Design of microstrip patch antennas for 5G mobile communication systems

Abstract

IoT'ye adapte olma sürecinde, internete bağlı insanların ve cihazların sayısındaki artış sebebiyle mobil iletişim sistemlerine talep yoğun bir şekilde artmaktadır. Bununla beraber, spektrumun sınırlı oluşu nedeniyle bu talep ancak elimizdeki spektrumun verimli kullanımıyla çözülebilir. Bu yüzden, bugün kullandığımız spektrumun yüksek frekanslara kayışı, yüksek data kapasitesi ve düşük gecikme özellikleri sebebiyle milimetrik dalga spektrumun kullanımını beraberinde getirmektedir. Bu tezde, üç farklı anten dizaynı önerilmektedir. Tüm tasarımlar önce birim hücre olarak tasarlanmış ve ardından sıralı olarak düzenlenmişlerdir. Tezde önerilen çift bantta çalışan anten ile hem Wi-Fi sistemler için hem de 5G'ye geçiş fazında ara bant olarak kullanılması planlanan 3.5 GHz bandını kapsamasıyla mobil iletişim sistemleri için katkı sağlanması amaçlanmıştır. Diğer birim hücre tasarımı için çembersel dipol anten tasarımı seçilmiştir. Bu anten de yine 3.5 GHz bandını kapsamasının yanı sıra, 5.8 GHz WiFi bandında da çalışan geniş bantlı bir tasarımdır. Bu birim hücre tasarımlarını iki elemanlı iki girişli tasarıma dönüştürerek çoklu girişli sıralı anten dizaynları gerçekleştirilmiştir. Bu anten tasarımlarıyla IoT sistemlerde ışınımın akıllı kontrolü uygulamarında yer bulunması amaçlanmıştır. Çoklu girişli sistemlerin mobil teknolojilerde bir çok alanda kullanımı vardır. Girişlere faz farkı uygulayarak ışınımın istenilen açılarda döndürülmesi, bu çalışmanın devamı olarak gerçekleştirilmesi planlanlanan çalışmalardandır. 5G'nin en önemli aşamalarından biri olarak, milimetre-dalga spektrumu için uygun komponent tasarımlarının gerçekleştirilmesi söylenebilir. Bu doğrultuda tezde K_a bantta çalışan bir birim hücre tasarımına yer verilmiştir. Milimetre-dalga boyu için antenlerin boyutu oldukça küçülmektedir. Ayrıca, bu tasarımların üretiminden ölçüm sürecine kadar günümüz temel teknolojisinde kullandığımız cihazlardan daha hassas sistemler gerekmektedir. Bunun en büyük nedeni ise yüksek frekansta çalışan antenin sahip olduğu elektromanyetik dalga boyunun çevresel etkilerden dolayı ortamda gücünü hızla kaybetmesidir.İlk olarak, çift bantt çalışan Quasi-Yagi anten tipi refereans dizayn olarak ele alınmıştır. Anten, 2.4 Wi-Fi bandında her yönlü ışıma gösterirken, 3.5 GHz 5G mobil iletişim bandında yönlü ışıma göstermektedir. Sıralı anten tasarımları antenin yönlülük ve kazamç özelliklerini iyileştirirken, saçılma parametresi değerlerini de korumak ve iyileştirmek üzere tasarlanmışlardır. Bu tasarım için kazanç düşük freakans için 1.3 dB, yüksek frekans için 5.2 dB olarak belirlenmiştir. Eşleşme değerleri ise her iki freakans için -15 dB altındadır. Birinci sıralı anten tasarımında iki hücreli iki girişli tasarım gerçekleştirilmiştir. Burda kazanç değeri 4.9 dB ve 8 dB olarak düşük ve yüksek freakns bantları için belirlenmiştir. Saçılma parametresi yani eşleşme değerleri de -15 dB değerinin altındadır. İkili girişli tasarımlarda her iki girişin birbiriyle olan etkilişimini gösteren S_21 değerleri de çalışılmıştır. Bu değerin -20 dB ve üzerinde olması beklenirken, çalışılan tasarımda bu gereklilik de sağlanmıştır. Quasi-Yagi anten tipi için uygulanan dört elemanlı tasarım için iki giriş konumlandırılmıştır ve bu girişler temel bir güç bölücü ile birleştirilmiştir. Bu tasarımda da, iki rezonans freakansunda 6.2 dB ve 8.3 dB kazanç değerleri elde edilmiş olup buna rağmen güç bölücü yalnızca 3.5 GHz bandı için çalışmaktadır. Birim hücre tasarımı ve iki hücreli sıralı anten tasarımları reflektör düzlem üzerinde simüle edilmiş ve bu sayede kazanç parametreleri iyileştirilmiştir. Birim hücre tasarımı için kazanç 2.3 GHz frekansında 1.3 dB değerinden 6.52 dB değerine; 3.5 GHz frekansında 5.8 dB değerinden 8.3 dB değerine çıkarılmıştır. Sonrasında, iki eleman içeren tasarımın reflektör düzlem üzerinde simülasyon çalışmaları yapılmıştır. Bu tasarımda da kazanç sırasıyla 2.3 GHz ve 3.5 GHz için, 4.9 dB değerinden 10.1 dB değerine, 8 dB değerinden 13.2 dB değerine çıkarılmıştır.Bir sonraki adımda tasarlanmış olan çoklu girişli Quasi-Yagi antenlerden dört hücreli antenin saçılma parametrelerinin iyileştirilmesi ve optimize edilmiş bir güç bölücü ile tasarlanması öngörülmektedir. Optimizasyonu başarılmış olan iki hücreli anten ve çoklu girişli anten tasarımları ile akıllı anten denemeleri yapılması planlanmaktadır.Çembersel dipol anten tasarımı da referans antenin geniş bantlı operasyon bandının yüksek frekansa kaydırılmasıyla hem 3.5 GHz hem de 5.8 GHz bandın kapsaması sağlanmıştır. Bu tasarımda bahsedilen frekans değerleri için kazanç değerleri sırasıyla 5 dB ve 3.7 dB oalrak gösterilmiştir. Tasarımın iki eleman ve iki giriş içeren formdaki simülasyon sonuçlarında, bahsedilen frekans değerleri için kazanç değerleri 6.0 dB ve 6.3 dB olarak belirlenmiştir.FR-4 malzemesi ile HFSS kullanılarak simülasyonu yapılmış Quasi-Yagi ve çembersel dipol antenlerinin üretimi de gerçekleştirilmiş ve değerler deneysel olarak ölçülmüştür. Üretim safhasında LPKF üretim tezgahı kullanılmıştır. Ölçümler için ise saçılma parametreleri Network Analyzer ile ölçülmüş olup, uzak alan radyasyon diyagramları yankısız odada ölçülmüş ve belirlenmiştir. Bu sonuçlar tezde ilgili bölümlerde sunulmuştur. Işıma diyagramlarında simülasyon sonuçları ile deneysel olarak ölçülen uzak alan ışıma diyagramları ana loblar açısından uyum içerisindedir. Bununla beraber arka ve yan loblarda bozulmuş bir grafik söz konusudur. Deneysel ölçümler, bir çok etkenden dolayı radyason diyagramlarında bozulmalara yol açabilmektedir. Ana diyagramlardaki uyum üretilmiş antenin simülasyon sonuçlarını destekler niteliktedir.Bu çalışmanın devamı olarak, sıralı çembersel dipol antenin dikey düzlemde de sıralanmış bir tasarımının dizayn edilmesi planlanmaktadır. Bu şekilde optimize edilecek antenin ışıma diyagramında meydana gelen yan lobları azaltması beklenmektedir. Birim hücre antenle yine çoklu girişli ve daha fazla sayıda birim hücre ile tasarlanmış sıralı anten tasarımları çalışılacaktır.Son olarak gerçekleştirilen tasarımda anten K_a bandında çalışmakta olup, bu bant 27-35 GHz frekans aralığına karşılık gelmektedir. Yüksek frekans antenlerin çevre faktörlerden kolayca etkilenmesi sebebiyle anten SMA konnektörü de modellenerek simüle edilmiş ve kıyaslama sonuçları ilgili bölümde sunulmuştur. Bir reflektör elementin tasarıma eklenmesiyle radyasyon yan loblarının elimine edilmesine çalışılmış ve kazanç ve yönlülüğün iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Simülasyon çalışmaları bu anten için CST programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Simulasyon sonuç ve grafikleri ilgili bölümde sunulmuş ve analiz edilmiştir.Gelecek çalışma olarak öncelikle K_a bandı birim hücre antenin özelliklerinin iyileştirilmesi amaçlanmaktadır. Birim hücrede istenilen frekans bandında verimli şekilde çalışan antenin çoklu elemanlı sıralı anten tasarımına uyarlanması için gerekli simülasyon çalışmaları gerçekleştirilecektir. Simüle edilen antenin üretimi ve deneysel olarak ölçülebilmesi için gereken substratlar temin edilecektir.

The number of connected people and devices getting rise as a result of IoT adoption causes an increased demand for mobile communication systems. However, the spectrum is limited and the problem should be solved by using the spectrum efficiently. Therefore, shifting the bands we use today to the high-frequency range brings up the usage of the millimeter-wave spectrum, for the reason that high data capacity and low latency properties of the spectrum. In the thesis, three different antenna designed has been proposed. The antennas firstly designed and simulated as a unit cell. Firstly, the Quasi-Yagi antenna with the dual-band feature has been presented as a reference design. The antenna operates in two different bands with two different radiation characteristics. In 2.4 GHz Wi-Fi band, the antenna has an omnidirectional pattern and for 3.5 GHz the radiation pattern is directive. In case of having more directive and increased gain antenna, the unit cell has antenna has been designed as an array with four-element and two inputs. By doing this, the gain is increased and the design is planned to be used for beamforming applications. The antenna designs have been fabricated and its matching properties and radiation patterns have been performed experimentally in an anechoic chamber. The simulated and experimental results have been represented in the corresponding chapters. The last design has been modeled to operate at the K_a band which covers the 27-35 GHz spectrum. The antenna has been studied by adding the geometry SMA component due to observing its effects. As the final step, a reflector element is added to the structure to eliminate the sidelobes of the radiation. The millimeter-wave antenna design will be studied as an array design for the beamforming applications as future work.As the next step, the optimization of matching parameters of the four-element design will be enhanced. The sidelobe reduction of the circular dipole design will be studied by adopting the design of a vertical array system. Ka-band unit cell antenna design will be optimized and fabricated. The prototypes of the antennas will be measured experimentally. The experimental results of the studied antennas will be presented.