlarını kullanmaktadır. Anahtar dizisi, gösterilen Şekil 1.3'de antenlerdeki RF yönlerinden kontrol devresini ayıran bir ışık yayan diyot arka paneli tarafından kontrol edilebilmektedir.

Çizelge 1.1. FET ve PIN diyot anahtarlarının karşılaştırılması

1µm MESFET 0.25 µm PHEMT Silikon PIN diyot Terminal sayısı 3 3 2 Tipik direç değeri 1.5Ω/mm 1.2Ω/mm 1.7Ω/mm Tipik kapasite 0.4pF/mm 0.32pF/mm 0.05pF/mm RF anahtarlama 265 GHz 414 GHz 1872 GHz Ters tepe gerilim 15 V 8 V 50 V Alt frekans limiti DC DC 10 MHz Sürücü devre basit basit karışık karışıklığı Kontrol yöntemi Gerilim Gerilim Akım Sürücü 0V on +0.5 V on 5-10 mA on gereksinimi –5 V off -5 V off 0’dan -30’a V off

Şekil 1.3. Yeniden yapılandırılabilir dizi anten yamaları

1.3. Pin Diyot Anahtarlama

(Lee and Lee 2010) PIN diyot anahtarı, hızlı devreye alma süreleri ve nispeten düşükakım ile sürülme yetenekleri nedeniyle mikrodalga devre uygulamalarında (Doherty Jr and Joos 1998) yaygın bir uygulamadır. Geleneksel elektromekanik RF

7 anahtarları atalet ve temas potansiyel etkileri nedeniyle doğal olarak hız sınırlamalı cihazlardır. PIN diyodu, mekanik anahtarlardan çok daha hızlı çalışabilir kabiliyettedir. PIN diodu ve diğer katı hal anahtarları, şalter hızındaki artış ve paket boyutundaki azalmayı açıklayan RF kontrol elemanı olarak bir yarı iletken bağlantısından yararlanmaktadır. 100 ns'den daha düşük anahtarlama hızları tipiktir. RF uygulamaları için önemli bir özelliği, RF frekanslarında neredeyse tamamen direnç gösterebileceğidir. Bu direnç bir dc veya düşük frekanslı akımla yaklaşık 1Ω ila 10 kΩ'luk bir öngerilim aralığında değişkenlik gösterebilmesidir. Devreye alınması için gereken ön gerilim akımı normalde 10 mA'dır. PIN diyodunun yapılandırılması, dirençli içsel bölge ile ayrılmış bir p-tipi ve bir n-tipi iki yarı iletken bölmeden oluşur. Bu gerçek dirençli tabakanın varlığı onu normal bir PIN diyodundan ayırır ve kendine özgü özellikleri ortaya çıkarır. Üstünlük olarak p-tipi ve n-tipi alanlara sahiptir ve bunlar fazla ve zayıf katkılı bir iç bölge ile Şekil 1.4 görüldüğü gibi ayrılmaktadır.

Şekil 1.4. PIN diyotunun diyagramı (Haupt and Lanagan 2013)

Bir PIN diyot üzerinden ileri yönde akım geçirilmesi, yüksek frekanslarda çok düşük bir direnç oluşturur, ancak diyoda ters yön geriliminin uygulanması açık devreye neden olur. PIN diyot uygulanan gerilimin yönüne bağlı olarak elektriksel bağlantı yapısını değiştirmektedir. (Yang and Rahmat-Samii 2002), “A Reconfigurable Patch Antenna Using Switchable Slots for Circular Polarization Diversity,” 'deki çalışmada, Şekil 1.5’deki yeniden yapılandırılabilir anten için PIN-diyot anahtarları kullanmayı önermektedir. Çizelge 1 FET ve PIN diyot anahtarlarının (Caverley and Hiller 1992) özelliklerini karşılaştırmaktadır

Şekil 1.5. Yeniden yapılandırılabilir bir yarıklı mikroşerit anten

1.4. Varikap Diyotlu Anahtarlama

(Lee and Lee 2010) Varaktör diyodu olarak da bilinen ayarlama diyodu (değişken kapasitör diyodu), Şekil 1.6’da gösterildiği gibi depletion bölgesi olarak adlandırılan ince bir tabakaya sahiptir. Boşaltma bölgesinin kalınlığı uygulanan ön gerilim gerilimine göre değişmektedir. Bu bölge, iletken elektrodlar olarak çalışan P ve N bölgelerinin yanı sıra bir yalıtkan dielektrik alan olarak çalışır. Varaktör diyoda ileri doğru bir öngerilim uygulanırsa, iletim özelliği gösteririr. Kesim tabakası basitçe kaybolur. Varaktöre harici bir ters voltaj uygulanırsa, ters polarma azaltılmış katkılı tabakanın genişliğini genişletir. Artan genişlik miktarı ters polarizasyon miktarı ile belirlenir. Varaktörleri temsil etmek için kullanılan şematik simgeler Şekil 1.6.b 'de görülmektedir.

Şekil 1.6. Bir Varaktör Diyodu

Azaltılmış katkılı tabaka bölgesinin kalınlığı ters polarizasyon ile büyür. Varaktör diyodu, iletken elektrodlar olarak çalışan P ve N bölgelerine ek olarak (0 -12) V voltaj değişiminde büyükten küçüğe doğru bir kapasitans ilişkisine sahiptir. Varaktör diyodunu uygulanan gerilim arttıkça kesim tabakası yavaş yavaş kaybolur. Varaktöre harici bir gerilim uygulanırsa, ters polarizasyon, tükenme tabakasının genişliğini genişletir. Varaktör diyodu, dar bant genişliğini 30% 'luk bir bant genişliğine arttırmak için bir mikro şerit antenin ışıma kenarlarına yerleştiren çalışma mevcuttur. (Bhartia and Bahl 1982) Bu tür bileşenlerin avantajı, düşük tüketimli DC ve sürekli ayarlamaimkanına sahip olmasıdır. Bununla birlikte, bu bileşenlerin en büyük dezavantajı, sürekli güç kullanımıdır, bu nedenle genellikle alıcı antenler için kullanılır (Caverley and Hiller 1992)

1.5. MEMS anahtarları

MEMS, "Mikro Elektro Mekanik Sistemler" teriminin kısaltmasıdır. Yarı iletken cihaz imalat teknolojileri ile imal edilen çok küçük cihazların teknolojisi kullanılarak bazı mikro ölçekli mekanik bileşenler, sensörler, aktuatörler veya elektrik devreleri bir silikon alt tabaka, cam alt tabaka, (Brown 1998). organik alt tabaka vb. üzerine Şekil 1.7 ‘de görüldüğü gibi entegre edilmiştir

Şekil 1.7. Çeşitli açma / kapama konumlarındaki MEMS anahtarları

Şekil 1.7 Açık ve kapalı pozisyonlarına sahip üç MEMS anahtar kategorisini göstermektedir. Şekil 1.7 a ve Şekil 1.7 b 'de hareketli bağlantı noktası, hattın diğer ucuna iletim hattının üzerine çekilir ve aynı zamanda sol taraftaki bağlantı noktasına yerleştirilir. Elektrostatik bir enerji, gerekli voltaj uygulandığı anda hareketli kontağı çeker ve bağlantı noktasını iletim hattını tarafına bağlayan bir elektrik yolu oluşturur. Şekil 1.7 c ve Şekil 1.7 f, her iki ucundaki bağlantı noktalarının üzerinde bulunan ince, esnek, metal bir zar ihtiva eden bir MEMS membran şalterini göstermektedir.

(Cetiner, Crusats et al. 2010). Öngerilim elektroduna uygulanan gerekli gerilim membranı aşağı doğru hareket ettirir ve devreyi bağlar. Ohmik bir bağlantı, metal-

11 metal temasıdır, ancak kapasitif bir bağlantı iki metal etkileşimi arasında bir dielektrik içerir. Ohmik anahtarlar, kapasitif anahtarlardan daha büyük bir bant genişliğine sahiptir. MEMS anahtarları için en iyi özellik 9000 GHz'de belirtilmiştir (Goldsmith, Yao et al. 1998). Bu tür RF anahtarları için anahtarlama hızları 10 μs'dir. Piezoelektrik filmler ile MEMS anahtarları geliştirilip ve anahtarlama süreleri (1-2 μs) olacak biçimde üretilmiştir. Açma ve kapama durumları arasında 6 μm’lik hareketli kontak mevcuttur.

2. KAYNAK ÖZETLERİ

Geleneksel olarak kablosuz sistemler, önceden tanımlanmış tek görev için tasarlanmışlardır. Bu nedenle, bu sistemlerin antenleri, frekans bandı, radyasyon paterni, polarizasyon ve kazanç gibi bazı sabit parametrelere sahiptir. Yeniden yapılandırılabilir antenler, yama antenlerine kıyasla daha iyi bant genişliği ile iyi radyasyon kalıplarıyla üretme avantajına sahiptir. Ek olarak istenen yeniden yapılandırılabilirliğe sahip antenler, bir mikro şerit besleme ve prob beslemesinin kenarları boyunca düzenlenmiş şerit iletkenleri ve yivler kombinasyonu kullanılarak üretilebilir. Bu bölümde, mikro şerit ve prob beslemeli dikdörtgen yuva, prob beslemeli spiral yuva ve yüklü spiral yivler hakkında yapılmış çalışmalardan bahsedilecektir. Diğer araştırmacılar tarafından çok bantlı ve yeniden yapılandırılabilir yarı iletken antenler üzerinde yapılan çalışmalar gözlenmiştir. Yeniden yapılandırılabilir anten uygulamaları için anahtarlama uygulayan varaktör diyotları ve pin diyotları hakkında bazı bilgiler verilmiştir. Yeniden yapılandırılabilir anten mimarisi, tek bir antende kombine çoklu fonksiyonlardan yararlanarak sınırlı alanın çok verimli bir şekilde kullanılmasını sağlar. Bu sonuç, işgal edilen bölgede belirgin bir azalmaya neden olur. Böylece; gelişmiş işlevsellik ve performansa sahip çoklu anten elemanları oluşturulabilmektedir. Bu bölümde farklı zamanlarda yapılmış çalışmalara ait ayrıntılı literatür araştırması sunulmuştur.

Yeniden yapılandırılabilen anten, geçen yüzyılın otuzlarından beri ortaya çıktığı anlaşılmaktadır. Ocak 1934'te iki elemanlı dizi anten boşlukları kalibre edilmiş bir değişken faz değiştirici tarafından yönlendirilmiştir. Bu tekniğin amacı kısa dalga sinyallerinin yönünü resepsiyon bölgesine ulaştıracak şekilde değerlendirmekti. (Friis, Feldman et al. 1934) Nisan 1935'te, eşkenar dörtgen bir anten, kabloları bir motorla uzatılarak boyut değiştirilmiştir. Böylece, alıcı istasyonda, kısa dalga sinyalleri için yönlülüğü değiştirilebilir biranten test edilmiştir. (Bruce and Beck 1935)

(Friis and Feldman 1937) Çok Birimli Direksiyon Anten (MUSA), altı elemanlı dizili ve bu elemanlardan beşinde bir faz değiştiren eşkenar dörtgen anten

13 dizisiydi ve 1936'da II. Dünya Savaşı sırasında, 5-20 MHz "kısa dalga sinyali elde edildi ve değiştirildi. Çoğu keşifler Birinci Dünya Savaşı sırasında ve sonrasında ve radar alanındaki azimut taraması için üçgen bir sıra olan polirod antenli dört sıra halinde ortaya çıkıntığında dikkat çeken bir konuydu. Bu dizi antende, ışın yönlendirme için on üç döner anten kullanılmıştır.

1947’de Wullenweber dizisi tasarlanmıştır. (Friis and Lewis 1947) Dairesel dizi anteninde küçük bir aktif eleman grubunu modifiye ederek azimutu 360 ° tarayan dar bir kirişe sahip büyük bir yön bulma dairesel dizi antenidir

(Matthews, Cuccia et al. 1979). Savaştan sonra, Sovyetler Birliği, HF yönü için birçok alıcı Wullenwevers inşa etti. Birleşik Devletler 1950'lerde ve 1960'larda bu teknolojiden endişe duydu. Amerikalılar adı Wullenwever ismini Wullenweber'e çevirdi. 1979'da "yeniden yapılandırılabilirlik" terimi "Ana Hat şekillerini değiştirme kabiliyetinin, bir sinyale bağlı olarak değiştirilmesi (Monk and Clarricoats 1995) olarak tanımlandı.

Araştırmacılar, uydu iletişimi için kullanılan dinamik olarak değiştirilebilri altı telli elemanlar tasarlamışlardır. Londra Üniversitesi'nden A.D Monk, Şubat 1995'te, anten kaynağına doğru bir boşluk üretmek için parabolik reflektör yüzeyini adaptif olarak modifiye eden yeniden yapılandırılabilir bir parabolik reflektör anten konusunda makale yayımlamışlardır. Yan lob yönündeki boşluklar, 50 yinelemeden sonra saptanır ve radyasyon modelinde küçük bir hata ile tespit edilmiştir.

(Kiriazi, Ghali et al. 2003) MEMS Serisi anahtarlar kullanarak silikon üzerinde yeniden yapılandırılabilen 4.86GHz ve 8.98GHz frekanslarda çalışan bir dipol bir anten önermiştir. MEMS Serisi anahtarların, anten performansı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Tasarlanan seri MEMS anahtarlarını kullanarak elde edilen anten geri dönüş kaybı, sırasıyla alt ve üst frekanslarda -10.2 dB ve -21.6 dB 'dir. Bununla birlikte, ideal anahtarlar ile karşılaştırıldığında sırasıyla alt ve üst frekanslarda %0.4 ve %2.8 frekans kayması gözlemlenmiştir. MEMS anahtarları

14 da dahil olmak üzere anten, sırasıyla alt ve üst frekanslarda % 1.9 ve % 13.6 bant genişliğine sahiptir.

(Mehta, Mirshekar-Syahkal et al. 2006) Yönlülük ayarlama uygulamaları için Spiral desenli bir mikro şerit anten önermişlerdir. Sonuca ulaşmak için, anten merkezinden 5,6 mm'lik mesafede dört farklı besleme noktası yerleştirmişlerdir. Ek olarak besleme ve anten şeridi arasında kapasitif kuplaj kullanılarak anten uyumlandırılımış ve giriş empedansı bant genişliği 950 MHz'e kadar yükselirken antenin kazancı 7.7 dBi olmuştur. Anten eksenel oranı ise 12.2 dB olarak kaydedilmiştir.

(Ali, Ramli et al. 2011) Kablosuz Yerel Alan Ağı (WLAN) uygulamaları için (2-6) GHz aralığındaki çalışma frekanslarında yeniden yapılandırılabilir mikro şerit yarıklı yama anteni önermişlerdir. Mikroşerit iletim hattı, besleme mekanizması ile uyarılmış bir porta sahiptir. Yeniden yapılandırılabilir anten, iki PIN diyot anahtarı ile çalışabilen iki paralel yarık bulunan tek katmanlı bir yarıklı antenden oluşur. İki paralel yarık, ikinci kurulum modunun uyarılmasını etkileyen, yüzeysel endüktif etkiyi oluşturan yüzey akım yoluyla bağlantı kurmaktadır. Anahtarların durumunu aynı anda açık veya kapalı modda ayarlanarak, rezonans frekansları değiştirilebilir, böylece frekans yeniden yapılandırılabilir hale getirilmiştir.

(Christodoulou, Tawk et al. 2012) Yeniden düzenlenebilir antenler, modern telekomünikasyon sistemlerinde ihtiyaç duyulan farklı frekanslarda ve polarizasyondan birden fazla desen oluşturabilecek kabiliyete sahip, önemli tasarımlardır. Telekomünikasyon ile ilgili yüksek işlevsellik sistemi gereksinimlerini karşılamaktadır. Yeniden yapılandırılabilir antenler bu sorunun bir çözüm parçası haline gelmiştir. Antenin yapısını ve işlevini değiştirmek için farklı bileşenler yeniden yapılandırılabilirlik özelliğini etkilemektedir. Bu yeniden yapılandırma teknikleri, radyo frekansı mikro elektromekanik sistemleri (RF-MEMS), PIN diyotları, varaktör, foto iletken elementler veya anten yayın yapısının yüzeyinde bulunan ve ferritler ve sıvı kristaller gibi diğer malzemelerin etkilenmesi biçiminde sıralanabildiği ifade edilmektedir. Yüksek düzeyde

15 performans elde etmek için, her bir farklı yeniden yapılandırılabilir teknikte kullanılabilen mekanizmalar değişiklik göstermektedir.

(Shoaib, Shoaib et al. 2013) Yaptıkları çalışmada; yüzey akım dağılımını ve Işıma örüntüsünü değiştirecek iki anahtara sahip bir anten önermişlerdir. Anahtarlar kapalı durumda iken, anten yapılandırması, 5.401 ile 6.045 GHz arasında -10 dB'lik yansıma katsayısı seviyesinin altıdadır. Anahtarar açık durumda iken ise, 2.110-2.875 GHz ve 5.665-5.968 GHz bantlarında çalışabilme özelliği ile çift bant çalışma özelliği göstermektedir. Önerilen anten 5.78 GHz civarında her iki durum için de çalışabilme özelliği göstermektedir. Antene ait Simülasyon ve ölçüm arasında bir uyum olduğu gözlenmiştir.

(Yang and Rahmat-Samii 2002) Yeni bir mikro şerit anten tasarımı önermişlerdir. Anahtarlanabilir yarıklı (PASS) yama anteni dairesel polarizasyon çeşitliliği elde etmeyi önermektedirler. Önerilen anten, tek besleme ile diyotların durumuna iletimde veya kesimde olma durumuna göre, sağ el dairesel polarizasyon (RHCP) veya sol el dairesel polarizasyonu (LHCP) özelliği göstermektedir. Önerilen yapı kullanılarak, en iyi eksenel oran (AR), 4.64 GHz'de % 3 dairesel polarizasyon ile elde edilmiştir. İletim yönünden-70 ile 70 derece geniş bir açısal aralıkta kabul edilebilir bir eksenel oran (AR <3 dB) bildirilmiştir.

(Rajagopalan, Kovitz et al. 2014) Bilişsel radyo için, MEMS anahtarlarıyla kontrol edilen ve farklı frekanslarda çalışabilen E geometrisine sahip, frekansı yeniden yapılandırılabilir mikroşerit yama anten önermişlerdir. Anten tasarımında; parçacık sürüsü optimizasyonu ve doğadan ilham alan optimizasyon teknikleri yer almaktadır. MEMS anahtarın durumunu değiştirmek için, antenle birlikte besleme devrelerine de ihtiyaç duyulmaktadır. Açık devre durumunu modellemek için kapasitör, iletim durumu için ise direnç modellenmiştir. Önerilen antenin çalışma frekansı aralığı (2-3.2) GHz'dir. Kapalı durum için (2- 2.6) GHz ve açık durum için (2.6-3.2) GHz'yi kapsar. Antende, anahtarların kapalı durumu için -40dB ve anahtarların açık durumu için ise -35dB geri dönüş kaybı gözlenmiştir. Anten tasarımı için koaksiyel besleme ve plaket kullanmışlardır. İdeal anahtar ve MEMS anahtarı sonuçları bu makalede karşılaştırılmıştır. MEMS

16 anahtarları ideal anahtarlardan daha iyi frekans yeniden yapılandırma sonuçları sağlamaktadır. İdeal anahtarlar, açık durum için -25 dB geri dönüş kaybı ve kapalı durum için -30 dB geriş dönüş kaybı göstermektedir. Anten üzerindeki yarığın boyutu, antenin farklı rezonans frekansında çalışacak anahtarların yardımıyla değiştirilmektedir. Önerilen anten, bilişsel radyo uygulamaları için kullanılabilir niteliktedir.

Huff, G. H. and J. T. Bernhard (2006). Işıma örüntüsü yeniden yapılandırılabilirkare spiral anten önermişleridr. Işıma örüntüsü modelinin yeniden yapılandırılması için iki adet MEMS anahtarı kullanmışlardır. Bu teknik için kare spiral yama anteni kullanmışlardır. Empedans uyumsuzluğunu azaltmak için anahtara küçük değişiklikler yapmışlar ve anten tasarımında koaksiyel besleme tekniği kullanmışlardır. Alttaş plaket olarak dielektrik sabiti 2.2 olan malzeme kullanmışlardır. Anten Işıma örüntüsünü yeniden yapılandırırken, MEMS anahtarlarını çalıştırmak için 90mV kaynağı MEMS'in girişine ve kaynağına uygulamaktadırlar. Anahtar, yüksek empedans anahtarına bağlı olduğunda kapalı devre olarak kabul edilir. Yüksek yansıtıcı yüke bağlı olduğunda, anahtar olarak kabul edilir Açık devre. Anahtar 1 açık durumda olduğunda, yüksek yönlülüğe sahip bir ışıma örüntüsü modeli üretmektedir. Anahtar 2 açık durumdaysa, geniş açılı ışıma örüntüsü üretmektedir.

(Kolsrud, Li et al. 1998) Dual frekanslar için CPW beslemeli coplanar şerit (CPS) dipol anten önermişlerdir. CPS dipol anteninin, sırasıyla 2.065 GHz ve 3.955 GHz olmak üzere iki ayrı çalışma frekansı olduğu kaydedilmiştir. Bu anten varaktöründe, bağlantı voltajı 0'dan -30 V'a değiştirildiğinde bağlantı kapasitesi değişmektedir. Uygulanan gerilime göre, düşük frekans çalışma bölgesinde % 14.5 veya 300 MHz yukarıya doğru bir kayma (2.065 GHz'den 2.365 GHz'e) ve yüksek çalışma frekansında ise % 11.5 veya 450 MHz düşüs (3.955 GHz'den 3.505 GHz'e) gözlenmiştir.

(Abutarboush, Nilavalan et al. 2012) İkili-yama elemanlarla yeniden yapılandırılabilen geniş bant ve çok bantlı C yarıklı yama antenini incelemiş ve

17 sunmuşlardır. Bu anten iki dual-band modunda ve 5 ila 7.5 GHz geniş bant modunda çalışmaktadır.

(Peroulis, Sarabandi et al. 2005) Elektronik olarak ayarlanabilen yeni bir yuvalı anten sunmuşlardır. Bu tasarım, seri PIN diyot anahtarı yüklü bir rezonans yuva yapısına dayalıdır. Işıma örüntüsü sonuçları, E-düzlem patern ölçümlerini etkilenmiş ve minimum ve maksimum ölçüm değerleri arasında 3-4 dB fark oluşturmuştur. Tasarım, elektronik RF anahtarlarının kombinasyonlarını kontrol ederek rezonans yiv yapısının efektif uzunluğunun değiştirilmesine dayanmakta ve 1.7: 1 efektif bir bant genişliği sunmaktadır.

(Huff, Feng et al. 2003) Yüksek hızda kablosuz iletişim (2-100 Mb / sn) için yeniden yapılandırılabilir taşınabilir anten sistemi sunmuşlardır. Kablosuz veri iletişimi kara ya da uydu tabanlı olsa da, iki zorlukla karşılaşılmaktadır Bunlar sırasıyla; parazit veِ öngِ rülemeyen ortamlardan kaynaklanan yüksek hata .oranları ve taşınabilir ünitede sınırlı sinyal işleme kapasitesi ve pil ö ِِ mrüdür Akıllı anten sistemleri bu zorlukların üstesinden gelmeye yardımcı olabilmektedir. Şu anki 'akıllı' sistemler temel olarak baz istasyonlarında bulunur ve hedeflerine ulaşmak için sinyal işlemesinde büyük ölçüde güvenilidirler. İkincisi, 802.11 ağlarında genel olarak yararlı olması için, antenin bant genişliği (şu an yaklaşık % 1 civarında) en az% 3.5'e yükseltilmesi gerekmektedir.

(Cetiner, Jafarkhani et al. 2004) Yaptıkları çalışmada; çok girişli çok çıkışlı sistemler için çok işlevli yeniden yapılandırılabilir MEMS entegre anten önermişlerdir. Bu anten, 4.1 GHz ve 6.5 GHz'lik iki çalışma frekansının kombinasyonuna karşılık gelen on farklı yeniden yapılandırılabilir çalışma modu ve doğrusal X, doğrusal Y, çift doğrusal, sağdan dairesel ve soldaki dairesel ışınımlı kutuplamaların yeniden yapılandırılabilen polarizasyonları sağlamaktadır. Frekans yeniden yapılandırılabilirliği, antenin boyutunu değiştirerek de elde edilebilmekte ve çift frekans bantlarıyla (4.1 ve 6.4GHz) çalışabilmektedir.

(Nikolaou, Bairavasubramanian et al. 2006) Empedans uyumunu düzenleyen ve dairesel yuvalı antenin (ASA) ışıma örüntüsünü değiştiren bir çalışma yapmışlardır. Empedans uyumu için kullanılan saplamalar, antenin 5.2, 5.8 ve 6.4 GHz olmak üzere üç farklı frekans bölgesinde çalışmasına imkan vermektedir. Belirtilen işlemleri gerçekleştirmek için PIN diyot kullanmışlardır. PIN diyotlar, bağlantı noktalarını arasında iletim veya yalıtım sağlamak için kullanılmıştır.

(Behdad and Sarabandi 2006) İkili çaışma bandına sahip, yarıklı yeniden düzenlenebilir antenleri tasarlamak için yeni bir yöntem önermişlerdir. Bu yöntem yarık boyunca, belli bir konumda toplanmış kondansatöِ rlü (veya varaktِ örlü) bir yuva anteninin yüklenmesine dayanır. Bu tekniğe dayanarak, 1.2 - 1.65 aralığında frekans oranına sahip, elektronik olarak ayarlanabilir çift-bant anten tasarlanmıştır. Tasarlanan antende ayar; 0.5 - 2.2 pF'lik bir kapasitans aralığında çalışan bir varaktöِ r kullanılarak tasarlanmış ve test edilmiştir. İlk rezonansı frekansı 1.8 GHz'den 1.95 GHz'e yükselirken, ikinci bant 2.15 GHz'den 3.22 GHz'e yükselmiştir. Anten, her iki bantta da ve ayarlanabilir frekans aralığının tamamında, düşük çapraz polarizasyon seviyelerine sahip benzer ışıma örüntüsü desenlerine sahiptir.

(Anagnostou, Zheng et al. 2006). Çalışmalarında, benzer frekanslarda benzer desenleri yayan, omik kontak kontrollu RF-MEMS anahtarları kullanarak, yeniden yapılandırılabilir bir anten sistemi tasarlamışlardır. Tasarımlarında düzlemse anten ve anahtarlar entegre edilmiştir. Anahtar kontağı açık konumda iken anten, 16.5 GHz'de (14.2 GHz - 17.5 GHz bant genişliği ile) rezonansa gelmektedir. 21 GHz'de düşük bant genişliğine sahip rezonans gözlenmektedir. Anahtar kontağı kapatıldığında ise anten; 15 GHz’de rezonansa gelmekte, 12.75GHz'den 17.5GHz arasında bir frekans aralığında ise çalışabilmektedir.

Erdil, Topalli et al. 2007 antenin rezonans frekansını ayarlamak için RF (MEMS) kontrollü kapasitörler kullanmışlardır. Mikro şerit yama antenin; frekans yeniden düzenlenebilirliği 1mm kalınlığında CPW (Coplanar Wavguide) ile elde edilimiştir. 0-11.9 V Aralığında gerilim uygulanarak; rezonans frekans 16.05GHz - 15.75 GHz arasında kaydırılmıştır

Sung 2008 Bir çift PIN diyot kullanarak, aşındırılmış L-tipi anten önermişlerdir. PIN diyodun, devrede açık-kapalı durumuna farklı polarizasyonlar gözlendiğini belirtmişlerdir. PIN diyot için 0.74 V luk bir besleme gerilimi ve 5 mA öngerilim akımına ihtiyaç duyulmaktadır; kapasitörler 47 pF olarak seçilmiştir. 1.55 GHz çalışma frekansında, PIN diyodun iletim durumu için anten ışıma örüntüsünde; maksimum anten kazanç 4.6 dB olarak kaydedilmiştir. PIN diyodun iletim ve kesim durumuna göre polarizasyonun değiştiği gözlenmiştir.

3. MATERYAL VE YÖNTEM

Antenler (Bhartia, Tomar et al. 1991; Garg 2001; Balanis 2016) (Huang and Boyle 2008) herhangi bir kablosuz sistemin kilit bileşenleri olarak tanımlanmaktadır. Webster Sözlüğünde anten; elektromanyetik dalgalarını yaymak veya almak için genellikle "metal bir cihaz" (çubuk veya tel) olarak tanımlanmaktadır. Başka bir deyişle, anten, Şekil 3.1’ de gösterildiği gibi, serbest radyo dalgaları arasındaki geçici yapıdır.

Şekil 3.1. Aktarma Elemanı olarak anten (Kraus 1988)

Bir anten, bağlı olduğu radyo sisteminin çalıştığı frekans bandı ile aynı frekansa ayarlanmalıdır, aksi takdirde alım ve / veya iletim bozulacaktır. Alıcı anten, sistemin bir parçası olarak, elektromanyetik dalgaları orijinal haline (kablodaki elektrik sinyali) dönüştürmektedir. Verici ve alıcı antenlerin özellikleri Maxwell denklemleri ile tam olarak gösterilir. Aşağıda, yaygın olarak kullanılan anten tiplerinden bazıları tanıtılacaktır.

3.1. Anten Tipleri

Uygulamada, kullanım alanı, çalışma frekansı, ışıma örüntüs gibi ihtiyaçlara binaen farklı anten çeşitleri ile karşılaşılmaktadır. Bazı uygulamalar için tercih edilebilecek bir anten çeşidi bazı uygulamalar için ise hiç uygun olmayabilmektedir.

3.1.1. Dipol anten

Dipol anten, radyo iletişiminde kullanılan en basit ve en popüler telli anten türlerinden biridir. Genel olarak antenler hakkında birkaç temel bilgiden bahsedilecek olursa; yarım dalga dipol, referans anten olarak kabul edilebilmektedir. Dipole anten "referans" anten olarak tanımlanmaktadır. Uygulamada yarım dalga dipol, izotropik yayıcı yerine referans olarak alınmaktadır. Antenin işleyişini anlamak için antenin bir yüzey hacmi ile çevrelendiğini ve homojen bir alana yayılım gsterdiğini düşünülebilir. (boş alan). Yoğunluk denklemi Şekil 3.2’a göre aşagdaki denklem (3.1)’den bulunabilir. Milligan 2005,Huang and Boyle2008

Şekil 3.2. Bir dipol antenin eşdeğer elektrik ve manyetik yüzey akım yoğunlukları

J =n×H (3.1)

Manyetik akım yoğunluğu M, denkleme 3.2 ile bulunulabilir.

M= - n × E (3.2)

Burada H: manyetik alan yoğunluğudur (A / m) M: elektrik alan yoğunluğu (V / m)

Aşağıda Şekil 3.3’te görülen elektriksel dipol için küresel koordinatlar kullanılarak E휙 ve H휙 bulunulabilir.

Şekil 3.3. Elektrik dipolü için küresel koordinatlar

−푗푘 푟 휇0 퐼푑푧 푒 0 휇0 퐸휃 = 푗푘표√ sin 휃 = √ 퐻휙 (3.3) 휀0 4휋 푟 휀0

−푗푘 푟 퐼푑푧 푒 0 휀0 퐻휙 = 푗푘표 sin 휃 = √ 퐸휃 (3.4) 4휋 푟 휇0

Serbest alan empedansı denklem (3.5) ile verilmektedir.

휀표 Z0= (3.5) √휇표

E0: Boşluğun geçirgenliği, ve m0: serbest alanın permitivitesidir.

E=S× H (3.6)

Bir antenin radyasyon paterni uzak bir noktadaki bir elektromanyetik dalgadır. Bu uzak nokta, dalganın düzlemsel dalga olarak kabul edildiği ve antenin yönüne dik olduğu bir boşlukta bir yerde bulunur. Işıma örüntüsü, elektrik alan değişimi 23 olup açı fonksiyonu ile gösterilir. Şekil 3.3Şekil 3.4’de gösterildiği gibi Radyasyon deseni, hem Kartezyen hem de kutupsal koordinatlarda temsil edilebilir, Radyasyon modeli, verimlilik, kalite faktörü, yönlilik, kazanım ve benzeri mikro şerit yama anteniyle bağlantılı olarak antenin daha fazla parametresi ilerleyen kısımlarda tanıtılacaktır.

Şekil 3.4 a Radyasyon modeli; Kartezyen digram, b_ kutup diyagramı

3.1.2. Slot anten

Dalga kılavuzu ile kullanılan yuva anten dizisi, navigasyon, radar ve diğer yüksek frekanslı sistemlerde popüler bir anten olup, yüzey uygulamasına uygun hale getirilebildiğinden uçak uygulamalarında kullanılan bu anten düşük kayıp, doğrusal polarize, yüksek verimlili özelliklerine sahiptir. (Zhao, Zhang et al. 2009; Li, Meng et al. 2014). Yaygın olarak dalga kılavuzunun dar veya geniş yüzeyine açılan yarıkla elde edilmektedir. Dar duvarda açılan yarıklar, rezonans için genişliğe kadar kesilmelidir, ayrıca profilin yüksekliği diğerine kıyasla artar Arka boşluklu yuvalı anten, her bir yuvaya bağımsız olarak şekil yuvası konumu boyunca bir gerilim kaynağı ile beslenebilir Yönlendirme (Fang and Yan 2013) ve dalga kılavuzuna göre alanları anlamak için dalga kılavuzu ve frekans operasyonunu şekillendirmektedir., Şekil 3.5'in geometrisinin kullanılması durumunda, TE10 modunun baskınlığından yararlanarak dalga kılavuzu içerisindeki dağılım anlaşılabilir. (Johnson and Jasik 1984)

Şekil 3.5. Dalga kılavuzun geometrisi

3.1.3. Çanak Antenler

Uzay araştırmalarında, karasal yayınlarda ve birçok alanda parabolik yansıtıcı antenler (parabolic reflector antennas ) kullanılır. Parabol, bir düzlemde alınan sabit bir "d" doğrusu ile sabit bir "f" noktasından eşit uzaklıktaki noktaların geometrik yerleştirilmesidir. Bu sabit noktaya odak (focus), doğruya (directrix) denir.

Parabolik yansıtıcı yüzey, bir parabolün ekseni etrafında döndürülmesi ile elde edilen yüzeydir; buna paraboloid denir. Paraboloidin x eksenine dik kesiti Şekil 3.6 gibi daire şeklindedir. Buna anten açıklığı (antenna clarity) denir.

Parabolik reflektörlü anteni beslenme yöntemleri: (http://cdn.elektrikport.com) a-) Eksenden ya da önden besleme (axial or front feed) b-) Eksen dışı ya da ofset besleme (off axis or offset feed) c-) Cassegrain besleme (Cassegrain feed) d-) Gregorian besleme (Gregorian feed) biçiminde sıralanabilir.

Şekil 3.6. Parabolik reflektörlü anteni beslenme

3.1.4. Horn Anten

(Sainati 1996; Milligan 2005) Horn anten, yüksek frekanslarda çok popülerdir ve 1900'lerin başından beri mikrodalga uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Horn antenler çoğu zaman yönlü ışıma modeli, geniş giriş empedansı, 25dB'ye kadar yüksek kazanç, S11 ve VSWR'nin düşük değerlerini ifade eden anten çeşididir. Hüzme genişliği; anten kazancı, frekans aralığında arttıkça anten yönlülüğü azalır. Çünkü anten hüzme genişliği her zaman dalga boyunagöre ölçülür (elektriksel olarak daha büyüktür). Horn anteninin düşük kayıplara sahip olması durumunda antenin yönlendirmesi kazanca eşittir. Horn antenin üretimi, Şekil 3.7‘de görüldüğü gibi kare, dikdörtgen, silindirik veya koni gibi farklı şekillerde olabilir.

Şekil 3.7. Farklı şekillere sahip Horn antenler

3.2. Mikroşerit Antenler

Kablosuz iletişim sistemlerinin gereksinimlerini yerine getiren anten çeşitlerinden biri de mikro şerit antenidir. Mikroşerit anten ilk olarak 1950'lerde literatüre girmiştir. Bununla birlikte, bu anten çeşidi, 1970'lerde basılı devre kartı (PCB) teknolojisinin geliştirilmesine kadar yaklaşık 20 yıl ilerleme kaydetmedi. O zamandan beri, mikrodalga antenler, gelenekse mikrodalga antenine göre belirgin avantajları nedeniyle geniş uygulama yelpazesine sahip, en yaygın anten tipidir ve bu nedenle pek çok, çeşitli pratik uygulamalarda kullanılırlar. En basit tasarımlı mikro şerit anten, Şekil 3.8'de görülmektedir. Mikro şerit anten dielektrik substratın bir tarafında ışıyan yama, diğer tarafta ise toprak düzlemi olarak tasarlanmaktadır.

Şekil 3.8. Mikroşerit anten yapılandırması (Garg 2001)

3.3. Mikroşerit Anten Tipleri

Mikroşerit antenlere ilişkin fiziksel parametreler bilinen mikrodalga antenlerine oranla daha çoktur. Herhangi bir geometri ve boyutlara sahip olabilirler. Bununla beraber mikroşerit antenler üç grupta toplanabilirler. Bunlar; mikroşerit yürüyen dalga antenler, mikroşerit yarık antenler ve mikroşerit yama antenlerdir Bunlara ilişkin yapılar aşağıda özetlenmiştir:

3.3.1. Mikroşerit Yürüyen Dalga Antenleri

Bu tip mikroşerit antenleri, zincir biçimli tekrarlamalı iletkenler veya TE modu taşıyan bilinen uzun bir TEM hattında açık uç uyumlu bir direnç ile sonlandırılmıştır. Şekil 3.9’da, Anten yapısındaki değişiklikle ana huzmenin yatay veya düşey konum arasında herhangi bir yönde oluş ması sağlanabilir.

Şekil 3.9. Mikroşerit Yürüyen Dalga Anten Geometrileri

3.3.2. Mikroşerit Yarıklı Antenler

Mikroşerit yarık antenleri Şekil 3.10 ‘da görüldüğü gibi toprak düzleminde herhangi bir biçimde olan ve bir mikroşerit hat ile beslenen bir yarıktan meydana gelir

Şekil 3.10. Mikroşerit yanklı antenler

3.4. Mikroşerit yama antenler

(Lee and Tong 2012) En basit şekliyle, bir Mikroşerit yama anteni, bir zemin düzlemine sahip olan diğer yüzey üzerinde bir dielektrik alt tabakanın bir tarafında yayılan bir yama içerir. Yama genellikle bakır veya altın gibi iletken bir malzemeden yapılır ve herhangi bir olası şekillendirirler. Işın yaması ve besleme hatları genellikle dielektrik alt tabaka üzerinde foto ile oyulmuşlardır. Bir mikroşerit yama anten (MPA), Şekil 3.11’de olduğu gibi diğer tarafta bir zemin düzlemi bulunan bir dielektrik substratın bir tarafında herhangi bir düzlemsel veya düzlemsel olmayan geometrinin iletken bir yamasından oluşur.

Şekil 3.11. Mikroşerit Yama Anteninin Yapısı (Balanis 1997)

Yarım yarı küre ışıma örüntüsünün yeterli olduğu, dar bantlı mikrodalga kablosuz bağlantılar için popüler bir düzlemsel rezonans antendir. Dikdörtgen ve yuvarlak yamalar temel ve en çok kullanılan mikro şerit antenlerdir. Bu yamalar en basit ve en zorlu uygulamalar için kullanılır. Dikdörtgen geometriler doğal olarak ayrılabilir ve bunların Analiz de basittir. Dairesel yama anteninin radyasyon deseninin simetrik olması avantajı vardır. Analiz ve performans tahminini basitleştirmek için yama genellikle Şekil 3.12'deki gibi kare, dikdörtgen, dairesel, üçgen olarak seçilir.

Şekil 3.12. Mikroşerit yama elemanlarının ortak şekiller (Balanis 1997)

Dikdörtgen bir yama için, yamanın uzunluğu L 0.3333 λ

Dielektrik alt tabakanın yüksekliği h genellikle 0.003 λ ≤ h ≤ 0.05λ'dır. Alt tabakanın dielektrik sabiti tipik olarak; 2.2 ≤ εr ≤ 12 aralığındadır. Mikroşerit yama antenleri, esas olarak, yama kenarı ile zemin düzlemi arasındaki saçılma alanları nedeniyle yayılır. İyi anten performansı için düşük dielektrik sabitine sahip kalın bir dielektrik substrat arzu edilir, çünkü bu daha iyi verimlilik, daha geniş bant genişliği ve daha iyi ışıma örüntüsü sağlar. Bununla birlikte, böyle bir konfigürasyon daha büyük bir anten boyutuna neden olur. Kompakt bir Mikroşerit yama anteni tasarlamak için, daha az verimlilik ve daha dar bant genişliği ile sonuçlanacak daha yüksek dielektrik sabitler kullanılabilir. Bu nedenle, anten boyutları ve anten performansı arasında bir ara nokta tespit edilmesi gerekir.

3.5. Mikroşerit Antenin Temel Özellikleri

(Lee and Tong 2012) Mikro şerit veya yama antenler, diğer antenlere göre bir takım avantajlara sahip olan düşük profilli bir antendir. Hafif, ucuz ve bağlantılı elektronik devrelerle entegre edilmesi kolaydır. Mikroşerit anten Şekil 3.13’teki gibi 3 boyutlu yapıda olabilir (Örneğin bir nesnenin etrafına sarılabilir). Mikroşerit antenda elemanlar genellikle düz olmasından dolayısıyla düzlemsel anten olarak da adlandırılmaktadır. Düzlemsel bir anten, her zaman bir yama anten olmayabilir. Şekil 3.13, (Lee and Tong 2012) Zemin düzlemi üzerinde düz bir plaka (genellikle bir PC kartı) biçimindeki yama anteni göstermektedir. Koaksın merkez iletkeni yamaya ve / veya dışarıdaki elektromanyetik enerjiyi birleştirmek için besleme probu görevi görür. Temel modunda uyarılan dikdörtgen bir parçanın elektrik alan dağılımı da belirtilmiştir. Elektrik alanı yamanın merkezinde sıfır, bir tarafta maksimum (pozitif), karşı tarafta ise minimumdur (negatif). Uygulanan sinyalin anlık fazına göre minimum ve maksimum sürekli değişen elektrik alandan bahsedilebilir. Elektrik alanı, yamanın çevresindeki boşlukta olduğu gibi aniden durmaz; Daha ziyade plaketi dış çerçeveyi bir miktar uzatır. Bu alan uzantıları saçak alanları olarak bilinir ve yamanın yayılmasına neden olur. Yama antenleri için bazı popüler analitik modelleme teknikleri bu sızdıran kavite kavramına dayanır. İlgilenilen alan bileşenleri şunlardır: x ve y eksenleri zemin düzlemine paralel ve z ekseni dikey olan bir kartezyen koordinat sistemi kullanarak z yönündeki elektrik alanı ve x ve y yönündeki manyetik alan bileşenleri. Elektrik alanı değişiminin z ekseni bakımından önemsiz olduğu düşünülür ve z değeri çoğunlukla ihmal edilmektedir. Y yönündeki alan değişimi (empedans genişlik yönü) önemsizdir. Alanın x yönünde (rezonans uzunluğu yönü) bir minimum ile maksimum arasında değişime sahip olması nedeniyle, temel mod 1'dir. En düşük mod TM10 olarak tanımlanır. (Orban and Moernaut 2009)

Şekil 3.13. Yama antenin basit yapısı 31

3.6. Mikroşerit Anten Uygulamaları

Mikroşerit yama antenleri, performansı ve sağlam tasarımı, imalatı ve kapsamı ile yaygın kullanıma sahiptir. Mikroşerit yama anteninin avantajları tasarımları, hafifliği vb. Mikroşerit antenler, pek çok üstünlüğ sayesinde; tıbbi uygulamalar, uydular ve Roket, uçak füzeleri vb askeri sistemlerde kullanılabilmektedir. Mikroşerit antenlerin kullanımı tüm alanlarda yaygınlaşmaktadır. Düşük maliyetli substrat malzemesi ve imalat nedeniyle ticari boyutta oldukça yayın kullanılmaktadır. Ayrıca, yama antenlerinin geniş bir yelpazede artan bir şekilde kullanılması nedeniyle, maksimum anten uygulamaları için konvansiyonel antenlerin kullanımını da alması beklenmektedir. Mikroşerit yama anteni çeşitli uygulamalara sahiptir. Bu uygulamalaradan bazıları (Sainati 1996; Kraus and Marhefka 2002; Balanis 2016) aşağıda tanıtılmıştır.

3.6.1. Mobil Ve Uydu İletişimi Uygulamaları

(Densmore and Huang 1991) Mobil iletişim küçük, düşük maliyetli, düşük profilli anten gerektirir. Mikroşerit yama antenler tüm bu gereksinimleri karşılar ve çeşitli mikroşerit antenleri mobil iletişim sistemlerinde kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Uydu iletişimi durumunda dairesel olarak polarize radyasyon kalıpları gereklidir ve bunlar bir veya iki besleme noktalı kare veya yuvarlak yama kullanılarak gerçekleştirilebilir.

3.6.2. GPS (Küresel Konumlandırma Sistemi) Uygulamaları

Günümüzde GPS için yüksek yoğunluğa sahip, sinterlenmiş materyali olan alt tabana sahip mikro şerit yama antenleri kullanılmaktadır. Bu antenler konumlandırma nedeniyle dairesel polarize ile çalışmakta, çok kompakt ve oldukça pahalıdır. Milyonlarca GPS alıcısının kara araçları için ve genel halk tarafından yaygın olarak kullanılması beklenmektedir.

3.6.3. RFID Uygulamaları

(Ukkonen, Sydanheimo et al. 2005) RFID, mobil iletişim, lojistik, üretim, ulaşım ve sağlık gibi farklı alanlarda kullanmaktadır. RFID sistemi, genel olarak uygulama 32 alanlarına bağlı olarak 30 Hz ila 5.8 GHz frekansları kullanmaktadır. Temelde RFID sistemi bir etiket veya transponder ve bir alıcı-verici veya okuyucudan oluşmaktadır.

3.6.4. Radar Uygulamaları

(Pozar 1992) Radar, insanlar ve araçlar gibi hareketli hedefleri tespit etmek için kullanılabilir. Düşük profilli, hafif bir anten alt sistemi ister. Radarlar için Mikroşerit antenler ideal bir seçimdir. Fotolitografiye dayalı üretim teknolojisi, geleneksel antenlere kıyasla daha kısa sürede daha düşük bir maliyetle tekrarlanabilir performansa sahip mikro şerit anteninin seri üretilmesini sağlamaktadır.

3.6.5. Rectenna Uygulamaları

(Rasshofer, Thieme et al. 1998) Rektenna, mikrodalga enerjisini direkt olarak DC güce dönüştürmek için kullanılan, doğrultu özel bir anten türüdür. Rektenna, Anten, yüksek frekans filtresi, doğrultucu ve doğrultma sonrası filtre olmak üzere dört alt sistemin birleşimidir. Rezonans uygulamasında, uzun mesafe bağlantılarının taleplerini karşılamak için çok yüksek yönlendirme özelliklere sahip antenler tasarlamak gerekir. Bu uygulamalardaki amaç, rektennanın kaynağını kablosuz bağlantılar yoluyla uzun mesafeli olarak aktarmak için kullanmak olduğundan, bu yalnızca antenin elektrik boyutunu arttırarak gerçekleştirilebilir.

3.6.6. Teletıp Uygulamalar

Teletıp uygulamalar, takip edilmek istenilen kişinin, nabız, ekg, gibi tıbbi bilgilerini, kablosuz olarak bir merkeze veya yetkili kişiye ulaştırılması biçiminde özetlenebilir. Verilerin kablosuz aktarımı için mikroşerit antenler yaygın olarak kullanılmaktadır.

3.6.7. Tıbbı Tedavi Uygulamaları

Malign tümörlerin tedavisinde mikrodalga enerjisinin hiperterminin indüklenmesinde en etkili yol olduğu söylenmektedir. Bu amaç için kullanılacak özel radyatörün tasarımı, hafif olması, taşınması kolay ve dayanıklı olması gerekir. Salonen, P., (Garg 2001) Karmaşık besleme yapılı yüksek kazançlı dizi anten çalışmasında; mikroşerit 33 anten önermiştir. Mikroşerit radyatörün hipertermi indüklemesine yönelik ilk tasarımları, S bandında tasarlanan baskılı dipollere ve halka halkalara dayanıyordu. Daha sonra tasarım, L-bandındaki dairesel mikro şerit diske dayanıyordu. Enstrümanla devam eden basit bir işlem var; İki birleşmiş mikroşerit hatları, insan vücudundaki sıcaklığı ölçmek için kullanılan esnek bir ayırma ile ayrılmaktadır. 3.7. Anten Parametreleri:

Radyasyon paterni, empedans, VSWR, kazanç, BW, yönlilik, verimlilik ve kayıpları içeren antenler bir dizi elektriksel özellik ile karakterize edilir. Bu özellikler ayrıntılı olarak ele alınacaktır. (Balanis 2016)

3.7.1. Işıma Örüntüsü

Anten ışıma örüntüsü (deseni) anten radyasyon özelliklerinin pozisyonun bir fonksiyonu olarak grafik gösterimidir (küresel koordinatlar). Çoğu durumda, radyasyon modeli uzak alan bölgesi olarak tanımlanır ve Şekil 3.14 olduğu gibi koordinatlar (xyz) ile temsil edilir

Şekil 3.14. Işıma Örüntüsü

Mikroşerit anten için yama içindeki elektrik alanı E'nin yama ve zemin düzlemi için normal ve manyetik alan H'nin şerit kenarına paralel olduğunu kabul edilebilir. Baskın mod için dikdörtgen bir yama anteninin kutuplaşması doğrusaldır ve yama boyutları boyunca yönlendirilmiştir. (Garg 2001; Balanis 2016) 34

3.7.2. Verim

Mikroşerit yama anteni için Verimlilik, mikro şerit elemanından yayılan enerjinin, elemanın girişindeki güce bölünmesi olarak tanımlanabilir Verimlilik denklem (3.7) deki gibi tanımlanabilir.

e = prad/pin (3.7)

Prad: Toplam ışıyan güç Pin: Giriş terminalinde güç

Verimlilik, eşitlik 3.8 deki gibi Q kalite faktörü açısından da ifade edilebilir. (Balanis 2016), (Garg 2001)

1/푄푟푎푑 푄푡 eff = = (3.8) 1/푟 푄푟푎푑

Q t: toplam kalite faktörü Q rad: ışınım (uzay dalgası) kayıplarına bağlı kalite faktörü

İletken kaybı, güç yansıtılan (VSWR), çapraz kutuplanmış, kayıp ve elemanın herhangi bir yükünde dağılan güç) verimliliği etkileyen faktörlerdir. Çoğu mikro şerit antenin verimliliği% 80 ila% 90 arasındadır. Çok ince bir anten için h<< λ0, t << λ0 Kalite faktörünü hesaplamak için yaklaşık formül (3.9, 3.10, 3.11)’de verilmiştir. (Balanis 2016)

Qc=h√푓휎휋휇 (3.9)

1 Qd = (3.10) 푡푎푛휎

2푤휀푟 Q rad = (3.11) ℎ퐺/퐿

Tan δ: alt tabakanın kayıp tanjantı. r: İletkenlerin iletkenliği. 35

Gt / L: birim uzunluğa göre toplam iletkenlik

3.7.3. Kazanç

Yönlendirme kazancı (IEEE Std 145-1983'e göre) "belirli bir yöndeki radyasyon yoğunluğunun denklem (3.12) ile elde edilecek radyasyon yoğunluğuna oranıdır.

푟푎푑𝑖푎푡𝑖표푛 𝑖푛푡푒푛푠𝑖푡푦 푢(휃,훷) Gain= 4휋 = 4휋 (3.12) 푡표푡푎푙 𝑖푛 푝푢푡 푝표푤푒푟 푝𝑖푛

Diğer anten tarafından alınan güç, izotropik olursa antenin doğrultusunda, denklem (3.13) ile kazanç ifadesini elde edebiliriz,

G=e D (3.13) e : antenin verimliliği D: Yönlülük

Kazanç her zaman yönlendirmeden daha azdır çünkü verimlilik 0 ve 1 arasındadır. Yönlülük, substrat kalınlığı h ve yama genişliği W ile artmaktadır. Buna karşılık, hüzme genişliğinin h ve w arttıkça azalması beklenmektedir (Lo and Lee 2012)

3.7.4. Yönlülük

IEEE Standart 145-1983'e göre: "Yönlendirici (bir antenin) (Verilen bir yöndeki radyasyon yoğunluğunun (Radyasyon Yoğunluğu) antenin tüm yönlerine göre ortalama radyasyon yoğunluğuna oranıdır. Radyasyon yoğunluğu, antenin radyasyon yoğunluğunun 4π'ye bölünmesiyle elde edilen toplam enerjiye eşit olduğunu unutulmamalıdır. Yönlülük ifadesi denklem (3.14) ile tanımlanmıştır.

1/2픎(퐸휃Ҥ훹−퐸훹Ҥ휃)(휃−0) D = 푃푟푎푑/4휋 (3.14) f|₀= 120π Prad: Toplam ışıyan güç

Bir mikro şerit yama anteninin yönlendirmesi D denklem (3.15) tarafından verildiği gibidir. (Balanis 2016) .Burada Θ = 0 olduğuna dikkat edilmelidir.

4(퐾0푊)² D≈ (3.15) 휋휂 퐺푟푎푑

3.7.5. Kutuplanma

Polarizasyon, anlık elektrik alanını temsil eden vektör tarafından izlenen eğridir. Alan, yayılma yönünde gözlemlenmelidir. Polarizasyon doğrusal, dairesel veya eliptik olarak sınıflandırılır.

Eliptik kutuplanmanın özel bir biçimi olan dairesel kutuplanmada (CP) genel olarak, elektrik alan büyüklüğü sabittir ve yuvarlak hareketle dönme yönü oluşur. Dönme yönüne göre iki farklı dairesel kutuplanma mevcuttur. (LHCP ve RHCP)

Dikey ve yatay bileşen arasındaki faz farkına bağlı olarak elektrik alan salınımını ve yönlü dönüşü eliptik olarak kutuplandırabilme, her döngüde bir tam tur yapma ve iki durum RH (saat yönü) ve LH (saat yönünden) içerir.

Elektrik ve Manyetik alan ifadelerini anlamamıza yardımcı olacak Maxwell Denklemleri Eşitlik 3.16, 3.17, 3.18 ve 3.19’da verilmiştir.

∇ 햷 E = - J ω μ H (3.16) ∇햷H = (σ+Jωε) E (3.17) ∇·E= ρ/ε (3.18) ∇·H=0 (3.19)

Denklem (3.17) 'un çözümünden Denklem 3.20 elde edilir.

∇²E-γ²E=∇ (ρ/ ε) (3.20)

Denklem (3.20) Dalga Denklemi olarak bilinir ve bunun için pek çok olası çözüm vardır(3.21-a,3.21-b,3.21-c). (James and Hall 1989,Huang and Boyle 2008) Dalga denkleminin genel çözümü aşağıdaki gibi elde edilir:

E = E₀ 푒−𝑖휔푡 ∓ ᵞᶻ Ẋẑẋ (3.21-a) E = E₀푒−𝑖휔푡 ∓ ᵞᶻ βz (3.21-b) E = E ₀푒−𝑖휔푡 ∓ ᵞᶻẑ βz (3.21-c)

Şekil 3.15 teki gibi bir anten tarafından yayılan elektromanyetik dalga ele alınırsa, (3.22-a) ve (3.22-b) denklemlerindeki gibi Ex ve Ey iki bileşenli elektrik alana sahip olacağı görülecektir.

Ex = | Ex| cos (ωt –βz) (3.22-a) Ey = |Ex| cos (ωt- βz+φ) (3.22-b)

Şekil 3.15. Elektromanyetik dalganın polarizasyonu

3.8. Empedans Eşleştirme

Çoğu mikrodalga uygulaması, 50Ω'luk bir giriş empedansı ile tasarlanmıştır; bu nedenle, antenin 50Ω ile eşleştirilmesi istenmektedir. Mikroşerit yama antenin eşdeğeri, Şekil 3.16’daki gibi; girişi Y olan paralel eşdeğer bir devre alınabilir.

Şekil 3.16Dikdörtgen yama ve onun iletim modeli eşdeğeri

3.8.1. Yansıma kaybı

(Azaro, Debiasi et al. 2009)Yansıma katsayısı, VSWR oranına benzer bir özelliktir. Bu özellik, aktarım gücünün miktarını gösterir. Herhangi bir yansıma olmadan yüke, dönüş kaybını denklem (3.23) ile ifade etmek mümkündür

RL=-20log | Γ| (3.23)

Dönüş kaybı, bir anten test edilirken önemli parametrelerden biridir. Empedansa bağlı eşleme ve maksimum güç aktarımı teorisine göre yük ile iletim hattının empedansı uyumlu olmalıdır, Yansıma kaybı aynı zamanda, antenin kaynağından antene iletilmesi için etkinliğinin bir ölçüsüdür. Anten ve verici iyi eşleştiğinde Γ=0, RL=-∞ olacaktır. Diğer yandan eğer (Γ = 1, RL = 0dB) durumunda, gelen tüm enerjinin yansıdığı ve hiçbir enerjinin yayılmadığı anlamına gelir.

3.8.2. Duran Dalga Oranı (SWR)

(Balanis 2016)Duran dalga oranı; iletim hattı boyunca en yüksek ve en düşük voltaj arasındaki oran olarak tanımlanmaktadır. Bu, antenin giriş direncinin iletim hattının direnciyle eşleştirilmesinin bir göstergesidir ve (3.24,3.25) denklemlerine göre hesaplanır.

1+|ɼ훤| swr = (3.24) 1−|ɼ훤|

푧푙표푎푑−푧표 훤|ɼ| = (3.25) 푧푙표푎푑+푧표

3.8.3. Bant Genişliği (BW)

Duran dalga oranının -10 dB’den düşük olduğu frekans aralığı, antenin etkili şekilde çalışabildiği bölge olarak kabul edilir. Ticari anten tasarımlarında anten bant genişliği, duran dalga oranının 1.5:1 sınırını aşmadığı aralık olarak da alınmaktadır. Bant genişliği, etkili çalışılan frekans aralığının merkez frekansa oranı olarak denklem (3.26) daki gibi yüzdesel biçimde ifade edilir.

BW=fmax-fmin /f0*100% (3.26) fmax: Maksimum frekans fmin: Minimum frekans, f0: Toplam ışıyan güç

3.9. İmalat İşlemi

Mikro şerit devrelerinin imalinde kullanılan genel işlem basamakları şu aşamalardan oluşur:  Devre hazırlığı  Yüzey hazırlığı  Fotolitografi  Her aşamadan sonra mikroskopik muayene  Aktif ve pasif eleman montajı  Elektriksel testler

3.10. Mikroşerit Antenin Avantaj ve Dezavantajları

(Pozar and Schaubert 1995; Balanis 2016). Mikroşerit yama antenleri, düşük profil yapısından dolayı kablosuz uygulamalarda popülerlik kazanmaya başladı. Kumar ve Ray tarafından ele alınan başlıca avantajlarından bazıları aşağıda verilmiştir: a) Hafifliği, küçük hacimli olması.

40 b) Düşük üretim maliyeti. c) Düzlemsel biçimliliği nedeniyle kullanışlı olması, d) Çok ince biçimli yapılabilmesi nedeniyle uzay araçla rının aerodinamik yapısını bozmazlar. e) Bu tip antenler güdümlü mermiler, roketler ve uydular üzerine önemli değişikliklere neden olmaksızın yerleş tirilebilirler. f) Düşük saçılma ara kesitine (scattering cross sec tion) sahiptirler. g) Besleme konumundaki ufak değişikliklerle doğrusal ve dairesel kutuplanmış ışıma yapabilirler. h) İkili frekans antenlerinin kolaylıkla yapılabilir olması, i) Osilator, yükselteç, değişken zayıflatıcılar, anahtar lar, modulatörler, karıştırıcılar, faz değiştiricileri v.s. gibi katıhal araçları mikroşerit antenlerin alt taşına ilave edilerek, bileşik sistemler geliştirilebilir. j) Besleyici hatları ve uyumlandırma devreleri, antenle birlikte aynı zamanda üretilebilir biçimdedir.

Mikroşerit antenlerin yukarıdaki üstünlüklerinin yanı sıra bazı dezavantajları da şöyle sıralanabilir;  a) Dar band genişliği.  b) Çeşitli kayıplar sonucu; düşük kazançlı olmaları.  c) Mikroşerit antenlerin çoğu yarı düzlem içinde ışırlar.  d) 20 dB olan en üst kazancın elde edilmesinde pratik güçlükler olması.  e) Düşük endfire ışıma performansı.  f) Besleyici ve ışıma elemanı arasındaki zayıf yalıtım.  g) Yüzey dalgaları uyarımının mümkün olabilmesi,  h) Düşük güç kapasitesi olması. (Kumar and Ray 2003)

Çizelge 3.1. ‘de Yama antenin avantajları ve dezavantajları sunulmuştur.

Çizelge 3.1. Yama Anten özellik Karşılaştırma NO Avantaj Dezavantajları 1 Düşük ağırlık Az etki 2 Düşük profil Az kazanç Dizilerin besleme yapısındaki 3 Zayıf profil büyük omik kayıp 4 Gerekli boşluk desteği yok Düşük güç taşıma kapasitesi Doğrusal ve sirkülasyon 5 Yüzey dalgalarının uyarımı polarizasyonu Çift ve üçlü frekans çalışması Polarizasyon saflığına ulaşmak 6 yapabilir zordur Besleme hatları ve eşleme 7 Karmaşık besleme yapısı Şebeke aynı anda imal edilebilir

3.11. Mikroşerit Anten Besleme Teknikleri

Mikroşerit antenlerin beslemesi için farklı teknikler mevcuttur. Temel olarak temaslı ve temassız besleme olarak iki sınıfta incelenirler. Temaslı yöntemde, kaynaktan alınan güç ışıma yapan yamaya doğrudan tema eden bir yapı ile iletilir. Temassız yöntemde ise güç besleme hattı arasındaki elektromanyetik kuplaj ile gerçekleşir. Bu yöntemlerden en popüler dört tanesi; mikroşerit hat ile, koaksiyel hat ile, açıklık (aperture) kuplajlı ve yakınlık (proximity) kuplajlı beslemedir. Kolay üretim teknikleri nedeniyle, temaslı besleme yöntemleri (mikroşerit hat, koaksiyel hat) daha çok tercih edilmektedir. Yayılım (propagasyon), besleme devresinden ayrı tutulduğu için bu yöntemlerin avantajlarını içerir. Besleme hattı ve anten arasında genellikle bir empedans uyumlandırmaya gereksinim duyulur, çünkü anten giriş empedansı, alışılmış 50Ω’luk hat karakteristik empedansından farklıdır (ZA ve ZY tam uyumlu olursa yansıma sabiti 0 olur). Empedans uyumlandırma, besleme hattının yerinin uygun şekilde seçilmesiyle yapılabilir. Ayrıca besleme hattının yeri, antenin polarizasyonunu da belirler. Mikroşerit ve koaksiyel beslemeler için, Green fonksiyonu tekniği, besleme yerinin etkisinin hesaplanması için kullanılabilir.

3.11.1. Mikroşeri hat beslemesi

Bu besleme yöntemi oldukça kolaydır, Anten ve besleme yapısı Şekil 3.17 ‘de görülmektedir (Alsager 2011)

Şekil 3.17. Mikro şerit hat Beslemesi

50Ω mikro şerit beslemesinin genişliği aşağıdaki denklem (3.27) kullanılarak (Huang and Boyle 2008; Alsager 2011) bulunabilir 42

120 휋 Z0 = (3.27) 푤 2 푤 √ℇ푒푓푓(1.393+ + ln( +1.4444)) ℎ 3 ℎ

Burada z₀= 50Ω için Şeridin uzunluğu eşitlik (3.28) 'den bulunabilir

휋 Rin(x=0)= cos( xo) (3.28) 2

3.11.2. Koaksiyel Besleme

Koaksiyel besleme veya prob beslemesi, Mikroşerit yama antenlerini beslemek için kullanılan çok yaygın bir tekniktir. Koaksiyel besleme, koaksiyalin iç iletkeni antenin radyasyon bandına bağlandığı besleme yöntemidir, dış iletken Şekil 3.18’de gösterilen toprak düzlemine bağlanmaktadır.

Şekil 3.18. Prob beslemeli Dikdörtgen Mikroşerit Yama Anten

Bu tip besleme şemasının temel avantajı, beslemenin giriş empedansı ile uyuşması için yamanın yama içindeki istenilen herhangi bir yere yerleştirilebilmesidir. Bu besleme yöntemi, üretilmesi kolaydır ve düşük sahte radyasyona sahiptir. Bununla birlikte, büyük dezavantajı dar bant genişliği sağlamak ve modelden zordur çünkü alt katmana bir delik açılmalı ve konektör toprak düzleminin dışına çıkıntı yapmaktadır. Ayrıca,

43 daha kalın substratlar için artan prob uzunluğu, giriş empedansını daha endüktif hale getirir ve eşleştirme problemlerine yol (Balanis 2016). Yukarıda, geniş bant genişliği sağlayan kalın bir dielektrik alt tabaka için mikro şerit hattı beslemesi ve koaksiyel besleme çok sayıda dezavantaja sahiptir. Aşağıda tartışılan temassız besleme teknikleri bu sorunları çözmektedir.

3.11.3. Açıklık Bağlantı Besleme

Diyafram bağlantısı, bir zemin düzlemi ile ayrılmış iki farklı alt tabakadan oluşur. Alt alt tabakanın alt tarafında enerjisi, şekil 3.19 'da gösterilen iki alt tabakayı birbirinden ayıran zemin düzlemindeki bir yuvadan yama birleştirilen bir mikro şerit besleme hattı vardır. Bu düzenleme, besleme mekanizmasının ve ışıma elemanının bağımsız optimizasyonuna olanak tanır. Normal olarak üstteki alt tabaka alt tabaka için kalın bir düşük dielektrik sabit substrat kullanır. Ortadaki zemin düzlemi, yayı radyasyon elementinden izole eder ve sahte radyasyonun model oluşumu ve polarizasyon saflığı için girişimini en aza indirir. Bu yapının avantajları; besleme mekanizması elemandan bağımsız optimizasyon sağlamaktadır. (Garg 2001; Balanis 2016)

Şekil 3.19Diyafram bağlantılı besleme

3.12. Yaklaşım Bağlaşımlı Besleme

Bu tür besleme tekniğine elektromanyetik bağlanma düzeni denir, Şekil 3.20’da gösterildiği gibi iki dielektrik substrat, besleme hattı iki substrat arasındadır ve ışıma yaması üst substratın üstündedir. Bu besleme tekniğinin en büyük avantajı, sahte yayın radyasyonunu ortadan kaldırması ve yüksek düzeyde bant genişliği (% 13 gibi yüksek) sağlaması, mikro şerit yama anteninin kalınlığının genel olarak artmasıdır. Bu şema aynı zamanda iki farklı dielektrik ortam arasında, yama için diğeri de bireysel performansları optimize etmek için besleme hattı için seçenekler sunmaktadır.

Şekil 3.20. Proximity-coupled Besleme (Huang and Boyle 2008)

Eşleştirme, besleme hattının uzunluğunu ve yamanın genişlik hat oranını kontrol ederek başarılabilir. Bu besleme şemasının en büyük dezavantajı, doğru hizaya ihtiyaç duyan iki dielektrik tabakadan dolayı imalatı zor olmasıdır. Ayrıca, antenin toplam kalınlığında bir artış vardır

Mikroşerit antenler için besleme yöntemlerinin karşılaştırılması Çizelge 3.2.‘de verilmiştir. (Stutzman and Davis 1998)

Çizelge 2.2. Farklı Besleme Tekniklerinin Karşılaştırılması Mikroşerit Yakınlık Açıklık Yakınlık Özellikler hattı Birleştirilmiş Birleştirilmiş Birleştirilmiş besleme Besleme Besleme Besleme Sahte yayın Daha fazla Daha fazla Daha az Minimum radyasyonu Lehimleme güvenilirlik Daha iyi nedeniyle iyi İyi zayıf Lehimleme Üretim Hizalama Hizalama Kolay ve delme kolaylığı gerekli gerekli gerekli Empedans Kolay Kolay Kolay Kolay eşleştirme Bant genişliği (empedans 2-5% 2-5% 2-5% 13% uyumu ile elde edilir)

3.13. Analiz Yöntemleri

Mikroşerit yama antenlerinin analizi için tercih edilen modeller iletim hattı modeli, boşluk modeli ve Tam dalga modelleridir. Tercih edilen analiz yöntemleri ise; moment metodu (MoM), sonlu elemanlar metodu (FEM), sonlu integral metodu (FIT). Modeller arasında en basit model; iletim hattı modelidir ve iyi bir fizik bilgi verir ancak doğruluğu düşüktür. Boşluk modeli daha doğrudur ve iyi bir fizik bilgi verir ancak oldukça karmaşıktır. Tam dalga modelleri son derece doğru, çok yönlüdür ve tek elemanlar, sonlu ve sonlu sıralar, istif elemanları, keyfi şekilli elemanlar ve kuplaj işleyebilir. Bu, yukarıda bahsedilen iki modelle karşılaştırıldığında daha az bilgi verir ve o oranda çok daha karmaşıktır (Balanis 2005)

3.13.1. İletim Hatt Modeli

Bu model, mikro şerit antenin uzunluğu L olan bir iletim hattı ile ayrılmış iki yarık genişliği W yüksekliğiyle temsil eder. Mikroşerit esasen iki dielektriğin homojen olmayan bir hattıdır. Şekil 3.21’de görüldüğü gibi tipik olarak plaket tabaka ve havadan ibarettir.

Şekil 3.21. BirMikroşeritÇizgi, Elektrik Alan Çizgileri

Dolayısıyla, Şekil (3.21-b) 'de görüldüğü gibi, elektrik alan çizgilerinin çoğu alt tabakada ve havadaki bazı hatların kısımlarında bulunur. Sonuç olarak, bu iletim hattı, hava ve alt tabakada faz hızları farklı olacağından, saf transvers elektromanyetik (TEM) transmisyon modunu destekleyemez. Bunun yerine, baskın olan propagasyon modu yarı TEM modu olacaktır. Dolayısıyla hattaki dalgalanma ve dalga yayılımını hesaba katmak için etkin bir dielektrik sabiti (εreff) elde edilmelidir. εreff değeri εr'den biraz daha düşüktür, çünkü periferin çevresindeki fringaing alanlar Yama dielektrik substrat ile sınırlı değildir, ancak yukarıdaki Şekil 3.21-b'de gösterildiği gibi havada da yayılır.

ℇreff Balanis tarafından verilen denkleme göre (3.29);

ℇ푟+1 ℇ푟−1 ℎ 0.5 ℇreff= + [1 + 12 ] ˉ (3.29) 2 2 푤

Biçimindedir. ℇreff = Etkili dielektrik sabiti ℇr = substratın dielektrik sabiti h = Dielektrik substratın yüksekliği w = Yamanın genişliği

Uzunluğu L, genişlik W yükseklikteki bir alt tabakaya dayanan dikdörtgen bir mikro şerit yama antenini gösteren Şekil 3.22 ele alınabilir. Koordinat ekseni, uzunluk x yönü boyunca, genişlik y yönünde ve yükseklik z yönünde olacak şekilde seçilir.

Şekil 3.22. Mikro şerit yama anteni

Temel TM10 modunda çalışabilmek için, yamanın uzunluğu λ/2'den biraz daha az olmalıdır, burada λ da dielektrik ortamdaki dalga boyudur ve λo/εreff'ye eşittir, burada λo serbest alan dalga boyudur. TM10 modu, alanın uzunluk boyunca bir λ / 2 devirde değiştiğini ve yamanın genişliği boyunca herhangi bir değişiklik olmadığını ifade eder. Mikro şerit yama anteni, uzunluğu L olan bir iletim hattı ile ayrılmış ve açık devre olan iki yuva ile temsil edilir Her iki ucunda da.(Behera 2007) Yamanın genişliği boyunca, açık uçlar nedeniyle voltaj maksimum ve akım minimum. Kenarlardaki alanlar, zemin düzlemine göre normal ve teğetsel bileşenler haline getirilebilir. Şekil 3.22’den görüleceği gibi, genişlik boyunca iki kenardaki elektrik alanının normal bileşenleri zıt yönlerdir ve bu nedenle faz dışıdır. Yama λ/2 uzunluğundadır ve dolayısıyla birbirlerini geniş yan doğrultuda iptal eder. Teğet bileşenleri Şekil 3.23-b'de faz halinde görülür, sonuçtaki alanların yapının yüzeyine normal maksimum radyasyonla alan vermesi anlamına gelir. Teğet bileşenleri. Bu nedenle, genişlik boyunca kenarlar, λ/2 olarak ayrılmış ve fazda uyarılan ve zemin düzleminin üzerindeki yarım boşlukta yayılan iki yayın yuvası olarak temsil edilebilir. Genişlik boyunca saçılan alanlar yayılan yivler olarak modellenebilir ve elektriksel olarak mikro şerit anteninin yaması fiziksel boyutlarından daha büyük görünür. Yamanın uzunluğu boyunca boyutları her iki uçta da ΔL uzatılmış ve Hammerstad(Hammer, Van Bouchaute et al. 1979) tarafından ampirik olarak denklem (3.30) ’te verilmiştir. 48

Şekil 3.23. a Anten Üstü Görünümü Anten Anteninin, -b Yan Görünümü

푤 (ℇ푟푒푓푓+0.3)( +0.264) ℎ ΔL = 0.41h 푤 (3.30) (ℇ푟푒푓푓−0.258)( +0.8) ℎ

ΔL=0.412h (3.31) tarafından ampirik olarak denklem (3.31) olarak verilmiştir.

Antenin toplam boyu (3.32) ie tespit edilebilir.

Leff = L + 2ΔL (3.32)

Leff'in efektif uzunluğu Leff = L + 2ΔL olur. Dikdörtgen bir mikro şerit yama anteni için, TM mod modu için rezonans frekansı(James and Hall 1989), denklem (3.33)‘de olduğu gibi;

푐 fr = (3.33) 2퐿√ℇ푟푒푓푓 bulunabilir.

3.13.2. Cavity modeli

Bir önceki bölümde tartışılan iletim hattı modeli kullanımı kolaydır, ancak bazı dezavantajları vardır. Özellikle, dikdörtgen tasarım yamaları için kullanışlıdır ve ışıma

49 kenarları boyunca alan değişikliklerini gözardı eder. Bu dezavantajlar boşluk modelini kullanarak aşılabilir. Bu modelin kısa bir özeti aşağıda verilmektedir. Bu modelde, dielektrik substratın iç bölgesi, üst ve alt elektrikli duvarlarla sınırlanmış bir boşluk olarak modellenmiştir. Bu varsayımın temeli, ince yüzeyler için aşağıdaki gözlemlerdir (h << λ) (Pues and Van de Capelle 1984). Yüzey ince olduğu için, iç bölgedeki alanlar z yönünde, yani yamaya normal olarak çok fazla değişmez. Elektrik alanı sadece z yöneltilmiş ve manyetik alan sadece yama metalizasyonu ve zemin düzlemi ile sınırlanan bölgede Hx ve Hy enine bileşenlerine sahiptir. Bu gözlem, üstteki ve alttaki elektrikli duvarları sağlar(Garg 2001)

Şekil 3.24. Mikroşerit yamasında yük dağılımı ve akım yoğunluğu oluşturma

Mikroşerit yama güç sağlandığında, yamanın üst ve alt yüzeylerinde ve gösterilen zemin düzleminin alt kısmında bir yük dağılımı görülür (Şekil 3.24). Bu yük dağılımı, Richards (Richards 1988) tarafından tartışılan çekici bir mekanizma ve arepulsif mekanizma olmak üzere iki mekanizma tarafından kontrol edilir. Boşluğun duvarları ve içinde bulunan malzeme kayıpsızdır, boşluk yaymaz ve giriş empedansı tamamen reaktif olur. Dolayısıyla, ışınım ve bir kayıp mekanizması hesaba katmak için bir radyasyon direnci Rr ve bir kayb direnci RL getirmelidir. Artık kayıplı bir boşluk bir anteni temsil eder ve kayıp, etkin kayma tanjantı δeff tarafından dikkate alınır ve eşitliği aşağıdaki gibi verilir (3.34),

훿 eff = 1/Qj (3.34)

Q T, dielektrikin kalite faktörünü temsil eder ve denklem(3.35) tarafından verilir(Stutzman and Davis 1998) 1 1 1 1 (3.35)    QT Qc Qd Qr

Qd yalıtkanın kalite faktörünün temsil eder ve aşağıdaki eşitlik (3.36), ile verilir.

푤푡 푊푇 1 Q d = = (3.36) 푃푑 푡푎푛훿

Wr : açısal rezonans frekansıdır Wt: yamada depolanan toplam enerjidir Pd: dielektrik kaybıdır Tan δ: dielektrikin kaybı teğetidir Qd: radyasyonun kalite faktörünü temsil eder ve denklem (3.37) tarafından verilir Denklemde verildiği gibi,

Qd=h/훥 (3.37) h: alt tabakanın yüksekliğidir Böylece, yukarıdaki denklem, mikro şerit yama anteninin toplam etkin kayıp tanjantını tanımlamaktadır(Jain and Brown 1997)

4. ARAŞTIRMA BULGULARI

4.1. Dört PIN Diyot kullanarak yenidendüzenlenebilir anten Tasarımı

Hazırlanan çalışmada, klasik mikroşerit yama antenin, toprak düzlemine yerleştirilen 4 adet PIN diyotların; üzerlerine uygulanan gerilimim yönü değiştirilerek; iletim durumları değiştirilerek, frekansı yeniden düzenlenebilir mikroşerit yama anten gerçeklenmiştir. PIN diyot olarak BAP65’ diyodu tercih edilmiştir. Tasarlanan antende kullanılan 4 adet PIN diyotların, her birinin iletimde ve kesimde olmasına göre,16 farklı durum ortaya çıkmaktadır. Kontrol noktasından, antene DC sinyalin geçişini engellemek için; her bir kontrol noktası ile toprak düzlemi arasına 1’er pF’lık kondansatörler yerleştirimiştir. Tasarlanan antenin fiziksel boyutları, ANSOFT HFSS programı yardımıyla belirlenmiş ve dielektrik sabiti 4,4 olan; çift tarafı bakır kaplı FR4 kullanılarak gerçeklenmiştir. Antenin pasif durumu için; netwörk analizör ve spektrum analizör ile ayrı ayrı ölçümler alınmış ve ölçüm sonuçları, benzetim sonuçları ile 1.5GHz-3.5GHz aralığı için karşılaştırılmıştır. Sonuçların birbiriyle tutarlı olduğu gözlenmiştir.

Antenin aktif durumundaki 16 farklı durumdaki yansıma kaybı, yönlü kuplör yardımıyla spektrum analizör ile ölçülmüş ve benzetim sonuçları ile yine 1.5GHz- 3.5GHz aralığı için karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonuçlarına göre; benzetim ve ölçüm sonuçlarının yapısal olarak birbiriyle uyumlu olduğu gözlenmiştir.

Her bir durum için; antenin 2450 MHz için ışıma örüntüsü de benzetim programı ile edilmiş ve sunulmuştur.

Antenin çalışma band genişliği tespit edilirken, yansıma katsayısının -10dB’nin altında kaldığı bölgeler alınmıştır.

4.2. PIN Diyot

PIN diyotlar; küçük boyutları, düşük maliyetleri, düşük ekleme kaybı, makul yalıtım ve iyi anahtarlama özellikleri nedeniyle yeniden düzenlenebilir antenlerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bu çalışmada aktif anten gerçeklemede, RF PIN diyotu, yeniden yapılandırılabilir antenin ayarlanması için bir anahtar bileşeni olarak kullanılmıştır. Şekil 4.1’ de; kullanılan BAP65 PIN diyodun iletim ve kesimde olması durumuna göre oluşacak eşdeğer modelin; katalog bilgisi verilmiştir.

Şekil 4.1. PIN diyot a -on durumunun, b-off durumunun eşdeğer devresi

PIN diyodu, mikrodalga frekanslarda değişken bir direnç olarak çalışan yarı iletken bir anahtarlama elemanıdır. Anahtar, bir devrenin bağlantısını açıp kapatmak veya bir devre cihazının bağlantısını değiştirmek için elektrikli bir bileşen olarak tanımlanmaktadır (Doherty and Joos 1998). İdeal olarak, anahtarın fonksiyonu; açık durumunda akım geçişine sıfır direnç göstermesi istenirken, kapalı durumda sonsuz direnç göstermesi istenmektedir, Pin diyotun eşdeğer devresinin hem açık hem de Kapalı durumlarında bir Ls indüktansı bulunur. PIN diyodun, açık durumu için eşdeğer devre (ileri doğrultulmuş); ekleme kaybı olarak tanımlanan düşük bir Rs direncine sahiptir. Kapalı durumda ise eşdeğer devre (ters yöneltilmiş); ters yönde direnç RP ve toplam kapasitans CT'nin paralel bağlantısı mevcuttur. Bu yapı ise izolasyonu sağlamakadır. Tüm değerler; devre modelleri için üreticiler tarafından sağlanan tüm PIN diyotlarının kataloglarında bulunmaktadır. HFSS kullanarak gerçekleştirilen anten tasarımımızda; PIN diyot, açık durum için; tek seri direnç, olarak tanımlanmış. Kapalı durum da ise direnç kondansatör birleşim bağlantısı olarak modellenmiştir.

Kullanılan PIN diyodun açık ve kapalı durumlar için seçilen empedans değerleri tablo 4 'de gösterilmektedir. Simülasyon aşamasında, anten üzerine yerleştirilen PIN diyotların herbirinin açık ve kapalı olmak üzere farklı durumlara göre etkileri incelenmiştir. Sistemde 4 PIN diyot bulunduğu için onaltı farklı durum ortaya çıkmaktadır.

Çizelge 3.1. PIN Diyot değerleri Parametre PIN diyot durumu C(F) R(Ω) on - 1 Ω off 0.5 pF 10 kΩ

4.3. Önerilen Anten Tasarımı

Bu bölümde, antenin tasarımı ve geometrisi açıklanmaktadır. Mikroşerit yama antenin ön yüzüne ait benzetim prototipinin şeması Şekil 4.2 gösterilmektedir. Arka yüz geometrisi ise şekil 4.3’te görülmektedir.

Şekil 4.2. Tasarlanan Antenin Ön Yüzü

Şekil 4.3. Tasarlanan Antenin Arka Yüzü

Anten, 4.4 dielektrik geçirgenlik değeri ve 0,02 tanjant kaybına sahip çift tarafı bakır kaplı bir FR-4 Epoksi alttaş tabakaya basılmıştır. Anten benzetimleri HFSS V13.0 programı ile yapılmıştır. Tasarım sonucunda anten 29.6 × 29.7 mm² ‘lik bir alana sığdırılmıştır. Alttaş tabaka olarak, piyasada kolay ulaşabilen, kalınlığı 1.6 mm olan standart FR4 olarak belirlenmiştir. Antenin besleme hattı 50Ω'luk bir kaynak ile uyarılmıştır.

Tasarlanan antenin toprak düzlemine ait geometri ve boyutları ifade parametrelerin tanımlandığı çizim şekil 4.4 te verilmiştir. Fiziksel boyut parametrelerin tanımlandığı değerler Çizelge 4.2.'de verilmiştir.

Şekil 4.4 Tasarlanan AnteninFiziksel Boyut Paramatreleri

Çizelge 4.2. Tasarlanan antenin boyut parametre değerleri Parametre x y a b c w p Değer (mm) 49.7 50.9 29.6 29.7 21.6 4.4 1.3 Parametre k r o d l n m Değer (mm) 19.8 4.6 3.1 15.07 20.95 4.67 2.07

PIN diyotların bulunduğu kontrol noktasına uygulanan gerilim değerine göre, PIN diyodun elektriksel özelliği değişmekte ve anahtarlama elemanı olarak kullanılabilmektedir. Hazırlanan tasarımda 4 adet PIN diyot kullanıldığı için 16 farklı durum ortaya çıkmaktadır. Ortaya çıkan her bir durum, PIN diyodun açık veya kapalı olması durumu göz önünde bulundurularak 16 farklı mod tanımlanmıştır. Mod içindeki 0 terimi; PIN diyodun kapalı, 1 terimi ise açık olduğunu ifade etmektedir. Tüm modları tanımlayan bilgi, Çizelge 4.3.’de verilmiştir. 55

Çizelge 4.3. Diyot Durumlarına Göre modlar

MOD Diyot 1 Diyot 2 Diyot 3 Diyot 4 0000 off off off off 0001 off off off on 0010 off off on off 0011 off off on on 0100 off on on on 0101 on off off off 0110 off on on off 0111 off on on on 1000 on off off off 1001 on off off on 1010 on off on off 1011 on off on on 1100 on on off off 1101 on on off on 1110 on on on off 1111 on on on on

HFSS programında belirlenen fiziksel boyutlara göre anten imalatı gerçekleştirilimiştir. Gerçeklenen antenin ön yüz görüntüsü Şekil 4.5’te görülmektedir.

Şekil 4.5. İmal Edilen AnteninÖn Yüz Görüntüsü

Yeniden düzenlenebilirlik özelliğini kazandıran PIN diyot, sabit kondansatör ve kontrol noktasının bulunduğu antenin arka yüz görüntüsü, şekil 4.6’da görülmektedir.

Şekil 4.6 İmal Edilen Antenin Arka Yüz Görüntüsü

4.4. Simülasyon Ve Ölçüm Sonuçları

Şekil 4.5 ve şekil 4.6’da gerçeklenmiş hali görülen anten, aktif beslemeli ölçümden önce hiçbir malzeme monte edilmeden network analizör ve spektrum analizör ile ayrı ayrı ölçülmüş ve bu sonuçlar benzetim sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Aktif ölçümler Rohde Schwarz FSH 6 spektrum analizör ile gerçeklenmiştir. Rohde Schwarz FSH 6 spektrum analizör 100kHz ile 6 GHz arasında ölçüm yapabilme kabiliyetine sahiptir. S11 ölçümü için arada yönlü kuplör kullanılmıştır.

Kullanılan spektrum analizörün resmi şekil 4.7 de verilmiştir. Spektrum analizör ile ölçülen değerler bir arayüz bilgisayara kaydedilmiştir.

Şekil 4.7. Spektrum analizör cihazı PIN diyot ve kondansatörer monte edilmeden elde pasif yapıdaki antenin karşılaştırmalı ölçüm sonuçları şekil 4.8’te verilmiştir. Pasif antenin ışıma örüntüsü ise şekil 4.9’da verilmiştir.

Pasif Anten 0

-10 Sim

S11 S11 (dB) -20 Ölçüm 1 SA Ölçüm 2 VNA -30 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 3,5 Frekans (GHz)

Şekil 4.8. Pasif Anten için Karşılaştırmalı Ölçüm ve Simülasyon Sonuçları 58

Şekil 4.9. Pasif Anten için IşımaÖrüntüsü

Tasarlanan antenin pasif durumu için ölçümlerin tamamlanmasından sonra, antenin toprak düzlemine; anahtarlama işlevi görecek olan PIN diyot, PIN diyodun kontrolü sırasında uygulanacak DC sinyalin RF sinyal ile karışmasını engelleyecek kondansatörler ve kontrol kabloları bağlanmıştır.

Gereken montajın yapılması ile daha önce Tablo 6 da tanımlanan durumlara göre kontrol noktasına gerilim uygulanmış ve her bir durum için ölçümler alınıp kaydedilmiştir. Şekil 4.10 ile şekil 4.31 arasında; her bir mod için, frekansa göre S11 değişimi ve 3 boyutlu ışıma örüntüleri grafikleri verilmiştir.

M0000 0

-10

Sim S11 S11 (dB) -20 Ölçüm